CN102859141B - 用于对在冷却系统中循环的制冷剂进行加温的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在车辆以冷态启动之后在冷却系统中对制冷剂加温的装置和方法。所述装置包括适于评估冷却系统中的制冷剂是否处于低于操作温度（TD）的温度（TC）以及流动通过制冷剂冷却器（18）的空气是否处于高于制冷剂温度（TC）的温度（TA1、TA2）的控制单元（22），如果以上条件均已满足，控制单元（22）适于将阀设备（17）置于第二位置，使得制冷剂被引至制冷剂冷却器（18），制冷剂在所述制冷剂冷却器中被流动通过所述制冷剂冷却器（18）的空气加温。

Description

用于对在冷却系统中循环的制冷剂进行加温的装置和方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1和11的前序部分所述的用于对在冷却系统中循环的制冷剂进行加温的装置和方法。
背景技术
当重型车辆尤其从冷态启动时，冷却内燃机的制冷剂需要相对较长的时间才能达到期望的操作温度。当环境温度较低时尤其会有这样的问题。在制冷剂处于非常低的温度期间，内燃机将不能最佳化运转，本应被制冷剂加温的驾驶室也不能接收到任何真正的加温。
在增压内燃机中，空气在被引入内燃机中之前被压缩。由此，空气获得较高的压力和较高的温度。压缩空气被引入内燃机中之前在至少一个增压空气冷却器中被冷却。已知使用EGR技术（废气再循环）将一部分排放气体从内燃机中的燃烧进程引回到用于为内燃机供应空气的管线中。向空气中增加排放气体产生较低的燃烧温度从而使得排放气体中的氮氧化物NOx含量降低。再循环的排放气体在与空气混合并且被引入内燃机中之前在一个或多个EGR冷却器中被冷却。
已知在实践中在增压空气冷却器中冷却压缩空气并且在EGR冷却器中冷却再循环排放气体，所述EGR冷却器位于用于对内燃机进行冷却的冷却系统的制冷剂的散热器的前面。因此压缩空气和再循环排放气体将被处于周围环境温度的空气冷却，而制冷剂则被处于比周围环境温度更高的温度下的空气所冷却。然而当该空气达到操作温度时通常处于肯定低于制冷剂的温度下。因此，即使当制冷剂冷却器位于增压空气冷却器和/或EGR冷却器的下游时，制冷剂也能受到良好的冷却。
发明内容
本发明的目的在于提供能够在内燃机起动之后以相对简单的方式快速地对冷却系统中的制冷剂进行加温的装置和方法。
该目的通过引言中所提到的具有权利要求1中特征部分所提到的特征的装置来实现。在这种情况下，冷却系统的制冷剂冷却器位于车辆中一位置处，在内燃机操作期间，在所述位置处流过所述制冷剂冷却器的空气所处温度高于周围环境的温度。车辆可以具有位于制冷剂冷却器上游的加热部件。当内燃机已经被关闭了一段时间时，则冷却系统中的制冷剂将处于基本上与周围环境相同的温度。因此，可以在冷态起动之后使用温度高于周围环境的该空气对在制冷剂冷却器中的制冷剂进行加温。在这种情况下，阀设备被置于第二位置，使得冷态制冷剂循环通过制冷剂冷却器。因此，在冷却系统中循环的制冷剂将由流动通过制冷剂冷却器的温暖空气加温。当制冷剂在冷却系统中循环时，其将在制冷剂冷却器中和通过内燃机被加温。制冷剂在制冷剂冷却器中被加温直至基本上处于与流动通过制冷剂冷却器的空气相同的温度。当制冷剂达到该温度时，阀设备就被置于第一位置。制冷剂进而被直接引至内燃机。本发明因此可以通过制冷剂冷却器实现对制冷剂的快速初始加温。在冷态启动的车辆中制冷剂处于非常低的温度这段时间就被显著的缩短了。
根据本发明的一个实施例，阀设备是位于所述歧管中的三通阀。三通阀优选是受到控制单元控制的电操作阀。当控制单元将三通阀置于第一位置时，其将制冷剂引至第一管线，当控制单元将三通阀置于第二位置时，其将制冷剂引至第二管线。可替换的是，冷却系统可以包括位于所述歧管中的节温器，所述阀设备可位于第一管线中，并且当阀设备被置于第二位置时，其适于将制冷剂从第一管线经由连接管线引至第二管线。在这种情况下，在正常操作期间传统的节温器维持制冷剂的温度。在节温器将制冷剂导引至第一管线期间，控制单元评估是否可以在制冷剂冷却器中对制冷剂进行加温。当可以这样做时，控制单元将阀设备置于第二位置，使得制冷剂被引至制冷剂冷却器。
根据本发明的另一个实施例，控制单元适于接收来自检测冷却系统中制冷剂的温度的温度传感器的信息。优选地，温度传感器定位在冷却系统中使得其检测靠近所述歧管的制冷剂的温度。控制单元可适于还接收来自定位在检测到达制冷剂冷却器的空气温度的位置处的温度传感器的信息。在这些信息的基础上，控制单元可以容易地确定流动通过制冷剂冷却器的空气是否处于高于制冷剂温度的温度以及在制冷剂冷却器中加温制冷剂是否有用。
根据本发明的优选实施例，装置包括用于对被引至内燃机的气态介质进行冷却的至少一个冷却器，所述冷却器位于制冷剂冷却器的上游位置，使得在空气流动通过制冷剂冷却器之前，所述空气流动通过该冷却器并且冷却气态介质。使用这样的冷却器，到达制冷剂冷却器的空气将处于肯定高于周围环境温度的温度下。因此，在冷态起动之后的初始阶段可以使用该空气加温制冷剂。所述冷却器可以是用于对被引至内燃机的压缩空气进行冷却的增压空气冷却器。压缩后的空气获得与空气的压缩程度相关的升高温度。为了减小压缩空气的体积而对其进行冷却。在这种情况下，压缩空气的热能被用于在冷态起动之后的初始阶段期间加温制冷剂。所述冷却器可选择地是用于对被引至内燃机的再循环排放气体进行冷却的废气再循环冷却器。再循环排放气体将处于非常高的温度并且因此在与空气混合和被引至内燃机之前需要进行冷却。在这种情况下，再循环排放气体的热能可被用于在冷态起动之后的初始阶段期间加温制冷剂。根据另外一个备选实施例，所述冷却器可以是用于变速箱油、发动机油、或者液压油的空冷冷却器或者用于AC设施的冷凝器。
根据本发明的优选实施例，控制单元可适于控制用于产生流动通过制冷剂冷却器的空气流的风扇的速度。可通过控制风扇的速度改变通过制冷剂冷却器的空气流量。这使得可以改变到达制冷剂冷却器的空气温度，以便促进对制冷剂的快速加温。控制单元还可适于控制使制冷剂在冷却系统中循环的制冷剂泵。因此可以改变通过制冷剂冷却器的制冷剂流量，以便促进对制冷剂的快速加温。
以上目的还可以通过引言中所提到的具有权利要求11中特征部分所提到的特征的方法来实现。
附图说明
下面参考附图对仅以示例方式给出的本发明的优选实施例进行描述，其中：
图1展示根据第一实施例的在冷却系统中用于加温制冷剂的装置，
图2是示出根据本发明的方法的流程图，以及
图3展示根据第二实施例的在冷却系统中用于加温制冷剂的装置。
具体实施方式
图1展示由增压内燃机2提供动力的车辆1。车辆1可以是由增压柴油机提供动力的重型车辆。来自内燃机2的气缸的排放气体经由排放歧管3被引至排放管线4。在排放管线4中的高于大气压力的排放气体被引至涡轮单元的涡轮机5中。涡轮机5由此提供驱动动力，所述驱动动力经由连接被传递至压缩机6。压缩机6对经由空气过滤器7被引入空气管线8中的空气进行压缩。在空气管线8中设置有增压空气冷却器9。增压空气冷却器9被设置在车辆1的前部。增压空气冷却器9是用于在压缩空气被引入内燃机2中之前对所述压缩空气进行冷却。压缩空气在增压空气冷却器9中被由冷却风扇10推动流过增压空气冷却器9的处于周围环境温度下的空气冷却。冷却风扇10通过适当的连接被内燃机2驱动。
内燃机2设有用于对排放气体进行再循环的废气再循环（EGR）系统。将排放气体与被引入内燃机的气缸中的压缩空气混合降低了燃烧温度从而也降低了在燃烧过程中形成的氮氧化物NOx的含量。用于对排放气体进行再循环的返回管线11从排放管线4延伸到空气管线8。返回管线11包括EGR阀12，通过所述EGR阀可以将返回管线11中的排放气流切断。EGR阀12也可以被用于无级地控制从排放管线4经由返回管线11到空气管线8的排放气体的量。返回管线11包括用于冷却循环的排放气体的EGR冷却器13。在增压柴油机2的某些操作状态下，排放管线4中的排放气体的压力将低于输入管线8中的压缩空气的压力。在这种情况下，不能在没有特殊辅助设备的情况下将返回管线11中的排放气体与输入管线8中的压缩空气直接混合。为此，例如可以使用具有可变几何尺寸的文丘里管或涡轮单元。如果内燃机2是增压奥托循环发动机，返回管线11中的排放气体就可以被直接引入输入管线8中，因为奥托循环发动机的排放管线4中的排放气体基本上在任何操作状态下都比输入管线8中的压缩空气的压力要高。在排放气体与压缩空气在位置8a处混合之后，它们经由歧管14被引入柴油机2的相应气缸中。
内燃机2被包括循环制冷剂的冷却系统以传统方式冷却。制冷剂泵15使制冷剂在冷却系统中循环。制冷剂泵15使制冷剂初始循环通过内燃机2。制冷剂冷却内燃机2之后，其在冷却系统中经由管线16被引至三通阀17。三通阀17位于歧管中，管线16在该处分为将制冷剂引至内燃机2的第一管线16a和将制冷剂引至制冷剂冷却器18的第二管线16b。制冷剂冷却器18位于车辆1的前部区域中在增压空气冷却器9和EGR冷却器13的相对于该区域中空气流动方向的下游位置处。EGR冷却器13和增压空气冷却器9的这种定位使得能够再循环排放气体和压缩空气被处于周围环境温度的空气冷却，同时到达位于它们后方的制冷剂冷却器18处的空气处于较高温度时。由于在正常操作期间制冷剂的温度为大约80-100℃，因此在车辆1的正常操作期间，即使是相对于周围环境温度升高的空气都能实现制冷剂冷却器18中的制冷剂的可接受冷却。
三通阀17受到控制单元22的控制。三通阀17可以是电操作的阀。控制单元22可以将三通阀17置于第一位置，制冷剂被引入第一管线16a从而被引至内燃机2中，控制单元22也可以将三通阀17置于第二位置，制冷剂被引入第二管线16b从而被引至制冷剂冷却器18中。控制单元22接收来自第一温度传感器23的信息，所述第一温度传感器检测基本上位于紧挨三通阀17上游的位置处的制冷剂温度。控制单元22还接收来自第二温度传感器24和第三温度传感器25的信息，所述第二温度传感器检测增压空气冷却器9和制冷剂冷却器18之间位置处的空气温度TA1，所述第三温度传感器检测EGR冷却器13和制冷剂冷却器18之间位置处的空气温度TA2。控制单元22适于控制冷却风扇10的操作使得提供所需要的空气流量通过冷却器9、13、18。控制单元22还适于控制制冷剂泵15的操作，使得在冷却系统中提供所需要的制冷剂流量。
参看图2的流程图，描述了制冷剂从内燃机2以冷态起动怎样被加温。内燃机2在步骤26起动。当内燃机2起动时，制冷剂泵1 5被致动并且开始使制冷剂在冷却系统中循环。内燃机的排放气体起动涡轮机5的操作，所述涡轮机驱动压缩机6。压缩机抽取并且压缩输入管线8中的空气。压缩空气被引至增压空气冷却器9，所述压缩空气被引至内燃机2之前在所述增压空气冷却器中被冷却。内燃机的排放气体的一部分通过返回管线11再循环。再循环的排放气体在与输入管线8中的压缩空气混合并且被引至内燃机2中之前在EGR冷却器13中被冷却。内燃机致动冷却风扇10以便抽取冷却空气流动通过增压空气冷却器9和EGR冷却器13。到达制冷剂冷却器18的空气由此获得相对于周围环境升高的温度。
在步骤27中，控制单元22接收来自第一温度传感器23的关于制冷剂到达三通阀17之前的温度TC的信息。控制单元22评估制冷剂的温度Tc是否低于所需要的制冷剂操作温度TD。如果内燃机2在起动之前已经被关闭了一段时间，则制冷剂将处于对应于周围环境温度的温度。因此，制冷剂温度将需要升高至达到操作温度TD。尤其如果周围环境温度较低时，制冷剂温度TC将会显著低于操作温度TD。在步骤28中，如果控制单元22发现制冷剂温度过低时，它将控制冷却风扇10的速度使得流动通过增压空气冷却器9和EGR冷却器13的空气在到达位于下游的制冷剂冷却器18之前被加温到适当的温度。然而，空气流不能以这样的方式被控制，压缩空气和再循环的排放气体在增压空气冷却器9和EGR冷却器13中分别经受不能接受的冷却。然而，在步骤28中，控制单元22还促使制冷剂泵15在冷却系统中提供制冷剂流，这促进对制冷剂的快速加温。
在步骤29中，控制单元22接收来自第二温度传感器24的关于空气通过增压空气冷却器9之后的温度TA1的信息以及来自第三温度传感器25的关于空气通过EGR冷却器13之后的温度TA2的信息。在步骤29中，控制单元22评估被引至制冷剂冷却器18的空气是否处于高于制冷剂温度TC的温度TA1、TA2。在这种情况下，被引入制冷剂冷却器的空气的两个温度TA1、TA2被检测。在这种情况下，可以计算平均值以观察是否可以在制冷剂冷却器18中加温制冷剂。如果控制单元22发现这是可以的，其将在步骤30中将三通阀17置于第二位置，使得制冷剂被引至第二管线16b和制冷剂冷却器18。由于流经制冷剂冷却器的空气将处于高于制冷剂温度TC的温度TA1、TA2，因此当制冷剂被引导通过制冷剂冷却器18时被加温。在这种情况下，制冷剂除了在内燃机2中接收加温以外还在制冷剂冷却器18中接收额外的加温。制冷剂冷却器18中的额外加温意味着制冷剂将被更加快速地加温至其操作温度TD。这个过程在步骤26再次开始。
只要在步骤27中制冷剂处于比操作温度TD要低的温度TC，控制单元22就控制冷却风扇10和制冷剂泵15，以便使流动通过制冷剂冷却器18的空气温度为高于制冷剂温度TC的温度TA1、TA2。当控制单元22发现不能在制冷剂冷却器18中加温制冷剂时，其将在步骤30中将三通阀置于第一位置，使得制冷剂被直接引至内燃机2。在后续的操作中，制冷剂将只能继续被内燃机2加温。一段时间以后，制冷剂达到其操作温度TD，在步骤27中当控制单元22发现制冷剂温度TC已经被超过时，其将在步骤30将三通阀17置于第一位置。然后制冷剂再次通过制冷剂冷却器18。在这种情况下，然而，流动通过制冷剂冷却器18的空气却处于低于制冷剂温度TC的温度TA1、TA2。因此在制冷剂冷却器18中提供对制冷剂的冷却。在内燃机2的后续操作中，控制单元22控制三通阀，使得制冷剂维持在对应于操作温度TD的基本上不变的温度TC。
图3展示了可替换的构造。在这种情况下，在包括第一管线16a和第二管线16b的歧管中设置节温器19。节温器19适于，当制冷剂所处温度TC低于所需要的制冷剂温度TD时，以传统方式自动地将制冷剂导引到第一管线16a和内燃机2；当制冷剂所处温度TC高于所需要的冷却介质温度TD时，以传统方式自动地将制冷剂导引到第二管线16b用以在制冷剂冷却器18中冷却。在这种情况下，第一管线16a设置有可被控制单元22控制的三通阀17。当制冷剂温度TC低于操作温度TD时，节温器19自动地将制冷剂导引到第一管线16a中。在步骤27中，当制冷剂温度TC低于操作温度TD时，控制单元22也起作用。控制单元22致动冷却风扇10和制冷剂泵15，以便维持空气和制冷剂冷却器18中的制冷剂的温度差。在步骤29中，控制单元观察空气是否处于高于制冷剂温度TC的温度TA1、TA2。当处于空气处于高于制冷剂温度的温度这种情况时，控制单元22将可以在制冷剂冷却器18中加温制冷剂并且将三通阀17置于第二位置，使得其将制冷剂从第一管线16a经由连接管线20引至第二管线16b。由此，制冷剂被引至制冷剂冷却器18，制冷剂在所述制冷剂冷却器中被流动通过制冷剂冷却器18的空气加温。
当制冷剂温度TC上升到与空气相似的水平时，就不再能够在制冷剂冷却器18中对制冷剂进行加温。控制单元22进而将三通阀17置于第一位置，使得制冷剂被引至内燃机2。在内燃机2的后续操作中，制冷剂温度TC上升直到超过操作温度TD。当发生制冷剂温度超过操作温度的情况时，节温器19本身自动重设，使得其将制冷剂导引至第二管线16b中以便在制冷剂冷却器18中冷却。节温器19将继续控制制冷剂流量，使得制冷剂维持在对应于操作温度TD的温度TC。
本发明不限于附图中所涉及的实施例，而是可以在权利要求的范围内自由地改变。在以上示例中，增压空气冷却器和EGR冷却器都位于制冷剂冷却器的前面。仅有一个这样的冷却器或者其它加热元件设置在制冷剂冷却器前面就足够了。这样的备选加热元件可以是用于变速箱油、发动机油、或者液压油的空冷冷却器或者用于AC设施的冷凝器。

Claims (9)

1.用于对在冷却系统中的制冷剂进行加温的装置，所述冷却系统冷却车辆(1)中的内燃机(2)，所述冷却系统包括：位于车辆的发动机的前部区域中一位置处的制冷剂冷却器(18)，用于冷却来自内燃机的制冷剂，在所述位置处流过所述制冷剂冷却器的空气所处温度(TA1、TA2)高于周围环境的温度，所述冷却系统还包括歧管，所述歧管包括：将制冷剂引至内燃机(2)的第一管线(16a)、将制冷剂引至制冷剂冷却器(18)的第二管线(16b)以及阀设备(17)，所述阀设备能够被置于第一位置和第二位置，在所述第一位置其将制冷剂引至内燃机(2)，在所述第二位置其将制冷剂引至制冷剂冷却器(18)，其中，所述装置包括控制单元(22)，所述控制单元适于评估冷却系统中的制冷剂是否处于低于操作温度(TD)的温度(TC)以及流动通过制冷剂冷却器(18)的空气是否处于高于制冷剂温度(TC)的温度(TA1、TA2)，以及如果以上条件均已满足，控制单元(22)适于将阀设备(17)置于第二位置，使得制冷剂被引至制冷剂冷却器(18)，制冷剂在所述制冷剂冷却器中被流动通过所述制冷剂冷却器(18)的空气加温；所述阀设备是位于所述歧管中的三通阀(17)；冷却系统包括位于所述歧管中的节温器(19)，所述阀设备(17)位于第一管线(16a)中，并且当阀设备(17)被置于第二位置时，三通阀(17)适于将制冷剂从第一管线(16a)经由连接管线(20)引至第二管线(16b)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，控制单元(22)适于接收来自检测冷却系统中的制冷剂温度(TC)的温度传感器(23)的信息。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，控制单元(22)适于接收来自定位在能够检测流入制冷剂冷却器(18)中的空气温度(TA1、TA2)的位置处的温度传感器(24、25)的信息。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于对被引至内燃机(2)的气态介质进行冷却的至少一个冷却器(9、15)，以及所述冷却器(9、15)位于制冷剂冷却器(18)的上游位置，使得在空气流动通过制冷剂冷却器(18)之前，所述空气流动通过冷却器(9、15)并且冷却气态介质。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述冷却器是用于对被引至内燃机(2)的压缩空气进行冷却的增压空气冷却器(9)。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述冷却器是用于对被引至内燃机(2)的再循环排放气体进行冷却的废气再循环冷却器(13)。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，控制单元(22)适于控制用于推动空气流动通过制冷剂冷却器(18)的风扇(10)的速度。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，控制单元(22)适于控制使制冷剂在冷却系统中循环的制冷剂泵(15)。
9.用于对在冷却系统中的制冷剂进行加温的方法，所述冷却系统冷却车辆(1)中的内燃机(2)，所述冷却系统包括：位于车辆的发动机前部区域中一位置处的制冷剂冷却器(18)，用于冷却来自内燃机的制冷剂，在所述位置处流过所述制冷剂冷却器的空气所处温度(TA1、TA2)高于周围环境的温度，所述冷却系统还包括歧管，所述歧管包括：将制冷剂引至内燃机(2)的第一管线(16a)、将制冷剂引至制冷剂冷却器(18)的第二管线(16b)以及阀设备(17)，所述阀设备能够被置于第一位置和第二位置，在所述第一位置其将制冷剂引至内燃机(2)，在所述第二位置其将制冷剂引至制冷剂冷却器(18)，所述阀设备是位于所述歧管中的三通阀(17)；冷却系统包括位于所述歧管中的节温器(19)，所述阀设备(17)位于第一管线(16a)中，并且当阀设备(17)被置于第二位置时，三通阀(17)适于将制冷剂从第一管线(16a)经由连接管线(20)引至第二管线(16b)，其特征在于，所述方法包括评估冷却系统中的制冷剂是否处于低于操作温度(TD)的温度(TC)以及流动通过制冷剂冷却器(18)的空气是否处于高于制冷剂温度(TC)的温度(TA1、TA2)的步骤，如果以上条件均已满足，则将阀设备(17)置于第二位置，使得制冷剂被引至制冷剂冷却器(18)，制冷剂在所述制冷剂冷却器中被流动通过所述制冷剂冷却器(18)的空气加温。
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