CN106662002B - 具有脉动风扇控制的冷却系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于发动机(18)的冷却系统(28)。冷却系统可以具有构造成冷却供应到发动机的进气的空气冷却器(30)。冷却系统还可以具有传感器(38)和靠近空气冷却器的风扇(46)，该传感器构造成产生指示进气的温度的温度信号。冷却系统还可以具有与传感器和风扇通信的控制器(58)。控制器可以构造成当进气的温度高于阈值温度时，使风扇以取决于温度信号的速度运行。控制器还可以构造成当进气的温度降低到阈值温度以下时选择性地使风扇脉动。

Description

具有脉动风扇控制的冷却系统

技术领域

本发明总体上涉及一种冷却系统，更具体地，涉及一种具有脉动式风扇控制的冷却系统。

背景技术

发动机驱动的机器，例如铣刨机、装载机、挖掘机、自动平地机和其他类型的重型设备通常包括将相关联的发动机冷却到阈值温度以下的冷却系统。冷却系统包括一个或多个空气对空气或液体对空气的热交换器，其尤其是冷却在整个发动机中循环的冷却剂和/或被引导到发动机中的进气。来自冷却剂或进气的热量通过风扇传递到空气，该风扇基于被冷却的各种系统(例如，发动机)中的一个或多个的温度而被速度控制。

许多冷却系统风扇采用液压动力。具体地，风扇回路可以包括由机器的发动机驱动的泵，以吸入低压流体并且在升高的压力下将流体排出到连接到风扇的马达。当温度高于期望值时，风扇回路增加风扇的速度。当温度低时，风扇回路降低风扇的速度。然而，由于马达的最小入口压力要求，风扇通常具有最小速度的限制。因此，在一些情况下，例如在寒冷的环境条件下，即使当以最小速度操作时，风扇可提供比所需或期望的更多的冷却。这种过度冷却可能导致发动机进气歧管结冰。

2002年9月24日授予Hawkins等人的美国专利No.6,453,853('853专利)中描述了防止发动机过冷的一种控制策略。具体地，'853专利描述了一种用于控制液压冷却风扇的策略。该控制策略通过在每当发动机舱温度在可接受的限度内并且不需要风扇速度时将风扇完全关闭来降低发动机在寒冷天气操作期间过冷的可能性。

尽管'853专利的系统可以降低发动机过冷的可能性，但是它仍然可能不是最佳的。具体地，因为'853专利的系统长时间地将风扇完全关闭，所以当风扇重新开启时存在可能发生系统组件的热冲击的风险。允许在较低温度下操作的另一控制策略是提高发动机速度并向系统增加负载，但这样做大大降低了发动机的燃料经济性。

本发明的冷却系统旨在克服上述的一个或多个问题和/或现有技术的其它问题。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种用于发动机的冷却系统。冷却系统可以包括空气冷却器和传感器，前者构造成冷却供应到发动机的进气，后者构造成产生指示进气的温度的温度信号。冷却系统还可以包括靠近空气冷却器的风扇和与传感器和风扇通信的控制器。控制器可以构造成当进气的温度高于阈值温度时，使风扇以取决于温度信号的速度运行。控制器还可以构造成当进气的温度低于阈值温度时选择性地使风扇脉冲打开和关闭。

在另一方面，本发明涉及一种冷却发动机的方法。该方法可以包括引导燃烧进气通过空气冷却器以冷却燃烧进气，并且将燃烧进气从空气冷却器引导到发动机中。该方法还可以包括生成指示燃烧进气的温度的温度信号，并且当燃烧进气的温度高于阈值温度时，取决于温度信号来驱动靠近空气冷却器的风扇。该方法还可以包括当燃烧进气的温度低于阈值温度时选择性地脉冲打开和关闭风扇。

在另一方面，本发明是机器。机器可以包括底盘，安装到底盘的发动机，以及构造成支撑底盘的牵引装置。机器还可以包括空气冷却器和传感器，前者构造成冷却供应到发动机的进气，后者构造成产生指示进气的温度的温度信号。机器还可以包括靠近空气冷却器的风扇和与传感器和风扇通信的控制器。控制器可以构造成当进气的温度高于阈值温度时，使风扇以取决于温度信号的速度运行。控制器还可以构造成当进气的温度低于阈值温度时选择性地使风扇脉冲打开和关闭。

附图说明

图1是示例性公开的机器的侧视图；

图2是用于图1的机器的示例性公开的冷却系统的示意图；以及

图3是示出操作图2的冷却系统的示例性公开的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了一种示例性机器10。在所示实施例中，机器10是轮式装载机。然而，可以设想，机器10可以体现为另一类型的机器，例如铰接式拖运卡车、自动平地机或任何其他机器或车辆。还可以设想，如果需要，机器10可以在固定系统中发现潜在的应用，例如在发电和/或流体泵送系统中。机器10尤其可以包括由牵引装置14(例如，轮)支撑的底盘12、安装到底盘12的发动机外壳16和设置在外壳16内并可操作牵引装置14的发动机18。

发动机18可以是任何类型的内燃机，例如二冲程或四冲程柴油发动机、汽油发动机或气体燃料动力发动机。如图2所示，发动机18可包括至少部分地限定多个气缸22的发动机缸体20。活塞(未示出)可以可滑动地设置在每个气缸22内，以在上止点位置和下止点位置之间往复运动，并且气缸盖(未示出)可以与每个气缸22相关联。每个气缸22、活塞和气缸盖可以一起至少部分地限定燃烧室。在所示的实施例中，发动机18包括布置成直列式结构的六个气缸。然而，可以设想，发动机18可以包括更多或更少数量的气缸22，并且气缸22可以布置成V形结构、对置活塞结构或者根据需要布置为另一种结构。

如图2所示，多个不同的系统可以协作以增强发动机18的操作，包括进气系统24、排气系统26和冷却系统28。进气系统24可构造成将进气或进气和燃料的混合物引导到发动机18中用于燃烧。本文使用的进气也可以称为燃烧空气或增压空气。排气系统26可构造成将由燃烧过程产生的废气引导到大气。冷却系统28可构造成降低发动机18的温度(例如，通过发动机18循环的冷却剂的温度和/或引导到发动机18中的燃烧进气的温度)，以帮助提高发动机18的效率和/或发动机18的寿命。

进气系统24可以包括多个部件，其构造成调节压缩空气并将其导入气缸22。例如，进气系统24可包括位于一个或多个压缩机32下游的空气冷却器30(例如空气-空气热交换器)。压缩机32可以连接到冷却器30(例如，经由通道34)，并且构造成对被引导到冷却器30的进气加压。在将热量传递到冷却器30(例如，传递到通过冷却器30中的相邻通道的空气)之后，来自压缩机32的加压空气可以经由入口歧管36流入发动机18的气缸22。可以设想，如果需要，进气系统24可以包括与上述不同的或附加的部件，例如节流阀、与每个气缸22相关联的可变阀致动器、过滤部件、压缩机旁通部件以及可以选择性地控制以影响发动机18的空气/燃料比的其他已知部件。

在一些实施例中，传感器可以与进气系统24相关联。例如，温度传感器38可以设置在压缩机32的上游和/或下游(例如，在通道34和/或入口歧管36内)的位置处，并且构造成产生指示进气温度的信号。如下面将更详细地解释的，来自传感器38的温度信号可以用于帮助控制冷却系统28。例如，该信号可以用于控制通过上述冷却器30的通道的冷却空气的流速。还可设想附加的温度传感器可以与进气系统24相关联，使得控制通过冷却器30的通道的冷却空气的流速可以取决于指示不同系统部件的温度的一个或多个温度传感器。

排气系统26可以包括多个部件，其调节来自气缸22的废气并将其引导至大气。例如，排气系统26可以包括排气通道40(例如，排气歧管)、由流过排气通道40的废气驱动的一个或多个涡轮机42，以及连接到涡轮机42的出口的排气道44。可以设想，如果需要，排气系统26可以包括与上述不同或附加的部件，例如后处理部件、排气压缩或限制制动器、旁通部件、衰减装置和其它已知部件。

冷却系统28尤其可以包括位于冷却器30和发动机18附近的风扇46。在所公开的实施例中，风扇46被液压致动以拉动或推动空气通过冷却器30的通道并穿过发动机18，从而冷却进入发动机18的压缩进气并从发动机18的外表面吸收热量。具体地，马达48可以连接到驱动风扇46，并且泵50可以通过供应通道52和返回通道54流体地连接到马达48。泵50可以是例如由发动机18提供动力的可变排量泵。泵50可以对流体(例如，专用液压油)加压，并且通过供给通道52将加压流体引导至马达48。在通过马达48并对其给予机械旋转之后，流体(现在处于较低压力)可以通过返回通道54返回到泵50。应当注意，虽然根据示例性实施例，所公开的冷却系统被示出为闭环系统，但是泵50可以替代地经由可并入储液罐的开环连接到马达48。这种开环构造可以帮助调节加压流体的温度并防止过热。

在所公开的构造中，泵50的排量和旋转速度，连同马达48的排量或旁通阀(未示出)的位置可确定风扇46的速度。并且风扇46的速度可以直接涉及被引导通过冷却器30的冷却空气的流速和被引导到发动机18中的进气的相应温度。因此，可以通过选择性地调节泵50的排量和/或马达48的排量或旁通阀的位置来调节风扇46的速度和进气的温度。在所公开的实施例中，仅泵50具有可变排量能力(即，仅泵50具有可调排量机构56)。然而，可以设想，如果需要，只有马达48可以可选地具有可变排量能力，或者泵50和马达48二者都可以具有可变排量能力。

在一个实施例中，马达48可以具有最小速度。最小速度可以对应于马达48的最小入口压力。当马达48的速度下降到该速度以下时，马达48的入口处的压力对于有效操作可能太低。也就是说，由于在低于最小马达48速度时入口压力太低，可能使马达48停止旋转。在所公开的实施例中，马达48的最小速度可以是大约500rpm。

控制器58可以与冷却系统28相关联并且构造成基于来自传感器38的信号调节风扇46的速度。例如，控制器58可以与泵50(和/或马达48，如果这样配备的话)的排量机构56通信。并且基于信号的值，控制器58可以构造成选择性地调节泵50的排量，从而调节风扇46的速度。还可以设想，在其他实施例中，控制器58可以构造成基于来自传感器38的信号和来自监测机器10的其他部件或流体的传感器的一个或多个附加温度信号来选择性地调节泵50的排量。

控制器58可以是单个微处理器或多个微处理器，其包括用于控制冷却系统28的操作的机构。许多市售的微处理器可以构造成执行控制器58的功能。应当理解，控制器58可以容易地体现为能够控制许多发动机和/或机器功能的通用机器微处理器。控制器58可以包括存储器、辅助存储设备、处理器和用于运行应用的任何其他组件。各种其它电路可以与控制器58相关联，例如电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路和其它类型的电路。

图3示出了由控制器58实现的示例性冷却系统过程。下面将更详细地讨论图3，以更好地示出所公开的概念。

工业实用性

所公开的控制系统可以应用于从调节的冷却中受益的任何机器。所公开的控制系统可以帮助将系统部件保持在期望温度，以促进有效操作。现在将参照图3解释冷却系统28的操作。

在机器10的操作期间，进气可以由压缩机32吸入、加压并且被引导通过通道34到冷却器30。当进气通过冷却器30中的通道时，冷却空气流可被风扇46迫使通过相邻的通道。当两种空气流都通过冷却器30时，热量可以从进气传递到冷却空气。然后，冷却的压缩空气可以被引导进入发动机18中，与燃料混合并燃烧。由燃烧过程产生的废气然后可以经由排气通道40并且通过涡轮机42引导离开发动机18，在涡轮机42中，废气中的能量被重新捕获并且用于驱动压缩机32。

在发动机操作期间，控制器58可以连续地监测进入发动机18的进气的温度，以确保该进气处于期望温度，以促进有效操作(步骤202)。特别地，该进气应当被充分冷却以增加其密度，并且从而允许在每个发动机循环期间，期望量的进气被强制进入气缸22，并且不会冷得使空气中的水分在入口歧管36内冻结。进气中的一部分水分可以存在于与进气混合的废气再循环(EGR)气流中。如果水分在入口歧管36内冻结，则进入入口歧管36的气流可能变得受限，导致发动机18操作不稳定。因此，当温度高于阈值温度时，控制器58可以监测进气的温度，并且以取决于温度信号(例如，进气温度)的速度选择性地驱动风扇46(步骤204)。控制器58可以基于信号的值使风扇46加速或减速。例如，随着进气的温度增加，控制器58可以成比例地减小泵50的排量，从而增加马达48的速度和风扇46的速度。同样地，当空气的温度降低时，控制器58可以成比例地增加泵50的排量，或者其可以打开旁通阀以使加压流体从旁通绕过马达48。

马达48的速度仅可降低直到到达最小发动机速度。如上所述，所公开的实例中的最小马达速度可以是大约500rpm。因此，当马达48的速度达到最小马达速度时，控制器58可以停止减小泵50的排量。

在一些实施例中，当马达48已经下降到其最小速度时，风扇46仍然可能产生过多的气流。除非考虑到，否则可能导致发动机18的过冷，导致入口歧管36的结冰和不稳定的发动机操作。为此，控制器58可以判定是否进气的温度太低(例如，低于阈值温度)，并且风扇46以最小速度运行(例如，泵50已经倾斜下降并且正以其最小排量操作)(步骤206)。只要泵50保持高于其最小速度排量或高于阈值温度(步骤206：否)，控制可循环通过步骤202-206。

然而，当判定进气的温度低于阈值温度并且风扇46以最小速度运行时(步骤206：是)，控制器58可以构造成选择性地使风扇46脉冲打开和关闭(步骤208)。控制器58可以通过在期望的时间段内消除输入到风扇46的转矩，在期望的时间段内重新施加转矩输入，并且再次消除转矩输入，来使风扇46脉冲打开和关闭。在一个实施例中，关闭时间段(即，马达48不向风扇46施加转矩的时间段)可以大约等于打开时间段(即，马达48正在施加转矩的时间段)。例如，打开和关闭时间段可以每次大约等于5-60秒。在另一个实施例中，关闭时间段不同于打开时间段。根据需要，打开和/或关闭时间段可以在整个发动机运行中保持相同，而不考虑温度，或者基于温度改变。例如，当进气的温度进一步降低时，关闭时间段会增加。并且随着进气的温度增加，打开时间段会增加。通常，可以使风扇46以将进气的温度维持在基本恒定值的速率进行脉动。在所公开的实例中，该温度可以保持在阈值温度的约5℃内。

可以有许多不同的方式，使得控制器58可以引起风扇46的脉动(即，禁止马达48施加转矩和使马达48施加转矩)。在一个实施例中，控制器58可以通过逐步将泵50的排量减少到空档(即，零角度)位置来禁止马达48施加转矩。在另一个实施例中，泵50可以与发动机18和/或马达48断开连接。在又一个实施例中，供应通道52可以直接连接到返回通道54(例如，利用阀)，使得来自泵50的加压流体绕过马达48。根据需要，也可以使用其它方法。

在启动风扇46的脉动之后，控制器58可以继续监测进气的温度并将温度与阈值进行比较(步骤210)。在启动风扇脉动(步骤208)之后，只要进气温度保持低于阈值温度(步骤210：是)，则控制可循环通过步骤208-210。如果进气温度不低于阈值温度(步骤210：否)，则控制器58可以返回到步骤202。

通过使风扇46在极寒天气条件下发生脉动，可以抑制发动机18过冷，并且冷却系统28的部件可以不暴露于有害的热冲击。也就是说，通过仍然是周期性的操作，冷却系统28的部件(例如，泵50、马达48、通道52和54、流体等)可以保持在基本上恒定的温度，以促进部件的寿命。特别地，部件可能不允许由于不活动而被冷却到当操作恢复时将导致热冲击加载的水平。除了延长这些部件的寿命之外，还可以改进机器10的操作范围。具体地，机器10可以能够在甚至更低的温度下操作，而不增加由于热冲击负载引起的部件故障的风险。

通过防止热冲击和过冷(例如，入口歧管36的结冰)，可以提高机器10的冷操作温度性能(COTP)。例如，在没有脉动的情况下，机器10的低温空转能力可以在大约0和-10℃之间，因为低于该温度，过冷可能成为问题。相反，通过如本文所述使风扇46脉动，机器10的低温空转能力可下降至低于-40℃。因此，脉动提供了更大的温度范围，机器10可以在其中操作，同时仍然防止过冷和热冲击，并且其允许增加的空闲时间，而不需要加油(即，提高燃料经济性)。

对于本领域技术人员显而易见的是，可以对所公开的冷却系统进行各种修改和变型。通过考虑所公开的冷却系统的说明书和实践，其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，虽然在用于与发动机和其它机器系统相关联的进气的冷却风扇的上下文中示出了本发明，但是本发明也可以以类似的方式用于控制发动机内部的冷却剂温度。说明书和示例仅被认为是示例性的，真实的范围由所附权利要求及其等同物指示。

Claims (10)

1.一种用于发动机(18)的冷却系统(28)，所述冷却系统包括：

空气冷却器(30)，其构造成冷却供给到所述发动机的进气；

传感器(38)，其构造成产生指示所述进气的温度的温度信号；

位于所述空气冷却器附近的风扇(46)；和

与所述传感器和所述风扇通信的控制器(58)，其中所述控制器构造成：

当所述进气的温度高于阈值温度时，使所述风扇以取决于所述温度信号的速度运行，以及

当所述进气的温度低于所述阈值温度时，选择性地使所述风扇脉冲打开和关闭，

其中，利用马达驱动所述风扇，所述发动机驱动泵以驱动所述马达，并且其中，所述马达的打开时间段和关闭时间段中的至少一个的长度基于在所述马达和所述泵之间循环的流体的温度而改变。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中使所述风扇脉冲打开和关闭维持进入所述发动机的进气的温度在恒定的温度。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括：

马达(48)，其操作地联接至所述风扇；以及

泵(50)，其由所述发动机驱动以驱动所述马达。

4.根据权利要求3所述的冷却系统，其中使所述风扇脉冲打开和关闭维持在所述马达和泵之间循环的流体的温度在恒定的值。

5.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，使所述风扇脉冲打开和关闭包括对泵的可调排量机构进行控制，所述泵驱动马达，所述马达驱动所述风扇。

6.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述阈值温度对应于所述风扇的最小操作速度。

7.一种冷却发动机的方法，包括：

引导燃烧进气通过空气冷却器以冷却所述燃烧进气；

将燃烧进气从所述空气冷却器引导到所述发动机中；

产生指示所述燃烧进气的温度的温度信号；

在所述燃烧进气的温度高于阈值温度时，以取决于所述温度信号的速度驱动靠近所述空气冷却器的风扇，以及

当所述燃烧进气的温度低于所述阈值温度时，选择性地使所述风扇脉冲打开和关闭，

其中，利用马达驱动所述风扇，所述发动机驱动泵以驱动所述马达，并且其中，所述马达的打开时间段和关闭时间段中的至少一个的长度基于在所述马达和所述泵之间循环的流体的温度而改变。

8.根据权利要求7所述的方法，其中使所述风扇脉冲打开和关闭维持进入所述发动机的燃烧进气的温度在恒定的温度。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括使用马达驱动所述风扇并使用所述发动机来驱动泵从而驱动所述马达。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述风扇的打开持续时间和关闭持续时间中的至少一个基于所述燃烧进气的温度在长度上变化。