CN104755740B - 改进的废气再循环装置和形成该装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃式发动机的废气再循环冷却器和形成该冷却器的方法。一个或者更多个冷却器管结合有挠性部段，包括一个或者更多个一体地形成的褶曲部，并且管和翅片构造。废气再循环冷却器在每个管的基础上提供热补偿，并且一个或者更多个冷却器管的挠性部段在任一相应管热膨胀期间单独地移动。

Description

改进的废气再循环装置和形成该装置的方法

技术领域

本发明涉及内燃式发动机的废气再循环系统，尤其是废气再循环冷却器。

背景技术

现代内燃式发动机多年来一直具有废气再循环机构，用于将废气从内燃式发动机自身的内燃过程中回送至其吸入歧管，从而提高效率和/或限制不期望排气成分例如氮氧化物的产生。例如，已知将废气引入发动机缸体内的燃烧混合物中，以降低燃烧温度并且进而减少氮氧化物的形成，因为氮氧化物在升高的温度下形成。为了降低这些升高的温度，已知将废气在引入燃烧混合物之前冷却。虽然典型的废气再循环冷却器设备将废气的温度从650℃降低至120℃，但是对再循环的气体的特定冷却要求条件经常将随着发动机尺寸、类型和应用场合而变化。

典型的废气再循环冷却器联接至内燃式发动机的整个冷却系统，并将废气通过冷却管，该冷却管由发动机散热器冷却剂冷却。已证实废气再循环冷却器是现代内燃式发动机的最为复杂且历史上不可靠的部件。这些问题仅会随着重要性升高而加剧，这是因为人们越来越关注内燃式发动机的效率和排放性能。

废气再循环冷却器必须在两个主要的加载机制下操作——热疲劳和热冲击。热疲劳指的是废气再循环冷却器在正常操作过程中遇到的热应力。热冲击指的是废气再循环冷却器的异常操作状况，例如通过受损泵的冷却剂损耗、冷却线路故障等。热冲击通常伴随有纵向取向的废气再循环冷却器部件的金属膨胀。

在热冲击过程中的金属膨胀会造成废气再循环冷却器开裂或者泄露，其进而会对整个发动机形成造成负面影响。随着冷却器泄露，冷却剂会进入再循环废气的路径，回到吸入歧管中并最终进入发动机缸体。发动机缸体内的任何冷却剂都会阻碍发动机性能并在一定程度下将完全阻止缸体点火。此外，如果冷却剂从废气再循环冷却器漏出，冷却剂损耗将影响发动机的整个冷却系统。最终，发生泄露的废气再循环冷却器自身将不能执行其功能——即，冷却被再循环至吸入歧管的废气。如上文所述，燃烧混合物的升高温度将导致不期望的发动机和排放性能。

已知两种废气再循环冷却器设有热补偿构件来适应某种金属膨胀以抵制在极端热冲击操作状况中的这种故障。已知废气再循环冷却器采用倒圆的、锯齿状的或者褶曲的中空冷却管，其弯折并挠曲以适应金属膨胀。然而，这种圆的、波纹状的中空管具有功率密度限制，即，对于给定尺寸的管，与其它冷却器管的构造相比，对经其通过的废气的冷却能力相对有限。

其次，已知采用具有冷却器管的浮动芯部具有相对较高的功率密度性能，例如具有管和翅片构造的那些冷却管。具有管和翅片构造的冷却管相对平整或者具有卵形形状，带有结合在管内部的翅片结构，形成非常坚硬的组件——其在热冲击状况下毫无疑义地膨胀。已知一种浮动芯部方案，其设有两片式废气歧管，其联合地联接至所有冷却管，所述两片经由O形环连接件而可运动地联接。当冷却管膨胀时，废气歧管部件能够沿着O形状连接件相对于彼此运动。然而，这种宏观补偿构件的有效性有限，因为废气再循环冷却器所遭受的热冲击通常不均匀且宏观。相反，热冲击状况通常造成对冷却管的不均匀的扩张。

因此，人们期望有一种废气再循环冷却器，其具有相对高的功率密度且具有改进的热冲击性能。

发明内容

本发明提供了一种改进的废气再循环冷却器，其包括长形的中空本体、与该主体的相对端部联接的第一端板和第二端板，以及被联接在第一第二端板之间的至少一个冷却器管组件。该至少一个冷却器管组件包括至少一个长形的管构件，该管构件具有大致卵形的横截面形状以及延伸进入该管构件的至少一部分中的翅片片材。该至少一个管构件具有被一体地形成在其中的第一褶曲部，该第一褶曲部限定出该至少一个冷却器管组件的相对挠性部段。管构件和翅片片材可约束地结合在该至少一个冷却器管组件的相对硬性的部段内，该相对硬性的部段与该至少一个冷却器管组件的相对挠性部段分隔开并成一体。该至少一个冷却器管组件的相对挠性部段在该至少一个冷却器管组件的热膨胀期间移动，以限制在第一第二端板中的机械应力。

改进的废气再循环冷却器进一步包括多个冷却器管组件，这些冷却器管组件联接在第一端板和第二端板之间并彼此间隔开。该多个冷却器管组件各包括长形管构件，该长形管构件具有大致卵形的横截面形状以及延伸进入管构件的至少一部分中的翅片片材。多个长形管构件还包括被一体地形成在其中的至少第一褶曲部，每个管构件的第一褶曲部限定出相应的冷却管组件的相对挠性部段。多个管构件中的每个管构件包括翅片片材，该翅片片材可约束地结合在冷却管组件的相对硬性的部段内，相对硬性的部段与相应管组件的相对挠性部段分隔开并成一体。在相应冷却器管组件发生热膨胀期间，该相应冷却管组件的相对挠性部段独立于多个冷却器管组件的其余冷却器管组件地移动，以限制在相应的第一端板和第二端板内产生的机械应力。

在一些优选实施例中，管构件具有形成在其中的多个褶曲部，多个褶曲部限定所述至少一个冷却器管组件的相对挠性部段。

在一些优选实施例中，管构件具有在该至少一个冷却器管组件的相对硬性部段处的第一厚度，并且管构件具有在第一褶曲部处的第二厚度，并且第一厚度和第二厚度基本相等。

在一些优选实施例中，第一褶曲部在管构件的第一端部附近。

该改进的废气再循环冷却器还包括联接至该至少一个冷却器管组件的第一端部的废气入口，用以引导废气流动。废气入口被构造成用以联接至内燃式发动机的废气歧管。改进的废气再循环冷却器还包括废气出口，该废气出口在与第一端部大致相对的位置处联接至该至少一个冷却器管组件的第二端部。废气出口被构造成用以联接至内燃式发动机的进气歧管。

该改进的废气再循环冷却器还包括冷却剂入口和冷却剂出口。冷却剂入口和冷却剂出口被构造成用以联接至内燃式发动机的冷却剂系统。主体还包括与冷却剂入口流体地联接的冷却剂入口孔口和与冷却剂出口流体地联接的冷却剂出口孔口，从而冷却剂大致上沿纵向方向在冷却剂入口和冷却剂出口之间穿行过主体。

在一些实施例中，管构件由不锈钢制成。

在一些实施例中，管构件和翅片片材通过焊接的附接界面而可约束地彼此结合。

本发明还提供了用于形成改进的废气再循环冷却器的方法，包括形成具有大致卵形横截面形状的长形管；将至少第一褶曲部一体地形成在管中以限定成一体的挠性管部分；将翅片片材插入管中到与挠性管部分沿纵向间隔开的位置处；将翅片片材可约束地结合在管中以相对定位；并且将管基本上联接在冷却器外壳的相对端部之间，并且将挠性管部分定位在冷却器外壳的相对端部其中之一的附近。管的挠性管部分在管的热膨胀期间移动。

用于形成改进的废气再循环冷却器的方法还包括大致保持管在第一褶曲部处的厚度。

在一些优选实施例中，将管和翅片片材可约束地结合包括将翅片片材焊接在管内。

在一些优选实施例中，将至少第一褶曲部一体地形成在管中以限定一体的挠性管部分这一步骤还包括对第一褶曲部进行机械鼓凸加工。

用于形成改进的废气再循环冷却器的方法还包括在管中相继地一体地形成第二褶曲部，第一褶曲部和第二褶曲部一起限定出一体的挠性管部分。

用于形成改进的废气再循环冷却器的方法还包括在管中一体地同时形成至少第一褶曲部和第二褶曲部，第一褶曲部和第二褶曲部一起限定出成一体的挠性管部分。

在一些优选实施例中，在管中一体地形成至少第一褶曲部以限定成一体的挠性管部分包括液压成形第一褶曲部。

附图说明

图1是根据本发明原理的长卵形冷却器管的透视图；

图2是根据本发明原理的长卵形冷却器管的透视图，其中该冷却器管具有形成在其中的一个褶曲部；

图3是根据本发明原理的长卵形冷却器管的透视图，其中该冷却器管具有形成在其中的三个褶曲部；

图4是根据本发明原理的长卵形冷却器管的透视图，其中该冷却器管具有形成在其中的五个褶曲部；

图5A是根据本发明原理的长卵形冷却器管的端视图，其中该冷却器管具有形成在其中的五个褶曲部；

图5B是沿着图5A的线A－A获取并沿着线A－A的箭头方向观察的图5A的长卵形冷却器管的侧剖视图；

图5C是沿着图5C的线C－C获取并沿着线C－C的箭头方向观察的图5B的长卵形冷却器管的俯视剖视图；

图5D是图5B的长卵形冷却器管的在图5B的圆圈B中的那一部分的放大剖视图；

图6A是根据本发明原理的翅片的透视图；

图6B是根据本发明原理的备选翅片的透视图；

图7A是根据本发明原理的长卵形冷却器管、翅片和膜组件的端视图；

图7B是沿着图7A中的线A－A获取并沿着线A－A的箭头方向观察的图7A的长卵形冷却器管、翅片和膜组件的端视图；

图7C是沿着图7C的线B－B获取并沿着线B－B的箭头方向观察的图7B的长卵形冷却器管、翅片和膜组件的俯视剖视图；

图7D是图7A的长卵形冷却器管、翅片和膜组件的在图7A的圆圈C内的那一部分的放大剖视图；

图8是根据本发明原理的废气再循环冷却器组件的透视图；

图9是根据本发明原理的用于废气再循环冷却器的长卵形冷却器管组件的透视图；

图10A是图9的冷却器管组件的端视图；

图10B是沿着图10A的线A－A获取并沿着线A－A的箭头方向观察的图10A的冷却器管组件的侧剖视图；并且

图10C是沿着图10B的线B－B获取并沿着线B－B的箭头方向观察的图10B的冷却器管组件的俯视剖视图。

具体实施方式

参照附图进一步描述本发明，附图示出了本发明的特定实施例。然而，应当注意的是，附图仅是示例性的。例如，在下文描述并在附图示出的各种元件以及各种元件的组合可以变化以获得仍落入本发明构想和范围内的实施例。

参见图8－10，示例性废气再循环冷却器20包括包围住冷却器管组件30的主体22、以及第一端板24和第二端板26，冷却器管组件在所示实施例中以阵列方式布置。废气再循环冷却器20能够经由废气入口36联接至内燃式发动机的废气歧管，并且该废气再循环冷却器被构造成用以在废气通过冷却器管组件30之后将废气经由废气出口38朝着发动机进气歧管导回。应当理解的是，根据本发明的原理，废气再循环冷却器20能够包括单个冷却器管组件30或者变化数量的冷却器管组件30，这些部件可以以各种构造布置。因此，应当理解的是，本发明的废气再循环冷却器20的特定构造实际上是示例性的。

废气再循环冷却器20被构造成经由冷却剂入口40和冷却剂出口42与冷却剂系统一起操作。冷却剂从冷却剂系统递送给冷却剂入口40并通过冷却剂入口孔口44进入主体22。冷却剂大体上沿着纵向穿行经过主体22，从冷却器管组件30和经其通过的废气吸热。冷却剂通过冷却剂出口孔口46从主体22出来，并经由冷却剂出口42导回到冷却剂系统中。应当理解的是，根据本发明原理，废气再循环冷却器20可以被构造成与各种各样的内燃式发动机(包括汽油发动机和柴油发动机)一起操作，并且本发明的废气再循环冷却器20的特定部件和系统(例如冷却系统)以及因此的特定构造本质上是示例性的。

参见图4－5，废气再循环冷却器20的每个冷却器管组件30包括管50。管50是在第一端部52和第二端部54之间延伸的长形中空管，其具有大致卵形的横截面。在第一端部52附近，一个或者更多个褶曲部56形成在管50内。这一个或者更多个褶曲部56构成管50的一体形成的、相对挠性的部分58。管50的一体形成的其余绝大部分构成其主要冷却部分60。优选地，管50包括不锈钢。

进一步参见图1－4，示出了根据本发明原理的管50的形成。如图1所示，管50开始时是长形的、大致卵形的管，没有褶曲部。在一个优选实施例中，如图2所示，在管50中形成了与第一端部52间隔开的第一褶曲部56。如图3－图4所示，一个接一个地形成了相继的褶曲部56，每个褶曲部以朝着第一端部52更靠近的方式定位。实现这种在管50中形成相继的一体形成的褶曲部56的优选方法是通过对管50进行机械鼓凸加工(mechanical bulging)。如图5D详细所示地，优选地如此形成褶曲部56，使得管50的冷却部分60的壁厚62大致近似于或者等于褶曲部56的壁厚64。

应当理解的是，形成管50中褶曲部56的方法可以根据本发明原理变化。例如，在另一优选实施例中，通过液压成形来同时形成多个褶曲部56。

参见图6A，冷却器管组件30的示例性翅片片材或翅片模块66是相对薄的材料，其通过侧向交替的U形构造限定出纵向通道68、70的组。具体而言，翅片片材或翅片模块66的面向上的U形部分限定通道68，翅片片材66的面向下的U形部分限定通道70，通道68、70在翅片片材66上侧向地交替。参见图6B，示出了备选的翅片片材或者翅片模块66’，其中包括在片材中形成的纵向波形部。

参见图7A－7D，示例性冷却器管组件30包括被插入到管50中并且被定位在管50的主要冷却部分60内的的翅片片材66和联接膜72(参见图7D，其中部件为示意性目的而间隔开)。应当理解的是，多片联接膜72被定位在翅片片材66的介于翅片片材66和管50之间的相对侧上，从而提供在管50与翅片片材66之间的附接界面，并使得管50和翅片片材66能够通过焊接(braising)或者类似工艺结合。当翅片片材66被结合至管50是，翅片片材66的通道68、70限定出在管50的主要冷却部分60内的交替通道。尤其是如图7B和图7C所示地，在本发明的优选实施例中，翅片片材66被定位在管50的主要冷却部分60中，并没有延伸到管50的挠性部分58内。管50的翅片片材66和主要冷却部分60一起包括冷却器管组件30的管和翅片部段72，而管50的挠曲部分58包括冷却器管组件30的挠性部段74。由于管和翅片部段72优选地比起挠性部段74来构成了冷却器管组件30的显著更大一部分，冷却器管组件30使得废气再循环冷却器20具有管和翅片构造的已知的相对高的功率密度特性——在给定体积下的更多温降。

进一步参见图10A－10C，废气再循环冷却器20具有多个冷却器管组件30，这些冷却器管组件被主体22、第一端板24和第二端板26包围住。冷却器管组件30被分别接纳在第一端板24的管孔口80和第二端板26的管孔口82中。在本发明的优选实施例中，各个冷却器管组件30的部件以及冷却器管组件30和第一第二端板24、26分别同时地(例如在单个焊接工艺中)被永久地彼此结合。

尤其参见图10B和图10C，冷却器管组件30在主体22内间隔开，使得冷却剂可以在冷却器管组件30之间穿行，并有助于从筒形经过冷却器管组件30的废气传导热。此外，根据本发明原理，在冷却器管组件30的热膨胀过程中，例如在废气再循环冷却器20的异常热冲击操作状况中，每个单独的冷却器管组件30能够独立于其它冷却器管组件地在其相应的挠性部段74处移动以适应在冷却器管组件30中发生的膨胀。任何单独的冷却器管组件30在其挠性部段74处的移动限制了在冷却器管组件30的热膨胀期间被冷却器管组件30施加在第一第二端板24、26上的作用力，并因此限制了在第一第二端板24、26中的应力。

通过在任何单独的冷却器管组件30的热膨胀过程中限制由该冷却器管组件30施加在第一第二端板24、26上的作用力，废气再循环冷却器20阻止了冷却剂泄露(其可能因第一第二端板24、26出故障或者开裂而发生)，并因此有助于阻止发动机性能降低、冷却系统性能降低和/或废气再循环性能降低。此外，由于每个单独的冷却器管组件30可以独立于其它冷却器管组件在其相应的挠性部段74处移动，废气再循环冷却器20能够响应相对广范围的热冲击状况(其通常在本质上不均匀，并因此要求废气再循环冷却器20上的变化的性能)。

如本文所例述地，本发明能够以多种方式变化。例如，应当理解的是，根据本发明原理的废气再循环冷却器能够用在多个机动车应用场合的各种构造中。另外，根据本发明原理的废气再循环冷却器部件的材料和形状能够变化，并落入本发明的范围内。因此，应当理解本公开内容在本质上是示例性的。

Claims (16)

1.一种改进的废气再循环冷却器，包括：

长形的中空主体；

第一端板和第二端板，该第一端板和第二端板被联接至所述主体的相对端部；

联接在所述第一端板和所述第二端板之间的至少一个冷却器管组件，所述至少一个冷却器管组件包括具有大致卵形横截面形状的至少一个长形管构件和延伸进入所述管构件的至少一部分内的翅片片材，所述至少一个管构件具有被一体地形成在其中的至少第一褶曲部，所述至少第一褶曲部限定所述至少一个冷却器管组件的相对挠性的部段，所述管构件和所述翅片片材可约束地结合在所述至少一个冷却器管组件的相对硬性部段内，该相对硬性部段与所述至少一个冷却器管组件的相对挠性的部段分隔开并成一体，

其中，所述翅片片材不延伸到所述至少一个冷却器管组件的相对挠性部段中，并且沿纵向与相对挠性部段间隔开，

其中，所述至少一个冷却器管组件的相对挠性的部段在所述至少一个冷却器管组件热膨胀期间移动，以限制在所述第一端板和所述第二端板中的机械应力。

2.根据权利要求1所述的改进的废气再循环冷却器，其中，该废气再循环冷却器包括联接在所述第一端板和所述第二端板之间并彼此间隔开的多个冷却器管组件，所述多个冷却器管组件中的每个冷却器管组件包括具有大致卵形横截面形状的长形管构件和延伸进入所述管构件的至少一部分内的翅片片材，所述多个长形管构件还包括被一体地形成在其中的至少第一褶曲部，每个所述管构件的所述第一褶曲部限定相应的所述冷却器管组件的相对挠性部段，所述多个管构件的每个所述管构件包括被可约束地结合在所述冷却器管组件的相对硬性的部段内的翅片片材，该相对硬性的部段与相应的所述冷却器管组件的相对挠性部段分隔开并成一体，

其中，相应的所述冷却器管组件的所述相对挠性的部段在相应的所述冷却器管组件热膨胀期间独立于所述多个冷却器管组件的其余冷却器管组件地移动，以限制在相应的所述第一端板和所述第二端板内产生的机械应力。

3.根据权利要求1所述的改进的废气再循环冷却器，其中，所述管构件具有一体地形成在其中的多个褶曲部，所述多个褶曲部限定所述至少一个冷却器管组件的所述相对挠性的部段。

4.根据权利要求1所述的改进的废气再循环冷却器，其中，所述管构件具有在所述至少一个冷却器管组件的所述相对硬性的部段处的第一厚度，并且所述管构件具有在所述第一褶曲部处的第二厚度，所述第一厚度和所述第二厚度基本相等。

5.根据权利要求1所述的改进的废气再循环冷却器，其中所述第一褶曲部在所述管构件的第一端部附近。

6.根据权利要求1所述的改进的废气再循环冷却器，还包括：

废气入口，该废气入口联接至所述至少一个冷却器管组件的第一端部，以便引导废气流动，所述废气入口被构造成用以联接至内燃式发动机的废气歧管；和

废气出口，该废气出口在与所述第一端部基本上相对的位置处联接至所述至少一个冷却器管组件的第二端部，所述废气出口被构造成用以联接至内燃式发动机的进气歧管。

7.根据权利要求1所述的改进的废气再循环冷却器，还包括：冷却剂入口和冷却剂出口，所述冷却剂入口和所述冷却剂出口各个被构造成用以联接至内燃式发动机的冷却剂系统，其中所述主体包括与所述冷却剂入口流体地联接的冷却剂入口孔口和与所述冷却剂出口流体地联接的冷却剂出口孔口，从而冷却剂沿着基本上纵向的方向在所述冷却剂入口和所述冷却剂出口之间穿行过所述主体。

8.根据权利要求1所述的改进的废气再循环冷却器，其中所述管构件由不锈钢制成。

9.根据权利要求1所述的改进的废气再循环冷却器，其中，所述管构件和所述翅片片材通过焊接的附接界面而可约束地彼此结合。

10.一种用于形成改进的废气再循环冷却器的方法，包括：

形成具有大致卵形横截面形状的长形管；

在所述长形管中一体地形成至少第一褶曲部以限定成一体的挠性管部分；

将翅片片材插入所述长形管中到与所述挠性管部分沿纵向间隔开的位置处，所述翅片片材不延伸到所述挠性管部分中；

将所述翅片片材可约束地结合在所述长形管中以进行相对定位；并且

将所述长形管基本上联接在冷却器外壳的相对端部之间，并且将所述挠性管部分定位在所述冷却器外壳的所述相对端部其中之一的附近；

其中，所述长形管的所述挠性管部分在所述长形管的热膨胀期间移动。

11.根据权利要求10所述的用于形成改进的废气再循环冷却器的方法，还包括：

大致保持所述长形管在所述第一褶曲部处的厚度。

12.根据权利要求10所述的用于形成改进的废气再循环冷却器的方法，其中可约束地结合所述长形管和所述翅片片材的步骤包括将所述翅片片材焊接在所述长形管中。

13.根据权利要求10所述的用于形成改进的废气再循环冷却器的方法，其中在所述长形管中一体地形成所述至少第一褶曲部以限定所述成一体的挠性管部分的步骤包括对所述第一褶曲部进行机械鼓凸加工。

14.根据权利要求10所述的用于形成改进的废气再循环冷却器的方法，还包括在所述长形管中相继地一体地形成第二褶曲部，所述第一褶曲部和所述第二褶曲部一起限定出所述成一体的挠性管部分。

15.根据权利要求10所述的用于形成改进的废气再循环冷却器的方法，还包括在所述长形管中一体地同时形成至少所述第一褶曲部和第二褶曲部，所述第一褶曲部和所述第二褶曲部一起限定出所述成一体的挠性管部分。

16.根据权利要求10所述的用于形成改进的废气再循环冷却器的方法，其中在所述长形管中一体地形成至少所述第一褶曲部以限定所述成一体的挠性管部分的步骤包括液压成形所述第一褶曲部。