CN102588062B - 使用独立多控制系统来提供整合的冷却系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及使用独立多控制系统来提供整合的冷却系统的系统和方法。其中，一种用于冷却车辆上的发动机而无需基于冷却剂的中间冷却器和中间管的系统，该系统包括：空气对油散热器系统，其被配置成冷却流过发动机的油；空气对空气散热器系统，其被配置成冷却流过发动机的空气，且还被配置成结合空气对油散热器系统操作来提供用于空气对油散热器系统的冷空气；以及，缓流冷却剂散热器，其被配置成冷却冷却剂，该冷却剂被提供用于冷却发动机还被提供以结合空气对油散热器系统操作。还公开了一种用于冷却发动机中的油而无需基于冷却剂的中间冷却器和中间管的方法。

Description

使用独立多控制系统来提供整合的冷却系统的系统和方法
本申请是申请号为200880109371.6、申请日为2008年9月17日、发明名称为“使用独立多控制系统来提供整合的冷却系统的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明的领域大体而言涉及内燃机，且更特定而言，涉及用于冷却涡轮增压的发动机的系统和方法。
背景技术
内燃机，诸如(但不限于)用于机车的涡轮增压的柴油机，需要冷却系统来限制各个发动机构件的温度。这些发动机被设计成具有水套和/或内冷却通路，用于循环冷却剂以从发动机构件移除热能，发动构件诸如(但不限于)发动机组和气缸盖。润滑油在整个发动机上循环用于减小移动的部件之间的摩擦和用于从诸如活塞和轴承这样的构件移除热。润滑油必须被冷却以维持其润滑性且延长换油之间的间隔。
某些内燃机利用涡轮增压器将进入的燃烧空气压缩到更高密度来增加发动机功率输出。这种压缩导致对燃烧空气加热，然后，燃烧空气必须在进入到燃烧腔室之前冷却以使得发动机具有高体积效率和低废气污染物排放。对于移动应用，诸如(但不限于)机车，已知使用诸如水这样的泵送冷却介质来向翅片式散热器管传热。然后，散热器管向周围空气传热，通常使用由风扇提供的强制对流。这可通过使用两级中间冷却器实现，两级中间冷却器用于调节进入发动机的燃烧空气。第一冷却剂环路可包括第一级中间冷却器且第二冷却剂环路可包括第二级中间冷却器。这种两级系统提供一定控制水平来维持发动机、润滑油和燃烧空气温度在相应限度内而不会有过度风扇循环。
几十年来，用于降低歧管空气温度(MAT)的机构已合并到涡轮增压的活塞发动机动力车辆中。降低MAT可增加从给定大小发动机可用的功率和/或通过限制诸如铝活塞这样的构件所暴露的温度来提高发动机在很高功率负荷的耐用性。对于轻质车辆，诸如活塞动力军用飞机和赛车，通常需要大幅降低MAT一段较短的时间。对于这些应用，携带少量水是可行的，当需要时，将水喷射到热的进入空气内。喷射的水由于高温变成蒸汽，从而吸热且降低进气温度。对于重型移动车辆，诸如(但不限于)涡轮增压的柴油动力机车，其被设计成产生最大功率输出持续不确定的时间量，最初使用基于水的冷却剂回路来从中间冷却器向风扇冷却的散热器传热是足够的，且来自散热器的冷却剂用于发动机和中间冷却器等。
尽管内燃机用于机车，但也在很多种使用原动机的其它应用中使用这些发动机，诸如(但不限于)越野车辆、船舶、固定发电厂、农业车辆和运输车辆。当操作原动机时，在全世界都需要进一步降低NOx排放，在固定发电厂和利用柴油机的船舶的情况下，利用基于水的冷却系统仍能在许多情况下满足降低的NOx限度，基于水的冷却系统使用很少超过26.67℃(80.01华氏度)的河流、湖泊或海水与环境交换热。
但是，用于固定发电厂和船舶的办法对于机车是不实用的，这归因于需要随同列车拖运水供应。为此，为了排除对大量冷却剂的需要，机车和/或列车操作者和主人将受益于具有无需基于冷却剂的中间冷却器和/或中间管的冷却系统。
发明内容
本发明的示范性实施例针对无需基于冷却剂的中间冷却器和中间管的用于冷却车辆上的发动机的系统和方法。该系统包括空气对油散热器系统，空气对油散热器系统被配置成冷却流过发动机的油。提供空气对空气散热器系统来冷却流过发动机的空气，且还被配置成结合空气对油散热器系统操作以提供用于空气对油散热器的冷空气。缓流冷却剂散热器被配置成冷却冷却剂，该冷却剂被提供用于冷却发动机且还被提供以结合空气对油散热器系统操作。
在另一实施例中，公开了无需基于冷却剂的中间冷却器和中间管的用于冷却动力系统上的发动机的系统。该系统具有空气对油散热器系统，空气对油散热器系统被配置成冷却流过发动机的油。提供发动机油槽，其具有多个隔离的区域用于管理通过空气对油散热器系统的油流动。隔离的区域被配置成根据由油温来维持、恢复和/或保持油。
在又一实施例中，公开了无需基于冷却剂的中间冷却剂和中间管的用于冷却发动机中的油的方法。该方法包括在发动机油槽的第一区域中聚集从发动机返回的热油。从一个或多个空气对油散热器返回的冷油聚集在发动机油槽的第二区域中。聚集在发动机油槽的第一区域中的热油被导向通过一个或多个空气对油散热器。管理在第一区域与第二区域之间的流动速率平衡。减小了在第一区域与第二区域之间的吸引动力流动。
附图说明
将通过参看在附图中示出的具体实施例给出上文简要描述的本发明的示范性实施例的更特定的描述。应了解这些附图仅描绘了本发明的典型实施例且因此将不认为限制本发明的范畴，将通过使用附图来描述和解释本发明的额外具体情况和细节，在附图中：
图1描绘了无需基于水的中间冷却器的整合的冷却系统的示范性实施例；
图2描绘了空气对油冷却系统的示范性实施例；
图3描绘了歧管空气回路的示范性实施例；
图4描绘了歧管空气回路的另一示范性实施例；
图5描绘了润滑油回路的示范性实施例；
图6描绘了润滑油回路的另一示范性实施例；
图7描绘了说明通过排除基于冷却剂的中间冷却器和中间管的用于冷却发动机中的油的示范性实施例的流程图；
图8描绘了说明在高周围温度下风扇马力与发动机马力关系的示范性比较的曲线图；
图9描绘了说明在低周围温度下风扇马力与发动机马力关系的示范性比较的曲线图；
图10描绘了说明在高周围温度下歧管空气温度(MAT)与发动机马力关系的示范性比较的曲线图；
图11描绘了说明在低周围温度下歧管空气温度与发动机马力关系的示范性比较的曲线图；
图12描绘了说明在高周围温度下发动机水温(EWT)与马力关系的示范性比较的曲线图；
图13描绘了说明在低周围温度下发动机水温与马力关系的示范性比较的曲线图；
图14描绘了说明在高周围温度下离开发动机的油温(LOT)与发动机马力关系的示范性比较的曲线图；
图15描绘了说明在低周围温度下离开发动机的油温与发动机马力关系的示范性比较的曲线图；
图16描绘了说明在高周围温度下发动机润滑油入口温度(ELIT)与发动机马力关系的曲线图；以及
图17描绘了说明在低周围温度下ELIT与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。
具体实施方式
图1描绘了无需基于水的中间冷却器的整合的冷却系统的示范性实施例。如图所示，风扇11拉动冷却空气通过三个散热器15、16、17。第一散热器15是空气对空气散热器。在示范性实施例中，其是铜焊正方形翅片式散热器。铜焊散热器的一实例是具有板式热交换器的散热器，其中板或翅片被铜焊到管上。在示范性实施例中，第二散热器16是铜焊的空气对油散热器。第三散热器17是缓流散热器，其使用冷却剂，诸如水和/或防冻剂。如本领域技术人员认识到的那样，缓流冷却剂散热器利用对于给定传热率得到更低流体温度的方法，或者，换言之，减少了冷却剂流量使得其以较低速度通过散热器，或者更具体地，散热器的管。
在第一回路中，油离开油槽且流入到油预润滑泵内。图2描绘了空气对油冷却系统的示范性实施例，更具体地为第一回路。如图所示，提供空气对油散热器/冷却器16。风扇11拉动空气通过散热器。提供空气对油歧管管路22使得油穿过散热器16。离开散热器16的油返回到油槽24。然后，油穿过第一发动机驱动泵27。这个第一泵27与在下文中更详细地讨论的第二发动机驱动泵28串联操作。
然后向油冷却选择器阀30提供油。当机车在隧道内时，这个阀用于从空气对油散热器16转移油。当在隧道中时，油被导向至预润滑止回阀32。然后向油过滤器34和然后向发动机歧管36和/或发动机38提供油(例如，通过一个或多个发动机套)，这使油返回到油槽24。在隧道操作期间转移油，因为空气温度过高，其中使用空气对油散热器16将不充分地冷却油。
在另一回路中，油从油槽24导向到第二发动机泵28。第二发动机泵28将油导向至油冷却器20。油冷却器20通过入口40供应以接受用于冷却油的水和通过出口42移除水。然后向油过滤器34和然后向发动机歧管36和/或发动机38提供油，这使油返回到油槽24。提供控制器(未图示)以确定应该利用哪种冷却配置。
另外如图1所示，利用第一散热器15冷却来自涡轮压缩机的冷却剂和燃烧空气。所形成的燃烧空气流被导向至发动机歧管36。这允许利用一体式芯进行高压冷却剂和低压空气对空气和空气对油冷却且无需基于水的中间冷却器。
还如图1所示，在第三散热器17中的冷却剂离开第三散热器且提供发动机冷却剂泵21通过发动机冷却剂套38冷却发动机，且然后返回到第三散热器。如本文所公开的那样，冷却剂还被导向至其它发动机构件以便也冷却这些构件。例如，冷却剂还向空气压缩机19和之后的冷却器/油加热器/冷却器23提供且然后返回到冷却剂流。
图3描绘了歧管空气回路的示范性实施例。在具有小升压(低负荷)的冷周围条件下，歧管空气可被冷却到低于预定温度。机车通常包括空气箱61，空气箱61具有一个或多个过滤器，例如自旋过滤器57和袋式过滤器59，用于过滤提供到发动机的空气。冬/夏门49，其实质上由是否使用发动机室空气55或散热器驾驶室空气(radiator cab air)56代表，将向空气箱61提供热以保持过滤器57、59无冰。来自发动机室的温热空气将通过空气箱61(其共同地图示为自旋过滤器57和袋式过滤器59)，且然后将通过空气对空气散热器15将空气冷却到可能低于允许温度。能从空气对油散热器16附近或者通过向空气对油散热器16发送某些温热的油来对空气进行某些预热。这很可能是不够的；因此可能需要歧管加热器50将空气预热到可接受的温度。
在高负荷和低周围条件下，质量空气流量可能太大，导致在较高马力下高气缸压力。提供在发动机歧管36的进入口处的废气闸阀52以降低到发动机38内的质量流量，使得在所有周围条件(除了隧道条件)维持全马力。提供废气闸阀52可排除歧管加热器50，这在图4中进一步说明。
图4描绘了歧管空气回路的另一示范性实施例。温热的发动机室空气进入空气箱且通过冷却进入的空气的空气对空气散热器15。可使用自动遮板58来决定发动机室空气55或散热器驾驶室空气56的选择。也能从热的冷却剂散热器17附近或通过向空气对油散热器16发送某些温热的油来对空气进行某些预热，如图1所示。
如果离开空气对空气散热器15的空气低于规定温度，废气闸阀52打开。在怠速和低负荷下歧管压力应低于周围压力。打开废气闸阀52将从袋式过滤器59抽取温热的发动机室空气55且使之与仍太冷的歧管空气混合，提供某种程度的加热。如上文所公开的那样，这种组合可导致排除歧管加热器50。
图5描绘了润滑油回路的示范性实施例。如图所示，油槽24具有两个隔离的区域62、63。第一区域62聚集从发动机38返回的热油，且第二区域63保持从空气对油散热器16返回的较冷油。通过允许高油位溢出第一热挡板65和/或通过热挡板65中的流体连通孔66来管理任何泵流动速率不平衡。使用这种配置允许最热的油发送到空气对油散热器16用于冷却，从而对于给定大小的散热器和周围空气温度最大化可能的传热，而可使用最冷的可用油来提供发动机润滑。因此，穿置于挡板中的连通孔66用于使可能实现于第一区域62与第二区域63之间的流动速率不平衡相等。还可包括第二挡板67。第二挡板67具有低于第一挡板或热挡板65的高度且被提供用于防止吸引动力流动将较热的油拉动穿过更靠近油槽24底部的连通孔66。
如进一步图示，离开发动机38的热油在重力和/或地心引力的作用下落入到油槽24内。落到第一区域或热区域上方的油不受阻碍地下落，但落到第二区域63或冷区域上方的油则会落到顶板或覆盖物68上，其将热油导向到油槽24的第一区域或热侧。热侧油从油槽24抽汲出来且到空气对油散热器16内且在冷却后被返回到油槽24的第二区域63冷侧。油槽的第二区域63或冷区域用于将油往回供应到发动机38。还提供缓冲箱64用于溢出的油。另外在图5和图6中还公开了铜焊的热交换器(BHE)69。BHE 69是冷却剂对油热交换器。
当发动机38运行且空气对油系统运行时，空气对油系统充有来自油槽24的油。油槽24中的油位最终落到热挡板65下方。缓冲箱64中的油体积将保持与油槽24中的体积齐平。缓冲箱64可系接到油槽24的第一区域62或第二区域63，以利用具有最大液位下降深度(drawdown depth)的区域。这可使缓冲箱64的储存容量最大。
图6描绘了具有充满的油槽的润滑油回路的另一示范性实施例。当发动机运行且空气对油系统不运行时，空气对油系统排到油槽24和缓冲箱64内。由于油槽24与缓冲槽64静态地系接在一起，这将会提高油槽24油位和缓冲槽64中油位相同竖直距离。油槽24中的油将上升高于热挡板65且同样地充满区域62、63。这允许发动机38保持运行但具有较高油温，因为到发动机油泵71的入口仍获得油，诸如利用正常油槽/油泵几何体达成。当发动机关闭时仍可使用这种应用。
图7描绘了说明通过排除基于冷却剂的中间冷却器和中间管的用于冷却发动机中的油的示范性实施例的流程图。流程图100在102提供在油槽的第一区域中聚集从发动机返回的热油。在104，在油槽的第二区域中聚集从空气对油散热器返回的油，其因此被冷却或至少处于比进入散热器前的油更冷的温度。在106，聚集于油槽的第一区域中的油，热油或未冷却的油被导向通过空气对油散热器。在108，管理第一区域与第二区域之间的流动速率不平衡。在110，如果出现了第一区域与第二区域之间的吸引动力流动事件，那么其将会减小至优选地不具有任何这样的流动。
图8描绘了说明在热周围温度下风扇马力与发动机马力关系的示范性比较。如用曲线表示，通过使用本发明的示范性实施例，当与现有风扇马力的表示74相比时，基于大约100华氏度(大约37.78摄氏度)时发动机马力，风扇马力的表示73降低。
图9描绘了说明在低周围温度下风扇马力与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。基于所实现的曲线图，当与现有的两个风扇配置的表示76相比时，可使用两个风扇配置的表示75来解决当周围温度是大约77华氏度(大约25摄氏度)时的热负荷。在示范性实施例中，第三风扇还可用于未来的排气再循环热负荷。
图10描绘了说明在热周围温度下歧管空气温度(MAT)与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。如图所示，通过使用本发明的示范性实施例，与现有歧管空气温度的表示78相比较，基于当周围温度是大约100华氏度(大约37.78摄氏度)时的发动机马力，歧管空气温度的表示77降低。
图11描绘了说明在低周围温度下歧管空气温度与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。如图所示，通过使用本发明的示范性实施例，当与现有歧管空气温度的表示82相比时，基于当周围温度大约77华氏度(大约25摄氏度)时的发动机马力，歧管空气温度的表示81降低。
图12描绘了说明在诸如大约100华氏度(大约37.78摄氏度)的高周围温度下发动机水温(EWT)与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。在切换点83，其中油冷却从使用BHE 69切换到使用油对空气散热器16，当与先前表示86相比时，当使用本发明的示范性实施例时，发动机水温的变化率得到改进，如由表示85所示。
图13描绘了说明在诸如大约77华氏度(大约25摄氏度)的较冷周围温度下发动机水温与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。在切换点83，温度升高。发动机水温可保持较低，在原始三个风扇概念中，利用额外风扇来保持离开发动机的油温较低。如由表示87所示，发动机水温高于油，在活塞/气缸上出现逆增量温度(reverse deltatemperature)。由于水比油更热，燃烧气缸将膨胀，而活塞将收缩。这将打开空隙，从而减小活塞刮擦的机会。
图14描绘了说明在诸如大约100华氏度(大约37.78摄氏度)的较高温度下离开发动机的油温(LOT)与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。如表示89所示，温度逐渐降低且然后随着马力增加而升高。
图15描绘了说明在诸如大约77华氏度(大约25摄氏度)的较低周围温度下离开发动机的油温与发动机马力关系之间的示范性比较的曲线图。使用本发明的示范性实施例的表示91导致比现有技术的表示92更低的启动温度。温度随着马力增加以恒定速率升高。在到达特定马力或切换点83时，温度以更高但仍恒定的速率升高。
图16描绘了说明在诸如100华氏度(37.78摄氏度)的高周围温度下发动机润滑油入口温度(ELIT)与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。如图所示，当与现有技术的表示94相比时，使用本发明的示范性实施例的表示93提供随着发动机马力增加而处于较低温度的温度。尽管实现了空气对油冷却，但额外冷却是优选的。可利用更长芯实现额外冷却。在另一示范性实施例中，可实现离开发动机的更高可用油温。
图17描绘了说明在诸如77华氏度(25摄氏度)的较低周围温度下ELIT与发动机马力关系的示范性比较的曲线图。如图所示，表示95示出温度始于较低温度且之后升高到特定水平，随着发动机马力继续增加，温度保持恒定。该温度低于现有技术实施例的表示96。
在操作中，例如，如果机车在较冷的周围温度怠速，可利用基于冷却剂的油系统，因为冷却剂将加热油。随着机车过渡到加载条件，其中其经历中等温度，不再使用基于冷却剂的油冷却器，而是使用空气对油冷却器。当机车在隧道内时，马力减小且关闭空气对油冷却器。开启基于冷却剂的冷却器。使用控制策略来决定采用哪种冷却策略。而且，在油离开发动机时，与油温相比，发动机冷却剂温度将升高。这又驱动气缸套与活塞之间的逆增量温度。使用冷却剂和空气对油冷却允许封装变化，同时还导致在较低功率等级中空气对油使用的最小化，这又降低了工作循环泄露可能。
尽管上文所公开的实例和示范性实施例是针对机车，但本领域技术人员应易于认识到它们也可用于其它的车辆或动力系统，诸如(但不限于)船舶、越野车辆、运输车辆、固定电站和农业车辆。而且，尽管针对机车具体地公开了柴油机，但本领域技术人员应易于认识到可在非柴油动力发动机的情况，诸如(但不限于)天然气动力系统、生物柴油动力系统等下利用本发明的实施例。
尽管参看各种示范性实施例描述了本发明，但本领域技术人员应了解在不偏离本发明的精神和范畴的情况下可以做出各种变化、省略和/或添加且可用等效物来代替其元件。此外，在不偏离本发明的范畴的情况下，可做出许多修改以适应本发明教导内容的特定情况或材料。因此，预期本发明并不限于被公开为所构想到的执行本发明的最佳方式的特定实施例，但本发明将包括属于所附权利要求范畴内的所有实施例。此外，除非具体地陈述为其它情况，用语第一、第二等的任何使用并不表示任何次序或重要性，而是使用用语第一、第二等来区分一个元件与另一个元件。

Claims (6)

1. 一种用来冷却在动力系统上的发动机的系统，所述系统无需基于冷却剂的中间冷却器和中间管，所述系统包括：
空气对油散热器系统，其被配置成冷却流过发动机的油；
空气对空气散热器系统，其被配置成冷却流过所述发动机的空气，且还被配置成结合所述空气对油散热器系统操作以提供用于所述空气对油散热器系统的冷空气；
缓流冷却剂散热器，其被配置成冷却冷却剂，所述冷却剂被提供用于冷却所述发动机且还被提供以结合所述空气对油散热器系统操作；以及
与所述发动机连通的发动机油槽，所述发动机油槽包括至少第一区域和第二区域以管理油的流动，其中来自所述空气对空气散热器系统的冷却空气流动通过所述空气对油散热器系统，然后通过所述缓流冷却剂散热器，来自所述发动机油槽的所述第一区域的油流到所述空气对油散热器且流入所述发动机油槽的所述第二区域，来自所述第二区域的油离开所述发动机油槽流至所述发动机。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一区域被配置成聚集从所述发动机返回的热油，且所述第二区域被配置成聚集从所述空气对油散热器系统返回的较冷的油。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，离开所述发动机的油在重力的作用下沉积到所述发动机油槽内，落到所述第二区域上方的油被导向到所述第一区域内。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括定位于所述第一区域与所述第二区域之间的第一挡板，所述第一挡板具有穿过所述第一挡板设置的至少一个连通孔以补偿在所述第一区域与所述第二区域之间出现的流动速率不平衡。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于还包括第二挡板，所述第二挡板的高度低于所述第一挡板且还被配置成从所述第一区域吸引动力流穿过所述至少一个连通孔。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括缓冲箱，所述缓冲箱被配置成捕获从所述发动机油槽溢出的油。
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