CN102165162B - 用于增压燃烧发动机的低温冷却系统中的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增压燃烧发动机(2)的装置。所述装置包括带有冷却剂的低温冷却系统、适于使冷却剂在冷却系统中循环的冷却剂泵(27)、以及包含水蒸汽的气态介质在其中预定为被冷却系统的冷却剂冷却的冷却器(10、15)。所述装置还包括至少一个传感器(33、35)和一个控制单元(31)，其中传感器(33、35)适于检测表示气态介质是否被冷却到在冷却器(10、15)中存在结冰或存在结冰的风险的程度的参数，所述控制单元(31)适于从传感器(33、35)接收信息和确定在冷却器(10、15)中是否存在结冰或结冰的风险，并且如果存在的话，就以冷却剂泵被暂时关闭或使冷却剂的相对于常规流量减小的流量循环通过冷却器(10、15)的方式控制冷却剂泵。

Description

用于增压燃烧发动机的低温冷却系统中的装置

技术领域

本发明涉及一种用于增压燃烧发动机的装置。

背景技术

能够被供给到增压燃烧发动机的空气的量不仅取决于空气压力而且取决于空气温度。供给可能的最大量的空气到燃烧发动机需要空气在其被引导至燃烧发动机之前进行有效的冷却。空气通常在位于交通工具前部的增压空气冷却器中被冷却。在所述位置增压空气冷却器使处于环境温度的冷却空气流流过它，这使得压缩空气可以被冷却到接近环境温度的温度。在冷的天气条件下，压缩空气可能被冷却到低于空气露点温度的温度，使得呈液态形式的水蒸汽在增压空气冷却器中凝结。当环境空气的温度低于0°C时，还有凝结的水在增压空气冷却器内冻结成冰的风险。所述结冰将导致增压空气冷却器内空气流导管的更大或更小量的阻塞，从而引起至燃烧发动机的减小的空气流量以及随之而来的运行故障或停止。

被称为EGR（废气再循环）的技术是将一部分来自燃烧发动机中的燃烧过程的废气进行再循环的一种已知的方法。再循环废气与到燃烧发动机的进气空气混合，所述混合在该混合物被引导至燃烧发动机的气缸之前进行。将废气添加到空气中产生较低的燃烧温度，特别地产生废气中氮氧化物NO_x的减小的含量。所述技术既用于奥托发动机也用于柴油发动机。供给大量的废气到燃烧发动机需要废气在其被引导至燃烧发动机之前进行有效的冷却。废气可以经受通过来自燃烧发动机的冷却系统的冷却剂冷却的EGR冷却器中的第一步冷却，以及空气冷却的EGR冷却器中的第二步冷却。因此废气还可以被冷却到接近环境温度的温度。废气包含水蒸汽，当废气承受第二步冷却到低于水蒸汽露点的温度时，所述水蒸汽凝结在EGR冷却器内。当环境温度的温度低于0°C时，还有所形成的冷凝物在第二EGR冷却器内冻结成冰的风险。所述结冰将导致EGR冷却器内废气流导管的更大或更小量的阻塞。当废气再循环停止或显著地减小时，结果是废气中氮氧化物含量的增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置，由此包含水蒸汽的气态介质可以在冷却器中经受很好的冷却，而同时冷却器受到阻塞的风险被消除。

所述目的利用这样的装置而实现，所述装置包括至少一个温度传感器和一个控制单元，其中，所述至少一个温度传感器适于检测表示所述气态介质在其已经在所述第二冷却器中冷却之后的温度，所述控制单元适于从所述温度传感器接收信息和确定在所述第二冷却器中是否存在结冰或是否存在结冰的风险，由此所述控制单元适于以这样的方式控制所述冷却剂泵，以使得在所述控制单元接收到低于下阈值（T₁）的温度值时所述冷却剂泵被暂时关闭，并且适于以这样的方式控制所述冷却剂泵，以使得在所述控制单元接收到高于上阈值（T₂）的温度值时冷却剂的常规流量循环通过所述第二冷却器，其中在所述下阈值（T₁）处存在结冰的风险，在所述上阈值（T₂）处结冰的风险暂时结束。为了气态介质能够被有效地冷却，其需要由处于低温的冷却剂冷却。包含这种冷却剂的冷却系统可以被称作低温冷却系统。当低温冷却系统中的冷却剂被使用时，气态介质通常被冷却到在冷却器内呈液态形式的水被凝积的温度。如果冷却剂还低于0°C，则还有水在冷却器内冻结成冰的明显的风险。低温冷却系统中的冷却剂的温度越低，所述风险越大。因此本发明使用至少一个检测参数的传感器，其中所述参数表示气态介质是否被冷却到在冷却器中存在结冰或存在结冰的风险的程度。当存在这种风险时，控制单元切断低温冷却系统中的冷却剂泵或将冷却剂泵的速度降低到适当的值。控制单元可以是装有用于此目的的适当软件的计算机单元。冷却剂冷却的冷却器中提供的冷却效果与冷却剂的温度和通过冷却器的冷却剂流量相关。通过由此完全地停止通过散热器的冷却剂流动或减小通过散热器的冷却剂流量（或流动），在存在结冰的风险时，气态介质在冷却器中承受的冷却效果可以因此迅速地和有效地减小。当结冰的风险结束时，控制单元重新启动冷却剂泵从而其使得常规的冷却剂流量通过冷却器循环。通过冷却剂泵的这种断续的启动，气态介质可以被冷却到低的温度并且保持在一定温度范围内，在所述范围内不存在当低的环境温度主导时气态介质被冷却到冰会在冷却器内形成的这样低的温度的风险。利用冷却剂泵的这种控制，不需要额外的能量供给以用于加热冷却剂或融化任何冰，并且在冷却剂泵没有运行的情况下能量利用大幅减低。

根据本发明的一个优选实施方式，所述传感器是温度传感器，其适于检测表示气态介质是否被冷却到在冷却器中存在结冰或存在结冰的风险的程度的温度。有利地，温度传感器可以检测气态介质在其已经在冷却器中被冷却之后的温度。备选地，所述传感器可以是压力传感器，其检测与气态介质在冷却器之后的压力或冷却器中介质的压力下降相关的参数。当控制单元接收到低于下阈值的参数值时，控制单元有利地以使得冷却剂泵被暂时关闭或使冷却剂的减小的流量通过冷却器的方式控制冷却剂泵。所述阈值可以呈最低温度值或压力值的形式，其不应该下冲（be undershot）。下阈值优选地被设定为相对将在冷却器中发生结冰的临界值带有适当的余量。如果使用了检测介质在其已经在冷却器中冷却之后的温度的温度传感器，则临界温度值通常是0°C。使用高于0°C适当度数的下阈值将确保结冰无法在冷却器中出现。

根据本发明的另一个优选实施方式，控制单元适于在其接收到超过上阈值的参数值时控制冷却剂泵以使其再次将冷却剂的常规流动（流量）循环通过冷却器。当冷却剂泵被关闭或使减小的流量循环通过冷却器时，气态介质在冷却器中承受减小的冷却。离开冷却器的气态介质因此将处于逐步上升的温度。当介质的温度已经上升到上阈值时，控制单元将发现结冰的风险至少暂时结束了，在此之后其将重新起动冷却剂泵。冷却剂泵有利地是电驱动的。这种冷却剂泵可以容易地被开启和关闭。还存在调节电动冷却剂泵的速度以提供所需的冷却剂流量通过冷却器的可能性。

根据本发明的另一个优选实施方式，所述低温冷却系统包括散热器元件，在所述散热器元件中循环冷却剂被处于环境温度的空气冷却。从而冷却剂可以被冷却到接近环境温度的温度。在有利的情况下，冷却剂因此还可以实现气态介质冷却到接近环境温度的温度的效果。

根据本发明的另一个优选实施方式，装置包括另一个冷却器，在其中气态介质预定为在气态介质被引导至前述冷却器之前通过高温冷却系统中的冷却剂经受第一步冷却，所述气态介质在所述前述冷却器中通过低温冷却系统中的冷却剂承受第二步冷却。气态介质可以是进气管线中的被引导至燃烧发动机的压缩空气。当空气被压缩时，其承受与所述空气的压缩度相关的量的加热。在增压燃烧发动机中，空气在不断地更高的压力下被使用。空气因此需要有效的冷却。因此，有利的是，在多于一个所谓的增压空气冷却器中并且在两个或更多个阶段中冷却压缩空气，以使其可以在被引导至燃烧发动机之前达到期望的低的温度。所述气态介质还可以是在回流管线中被引导至燃烧发动机的再循环废气。废气在其被引导进回流管线中时可以处于500-600°C的温度下。因此，还有利的是，在多于一个所谓的EGR冷却器中并且在两个或更多个阶段中冷却废气，以使得其可以在被引导至燃烧发动机之前达到期望的低的温度。在常规运行期间冷却燃烧发动机的冷却系统处于80-100°C的温度。所述冷却系统因此可以被称作高温冷却系统。因此非常有利的是，使用所述已有的冷却系统以用于使得气态介质经受第一步冷却。

附图说明

下面将通过以参考所附附图的示例的方式描述本发明的一个实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施方式的用于增压燃烧发动机的装置，以及

图2是曲线图，其示出了在燃烧发动机运行过程中压缩空气的温度和再循环废气的温度可以如何随时间t而变化。

具体实施方式

图1示出了用于增压燃烧发动机的装置，所述增压燃烧发动机用于驱动示意性地示出的交通工具1。燃烧发动机在此示例为柴油发动机2。柴油发动机2可以用于驱动重型车辆1。来自柴油发动机2的气缸的废气经由排气集管3被引导至排气管线4。柴油发动机2设有包括涡轮机5和压缩机6的涡轮单元。排气管线4中处于高于大气压力下的废气最初被引导至涡轮机5。因此涡轮机5被提供给驱动力，所述驱动力经由连接机构被传递至压缩机6。压缩机6使用所述力压缩经由空气过滤器7被抽吸进空气进气管线8的空气。进气管线中的空气在第一冷却剂冷却的增压空气冷却器9中被初始地冷却。在第一增压空气冷却器9中空气通过来自燃烧发动机的冷却系统的冷却剂被冷却。压缩空气此后在第二冷却剂冷却的增压空气冷却器10中被冷却。空气在第二增压空气冷却器10中通过来自低温冷却系统、即具有处于相对低温度的冷却剂的冷却系统的冷却剂被冷却。

装置包括回流管线11，所述回流管线11用于实施排气管线4中部分废气的再循环。回流管线11具有处于排气管线4和进气管线8之间的长度。回流管线11包括EGR阀12，流回流管线11中的废气流可以被所述EGR阀12切断。EGR阀12还可以用于调节从排气管线4经由回流管线11被引导至进气管线8的废气的量。第一控制单元13适于基于关于柴油发动机2的当前运行状态的信息控制EGR阀12。回流管线11包括用于使废气经受第一步冷却的第一冷却剂冷却的EGR冷却器14。在第一EGR冷却器14中废气被来自燃烧发动机的冷却系统的冷却剂冷却。废气在冷却剂冷却的EGR冷却器15中接受第二步冷却。在第二EGR冷却器15中废气被来自低温冷却系统的冷却剂冷却。

在增压柴油发动机2中的某些运行状态下，排气管线4中废气的压力将低于进气管线8中压缩空气的压力。在这种运行状况下，在没有专用辅助装置的情况下，无法将回流管线11中的废气直接与进气管线8中的压缩空气混合。为此可以使用例如带有可变几何结构的文丘里管16或涡轮单元。如果相反地燃烧发动机2是增压奥托发动机，则回流管线11中的废气可以被直接引导至进气管线8中，因为在大致所有的运行情形下，奥托发动机的排气管线4中的废气都将处于比进气管线8中的压缩空气更高的压力下。当废气已经与进气管线8中的压缩空气混合时，混合物经由集管17被引导至柴油发动机2的相应的气缸。

燃烧发动机2通过包含循环冷却剂的冷却系统以传统的方式被冷却。冷却剂通过冷却剂泵18在冷却系统中被循环。冷却剂的主流动被循环贯穿燃烧发动机2。在冷却剂已经冷却了燃烧发动机2之后，其在管线21中被引导至冷却系统中的恒温器19。当冷却剂已经达到正常工作温度时，恒温器19适于将其引导至散热器20以便于被冷却，所述散热器20配合在交通工具前部处。然而冷却系统中的冷却剂的较小部分并不被引导回燃烧发动机2，而是在被分成两个并联管线22a、22b的管线22中循环。管线22a引导冷却剂至第一增压空气冷却器9，在其中其使压缩空气接受第一步冷却。管线22b引导冷却剂至第一EGR冷却器14，在其中其使再循环废气接受第一步冷却。已经在第一增压空气冷却器9中冷却空气的冷却剂和已经在第一EGR冷却器14中冷却废气的冷却剂在管线22中重新结合，所述管线22引导冷却剂回到管线21。被加温的冷却剂在管线21中被引导至散热器20。

低温冷却系统包括配合在交通工具1外围区域中散热器20前面的散热器元件24。在这种情况下所述外围区域位于交通工具1的前部。散热器风扇25适于产生通过散热器元件24和散热器20的环境空气的空气流。由于散热器元件24位于散热器20的前面，散热器元件24中的冷却剂通过处于环境温度的空气冷却。散热器元件24中的冷却剂因此能够被冷却到接近环境温度的温度。来自散热器元件24的冷的冷却剂通过电驱动的冷却剂泵27在管线26中在所述独立的冷却系统中循环。管线26分成两个并联管线26a、26b。管线26a引导冷却剂到第二增压空气冷却器10，在其中冷却剂使压缩空气经受第二步冷却。管线26b引导冷却剂到第二EGR冷却器15，在其中冷却剂使再循环废气经受第二步冷却。在冷却剂已经经过第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15之后，管线26a、26b重新结合。冷却剂此后在管线26中被引导至散热器元件24以便于被冷却。第一温度传感器33被设置在空气管线8中以在空气已经在第二增压空气冷却器10中冷却之后检测空气温度。第二温度传感器35被设置在回流管线11中以在废气已经在第二EGR冷却器15中冷却之后检测废气温度。控制单元31适于从温度传感器33、35接收关于空气和废气的温度的信息。

在柴油发动机2运行期间，废气流动通过排气管线4并且驱动涡轮机5。由此涡轮机5被供给驱动力，所述驱动力驱动压缩机6。压缩机6经由空气过滤器7抽吸进环境空气并且压缩进气管线8中的空气。空气因此获得增大的压力和升高的温度。在第一增压空气冷却器9中压缩空气被燃烧发动机的冷却系统中的散热器液体冷却。散热器液体在此可以处于大约80-85°C的温度。因此压缩空气可以在第一增压空气冷却器9中承受第一步冷却以冷却到接近冷却剂温度的温度。压缩空气此后被引导通过第二增压空气冷却器10，在其中所述压缩空气通过独立冷却系统中的冷却剂被冷却。冷却剂在此可以处于接近环境温度的温度。因此废气可以在有利的情况下被冷却到接近环境温度的温度。

在柴油发动机2的大多数运行状态下，控制单元13将保持EGR阀12打开，以使得排气管线4中的部分废气被引导至回流管线11。排气管线4中的废气在其到达第一EGR冷却器14时可以处于大约500-600°C的温度下。再循环废气在第一EGR冷却器14中通过燃烧发动机的冷却系统中的冷却剂承受第一步冷却。燃烧发动机的冷却系统中的冷却剂将由此处于相对高的温度下但是该温度绝对低于废气的温度。因此可以实现第一EGR冷却器14中废气的良好的冷却。再循环废气此后被引导至第二EGR冷却器15，在其中废气通过低温冷却系统中的冷却剂被冷却。冷却剂在此将处于明确地较低的温度并且废气可以在有利的情况下被冷却到接近环境温度的温度。由此回流管线11中的废气可以在其混合以及被引导至燃烧发动机2之前承受冷却到与压缩空气大致相同的低温。大致最优化的量的空气和再循环废气因此可以被引导至燃烧发动机中。因此可以作出以充分最佳性能进行的燃烧发动机2中的燃烧。压缩空气和再循环废气的低温还导致较低的燃烧温度并且因此导致废气中氮氧化物的较低的含量。

压缩空气和再循环废气的所述有效的冷却也具有缺陷。压缩空气在第二增压空气冷却器10中被冷却到液态形式的水在增压空气冷却器10内凝积的温度。类似地，第二EGR冷却器15中的废气被冷却到使得冷凝物在第二EGR冷却器15内形成的温度。当环境空气的温度低于0°C时，还有凝结的水在第二增压空气冷却器10内冻结成冰以及凝结的冷凝物在第二EGR冷却器15内冻结成冰的风险。在第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15内的结冰可能严重地妨碍燃烧发动机2的运行。为了防止第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15冻结，控制单元31从温度传感器33大致持续地接收关于空气在其已经在第二增压空气冷却器10中冷却之后的温度T_A的信息，并且从温度传感器35大致持续地接收关于再循环废气在其已经在第二增压空气冷却器15中冷却之后的温度T_E的信息。

图2是曲线图，其示出了在燃烧发动机2运行期间压缩空气的温度T_A和再循环废气的温度T_E可以如何随时间t而变化。在该曲线图中，临界温度值T₀=0°C被标记在结冰很可能在增压空气冷却器10和EGR冷却器15中发生的位置处。曲线图标记出下阈值T₁，其被设定为相对临界值T₀带有适当的余量（边距）。在这种情况下，下阈值T₁=5°C。曲线图还标记上阈值T₂，在这种情况下其被设定在10°C。在时间t₀处，压缩空气在其离开第二增压空气冷却器10时具有约8°C的温度T_A，废气在其离开第二EGR冷却器15时具有约11°C的温度T_E。在时间t₀处，控制单元31以提供流动通过第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15的常规冷却剂的方式运行冷却剂泵27。在本实例中环境空气处于相对低的温度。低温冷却系统中的冷却剂由此在冷却器24中被冷却至几乎同样低的温度。所述冷的冷却剂实现第二增压空气冷却器10中的压缩空气和第二EGR冷却器15中的废气的非常有效的冷却。因而压缩空气的温度T_A和废气的温度T_E随着时间t的过去而下降。

在时间t₁处压缩空气的温度T_A已经下降至下阈值T₁。当控制单元31从温度传感器33接收所述信息时，其关闭冷却剂泵27以使得低温冷却系统中冷却剂的循环停止。第二增压空气冷却器10中的压缩空气和第二EGR冷却器15中的废气的冷却由此显著地减小。这使得压缩空气的温度T_A停止下降。由此压缩空气的温度T_A以一余量被阻止接近在第二增压空气冷却器10中形成冰的临界温度T₀。随着穿过第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15的冷的冷却剂的循环已经停止，压缩空气的温度T_A开始上升，废气的温度T_E同样开始上升。在时间t₂处压缩空气的温度T_A已经上升到上阈值T₂。废气的温度T_E在这种情况下稍微高于阈值T₂。当控制单元31从温度传感器33接收表示压缩空气的温度T_A已经上升到上阈值T₂的信息时，它发现结冰的风险至少暂时结束了。于是控制单元31关闭冷却剂泵27，以使得冷却剂的循环在低温冷却系统中恢复。冷的冷却剂循环的恢复再次产生第二增压空气冷却器10中的压缩空气和第二EGR冷却器15中的废气的非常有效的冷却。压缩空气的温度T_A因此停止上升。压缩空气的温度T_A和废气的温度T_E此后开始再次降低。在本实例中，冷却剂泵27在压缩空气的温度T_A达到下阈值T₁时被关闭。相反如果废气的温度T_E首先冷却至下阈值T₁，则控制单元31在这里再次关闭冷却剂泵27。冷却剂泵27保持被关闭，直到控制单元31从温度传感器35接收到表示废气的温度T_E已经上升到上阈值T₂的信息。当这种情况发生时，控制单元又开启冷却剂泵27。

当低的环境温度主导时，控制单元31断续地启动冷却剂泵27，以使得减小的冷却剂流量或没有冷却剂流动（流量）在低温冷却系统中被暂时地接收。压缩空气和再循环废气的冷却由此减小，以使得其基本上不被冷却到比下阈值T₁低的温度。然而，系统中一定的惯性可能使得压缩空气和废气在短时间内处于比下阈值T₁稍低的温度。然而，下阈值T₁被设定为带有余量，从而提供压缩空气和再循环废气不会冷却到临界温度T₀的保证。冷却剂泵27的这种控制消除了冰在第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15中形成的大致所有的风险。下阈值T₁和上阈值T₂当然可以是除了如上所述示例中的值以外的给定值。

本发明决不限于如上所述的实施方式，而是可以在本发明的范围内自由变化。实施方式的示例使用了温度传感器33以用于检测压缩空气在其已经在第二增压空气冷却器10中冷却之后的温度T_A，以及使用了温度传感器35以用于检测废气在其已经在第二EGR冷却器15中冷却之后的温度T_B。备选地，可以替代地使用压力传感器以用于估计冰在第二增压空气冷却器10内或在第二EGR冷却器15内开始形成的时间。当在增压空气冷却器10之后的空气压力或在EGR冷却器15之后的废气压力降低到低于预定压力值时，控制单元31在这种情况下可以发现冰正开始在所述冷却器10、15中的一个之内形成。控制单元于是关闭冷却剂泵27。由此增压空气冷却器10和EGR冷却器15中的冷却分别减小，以使得所形成的冰迅速地融化。控制单元在其一旦从所述压力传感器接收到期望的压力时就重新启动冷却剂泵27。在上所述实例中，控制单元31在存在结冰的风险时完全地关闭冷却剂泵27。替代在存在结冰的风险时完全地关闭它，也可以降低冷却剂泵的速度。冷却剂泵27由此将向相应的冷却器传输足以防止在它们中结冰的减小的冷却剂流量。装置用于增压燃烧发动机，在其中一涡轮单元被用于压缩被引导至燃烧发动机的空气。装置当然也可以用于在其中空气通过多于一个的涡轮单元压缩的增压燃烧发动机。在这种情况下，第一增压空气冷却器可以被用作中间冷却器，以用于冷却在涡轮单元的压缩机中的压缩之间的空气。

Claims (6)

1.一种用于增压燃烧发动机（2）的装置，所述装置包括带有用于冷却所述燃烧发动机的循环冷却剂的高温冷却系统、第一冷却器（9、14）、带有循环冷却剂的独立的低温冷却系统、适于使冷却剂在所述低温冷却系统中循环的冷却剂泵（27）、以及第二冷却器（10、15），其中在所述第一冷却器（9、14）中包含水蒸汽的气态介质预定为在第一步被所述高温冷却系统中的冷却剂冷却，在所述第二冷却器（10、15）中包含水蒸汽的气态介质预定为在第二步被所述低温冷却系统中的冷却剂冷却，其特征在于，所述装置包括至少一个温度传感器（33、35）和一个控制单元（31），其中，所述至少一个温度传感器（33、35）适于检测表示所述气态介质在其已经在所述第二冷却器（10、15）中冷却之后的温度，所述控制单元（31）适于从所述温度传感器（33、35）接收信息和确定在所述第二冷却器（10、15）中是否存在结冰或是否存在结冰的风险，由此所述控制单元（31）适于以这样的方式控制所述冷却剂泵（27），以使得在所述控制单元接收到低于下阈值（T₁）的温度值时所述冷却剂泵被暂时关闭，并且适于以这样的方式控制所述冷却剂泵（27），以使得在所述控制单元（31）接收到高于上阈值（T₂）的温度值时冷却剂的常规流量循环通过所述第二冷却器（10、15），其中在所述下阈值（T₁）处存在结冰的风险，在所述上阈值（T₂）处结冰的风险暂时结束。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下阈值（T₁）被设定为相对在所述第二冷却器（10、15）中发生结冰时的临界值（T₀）带有余量。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述冷却剂泵（27）被电驱动。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述低温冷却系统包括散热器元件（24），在所述散热器元件（24）中所述循环冷却剂被处于环境温度的空气冷却。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气态介质是在进气管线（8）中被引导至所述燃烧发动机（2）的压缩空气。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气态介质是在回流管线（11）中被引导至所述燃烧发动机（2）的再循环废气。

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