CN103375243B - 用于发动机预热的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种车辆的发动机系统，该发动机系统包括：发动机；设置用以在进气在发动机处被接收之前压缩该进气的涡轮增压器；可操作地置于涡轮增压器和发动机之间的增压空气冷却器设备；以及冷却剂系统，所述冷却剂系统可以在第一模式操作，以提供用于冷却发动机的第一冷却剂回路和用于冷却穿过增压空气冷却器设备的空气的第二单独的冷却剂回路；其中，冷却剂系统至少可切换至在第二模式操作，以提供第三冷却剂回路，在所述第三冷却剂回路中，来自发动机的冷却剂在其再循环回到发动机以加热发动机之前，被输送至增压空气冷却器设备以被加热。

Description

用于发动机预热的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于车辆内热交换的装置和方法。具体说，但不排他地，本发明涉及用于在车辆内使用可基于环境和发动机条件设置的冷却剂回路进行热交换的装置和方法。
背景技术
为了改善燃料经济性和燃料排放，现代车辆通常使用较小和/或涡轮增压发动机。然而，这些发动机产生更少的余热，这导致较差或者较长的发动机预热。这导致冷却剂和发动机油的温度升高缓慢。在环境温度冷的情况下更是如此，例如低于15摄氏度，其中车厢的舒适性（以及在零度以下的条件下燃烧的稳定性）成为主要关注的问题。
已知使用例如：预热塞加热器、空气电加热器、燃料加热器、冷却剂控制阀门和增强的发动机管理软件（例如，使用火花延迟）的附加设备来缓解这一问题。这些附加设备会是昂贵的，并且其运行牺牲了燃料经济性。
增压空气冷却器（CAC）通常用于在空气已穿过涡轮增压器但进入发动机之前冷却空气。在发动机内的燃烧过程期间，较低温度的空气产生更优的动力。CAC被包含空气/冷却剂热交换器、散热器和电动水泵的专用的且单独的冷却剂回路频繁地水冷。
发明内容
根据本发明，提供一种车辆的发动机系统，该发动机系统包括：
发动机；
设置用以在进气在发动机处被接收之前压缩该进气的涡轮增压器；
可操作地置于涡轮增压器和发动机之间的增压空气冷却器设备；以及
冷却剂系统，所述冷却剂系统可以在第一模式操作，以提供用于冷却发动机的第一冷却剂回路和用于冷却穿过增压空气冷却器设备的空气的第二单独的冷却剂回路；
其中，冷却剂系统至少可切换至在第二模式操作，以提供第三冷却剂回路，在所述第三冷却剂回路中，来自发动机的冷却剂在其再循环回到发动机以加热发动机之前，被输送至增压空气冷却器设备以被加热。
冷却剂系统可以基于环境温度、发动机温度和发动机操作点中的一个或多个可操作地在模式之间切换。
发动机系统可包括用于测量环境空气温度的第一温度传感器。冷却剂系统可被设置成当环境温度高于第一预定温度时在第一模式操作。第一预定温度可以为大约15摄氏度。
冷却剂系统可被设置成当环境温度低于第一预定温度时切换到第二模式。
发动机系统可包括用于测量发动机处温度的第二温度传感器。当发动机温度高于第二预定温度时，冷却剂系统可以切换至在第三模式操作。
冷却剂系统可以在第三模式操作，以提供用于加热穿过增压空气冷却器设备的空气的第四冷却剂回路。
冷却剂系统可被设置成当环境温度低于第三预定温度并且发动机温度高于第四预定温度时，切换到第三模式。
第三预定温度可以等于第一预定温度。第四预定温度可以等于第二预定温度。
发动机系统可包括阀装置，该阀装置可操作以提供多个冷却剂回路。阀装置可包括至少一个阀。该阀可以是电磁阀。
发动机系统可包括用于控制阀的设置并从而控制在哪一个模式操作的控制器。
阀装置可包括供应冷却剂到增压空气冷却器设备的第一阀。第一阀可包括三通阀。当冷却剂系统处在第一模式时，第一阀可以可操作以允许在 第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。
当冷却剂系统处在第二模式时，第一阀可以可操作以允许冷却剂从发动机通向增压空气冷却器设备。当冷却剂系统处在第二模式时，第一阀可以可操作以阻止在第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。
发动机系统可包括用于从冷却剂传递热的热交换器装置。该热交换器装置可包括在第一冷却剂回路中提供的第一热交换器。该热交换器装置可包括在第二冷却剂回路中提供的第二热交换器。
阀装置可包括从增压空气冷却器设备接收冷却剂的第二阀。该第二阀可包括三通阀。当冷却剂系统处在第一模式时，该第二阀可以可操作以允许在第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。
当冷却剂系统处在第二模式时，第二阀可以可操作以允许冷却剂从增压空气冷却器设备通向发动机。当冷却剂系统处在第二模式时，第二阀可以可操作以阻止在第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。当冷却剂系统处在第二模式时，第二阀可以可操作以阻止冷却剂通向第二热交换器。
阀装置可包括用于可选择地允许冷却剂从发动机穿过热交换器装置通过的第三阀。当冷却剂系统处在第二模式时，该第三阀可以可操作以阻止冷却剂穿过热交换器装置。
阀装置在第三模式期间可被设置为与在第二模式期间使用的设置相同。
附图说明
现将仅通过举例的方式，参照附图描述本发明的具体实施方式，其中：
图1是包括在第一模式操作的冷却剂系统的发动机系统的示意图；
图2是包括在第二模式操作的冷却剂系统的发动机系统的示意图；
图3是包括在第三模式操作的冷却剂系统的发动机系统的示意图。
具体实施方式
图1显示了车辆的发动机系统10。该系统10包括发动机12。提供加热器单元13，热的发动机冷却剂从发动机12循环穿过该加热器单元13并回到发动机12以加热车辆。
涡轮增压器20具有被来自发动机12的废气14可旋转地驱动的涡轮22。该涡轮22连接于轴24，涡轮增压器20的压缩机26也连接于轴24，这样，涡轮22驱动压缩机26以压缩进气30。
压缩进气30使温度升高，因此压缩了的空气32的密度是更低的。为克服这点，提供增压空气冷却器40以冷却空气32。冷却了的空气34随后被传送到发动机12。
发动机系统10包括冷却剂系统50。冷却剂系统50可在第一或普通模式操作，提供两个单独的冷却剂回路。图1显示了该第一模式。
第一冷却剂回路冷却发动机12。通过第一泵52将冷却剂沿第一管道60泵到第一热交换器54，在第一热交换器54处从冷却剂传递热量。冷却了的冷却剂随后回到发动机12。
第二单独的冷却剂回路冷却穿过增压空气冷却器40的空气。通过第二泵56将冷却剂沿第二回路62并穿过增压空气冷却器40输送，在增压空气冷却器40处冷却剂从压缩了的空气32获得热量。冷却剂继续到达第二热交换器58，在第二热交换器58中从冷却剂传递热量。随后冷却了的冷却剂回到增压空气冷却器40。
冷却剂系统50包括若干阀。这些阀中的一些物理地连接第一和第二回路，但它们在第一模式被设置为保持第一和第二回路是单独操作的。
在增压空气冷却器40的上游提供第一阀70，因此供应冷却剂至增压空气冷却器40。第一阀70是具有连接于第二回路62的第一入口的三通电磁阀。在第一模式中，第一阀70允许冷却剂从第一入口通向第一阀70的出口。第一阀70还具有第二入口，该第二入口连接于在第一冷却剂回路中提供的第一三通管（T piece）80。而在第一模式中，第一阀70阻止冷却剂从第二入口通向第一阀70的出口（在图中通过虚线表示）。
在增压空气冷却器40的下游提供第二阀72，因此通过连接于第三管 道64的入口从增压空气冷却器设备接收冷却剂。第二阀72也是三通电磁阀，并且具有第一和第二出口。第一出口连接于第二热交换器58，在第一模式中，第二阀72允许冷却剂传送通向第二热交换器58。第二出口连接于在第一冷却剂回路中提供的第二三通管82。而在第一模式中，第二阀72阻止冷却剂通向第一冷却剂回路。
第三阀74选择性地允许冷却剂穿过第一热交换器54。在第一模式中，这一通路是被允许的。
在操作中，当冷却剂系统50处在第一模式时，热的压缩的空气32在继续到达发动机以供燃烧期间使用之前穿过增压空气冷却器40，在增压空气冷却器40处热的压缩的空气被来自第二热交换器58的冷的冷却剂冷却。冷却剂通过来自压缩的空气32的热的传递而被加热，但在第二热交换器58处传递该热量。
同时但分别地，被发动机12加热的冷却剂循环穿过第一热交换器54。包括第一和第二三通管的第四管道66也循环冷却剂，但在第一模式期间没有任何显著的热传递。
发动机系统包括第一温度传感器（未示出）和第二温度传感器（未示出），该第一温度传感器测量车辆外环境空气的温度，第二温度传感器测量发动机12处的冷却剂的温度。这些传感器均连接于控制器（未示出），该控制器控制上述三个阀的设置。
通过车辆的动力系统控制模块（PCM）中的软件设置控制器。这允许仅在适当时，连接单独的回路。控制器和软件允许冷却剂系统容易地被设置成以许多不同的模式操作，从而优化发动机中的热分布。
当环境温度降低到第一预定温度以下，例如15摄氏度，并且发动机的温度相对较冷（例如当发动机还没有长时间运行时）时，冷却剂系统切换到以第二模式操作。具体地，控制器将阀切换至不同的设置。这一设置显示在图2中。
在第二模式中，第一阀70切换成阻止冷却剂从第二管道62经由第一入口通过。然而，允许冷却剂从发动机经由第二入口通过。
另外，在第二模式中，第二阀72切换成阻止冷却剂通向第二热交换器58。相反，流体经由第二三通管82流向发动机12。
第三阀74在第二模式中关闭，以阻止冷却剂穿过第一热交换器54。
在操作中，当冷却剂系统50处在第二模式时，热的压缩的空气32穿过增压空气冷却器40。冷的（如第二温度传感器测定的）发动机冷却剂也通过增压空气冷却器40，并因此该热的压缩的空气32在继续到达发动机之前被冷的冷却剂冷却。冷却剂通过来自压缩的空气32的热传递被加热。由于第二阀72的设置，加热的冷却剂回到发动机12，其中热量用以加热发动机12。
同时，第三阀74的关闭消除了因冷却剂穿过第一热交换器54而对来自发动机12的热造成的任何损失。
冷却剂系统50也可以在第三模式操作，当环境条件较冷而发动机12相对较热（例如，如果其运行了一段时间）时，能够使用该第三模式。已知的是，当发动机12是热的时，不希望进气太冷，因为这会导致较差的燃烧性能/稳定性。第三模式的阀的设置实际上与第二模式的阀的设置是相同的（将不再重复描述）。然而，第三模式响应于不同环境/发动机条件进行选择，以实现不同的发动机操作特征。这显示在图3中。
在操作中，当冷却剂系统50处在第三模式时，像之前那样，由涡轮增压器20的压缩机26压缩空气30。然而，压缩的空气32仍然不像用于热发动机期望的那样热。
压缩的空气32穿过增压空气冷却器40。热发动机冷却剂也通过增压空气冷却器40，并因此压缩的空气32在继续到达发动机12之前被冷却剂进一步地加热。由于第二阀72的设置，冷却剂回到发动机12。
当处在第二模式时，第三阀74关闭以阻止冷却剂穿过第一热交换器54。
本发明无需昂贵的附加设备改善了发动机的预热。另外，其在冷的环境温度下实现而不影响车辆的燃料经济性。提供和设置该系统是简单的，并且能以不同的模式运行该系统。通过在严寒的环境温度下提高燃烧稳定 性获得提高的燃料经济性。
以上已经描述了本发明的具体实施方式，然而应该理解的是，偏离所述的实施方式仍可落入本发明的范围内。

Claims (29)

1.一种车辆的发动机系统，其特征在于，该发动机系统包括：
发动机；
设置用以在进气在发动机处被接收之前压缩所述进气的涡轮增压器；
可操作地置于涡轮增压器和发动机之间的增压空气冷却器设备；
冷却剂系统，所述冷却剂系统可以在第一模式操作，以提供用于冷却发动机的第一冷却剂回路和用于冷却穿过增压空气冷却器设备的空气的第二单独的冷却剂回路；以及
用于测量发动机处温度的第二温度传感器，其中当发动机温度高于第二预定温度时，所述冷却剂系统切换至在第三模式操作；
其中，冷却剂系统至少可切换至在第二模式操作，以提供第三冷却剂回路，在所述第三冷却剂回路中，来自发动机的冷却剂在其再循环回到发动机以加热发动机之前，被输送至增压空气冷却器设备以被加热；
所述冷却剂系统可在第三模式操作，以提供用于加热穿过增压空气冷却器设备的空气的第四冷却剂回路。
2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述冷却剂系统基于环境温度、发动机温度和发动机操作点中的一个或多个可操作地在模式之间切换。
3.根据权利要求1或2所述的发动机系统，其特征在于，包括用于测量环境空气温度的第一温度传感器，其中冷却剂系统被设置成当环境温度高于第一预定温度时在第一模式操作。
4.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，第一预定温度为大约15摄氏度。
5.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，冷却剂系统被设置成当环境温度低于第一预定温度时切换到第二模式。
6.根据权利要求4所述的发动机系统，其特征在于，冷却剂系统被设置成当环境温度低于第一预定温度时切换到第二模式。
7.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述冷却剂系统被设置成当环境温度低于第三预定温度并且发动机温度高于第四预定温度时，切换到第三模式。
8.根据权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，第三预定温度等于第一预定温度。
9.根据权利要求7或8所述的发动机系统，其特征在于，第四预定温度等于第二预定温度。
10.根据前权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，包括阀装置，所述阀装置可操作以提供多个冷却剂回路。
11.根据权利要求10所述的发动机系统，其特征在于，所述阀装置包括至少一个电磁阀。
12.根据权利要求11所述的发动机系统，其特征在于，包括用于控制阀的设置并从而控制在哪一个模式操作的控制器。
13.根据权利要求10至12中任一权利要求所述的发动机系统，其特征在于，所述阀装置包括供应冷却剂到增压空气冷却器设备的第一阀。
14.根据权利要求13所述的发动机系统，其特征在于，所述第一阀包括三通阀。
15.根据权利要求13所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统处在第一模式时，第一阀可操作以允许在第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。
16.根据权利要求14所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统处在第一模式时，第一阀可操作以允许在第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。
17.根据权利要求13所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统在第二模式时，第一阀可操作以允许冷却剂从发动机通向增压空气冷却器设备。
18.根据权利要求13所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统处在第二模式时，第一阀可操作以阻止在第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。
19.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，包括用于从冷却剂传递热的热交换器装置。
20.根据权利要求19所述的发动机系统，其特征在于，所述热交换器装置包括在第一冷却剂回路中提供的第一热交换器和在第二冷却剂回路中提供的第二热交换器。
21.根据权利要求13所述的发动机系统，其特征在于，所述阀装置包括从增压空气冷却器设备接收冷却剂的第二阀。
22.根据权利要求21所述的发动机系统，其特征在于，所述第二阀包括三通阀。
23.根据权利要求21所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统处在第一模式时，所述第二阀可操作以允许在第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。
24.根据权利要求21所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统处在第二模式时，所述第二阀可操作以允许冷却剂从增压空气冷却器设备通向发动机。
25.根据权利要求21所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统处在第二模式时，所述第二阀可操作的阻止在第二冷却剂回路中循环的冷却剂通过。
26.根据权利要求21所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统处在第二模式时，所述第二阀可操作以阻止冷却剂通向第二热交换器。
27.根据权利要求13所述的发动机系统，其特征在于，所述阀装置包括用于可选择地允许冷却剂从发动机穿过热交换器装置通过的第三阀。
28.根据权利要求27所述的发动机系统，其特征在于，当所述冷却剂系统处在第二模式时，所述第三阀可操作以阻止冷却剂穿过热交换器装置。
29.根据权利要求28所述的发动机系统，其特征在于，阀装置在第三模式期间被设置为与在第二模式期间使用的设置相同。
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