CN103422973A - 防熄火水搅动器系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了防熄火水搅动器系统和方法。所述系统可包括增压发动机，该增压发动机具有在压缩器下游的增压空气冷却器，并且具有在进气歧管和所述增压空气冷却器之间具有节气门的进气道。系统还可包括与进气道平行连接在进气歧管和所述增压空气冷却器之间的管路，该管路连接于所述节气门下游的进气歧管，该管路包括在垂线的45度内安装的搅动器。

Description

防熄火水搅动器系统及方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年5月16日提交的美国临时专利申请号61/648,008的优先权，其全部内容在本文中被引入作为参考，用于全部目的。

发明领域

本申请涉及通过发动机控制增压空气冷却器凝结物的摄入速率的方法和系统，并具体地涉及如下方法和系统：其中将凝结物送至容器，然后在容器中时用进气搅动，从而在进气中引入凝结物，该进气将在预定速率以下被摄入。

背景和概述

多种内燃发动机包括涡轮增压器或机械增压器（superchargers），其被配置以通过用压缩器压缩进气驱使更多空气量进入发动机的进气歧管和燃烧室，该压缩器由涡轮驱动，该涡轮被布置以从发动机排气流捕获能量。但是，压缩进气容易对其加热，这趋于降低此增压空气的密度。已知利用增压空气冷却器补偿增压引起的加热。增压空气冷却器可用于汽油发动机和柴油发动机。

较小排量的涡轮增压发动机可用于大型车辆，以提高燃料经济性。来自压缩器的热压缩空气在增压空气冷却器（CAC）中变冷，从而最小化火花延迟。随着热湿空气，水分可在增压空气冷却器中凝结出来——如果其冷却到露点以下。已经测出，在潮湿的天气，一些发动机在70mph常速行驶60min时可凝结足够的水以在增压空气冷却器出口箱底部形成水坑（puddle）。一种测量显示120cc/60min的水坑累积速率。此外，如果驾驶员实施踏板全开仅1至2秒，然后撤回加速器，则端箱（end tank）的水坑可迅速形成或成长。如果在急加速过程中立刻摄入大水坑，则发动机可熄火。例如，已显示熄火由于水摄入速率大于20cc/sec而发生。这是不可接受的，因为发动机将提供不了所需动力。此外，如果熄火汽缸的燃料喷射器继续喷射燃料，则催化转化器的砖（brick）基底可由于过热而熔化。

根据本公开的实施方式可用于防止水凝结，而且防止水摄入速率高到足以造成熄火。

实施方式可在增压空气冷却器出口箱中凝结可趋于集中并且凝结水可形成水坑的位置上提供放液管。实施方式可与放液管成线地安排膨胀室，以收集水。膨胀室可充当水搅动器以减缓水坑通过放液管摄入发动机。此外，气门可被布置在进口以提供进气搅动喷射至室中的水。以这种方式，气门可有助于将水雾化到进气流中，然后使其经过进气歧管并进入燃烧室。以这种方式，来自增压空气冷却器的凝结物将以可控制和测量的方式被导向发动机的整个歧管。以这种方式，然后发动机较不可能由于水摄入而熄火。

实施方式可提供防熄火水搅动器系统和方法。系统可包括增压发动机，该增压发动机具有在压缩器下游的增压空气冷却器，并且具有在进气歧管与增压空气冷却器之间具有节气门的进气道。系统还可包括管路，该管路与进气道平行连接在进气歧管与增压空气冷却器之间，该管路连接于节气门下游的进气歧管，该管路包括搅动器，该搅动器被安装在垂线（vertical）的45度以内。

在另一实施方式中，搅动器包括垂直安装的膨胀区域和连接在膨胀区域上游的孔口。

在另一实施方式中，膨胀区域基本上是圆柱形。

在另一实施方式中，膨胀区域至少底部基本上是锥形。

在另一实施方式中，调节发动机涡轮增压器凝结物摄入的装置包括：室，其被配置以容纳一定量凝结物；进口，其与增压空气冷却器出口箱流体连通地连接，以允许凝结物从出口箱移至室，在凝结物存在时进口位于一定量凝结物顶面的下方；和出口，位于凝结物顶面上方，连接于发动机进气歧管，使得进气歧管在顶面上方产生负压，以使进气从进口穿过凝结物，从而搅动凝结物。

在另一实施方式中，室和进口被设定尺寸和比例以搅动凝结物，从而使凝结物液滴以预选最大水分浓度或在预选最大水分浓度以下悬浮到进气中，被发动机摄入。

在另一实施方式中，该室基本上是管状。

在另一实施方式中，该室至少底部基本上是锥形。

在另一实施方式中，出口被配置以与制动助力管路连接，从而提供负压。

在另一实施方式中，减少增压发动机燃烧室过度凝结摄入的方法包括：使凝结物通过旁路从增压空气冷却箱移至燃烧室真空源，旁路定位在增压空气冷却箱中液体趋于凝结的位置；在定位在旁路中的容器处收集凝结物；和通过容器进口处包括的喷嘴，充气穿过凝结物，以搅动凝结物和将凝结物液滴悬浮到增压空气中，并将悬浮液滴送入燃烧室。

在另一实施方式中，充气穿过凝结物包括使凝结物液滴以预定速率悬浮到增压空气中。

在另一实施方式中，充气穿过凝结物包括设定喷嘴内径尺寸，以使增压空气以超声速度经过喷嘴。

应当理解，提供以上概述，以简化形式引入在详细描述中被进一步描述的思想选择。并非意味确定保护主题的关键或必要特征，保护主题的范围仅由所附权利要求限定。此外，保护主题不限于上文或本公开任何部分所述的解决任何缺陷的实施方式。

附图简述

图1显示根据本公开所述的实例车辆系统布局，其包括进气系统和增压空气冷却器安排以及凝结物控制和防熄火系统。

图2是示例根据本公开所述的实例搅动器的剖视图。

图3是示例根据本公开所述的另一实例搅动器的剖视图。

图4是示例根据本公开所述的实例方法的流程图。

图5是示例根据本公开所述的另一实例方法的流程图。

图6是显示系统前左视图和后左视图的近似比例图，示例增压空气冷却器和搅动器相对于进气歧管和节气门的位置。

图7显示安装在车辆中的系统的实例构造。

详细描述

图1是不按尺度或准确成比例的示意图，其显示发动机系统实例，例如，总体上在10的发动机系统。发动机系统10可以是柴油发动机或汽油火花-点火发动机或可使用根据本公开所述各种部件的其他发动机类型。具体地，内燃发动机10包括多个汽缸，其中一个汽缸显示在图1中。发动机10受电子发动机控制器12控制。发动机10包括燃烧室14和汽缸壁16，并且活塞18定位在其中，并连接于曲轴20。燃烧室14分别通过各自的进气门26和排气门28与进气歧管22和排气歧管24连通。

进气歧管22通过节流板32与节气门体30连通。在一个实施方式中，可使用电子控制的节气门。在一个实施方式中，节气门经电子控制以周期性或连续地保持进气歧管22中指定的真空水平。虽然节气门体30被描述为在压缩器装置90b上游，但要理解的是，节气门体可被布置在压缩器上游或下游。该选择可部分取决于所用的具体排气再循环（EGR）系统（一个或多个）。可选地或另外地，节气门体可被布置在排气管路，以提高排气压。这可有效协助驱动EGR，但可能不有效减少通过发动机的总质量流量。虽然未显示在图1，但汽缸可包括火花塞，用于提供火花-点火燃烧，其中火花正时可被基于运转条件控制。

燃烧室14还被显示具有与其连接的燃料喷射器34，用于与来自控制器12的燃料信号脉冲宽度（fpw）的脉冲宽度成比例输送燃料。燃料通过常规燃料系统（未显示）被输送至燃料喷射器34，常规燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料轨（未显示）。在直接喷射发动机的情况下，如图1所示，可使用具有较低压泵和较高压泵的高压燃料系统。

在所述实施方式中，控制器12是微计算机，包括微处理器单元40、输入/输出端口42、电子存储器44——在此具体实例中其可以是可电子编程存储器、随机存取存储器46和常规数据总线。

控制器12可被配置以接收来自传感器连接于发动机10的不同信号，该信号可包括但可不限于：来自质量空气流量传感器50的引入质量空气流量（MAF）的测量，该质量空气流量传感器50可连接于空气过滤器A；来自温度传感器52的发动机冷却剂温度（ECT），该温度传感器52连接于冷却夹套54；来自歧管压力传感器56的歧管压力（MAP）的测量，该歧管压力传感器56连接于进气歧管22；来自节气门位置传感器58的节气门位置（TP）的测量，该节气门位置传感器58连接于节流板32；和来自霍尔效应传感器60的表面点火感测信号（PIP），该霍尔效应传感器60连接于指示发动机速度的曲轴20。

发动机10可包括EGR系统，以有助于降低NO_x和其他排放物。例如，发动机10可包括高压EGR系统，其中排气通过高压EGR管70被输送至进气歧管22，该高压EGR管70与压缩装置90的排气涡轮90a上游位置处的排气歧管24连通，并与压缩装置90的进气压缩器90b下游位置处的进气歧管22连通。高压EGR气门组件72可位于高压EGR管70中。然后排气可从排气歧管24先经过高压EGR气门组件72，然后到达进气歧管22。EGR冷却器[在图1中显示在Y处]位于高压EGR管70中，以在再循环排气进入进气歧管前冷却再循环排气。冷却可利用发动机水进行，但也可使用空气-与-空气热交换器。

发动机10还可包括低压EGR系统。所述低压EGR系统可包括低压EGR管170，该低压EGR管170与排气涡轮90a下游位置处的排气歧管24连通，并与进气压缩器90b上游位置处的进气歧管22连通。低压气门组件172可位于低压EGR管170中。然后低压EGR回路中的排气可从涡轮90a经过催化装置82（例如，三元催化剂）和第二催化剂80，然后进入低压EGR管170。低压EGR冷却器Ya可沿低压EGR管170定位。

在一些可选的实施方式中，催化装置82可位于催化剂80下游。在这种情况下，低压EGR可在催化装置82前或后提取。在进一步其他可选的实施方式中，催化装置82和装置80可组合成单个部件。

真空调节器74和174可分别连接于高压EGR气门组件72和低压EGR气门组件172。真空调节器74和174可接收来自控制器12的驱动信号，用于控制EGR气门组件72的气门位置。在一个实施方式中，高压EGR气门组件72和低压EGR气门组件172是真空驱动气门。但是，可使用任何类型的流量控制气门（一个或多个），如，例如，电磁线圈供电气门（electrical solenoid powered valve）或步进马达供电气门（stepper motor powered valve）。

进一步，连同驾驶员足部95显示驱动踏板94。踏板位置传感器（pps）96测量驾驶员驱动的踏板的角位。进一步，发动机10还可包括排气氧传感器178和178’，用于提供排气的空气/燃料比指示。显示排气氧传感器178和178’连接于催化装置82和80。在一些实例中，传感器178和/或178’可被安装在排气歧管24中或装置90的下游。氧传感器可以是线性氧传感器或UEGO（通用或宽范围排气氧）、两态氧传感器或EGO、HEGO（加热式EGO）、NO_x、HC或CO传感器。

压缩装置90可以是涡轮增压器或任何其他这种装置。所述压缩装置90可具有连接在排气歧管24中的涡轮90a和通过中间冷却器200与进气歧管22连接的压缩器90b，该中间冷却器200可以是空气-与-空气热交换器，但可以是水冷却式。涡轮90a一般通过驱动轴92连接于压缩器90b。（这也可以是串联涡轮增压器安排、单个可变几何涡轮增压器（VGT）、双VGTs或任何其他可用的涡轮增压器安排，并且可在压缩装置系统中如在两级压缩之间包括冷却器）。

如所提到的，进气道190可包括增压空气冷却器200（例如，中间冷却器）以降低涡轮增压或机械增压进气的温度。入流202和出流204显示的冷却剂流以箭头显示；例如，增压空气冷却器200可包括被配置以接收冷却剂的冷却剂进口202和被配置以排出冷却剂的冷却剂出口204。入流202来源和出流204终点已从图中省略，但可包括在流过增压空气冷却器和/或散热器前或后流过汽缸体的发动机冷却剂（参见图7）。作为入流202和出流204流动的冷却剂流体可以是空气或另外的流体如水或适当的化学冷却剂或其混合物。在一种情况下，增压空气冷却器200可被称为水冷却式，而另一种情况下增压空气冷却器200可被称为空气冷却式。增压空气冷却器200中的冷却剂可在冷却剂通道206中循环。要理解的是，冷却剂通道206可具有如下几何特征：被配置以有助于进气道190和冷却剂通道206之间的热传递。以这种方式，热量可通过增压空气冷却器200离开进气道190。因此，输送至燃烧室14的进气的温度可通过增加空气压力和增加燃烧效率而下降。

增压空气冷却器安排220还可包括多个位于增压空气冷却器200中的冷却管230。进口箱232可位于进气道190和增压空气冷却器200之间，提供进气通向多个冷却管230的流体通路（fluidic access）。不同的实施方式可包括具有不同数量冷却管的增压空气冷却器200。在一个实例中，多个冷却管基本上全部可计数为21个管。

图1还示例根据本公开所述的实例系统300，其可用于减少可由燃烧室14过度水摄入造成的可能的发动机熄火。如所描述的，凝结物如水可凝结于增压空气冷却器200的管230。凝结物可趋于集中在出口箱234中。系统300可包括增压发动机10或是增压发动机10的部分。增压发动机10可具有在压缩器90b下游的增压空气冷却器200，并可具有在进气歧管22和增压空气冷却器200之间具有节气门30的进气道190。系统300还可包括与进气道190平行连接在进气歧管22和增压空气冷却器200之间的管路302。管路302可与节气门30下游的进气歧管22连接。管路302可包括搅动器304。

搅动器304可被安装在垂线的0-45度或0-50度或0-10度内，如在一个实例中10-25度。以这种方式，凝结物306可在搅动器304中以基本上覆盖搅动器304底部310的进口开口308的方式累积，使得进气将穿过搅动器304中累积的凝结物306，而不经由另一路径吹送以避免凝结物306剧烈搅动。

搅动器304可包括出口305，其位于凝结物306顶面307附近。出口305可被配置以通过制动助力管路309或其他适当的通道与进气歧管22连接。

在所示实例系统300中，增压发动机10可以是直接喷射增压汽油发动机。节气门30可被调节以控制发动机10的输出扭矩。

搅动器304可以是声波搅动器。搅动器304可包括进口喷嘴312，其被配置以喷射进气，显示搅动器304中具有多个短弯曲管路314，该短弯曲管路314在凝结物306存在时穿过凝结物306。进口喷嘴312可以是超声喷嘴。

关于一些实例系统300，搅动器304可包括垂直安装的膨胀区域316和连接在膨胀区域316上游的进口开口308或孔口308。在一些实例中，孔口308可具有约1.5至2.5mm之间的内径。在一些实例中，孔口308可具有约2mm的内径。

关于一些实例系统300，膨胀区域316可具有约1.0和1.5英寸之间的内径。关于一些实例系统300，膨胀区域316可具有约1.25英寸的内径。

关于一些实例系统300，搅动器304的内室320——其可包括膨胀区域316，可具有约125mm和175mm之间的长度。关于一些实例，室长度可以为约150英寸。

在一些情况下，搅动器304全长可约为300mm，并可包括多个配件和端口和/或孔口。在一些情况下，配件可以是端盖，该端盖具有穿过其中的开口，作为经过和提供与系统300各上游和下游构件的密封啮合的端口或孔口。配件可由例如塑料制成。多种配件可由例如黄铜制成。

搅动器304的参数选择可影响水分送至燃烧室14的速率。例如，搅动器304的内径尺寸可影响搅动速率，因此影响凝结物被重新引入进气的速率。作为另一实例，搅动器304的相对长度可影响干燥搅动器304可耗费的时间。

图2是示例根据本公开所述的实例搅动器304的剖视图。搅动器304示例出口305，出口305可通过软管322与进气歧管22（此图中未显示）连接。软管可具有例如5/16”的内径。其他尺寸也可以。在一个实例中，一定体积的凝结物306可被搅动，并可以例如约10分钟内90ml的速率雾化到进气流中。

图2还示例实例孔口312，其具有2mm的实例内径。直径可不同于此，例如2mm±1mm。但是，还可采用其他尺寸。孔口312可由例如钻孔的黄铜原料制成。实例孔口312可产生在相对于孔口各上游和下游位置之间相对高压差的超声流量。

图3是示例根据本公开所述另一实例搅动器304的剖视图。在此实例中，图2还显示搅动器304的内室320可基本上是管状。但是，在该实例中至少室底部324可基本上是锥形。

多个实施方式可提供装置304以调节发动机涡轮增压器凝结物摄入。装置304可包括室320，其被配置以容纳一定量凝结物306。进口308可与增压空气冷却器出口箱（未显示）流体连通地连接，以允许凝结物从出口箱移至室320。在一些情况下，进口308和至少部分装置304可位于出口箱下方，凝结物306可通过重力进入室320。当凝结物306存在于室320中时，进口308可位于一定量凝结物的顶面下方。装置304还可包括出口305，其位于凝结物306顶面307上方，连接于发动机10的进气歧管22，使得进气歧管22在顶面307上方产生负压，以使进气从进口308穿过凝结物，从而搅动凝结物306。出口305可被配置以与制动助力管路（未显示）连接，从而提供负压。

室320和进口308可被设定尺寸和比例以搅动凝结物，从而使凝结物306的液滴326以预选最大水分浓度或在预选最大水分浓度以下悬浮到进气中，被发动机10摄入。

图4是示例缓解增压发动机燃烧室过度凝结摄入的实例方法400的流程图。方法400可包括，在410，使凝结物通过旁路从增压空气冷却箱移至燃烧室的真空源，旁路定位在增压空气冷却箱中液体趋于凝结的位置。方法400可包括，在420，在定位在旁路中的容器处收集凝结物。方法400还可包括，在430，通过容器进口处包括的喷嘴，充气穿过凝结物，以搅动凝结物，并使凝结物液滴悬浮到增压空气中，并将悬浮液滴送入燃烧室。

充气穿过凝结物可包括使凝结物液滴以预定速率悬浮到增压空气中。使凝结物液滴以预定速率悬浮到增压空气中可包括，以调节预选进气流速或其他选择运转参数下的悬浮速率的方式，选择室长度，和/或选择室横截面面积连同室长度。

例如，充气穿过凝结物可包括设定喷嘴内径尺寸，以使增压空气以超声速度经过喷嘴。充气经由喷嘴穿过凝结物可包括将增压空气从增压空气冷却器送至燃烧室。在其他情况下，可以理解，可使凝结物悬浮到来自未经过增压空气冷却器的来源的进气中。

图5是示例减少增压发动机可能的熄火的实例方法500的流程图。方法500可包括，在510，提供增压空气冷却器至燃烧室进气歧管的流体路径。方法500还可包括，在520，用定位在流体路径上的室收集来自增压空气冷却器的凝结物。方法500还可包括，在530，通过输送增压空气穿过室和使凝结物液滴悬浮在增压空气中来搅动凝结物。

方法500还可包括在收集室进口侧安装搅动喷嘴，使得增压空气被驱动穿过凝结物，搅动凝结物和使凝结物液滴悬浮在增压空气中。

方法500还可包括设定收集室和搅动喷嘴的尺寸和比例，以使液滴在增压空气中的悬浮速率保持在预选最大值或以下。

关于方法500，在一些情况下，设定收集室和搅动喷嘴的尺寸和比例可包括设定收集室尺寸以具有约1.0和1.5英寸之间的内径和约125mm和175mm之间的长度，和提供约1.5mm和2.5mm之间的喷嘴孔口。在一些情况下，收集室可具有约1.25英寸的内径和约150mm的长度。喷嘴孔口可以为约2mm。

图6显示示例增压空气冷却器和搅动器630相对于进气歧管和节气门的位置的系统前左视图和后左视图。在搅动器及相关部件仅显示在后左视图时，其未显示在前左视图中以更好地示例所示部件。图6垂线朝向图顶部显示（相对于包括图1-5所示发动机和系统的车辆所在底面）。以这种方式，增压空气冷却器（606和626，分别在前左视图和后左视图中）被以所示角度安装。同样，搅动器630被安装在垂线的0-50度内。增压空气冷却器606定位在节气门604和进气歧管602上游。在搅动器不存在的情况下，水坑累积在前角608中。搅动器630被安装在增压空气冷却器出口箱628和进气歧管622之间。

图7是安装在车辆700中的搅动器系统的实例。搅动器706可定位在散热器前方。在一些实例中，搅动器706可定位在散热器正后方。当定位在散热器后方时，搅动器706可通过散热器保温。搅动器706下方的进气歧管702和2mm孔口712在视图中隐藏。搅动器706可通过出口软管704连接于进气歧管702，并可与增压空气冷却器708的增压空气冷却器端箱710连通。注意，图7显示部件相对于多个其他车辆部件如前照灯、栅格口、发动机罩锁扣等的位置。

要理解的是，所述发动机10仅以示例为目的显示，并且本文所述系统和方法可实施或应用于具有任何适当部件和/或部件安排的任何其他适当发动机。

更进一步，应当理解，本文所述系统和方法实质上是示例性的，并且这些具体实施方式或实例不认为具有限制意义，因为考虑多种改动。因此，本公开包括本文所述不同系统和方法的所有新型和非显而易见的组合及其任何和全部等同形式。

Claims (10)

1.系统，包括：

增压发动机，其具有在压缩器下游的增压空气冷却器，并具有在进气歧管和所述增压空气冷却器之间具有节气门的进气道；和

管路，其与所述进气道平行连接在所述进气歧管和所述增压空气冷却器之间，所述管路连接于所述节气门下游的所述进气歧管，所述管路包括在垂线的45度内安装的搅动器。

2.权利要求1所述的系统，其中所述增压发动机是直接喷射增压汽油发动机，并且其中所述节气门是可调节的以控制所述发动机的输出扭矩。

3.权利要求1所述的系统，其中所述搅动器是声波搅动器。

4.权利要求1所述的系统，其中所述搅动器包括进口喷嘴，当凝结物存在时，所述进口喷嘴被配置以喷射进气穿过所述搅动器中的所述凝结物。

5.权利要求4所述的系统，其中所述进口喷嘴是超声喷嘴。

6.权利要求1所述的系统，其中所述搅动器包括垂直安装的膨胀区域和连接在所述膨胀区域上游的孔口。

7.权利要求6所述的系统，其中所述孔口具有约2mm的内径。

8.权利要求6所述的系统，其中所述孔口具有约1.5至2.5mm之间的内径。

9.权利要求6所述的系统，其中所述膨胀区域具有约1.0和1.5英寸之间的内径。

10.权利要求6所述的系统，其中所述膨胀区域具有约1.25英寸的内径。

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