CN103958850B - 用于两级增压发动机的冷却系统 - Google Patents

Abstract

为了在一系列环境条件下灵活冷却进气，两级涡轮增压内燃发动机的冷却系统可包括高温(HT)冷却回路(30)和低温(LT)冷却回路(50)。HT冷却回路(30)可包括用于泵送第一冷却剂经过HT冷却回路(30)的第一泵(32)和用于冷却通过低压级涡轮增压器的第一压缩机(12)产生的预压缩进气的预压缩进气高温冷却器(34)。LT冷却回路(50)可包括用于泵送第二冷却剂经过LT冷却回路(50)的第二泵(52)和用于冷却通过压缩预压缩进气而通过高压级涡轮增压器的第二压缩机(14)产生的压缩进气的压缩进气低温冷却器(54)。HT冷却回路(30)还可包括定位在压缩进气低温冷却器(54)上游的压缩进气高温冷却器(36)。在一些实施方式中，HT冷却回路(30)可以是相应冷却器的直列构型，而LT冷却回路(50)可以被构造成包括平行子回路。冷却系统可提供用于不同环境条件的进气的灵活冷却。

Description

用于两级增压发动机的冷却系统

技术领域

本发明总体涉及两级增压内燃发动机，更具体地涉及用于在内燃发动机增压之前冷却进气的冷却系统。

背景技术

增压发动机可包括两级涡轮增压系统，例如具有低压级涡轮增压器和高压级涡轮增压器。这些涡轮增压器的压缩机可用来在为燃烧室增压之前压缩进气。例如在第一步骤，进气可通过低压级涡轮增压器预压缩，并且接着在第二步骤，预压缩进气可通过高压级涡轮增压器进一步压缩。

压缩进气可伴随着进气的温度增加。为了控制温度增加，可以设置具有相应冷却器的冷却系统。

一些内燃发动机可采用废气再循环(EGR)，其在对发动机的燃烧室增压之前将废气添加到进气。EGR可例如用来减小NOx排放。

两级增压发动机的例子在EP 2 330 287 A1中公开，由此废气也经过压缩机级，以便在废气与进气重新组合之前压缩再循环废气。尤其具有超高温度冷却回路的冷却系统提供再循环废气的冷却。

WO 2011/073512 A1公开一种与公共冷却液体冷却器相互作用的串联高温冷却回路和串联低温冷却回路。另一冷却系统在US5,394,854中公开。

EP 2 106 999 B1公开一种用于海洋应用的包括热能回收的冷却系统。

本发明至少部分针对改善或克服现有系统的一个或多个方面。

发明内容

根据本发明的第一方面，用于两级涡轮增压内燃发动机的冷却系统可包括高温冷却回路，其具有用于泵送第一冷却剂经过高温冷却回路的第一泵、预压缩进气高温冷却器、压缩进气高温冷却器和用于冷却第一冷却剂的主要高温冷却器，以及低温冷却回路，其包括具有预压缩进气低温冷却器的预压缩进气子回路和具有压缩进气低温冷却器的压缩进气子回路，其中预压缩进气子回路和压缩进气子回路被构造成共用用于将第二冷却剂泵送经过预压缩进气子回路和压缩进气子回路的第二泵和用于冷却第二冷却剂的主要低温冷却器的平行回路。

在本发明的另一方面，用于控制两级涡轮增压内燃发动机的冷却系统的冷却性能的方法包括确定用作进气的环境空气的水含量；对于水含量，关联用于一压力范围内的例如当前进气压力的至少一个压力的饱和温度；确定与冷却系统的冷却器相关的进气的至少一个压力值；并控制冷却器的冷却功率，使得离开相应冷却器并且其特在于确定的压力值的进气至少具有对应于相应压力值的相应饱和温度的温度。在一些实施方式中，进气的压力可以保持在预设值，除非确定进气的温度低于饱和温度(饱和温度加上一些温度偏差)。在这种情况下，可以减小压缩，由此由于进气的减小压力而减小饱和温度。

在本发明的另一方面，用于两级涡轮增压内燃发动机的冷却系统可包括高温冷却回路，其包括可用于泵送第一冷却剂经过高温冷却回路的第一泵和用于通过第一冷却剂冷却预压缩进气的预压缩进气高温冷却器。预压缩进气可以通过两级涡轮增压内燃发动机的低压级涡轮增压器的第一压缩机产生。冷却系统还可包括低温冷却回路，其包括用于泵送第二冷却剂经过低温冷却回路的第二泵和用于通过第二冷却剂冷却压缩进气的压缩进气低温冷却器。压缩进气可通过两级涡轮增压内燃发动机的高压级涡轮增压器的第二压缩机压缩预压缩进气来产生。

在另一方面，冷却系统还可被构造成使得为了在通过压缩进气低温冷却器冷却之前冷却压缩进气，冷却系统的高温冷却回路可包括定位在压缩进气低温冷却器上游(相对于进气流)的压缩进气高温冷却器。

在本发明的另一方面，用于两级涡轮增压内燃发动机的冷却进气系统可具有可包括提供预压缩进气的第一压缩机的低压级涡轮增压器、可包括用于压缩预压缩进气以提供压缩进气的第二压缩机的高压级涡轮增压器和如上所述的冷却系统。

在本发明的另一方面，内燃发动机可包括曲轴和如上所述的冷却系统，其中冷却系统的第一泵和第二泵例如经由减速齿轮通过曲轴驱动。

这里公开的冷却系统可解决两级涡轮增压发动机的具体问题。例如，低压级之后的进气温度可以保持在例如在60℃范围内的露点以上，由此避免高压级之前的液体凝结，以及例如任何可能的凝结液滴造成压缩机叶片损坏。因此，在一些实施方式中，可以不需要在高压级之前经由低温冷却回路的冷却。此外，高压级处的压力比可以远低于低压级。这可导致第二压缩过程中较低加热，例如压缩进气可以是比单级涡轮增压发动机低的温度。因此，在一些实施方式中，通过经由高温冷却回路的冷却可仅仅少量帮助废热回收，所以高压级之后经由低温冷却回路的冷却可以是足够的。

在一些实施方式中，经由高温冷却回路提供冷却可提供另外的灵活性，同时保持减小的排管量。

本发明的其他特征和方面将从以下描述和附图中明白。

附图说明

图1是两级增压内燃发动机的示意图，用于说明进气流和用于冷却进气的第一冷却系统；

图2是两级增压内燃发动机的示意图，用于说明进气流和用于冷却进气的第二冷却系统；

图3是两级增压内燃发动机的示意图，用于说明进气流和用于冷却进气的第三冷却系统；

图4是两级增压内燃发动机的示意图，用于说明冷却废气再循环系统；

图5是包括低温冷却回路和高温冷却回路的冷却系统的示意图；

图6是两级增压内燃发动机的示意图，其基于具有平行子回路的低温冷却回路和处于串联冷却器构型的高温冷却回路；以及

图7是说明没有出现凝结时压力与最小增压空气温度的依赖关系的图示。

具体实施方式

下面是本发明的示例性实施方式的详细描述。这里描述和附图说明的示例性实施方式旨在教导本发明的原理，使得本领域普通技术人员在许多不同环境下和针对许多不同的应用来实施和使用本发明。因此，示例性实施方式不旨在且不应该认为是专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护的范围应该通过权利要求限定。

本发明可以部分基于以下认识，特别是对于冷却系统的发动机驱动泵来说，低温冷却回路和高温冷却回路可分别构造成通过单个泵驱动，并提供预压缩进气的冷却以及压缩进气的灵活冷却，以允许发动机在宽温度范围内增压。这里公开的冷却系统可通过发动机驱动的泵(例如经由减速齿轮通过发动机曲轴驱动的泵)来操作。公开的冷却系统可以简单构型实现，在一些实施方式中，可以需要少量排管，并因此节省空间、材料和成本。

此外，通过高温冷却回路和/或低温冷却回路提供压缩进气的冷却可使得发动机即使在不使用低温回路的情况下也可操作，例如避免增压之前的凝结或减小某些发动机操作点处的烟灰释放。

类似地，通过高温冷却回路和低温冷却回路提供预压缩进气的冷却可使得高压级压缩机被提供低温预压缩进气，这对于例如希望最低可能的燃料消耗的发动机的应用可以是有利的。

类似地，通过高温冷却回路和低温冷却回路提供预压缩进气的冷却可使得第二级压缩机以高于露点的温度提供预压缩进气，这对于在潮湿环境条件下(例如热带条件)操作的应用可以是有利的，其中如果冷却到露点以下会出现预压缩空气的总体凝结。

本发明可以进一步部分基于以下认识，即在两级增压系统中组合分别用于冷却预压缩进气和压缩进气的两个平行低温冷却回路和具有以直列构型布置的预压缩进气高温冷却器和压缩进气高温冷却器的串联高温冷却回路可允许(特别是基于平行低温冷却回路)控制进气停留在最低温度(表示出现凝结的温度)以上(例如停留在一定温度偏差以上)。另外，直列构型允许高温冷却回路的简单控制。与必须是分别冷却缸单元的分组的平行回路的HT冷却回路相比，通过单个直列温度回路为所有缸单元供应，可以提供所有缸单元的相同温度，因此独立于内燃发动机所操作的载荷和/或例如环境温度和/或压力的环境条件。此外，对于低压级处接收的大量热量，提供较低进入温度，低压压缩机比高压压缩机可以得到较大温度增量，其中这种大的温度增量可以是不需要的。

图1示出内燃发动机的示意图，内燃发动机可包括具有用于执行燃烧过程的多个缸单元的燃烧单元10。燃烧单元10可例如是柴油、重燃料和/或气体供能燃烧单元。燃烧单元10可包括多个缸单元和布置在缸单元内的多个活塞组件(未示出)。缸单元可以“直列”构型、“V”构型或任何其他构型布置。

燃料系统(未示出)可提供液体和/或气体燃料到缸单元，并可以例如基于共轨系统或FCT系统。

在图1(以及图2、3和6)中，粗虚线指示进气路径和废气路径。

如图1所示，具有包括第一压缩机12的低压级涡轮增压器和包括第二压缩机14的高压级涡轮增压器的进气系统可提供压缩增压空气到缸单元。具体地，第一压缩机12可被构造成将环境进气压缩成第一压力范围的预压缩进气，并且第二压缩机14可被构造成将预压缩进气压缩成第二压力范围的压缩进气，以使缸增压。

废气系统(未示出)可包括例如用于驱动压缩机12和14的涡轮(未示出)。废气系统还可包括例如基于催化剂的装置的废气处理装置。在一些实施方式中，来自废气系统的一些废气可重新引导到进气系统，以提供废气/进气混合物到缸(EGR)。下面例如结合图4描述用于废气从燃烧单元10到进气系统的示例性流体连接系统。

在发动机的操作过程中，可执行燃烧单元10(特别是缸单元)的冷却，以便消散通过燃烧过程产生的热量。燃烧单元的冷却可通过将冷却剂引导经过燃烧单元10的通道系统来执行。

另外，压缩进气可造成加热的预压缩进气和压缩进气。为了确保适当发动机操作，进气也可被冷却。

控制单元16可用来控制冷却。在图1(以及图2、3和6)中，从控制单元16到多种元件或多种元件之间的控制连接通过细虚线指示。

用于执行冷却的冷却系统可包括高温(HT)冷却回路30和低温(LT)冷却回路50。在图1-3中，HT冷却回路30和LT冷却回路50的冷却剂管线通过细线指示。

在图1所示的实施方式中，HT冷却回路30可包括泵32，泵用于循环(HT)冷却剂(这里也称为第一冷却剂)经过预压缩进气高温冷却器34(这里称为第一冷却器34)和用于冷却进气的压缩进气高温冷却器36(这里称为第二冷却器36)以及用于消散冷却剂获得的热量并确保冷却剂的例如64℃的稳定最低温度的主要HT冷却器38(这里也称为外部HT冷却器)。

如图1所示，第一冷却器34和第二冷却器36被应用在一对平行冷却子回路中，其公用主要HT冷却器38和公用泵32(作为两个子回路公共部件)。因此，两个平行子回路的共同控制造成提供给第一冷却器34和第二冷却器36的冷却剂的大致相同的初始温度，例如65℃的温度。

例如，HT冷却回路30可被构造成在第一冷却器34内冷却离开低压级涡轮增压器的压缩机12的预压缩进气，并在第二冷却器36内冷却离开高压级涡轮增压器的压缩机14的压缩进气。

另外，HT冷却回路30可使第一冷却剂从第一冷却器34和第二冷却器36中的一个或两个循环经过燃烧单元10(例如包括在缸特定水环内的通道系统)以接收燃烧热量。

HT冷却回路30的元件可以通过旁通管线39(对于第一冷却器34和主要HT冷却器38示例性地示出)旁通。经过旁通管线的流动可经由控制阀40控制，控制阀40例如使用温度和/或压力传感器通过控制单元16控制。温度传感器可包括进气温度传感器42(例如布置在进气流路内或附近)和冷却剂温度传感器44(例如布置在冷却剂流路内或附近)。在相同位置处以及总体在多个冷却器的上游或下游，也可设置压力传感器。

例如，主要HT冷却器38的旁通装置中的阀40可被构造成将冷却剂的全部或仅仅一部分引导到主要HT冷却器38，由此调节从HT冷却剂回路30获得的热量大小。

在图1所示的实施方式中，LT冷却回路50可包括用于循环(LT)冷却剂(这里也称为第二冷却剂)经过用于冷却压缩进气的压缩进气低温冷却器54(这里称为第三冷却器54)和用于消散冷却剂获得的热量并确保冷却剂的例如38℃的稳定最低温度的主要LT冷却器58。

例如，LT冷却回路50可被构造成进一步冷却HT冷却回路30的第二冷却器36下游的压缩进气，以便在例如45℃的温度下将压缩增压空气提供给燃烧单元10。

如同在HT冷却回路30中，LT冷却回路50的多个元件可被旁通，由此旁通冷却剂的量可以经由控制阀40、进气温度传感器42、进气压力传感器、冷却剂温度传感器44和总体控制单元16控制。

通常，LT冷却回路50可提供尽可能低的进气温度(在增压之前)，以提供高密度的进气(刚好在增压之前，称为压缩增压空气)并提供相应的高发动机功率。两个涡轮增压器级之间的冷却可增加第二压缩效率。

在一些实施方式中，控制单元16能够控制经由图1的小虚线所示的一个或两个泵32和52。但是，如结合图3解释，泵32和52可例如经由减速齿轮通过发动机的曲轴机械驱动，使得泵速度的控制可取决于发动机的速度(以及减速齿轮)。

通常，热量可经由热量回收系统从高温冷却回路回收，例如用于预加热燃料罐。在图1的构型中，热量可从预压缩进气的冷却以及压缩进气的冷却中回收。

图2示出图1所示的冷却系统的变型。具体地，LT冷却系统250还可包括在进气路径内布置在HT冷却回路30的第一冷却器34下游的预压缩进气低温冷却器56(这里称为第四冷却器56)。在图2中，旁通构型对于HT冷却回路30和LT冷却回路250的一些元件(例如对于第三冷却器54和第四冷却器56)示出。在图2中，用于控制一个或多个阀和泵的控制单元没有明确示出，但是可以类似地集成，如相对于图1和图6所示的实施方式描述那样。

如图2所示，并类似于HT冷却系统30，第三冷却器54和第四冷却器56应用在一对平行冷却子回路中，冷却子回路公用共同主要HT冷却器58和公共泵52。两个平行子回路的公共热量控制造成提供给第三冷却器54和第四冷却器56的冷却剂的大致相同的初始温度，例如38℃的温度。虽然初始温度是相同的，提供给这些冷却器的第二冷却剂的量取决于有多少第二冷却剂通过控制阀40旁通，这允许调节用于每个第三冷却器54和第四冷却器56的具体温度。

特别是相对于图2和图6的实施方式，在两级涡轮增压系统的两级之间提供第四冷却器56可允许预压缩进气的温度甚至进一步减小，由此更灵活地使进气系统适用于具体条件，例如其中预压缩进气的露点通常很低的干燥环境，使得预压缩进气冷却到例如45℃的温度在没有凝结情况下是可行的，并可有利于高涡轮增压效率，以及低燃料消耗。

特别是，图2(以及图6)所示的构型可设置用于具有冷却系统的有效排管配置的紧凑构型。例如，第一冷却器34(预压缩进气高温冷却器)和第四冷却器56(预压缩进气低温冷却器)可被构造成预压缩进气冷却器单元。类似地，第二冷却器36(压缩进气高温冷却器)和第三冷却器54(压缩进气低温冷却器)可被构造成压缩进气冷却器单元。

图3示出图1所示的冷却系统的进一步变型。具体地，HT冷却回路330可只包括第一冷却器34，因此只提供LT冷却回路350的第二冷却器36以冷却离开第二压缩机14的压缩进气。

在图3中，用于控制一个或多个阀的控制单元没有明确示出，但是可类似地集成，如相对于图1所示的实施方式描述那样。旁通对于HT冷却回路330和LT冷却回路350的一些元件(例如对于主要LT冷却器38和主要HT冷却器58)示出。

另外，图3示出其中泵332和352可以通过燃烧发动机机械驱动的构型。具体地，图3示意指示与HT冷却回路330的泵332和LT冷却回路350的泵352相互作用的曲轴370。

这种泵构型可以有利地应用于任何这里公开的构型。

特别是，图3所示的泵和冷却器构型可设置用于具有冷却系统的有效排管配置的紧凑构型。例如简化以上对于图2描述的预压缩进气冷却器单元(例如流体连接第一冷却器34(预压缩进气高温冷却器)和第四冷却器56(预压缩进气低温冷却器))可允许只针对高温冷却使用预压缩进气冷却器单元。类似地，简化以上对于图2描述的压缩进气冷却器单元(例如流体连接第二冷却器36(压缩进气高温冷却器)和第三冷却器54(压缩进气低温冷却器))可允许只针对高温冷却使用压缩进气冷却器单元。

参考图1，可以使用用于预压缩进气的冷却的“简化”进气冷却器单元(如以上对于图3描述)以及用于压缩进气的冷却的进气冷却器单元(如以上对于图2描述，其具有单独的低温和高温冷却系统)。因此，这里公开的实施方式可与基于用于单级涡轮增压发动机的冷却单元的紧凑冷却单元一起使用。

图4示出包括冷却废气再循环系统400的两级增压内燃发动机。燃烧单元410可包括燃烧室420、入口歧管422以及废气歧管424。在操作过程中，燃烧室420内产生的热废气可被引导到流体连接到废气歧管424的废气出口426并驱动其涡轮的高压和/或低压涡轮增压器(未示出)。

废气歧管424可进一步流体连接到废气管线430。废气管线430可包括第一阀435和/或第二阀436。两个阀435和436可连接到控制单元416。在第二阀436上游以及第一阀435下游，废气再循环管线440可分支。废气涡轮455可定位在第二阀436的上游或下游。废气涡轮455可以是废气增压器系统450的部件。废气压缩机460可以通过废气涡轮455经由轴465驱动。废气再循环管线440可连接到第一废气冷却器470。废气冷却器470的出口可连接到可将冷却的废气供应到废气压缩机460的另一废气再循环管线475。

废气再循环管线475的另一部分可将废气压缩机460和第二废气冷却器480彼此连接。第三阀485可布置在第二废气冷却器480下游。第一阀435、第二阀436和第三阀485可分别包括简单的节流装置，节流装置能够操作以允许废气流以及废气经由管线440、475的再循环的阻断或不阻断。废气再循环管线的端部490可将阀485的下游连接到入口歧管422。

在这里公开的冷却系统的一些实施方式中，第一废气冷却器470可以是HT冷却回路的部分，例如相对于图1-3的冷却系统的第一冷却器34一体地直列或平行。

类似地，在这里公开的冷却系统的一些实施方式中，第二废气冷却器480可以是LT冷却回路的部分，例如相对于图1-3和6的冷却系统的第三冷却器54一体地直列或平行。

图5示出冷却系统500的总体示意图，其包括HT冷却回路530和LT冷却回路550。实线的构型例如对应于图1所示的实施方式。包括通过虚线框指示的元件的构型例如对应于图2所示的实施方式。包括通过点划线框指示的元件的构型例如对应于图4所示的实施方式。通过虚线箭头指示的特征与流体连接到冷却回路的构型相关。

HT冷却回路530可包括(在泵处开始)HT泵532、用于将热量消散到经过HT冷却系统530泵送的冷却剂(例如水)的多个元件。这些元件的例子可包括例如第一进气冷却器534(预压缩进气高温冷却器)和第二进气冷却器536(压缩进气高温冷却器)，用于将热量从进气传递到冷却剂。进一步的例子可包括用于将热量从废气传递到冷却剂的第一废气冷却器570以及燃烧单元510的用于将燃烧过程的热量传递到冷却剂的发动机冷却系统。另外，HT冷却回路530可包括主要HT冷却器538。为了控制冷却剂经过HT冷却回路530的流动，多个阀和温度传感器可与控制单元(未示出)相互作用。

具体地，HT冷却回路530的冷却剂可通过HT泵532泵送经过第一进气冷却器534和第二进气冷却器536和燃烧单元510。通过温度传感器544A测量的冷却剂的(最低)温度可以是例如大约69℃。离开第一进气冷却器534和第二进气冷却器536的冷却剂的温度可以是例如大约80℃，其可以通过温度传感器544B测量。在冷却剂再循环经过燃烧单元510之后，其温度可以是例如大约90℃。

在HT冷却回路530中循环的冷却剂的不流过主要HT冷却器538的部分可以通过阀540A调节，例如根据温度传感器544A测量的温度。由此，循环冷却剂的最低温度可以被调节到希望值。

主要HT冷却器538可以是通过HT冷却回路530中的冷却剂获得的一些或所有热量由其消散的外部冷却回路590的部分。外部冷却回路590可包括外部冷却剂、用于泵送外部冷却剂经过主要HT冷却器538的外部泵533、温度传感器546和阀(未示出)。

例如，在陆地应用中，可以采用主要HT冷却器538的空气冷却，而在海洋应用中，海水可通过海水泵泵送经过主要HT冷却器538。

HT冷却回路530可进一步经由第一废气冷却器570用来在废气再循环之前冷却废气。第一废气冷却器570可以例如如所示布置在平行回路中。在一些实施方式中，它可以与第一进气冷却器534和第二进气冷却器536之一(或两者)直列连接(上游或下游)。

第一废气冷却器570的下游的冷却剂温度可以例如是由例如温度传感器544C测量的大约80℃。

为第一废气冷却器570供应高温冷却剂的优点在于至少使得第一废气冷却器570的表面不具有低于通过第一废气冷却器570冷却的废气的具体组分(例如硫酸)的露点以下的温度。因此，可以减小或甚至防止第一废气冷却器570中的腐蚀。另外，可以减小或甚至避免废气压缩机460中以及第二废气冷却器480的入口处的腐蚀(如图4所示)。

LT冷却回路550可包括(在泵处开始)LT泵552和用于将热量消散到经过LT冷却系统550泵送的冷却剂(例如水)的多个元件。这些元件的例子可包括例如用于将热量从进气传递到冷却剂的第三进气冷却器554(压缩进气低温冷却器)和第四进气冷却器556(预压缩进气低温冷却器)。进一步的例子可以是用于将热量从废气传递到冷却剂的第二废气冷却器580。另外，LT冷却回路550可包括主要LT冷却器558。为了控制冷却剂经过LT冷却回路550的流动，多个阀和温度传感器可以与控制单元(未示出)相互作用。

具体地，LT冷却回路550的冷却剂可通过LT泵552泵送经过第三进气冷却器554和第四进气冷却器556。通过温度传感器544D测量的冷却剂的(最低)温度可以是例如大约38℃。离开第三进气冷却器554和第四进气冷却器556的冷却剂的温度可以是例如大约45℃，其可以通过温度传感器544E测量。

主要LT冷却器558还可以是通过LT冷却回路550中的冷却剂获得的一些或所有热量可以由其消散的外部冷却回路590的部分。外部冷却回路590可以包括外部冷却剂、用于将外部冷却剂泵送经过主要LT冷却器558的外部泵553、温度传感器546和阀(未示出)。

例如，在陆地应用中，可以采用主要LT冷却器558的空气冷却，而在海洋应用中，海水可通过海水泵泵送经过主要LT冷却器558。

LT冷却回路550可进一步经由第二废气冷却器580用来在废气再循环之前冷却废气。第二废气冷却器580可以例如如所示布置在平行回路中。在一些实施方式中，它可以与第三进气冷却器554和第四进气冷却器556之一(或两者)直列连接(上游或下游)。

第二废气冷却器580的下游的冷却剂温度可以是例如由温度传感器544F测量的例如大约40℃。

使用低温冷却剂经由第二废气冷却器580冷却再循环废气可允许在以希望值喷射之前保持增压空气的温度。

再次，经由阀540B，可以调节HT冷却回路500中再循环的冷却剂的不经过主要HT冷却器558的部分。

一些实施方式可在公共外部冷却回路中包括外部冷却回路590的主要LT冷却器558和主要HT冷却器538，例如通过使这些冷却器流体连接，这可具有减小外部冷却回路590中的泵的数量的优点。

在一些实施方式中，例如在海洋应用中，HT冷却回路530和LT冷却回路550两者中获得的热量可以只经由主要LT冷却器558消散。在这种情况下，HT冷却回路530和LT冷却回路550之间的冷却剂交换(图5中的虚箭头585指示)可允许通过在经由主要LT冷却器558消散热量之前混合冷却剂而将HT冷却回路530中获得的热量传递到LT冷却回路550。

如LT冷却回路和HT冷却回路的多种特征的不同线类型所示，多种构型在图5中表示。另外，可以包括基于这里描述的冷却系统特征的不同组合的构型，例如图3和4的构型的组合。这种组合可以通过调整图5来表示，使得第二冷却器536可以不存在于HT冷却回路530中。

图6的直列HT构型没有在图5中明确示出。然而结合图5描述的多种特征也可适用于图6的实施方式，如本领域普通技术人员将明白。

作为进一步示例性实施方式，图6公开两级增压内燃发动机600，其具有HT冷却回路630和LT冷却回路650。虽然LT冷却回路650被构造成包括分别用于两个压缩机级的冷却器的两个平行的子回路，HT冷却回路630也可包括直列构型的两个压缩机级的冷却器。

具体地，HT冷却回路630包括用于泵送第一冷却剂经过其中的泵632。在泵632处开始，HT冷却回路在流动方向上包括第一直列冷却器634、燃烧单元10的通道系统、第二直列冷却器636和主要HT冷却器638。直列冷却器634、636的结构可以分别与具有平行子回路的构型的第一冷却器34和第二冷却器36类似或相同。

如所述，例如与图1结合，可以设置主要HT冷却器638的旁通装置639。温度传感器可以设置在HT冷却回路630中，例如在主要HT冷却器638的上游，如图6所示。

在一些实施方式中，HT冷却回路630可被控制，使得主要HT冷却器638将第一冷却剂冷却到例如65℃。冷却剂接着在例如75℃离开第一直列冷却器634，在例如83℃离开燃烧单元10，并在例如90℃离开第二直列冷却器636。

HT冷却回路630的直列构型可以根据冷却剂温度来控制，从而在内燃发动机600的燃烧单元10的缸处提供一致的热应变。为了在HT冷却回路630上提供可接受的压力降，相应部件可以被适当构造。

LT冷却回路650的构型与结合图2公开的LT冷却回路250的实施方式相关。

LT冷却回路650包括用于供应冷却剂到第四冷却器56(预压缩进气低温冷却器)的第一子回路650A。子回路650A包括第四冷却器56的旁通装置和相应的阀40。

LT冷却回路650进一步包括用于供应冷却剂到第三冷却器54(压缩进气低温冷却器)的第二子回路650B。子回路650B包括第三冷却器54的旁通装置和相应的阀40。

如在图2中，第三冷却器54和第四冷却器56应用在共用公共主要HT冷却器58和公共泵52的一对平行冷却子回路中。因此，两个平行子回路的公共控制造成提供给第三冷却器54和第四冷却器56的冷却剂的大致相同的初始温度，例如38℃的温度。但是，虽然初始温度是相同的，提供给冷却器的冷却剂的量(取决于多少冷却剂经由控制阀40旁通)允许调节用于每个第三冷却器54和第四冷却器56的具体温度。

控制单元616经由控制连接617连接到阀40，以单独控制相应子回路的每个阀40，并由此调节分别提供给每个第三冷却器56和第四冷却器54的冷却剂的量。

在一些实施方式中，低温冷却器和高温冷却器可组合在单个结构单元内。示例性地参考图1，压缩进气高温冷却器36和压缩进气低温冷却器54可被构造成附接到燃烧单元10的一侧的单个单元。类似地，示例性地参考图2或图6，预压缩进气高温冷却器34和预压缩进气低温冷却器56可被构造成附接到燃烧单元10的例如相对侧的单个单元。由此，冷却系统的构型可基于紧凑排管构型。

工业实用性

下面，参考图1-6描述应用在内燃发动机的冷却进气系统中的冷却系统的所述示例性实施方式的基本操作。

在内燃发动机的正常操作过程中，连续流动的进气可提供给发动机单元10，在其中燃烧，并作为废气释放。为了进气的压缩，冷却的进气系统可包括两级涡轮增压系统。

在第一级(压缩机12)中的压缩过程中，进气可被加热到200℃。

冷却系统50的冷却元件可布置在两级之间。例如，HT冷却系统30的第一冷却器34可将预压缩进气(即通过两级涡轮增压系统的第一级压缩)冷却到例如大约70℃。在一些实施方式中，LT冷却系统50的第三冷却器56可将预压缩进气进一步冷却到例如55℃。在存在第三冷却器56时，第一冷却器34可冷却到较高温度，例如仅仅90℃。

在第二级(压缩机14)的压缩过程中，预压缩进气可被加热到例如180℃。

冷却系统50的冷却元件可布置在第二级和发动机单元10之间。例如，HT冷却系统30的第二冷却器36可将压缩进气(即通过两级涡轮增压系统的第二级压缩)冷却到例如大约80℃。第三冷却器54可将压缩进气进一步冷却到例如45℃。

在一些实施方式中，可不采用HT冷却系统30的第二冷却器36，并且压缩进气的冷却可只通过LT冷却回路50的第三冷却器54执行。

HT冷却回路30的冷却剂(在离开第一冷却器34和/或第二冷却器36时具有例如大约80℃的温度)可接着供应到发动机单元10的冷却通道，并在例如90℃的温度下离开发动机单元10。冷却剂的温度可接着通过例如主要HT冷却器38和/或通过与LT冷却回路50的冷却剂混合来降低。

在离开第三冷却器54和/或第四冷却器56时具有大约45℃的温度的LT冷却回路的冷却剂的温度可通过例如主要LT冷却器58降低。

具体参考图4和5，例如经由废气歧管离开发动机单元10的废气可用来驱动两级涡轮增压系统的涡轮，并在EGR情况下，驱动EGR系统的涡轮。

对于EGR，废气可通过废气压缩机460再次压缩。在再次压缩之前，废气可以在HT冷却回路530的第一废气冷却器570中冷却到例如180℃。在废气压缩机460内压缩的过程中，废气可加热到例如200℃，并且接着在与冷却和压缩的增压空气混合之前通过第二废气冷却器580再次冷却到例如大约45℃。

在一些实施方式中，循环废气可较少冷却(例如只通过一个废气冷却器)或根本不冷却，并且在冷却器36和54之前或之间与进气混合，由此进行进气的冷却。

参考图4，废气流的引导可被执行，使得如果废气的具体部分可被引导经过管线430并且废气的其他部分可再循环经过管线440和475，阀435和485可接收来自控制单元的控制信号，造成阀435和485在一定程度上不阻断流路。同时，阀436可接收适当的控制信号以部分阻断废气经过，使得废气的具体部分可流过涡轮455，并且废气的其他部分可以再循环。

在本发明的一些实施方式中，第一废气冷却器470可被控制，使得离开废气冷却器470的废气具有废气流的组分(例如硫或硫酸)的露点以上的温度。由此，可以减小或防止排管系统内到废气压缩机460或甚至到第二废气冷却器480的腐蚀或其他不利影响。第二废气冷却器480可通过控制单元控制，使得离开废气冷却器480的废气的温度相对低，例如低于以上所述的废气的组分的露点。

示例性控制策略结合图6和7相对于LT冷却回路的两个平行子回路公开。

在一些实施方式中，内燃发动机的冷却系统构型的进一步方面在于避免(或至少减小)水对于高压压缩机以及阀和燃烧室的影响。这可以通过应用图6所示的控制系统和以下控制过程来实现。

控制单元616连接到传感器布置642以接收从中获得进气的环境空气的输入数据。例如，传感器布置642可被构造成确定环境空气的参数，例如压力、温度和湿度。为此并如图6所示，传感器布置642可包括温度传感器、压力传感器和湿度传感器。

根据接收的数据，控制单元616可确定进气内不出现凝结的进气的最小温度(环境空气的饱和温度)。这结合图7说明，图7示意示出对于空气来说最小温度Tmin(℃)(饱和温度)与压力p(巴)的依赖关系。

在曲线图700中，示例性地示出一组曲线，其包括用于空气中的12g/kg水含量(欧洲典型的最大水含量值)的曲线710以及用于空气中典型的30g/kg最大水含量(热带应用的典型最大水含量值)的曲线720。箭头730指示增加的水含量。例如，参考曲线710，在将具有12g/kg水含量的空气(进气)压缩到4巴的压力并将压缩空气冷却到40℃以下时将造成凝结和可能的水影响(water impact)。

在内燃发动机的操作过程中，控制单元616可进行环境空气的以上分析，并确定用于一组压力值的相应最小温度或作为例如1巴-10巴的范围内的函数表示法。

为了确保凝结不出现，控制单元可被构造成控制阀40，并由此设置流过冷却器的冷却剂体积，使得进气系统内的进气(具体为离开第三冷却器54的压缩进气)在最小温度以上。例如，1℃-10℃或2℃-5℃范围内的温度偏差或例如3℃的温度偏差可添加到从环境空气的测量参数确定的最小温度。

温度传感器42可为控制单元616提供作为控制参数的进气的温度数据，其通过冷却预压缩进气/压缩进气来实现。在相同或类似的位置，进气的压力值可通过压力传感器来获得或通过考虑压缩机的性能特性来获得。

如上所述，预压缩进气/压缩进气的温度可独立于对于100％相对湿度确定的最小温度值(饱和温度)来控制，并可包括相对于饱和温度的一些温度偏差。由此，可以避免每个压缩级(第一压缩机12和第二压缩机14)下游的凝结。

在控制策略的一些实施方式中，两级增压系统的压缩性能可以被控制，从而可以执行所需的不凝结操作。

例如，如果进气的确定最小温度大于进气温度的最大许可值(通过其他方面允许，例如通过根据环境规定操作发动机的要求)，预压缩进气/压缩进气的压力可被限制，并因此在该条件下可以提供的最大功率可以被限制。

类似地，如果由于“干燥”环境空气，饱和温度降低，进气的压力可增加，并且相应地，可以通过内燃发动机600提供更多的功率。

两个平行子回路650A和650B的构型由于灵活调节第四冷却器56和第三冷却器54处所实现的冷却性能的可能性而允许执行以上的控制策略。

冷却废气的优点可以在于可以改善冷却和压缩废气和冷却和压缩进气的混合物燃烧的效率。

通常，控制装置(例如图1的控制单元16)可被构造成基于所需的机械输出且在一些系统中基于所需的热输出来控制燃烧发动机的操作。控制器可被构造成接收来自温度传感器的输入。使用来自传感器40、42的输入，控制器可被构造成例如调节阀44以增加或减少引导到冷却回路的元件的冷却剂的量，或调节泵速度(在可调节的例如电动泵的情况下)，直到达到所需的进气温度。

控制器可以是可以包括例如控制燃烧单元10、LT冷却器538和HT冷却器558和阀40以及燃烧发动机的其他部件的操作的单个微型处理器或多个微型处理器。控制器可以是通用发动机的控制单元(ECU)，其能够控制与发动机和/或其相关部件相关的许多功能。控制器可包括运行应用程序所需的所有部件，例如储存器、辅助存储装置和例如中央处理单元的处理器或本领域已知的用于控制燃烧发动机和其多种部件的任何其他装置。多种其他已知的回路可与控制器相关，包括功率供应回路、信号调节回路、通讯回路和其他适当回路。控制器可分析和比较接收和存储的数据，并根据指示和存储在存储器的数据或使用者的输入来确定是否需要动作。

虽然图1-3和图6(LT冷却回路)示例性示出具有布置成平行回路的冷却器的冷却回路，通常一个或多个冷却器可替代或另外地顺序布置，如图6对于HT冷却回路示例性所示。该顺序另外可包括燃烧单元的冷却系统。在一些实施方式中，高温回路可包括串联布置的一系列预压缩进气冷却器、燃烧单元和压缩进气冷却器(在冷却剂流动方向上)，如相结合描述。

虽然图1-3和图6指示了热分离的LT冷却剂回路和HT冷却剂回路，在一些实施方式中，主要LT冷却器可设置成消散LT冷却剂的热量，并且与HT冷却剂交换LT冷却剂可用来实现HT回路中的所需初始冷却剂温度，例如以上提到的EP 2 106 999 B1所公开的。因此，在一些实施方式中，第一冷却剂的介质可以与第二冷却剂的介质相同。

LT冷却器和/或HT冷却器可包括利用冷却剂热量的部件(或作为包括该部件的回路的部分)，该部件例如是一个或多个热交换器(未示出)或其他已知部件，例如用于产生新鲜水的部件。

应该理解到这里公开的HT冷却回路和LT冷却回路可包括附图未示出的另外的阀、冷却剂管线、传感器等，其可以用来控制相应冷却回路的操作。冷却回路及其多种部件的操作可例如通过控制器16控制。

附图所示的冷却剂和进气的温度只出于示例性目的，并可以根据操作模式、应用类型、燃料类型等变化。

这里，阀可以是标准的两通/三通阀或本领域已知的任何其他类型的可控流量阀，并且可以经由硬线通信线路或任何其他适当方式连接到控制器和/或控制传感器。

在一些方面，冷却系统可包括被构造成测量第二压缩机上游的预压缩进气的温度和/或压缩进气高温冷却器下游的压缩进气的温度的至少第一温度传感器和/或至少一个压力传感器，其中第一控制阀被构造成根据第一温度传感器和/或至少一个压力传感器测量的温度调节流过进气冷却器中的至少一个的冷却剂。

在一些方面，冷却系统可被构造成控制预压缩进气低温冷却器的冷却功率，使得预压缩进气低温冷却器下游的预压缩进气的温度在大约40℃到大约60℃的范围内，和/或控制压缩进气低温进气冷却器的冷却功率以便在对内燃发动机的缸增压之前增加压缩进气的温度。

在冷却系统的一些方面，高温冷却回路可包括被构造成冷却高温冷却回路中流动的冷却剂的第一外部冷却器、被构造成控制流动经过第一外部冷却器的冷却剂量的第二控制阀以及被构造成测量第一外部冷却器上游的高温冷却回路中的冷却剂温度的第二温度传感器，其中第二控制阀被构造成根据第二温度传感器测量的温度调节流过第一外部冷却器的冷却剂。

在冷却系统的一些方面，低温冷却回路可包括被构造成冷却低温冷却回路中流动的冷却剂的第二外部冷却器、被构造成控制流过第二外部冷却器的冷却剂量的第三控制阀和被构造成测量第二外部冷却器下游的低温冷却回路中的冷却剂的温度的第三温度传感器，其中第三控制阀被构造成根据第三温度传感器测量的温度调节流过第二外部冷却器的冷却剂。

在一些方面中，内燃发动机可包括具有第一端侧和相对的第二端侧的发动机缸体，并且其中第一压缩机和预压缩进气高温冷却器(在一些实施方式中还有预压缩进气低温冷却器)在发动机缸体的第一端侧处作为第一组件安装，并且第二压缩机和压缩进气高温冷却器(在一些实施方式中还有压缩进气低温冷却器)在发动机缸体的第二端侧处作为第二组件安装，并且第一泵和第二泵安装在发动机缸体的第一端侧或第二端侧以便通过曲轴驱动。

这里，术语“内燃发动机”可指的是可用作固定功率提供系统(例如用于产生热量和/或电力的发电厂以及例如邮轮、货船、集装箱船和油轮的船舶/船只)的主要或辅助发动机的内燃发动机。用于内燃发动机的燃料可包括柴油、海洋柴油、重燃料油、替代燃料或其混合物以及天然气。

另外，这里使用的术语“内燃发动机”不受到具体限制，并且可包括任何发动机，其中燃料燃烧通过氧化剂进行，以产生高温和高压气体，气体可直接施加到发动机的可动部件，例如活塞或涡轮叶片，使其在一距离上运动，由此产生机械能。因此，如这里使用，术语“内燃发动机”包括活塞发动机和涡轮。

用于冷却系统的这里公开的构型的内燃发动机的例子包括中等速度内燃柴油发动机，例如由德国Caterpillar Motoren GmbH&Co.KG,Kiel制造的M20、M25、M32、M43系列的直列或V型发动机，其在500-1000rpm的范围内操作。

虽然本发明的优选实施方式已经在这里描述，可以结合多种改进和改型而不偏离权利要求的范围。

Claims (17)

1.一种用于两级涡轮增压内燃发动机的冷却系统，包括：

高温冷却回路(30、630)，其被构造成单个回路并包括用于泵送第一冷却剂经过高温冷却回路(30、630)的第一泵(32、632)、预压缩进气高温冷却器(34、634)、压缩进气高温冷却器(36)和用于冷却第一冷却剂的主要高温冷却器(38、638)；以及

低温冷却回路(650)，其包括具有预压缩进气低温冷却器(56)的预压缩进气子回路(650A)和具有压缩进气低温冷却器(54)的压缩进气子回路(650B)；

其中预压缩进气子回路(650A)和压缩进气子回路(650B)是共用用于将第二冷却剂泵送经过预压缩进气子回路(650A)和压缩进气子回路(650B)的第二泵(52)和用于冷却第二冷却剂的主要低温冷却器(58)的平行回路；以及

其中低温冷却回路(50,650)包括分别用于预压缩进气低温冷却器(56)和压缩进气低温冷却器(54)的控制阀(40)和旁通管线(39)，以便通过分别调节具体用于预压缩进气低温冷却器(56)和压缩进气低温冷却器(54)的温度来设置各自冷却器的冷却功率。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，预压缩进气子回路(650A)和压缩进气子回路(650B)能够使得第二冷却剂平行地泵送经过预压缩进气低温冷却器(56)和压缩进气低温冷却器(54)；和/或

其中，高温冷却回路(630)的单个回路在第一泵(632)处开始包括第一泵(632)、能够连接到两级涡轮增压内燃发动机(600)的燃烧单元(10)的通道系统的入口的预压缩进气高温冷却器(634)、连接到燃烧单元(10)的通道系统的出口的压缩进气高温冷却器(36)以及将第一冷却剂返回到第一泵(632)的主要高温冷却器(638)。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括能够控制预压缩进气高温冷却器(34)、预压缩进气低温冷却器(56)、压缩进气高温冷却器(36)和压缩进气低温冷却器(54)中的至少一个的冷却功率的控制单元(16、616)。

4.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，高温冷却回路(630)包括用于预压缩进气高温冷却器(34)和压缩进气高温冷却器(36)中的至少一个的至少一个控制阀(40)和至少一个旁通管线(39)，并且冷却系统还包括控制单元(16、616)，控制单元(16、616)能够控制控制阀(40)以调节流动经过预压缩进气高温冷却器(34)、预压缩进气低温冷却器(56)、压缩进气高温冷却器(36)和压缩进气低温冷却器(54)中的至少一个的冷却剂，由此设置相应冷却器的冷却功率；和/或

其中，预压缩进气低温冷却器(56)相对于进气来说定位在预压缩进气高温冷却器(34)下游，以便进一步冷却通过预压缩进气高温冷却器(34)冷却的预压缩进气；和/或

其中，第一泵(32、332)和第二泵(52、352)中的至少一个是电驱动泵；或

其中，第一泵(32、332)和第二泵(52、352)中的至少一个是通过内燃发动机的曲轴(370)驱动的机械驱动泵。

5.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括传感器单元(642)，传感器单元(642)能够测量环境空气的参数，包括环境空气温度、环境空气压力和环境空气湿度中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括控制单元(16、616)，控制单元(16、616)能够确定环境空气的水含量，从而对于确定的水含量，关联用于一压力范围内的压力值的饱和温度，并控制预压缩进气低温冷却器(56)、压缩进气低温冷却器(54)、预压缩进气高温冷却器(34)和压缩进气高温冷却器(36)中的至少一个的冷却功率，使得离开相应冷却器并具有相应压力的预压缩进气和/或压缩进气至少具有对应于相应压力的相应饱和温度的温度。

7.根据权利要求6所述的冷却系统，其中，控制单元(16、616)能够控制离开相应冷却器的增压空气以便至少具有相应饱和温度加上1℃-10℃范围内的温度偏差。

8.根据权利要求7所述的冷却系统，其中，温度偏差在2℃-5℃之间的范围内。

9.根据权利要求7所述的冷却系统，其中，温度偏差是3℃。

10.根据权利要求1-7任一项所述的冷却系统，其中，高温冷却回路(30)和低温冷却回路(50)流体互连，使得低温冷却回路(50)经由冷却剂交换至少部分提供高温冷却回路(30)的冷却剂的冷却；和/或

其中，高温冷却回路(30)和低温冷却回路(50)中的至少一个包括能够冷却相应冷却回路或两个冷却回路中流动的冷却剂的外部冷却器(38、58)。

11.一种用于两级涡轮增压内燃发动机的冷却进气系统，包括：

低压级涡轮增压器，其包括提供预压缩进气的第一压缩机(12)；

高压级涡轮增压器，其包括用于压缩预压缩进气以提供压缩进气的第二压缩机(14)；以及

根据权利要求1-10任一项所述的冷却系统。

12.根据权利要求11所述的冷却进气系统，其中，进气的流路顺序地包括第一压缩机(12)、预压缩进气高温冷却器(34、634)、预压缩进气低温冷却器(56)、第二压缩机(14)、压缩进气高温冷却器(36)和压缩进气低温冷却器(54)。

13.一种内燃发动机，包括：

燃烧单元(10)，其具有通道系统；以及

根据权利要求1-8任一项所述的冷却系统。

14.一种用于冷却两级涡轮增压内燃发动机的方法，该方法包括：

提供根据权利要求13所述的内燃发动机，内燃发动机包括具有通道系统的燃烧单元，其中被构造成单个回路的高温冷却回路(630)包括用于泵送第一冷却剂经过高温冷却回路(630)的第一泵(32、632)、预压缩进气高温冷却器(34、634)、压缩进气高温冷却器(36)和用于冷却第一冷却剂的主要高温冷却器(38、638),低温冷却回路(650)包括具有预压缩进气低温冷却器(56)的预压缩进气子回路(650A)和具有压缩进气低温冷却器(54)的压缩进气子回路(650B)，传感器单元(642)能够测量环境空气的参数，所述参数包括环境空气温度、环境空气压力和环境空气湿度中的至少一种；

确定用作进气的环境空气的水含量；

对于确定的水含量，确定用于与内燃发动机的操作相关的压力范围内的至少一个压力值的饱和温度；

确定与冷却系统的冷却器相关的预压缩进气和/或压缩进气的至少一个压力值；

通过高温冷却回路(630)执行燃烧单元(10)和进气的高温冷却；

经由控制经过低温冷却器(54、56)的相应旁通装置的流动，调节经过相应低温冷却器(54、56)的流动，由此调节具体用于每个相应低温冷却器(54、56)的温度，来通过低温冷却回路(650)执行进气的低温冷却，并控制冷却器的冷却功率，使得离开相应冷却器的增压空气至少具有对应于相应压力值的相应饱和温度的温度，其中增压空气的特征在于具有确定压力值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，确定环境空气的水含量包括测量环境温度、环境压力和环境湿度中的至少一种；和/或

其中，确定用于压力范围内的压力值的饱和温度包括提供饱和温度与环境温度、环境压力和环境湿度中的至少一种的函数依赖性；和/或

控制冷却器的冷却功率包括根据确定的水含量调节经过预压缩进气低温冷却器(56)和压缩进气低温冷却器(54)的流动。

16.根据权利要求14或15所述的方法，还包括独立于确定的水含量控制预压缩进气高温冷却器(34)和压缩进气高温冷却器(36)的冷却功率；和/或

还包括控制增压空气在两级涡轮增压内燃发动机的至少一个压缩机中压缩到的压力，使得预压缩进气或压缩进气的温度至少具有相应饱和温度。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括通过高温冷却回路(30)和低温冷却回路(50)中的至少一个冷却废气。