CN106917668B - 一种汽车发动机中冷器及具有其的发动机进气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车发动机中冷器及具有其的发动机进气系统，具有：中冷器壳体；第一热交换管组和第二热交换管组，设置在中冷器壳体内部，第一热交换管组和第二热交换管组之间热隔绝；还具有第一中冷器空气腔、第二中冷器空气腔、第三中冷器空气腔和第四中冷器空气腔，以及第一中冷器管接头、第二中冷器管接头、第三中冷器管接头、第四中冷器管接头，适用于采用两级增压，或者复合双增压技术，当空滤后和节气门前存在两个压气机时，设计上只需要采用一个中冷器总成，就可以实现同样功能，外接管路简单，布置可行性好。

Description

一种汽车发动机中冷器及具有其的发动机进气系统

技术领域

本发明属于汽车发动机技术领域，尤其涉及一种汽车发动机中冷器及具有其的发动机进气系统。

背景技术

汽车发动机采用涡轮增压技术，经过长期的研究和应用，表明这是一种高效、节能且有益于机动车环保的一条技术路径。近年来，为了进一步提升汽车发动机的升功率、以及提升燃油经济性，现阶段发动机的研发更倾向于采用小排量化的增压机型。但是，整车的发展趋势是大空间、低油耗、排放要求不断加严，且在市场方面上消费者还对汽车动力性有较高的需求。在这个大环境前提下，采用小排量化的增压发动机将是一条重要的技术路径。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：开发高性能小排量化的增压发动机，意味着进一步压榨发动机的升功率，且在排放要求进一步降低污染物的情况下，需要发动机具有更高的进气充量。从现有的技术路径来看，提高进气充量则需要加大增压器的流量和压比，传统的增压方案一般为采用更大流量的涡轮增压器，或采用更大流量的机械增压器，或采用机械增压与涡轮增压共同作用、以及双涡轮增压器的串联/复合增压系统等方案。然而这些方案一方面存在无法突破的技术瓶颈，另一方面，由于整合起来的系统结构复杂，不易在车辆上实现布置，更难以实现平台化和通用化。

目前业界提出了应用轻度混合动力技术的电动增压+涡轮增压串联/复合增压方案，利用车辆行驶减速和制动工况的能量回收为增压器电机提供能量。电动增压器无需在全部工况下介入运行，其主要运行在车辆起步、加速的前几十秒或延长到几分钟时间。具有这种技术的发动机可搭载更高空气充量的涡轮增压器，而无需担心大惯量转子带来的过度迟滞效应，电动增压器的驱动电机可以在不到200ms的时间内将转子转速从怠速加速到全功率状态，此时发动机将立即响应油门加大开度对动力性输出的需求。

采用涡轮机与电动机串联或串联/复合增压的方案，由于进气系统具有了更高的增压压比，因而系统在被充入大量的空气的同时，被压缩的空气具有更高的温度。较高的进气温度会带来发动机填充效率低、燃烧不充分以及爆震等不利倾向，故必须关注进气温度问题。由于涡轮机与电动机所构成串联/复合增压系统存在这两个独立的压气源，因此需要考虑进气系统中冷的形式。其中，电动增压器承受高温热浸的能力差，如果将电动增压器直接布置在涡轮增压压气机的下游，则会由于高温长时间的热浸，大大降低电动增压器的寿命，甚至发生严重故障。因此必须考虑在涡轮压气机和电动压气机之间设置中冷器；而空气经过电动压气机进一步压缩后，温度仍会升高到一定水平，进气温度的升高对发动机工作的稳定性产生很大不利影响。为抑制最终的发动机进气温度，还需要在电动压气机和节气门之间设置第二个中冷器；在起动/巡航/倒拖等工况下，电动增压器不介入工作，需要被切除到进气系统以外，还需要设置专门的进气旁通阀来控制电动增压器是否接入进气增压的路径。

传统的涡轮增压发动机一般都采用在压气机后和节气门之前的引气管路上设置一个中冷器来降低发动机进气温度，如果是两级增压，则需要采用两个单独的中冷器，这种结构会导致发动机进气系统结构庞大复杂，管路和机构臃肿，且进气压损非常大，系统将消耗大量的能量用于克服压力损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于采用两级增压，或者复合双增压技术，当空滤后和节气门前存在两个压气机时，设计上只需要采用一个中冷器总成，就可以实现同样功能，外接管路简单，布置可行性好的汽车发动机中冷器及具有其的发动机进气系统。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种汽车发动机中冷器，具有：

中冷器壳体；

第一热交换管组和第二热交换管组，设置在所述中冷器壳体内部，所述第一热交换管组和第二热交换管组之间热隔绝；

第一中冷器空气腔和第四中冷器空气腔，设置在所述壳体内第一热交换管组两侧；

第二中冷器空气腔和第三中冷器空气腔，设置在所述壳体内第二热交换管组两侧；

第一中冷器管接头，设置在所述第一中冷器空气腔上；

第二中冷器管接头，设置在所述第二中冷器空气腔上；

第三中冷器管接头，设置在所述第三中冷器空气腔上；

第四中冷器管接头，设置在所述第四中冷器空气腔上；

所述第一中冷器空气腔和第二中冷器空气腔之间热隔绝；

所述第三中冷器空气腔和第四中冷器空气腔之间设有空气旁通阀。

所述第一中冷器空气腔和第二中冷器空气腔之间通过绝热板热隔绝。

所述第四中冷器管接头上设有密封堵头，或者取消设置第四管接头。

一种具有上述的汽车发动机中冷器的发动机进气系统，电子增压器与涡轮增压器呈串联增压特征的，具有：

空滤、增压器涡轮机、增压器压气机、电子增压器电机及电控单元、压气机叶轮、进气歧管总成、发动机本体、排气歧管、排气管；

所述空滤通过引气管与所述增压器压气机连接，所述增压器压气机通过引气管与所述第二中冷器管接头连接；

电子增压器电机与所述压气机叶轮连接，所述压气机叶轮设置在连接所述第三中冷器管接头和所述第四中冷器管接头的引气管上；

发动机本体的进气歧管总成通过引气管与所述第一中冷器管接头连接；

发动机本体的排气歧管通过引气管与排气管连接，所述增压器涡轮机设置在所述排气管上。

所述进气歧管总成上设有节气门。

一种具有上述的汽车发动机中冷器的发动机进气系统，电子增压器与涡轮增压器呈并联复合增压特征的，具有：

空滤、增压器涡轮机、增压器压气机、电子增压器电机及电控单元、压气机叶轮、进气歧管总成、发动机本体、排气歧管、排气管；

所述空滤通过引气管与所述增压器压气机连接，所述增压器压气机通过引气管与所述第二中冷器管接头连接；

所述空滤还通过引气管与所述电子增压器连接，所述电子增压器通过引气管与所述第一中冷器管接头连接；

发动机本体的进气歧管总成通过引气管与所述第三中冷器管接头连接；

所述第四中冷器管接头封闭；

发动机本体的排气歧管通过引气管与排气管连接，所述增压器涡轮机设置在所述排气管上。

所述进气歧管总成上设有节气门。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，当空滤后和节气门前存在两个压气机时，设计上只需要采用一个中冷器总成，就可以实现同样功能，外接管路简单，布置可行性好，同时，中冷的两个通道为独立工作，在经过设计匹配后，与简化后的外接管路共同作用，能够使进气系统总体上降低压损。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的汽车发动机中冷器的结构示意图；

图2为一种具有图1的汽车发动机中冷器的发动机进气系统的结构示意图；

图3为另一种具有图1的汽车发动机中冷器的发动机进气系统的结构示意图；

上述图中的标记均为：1、第一中冷器管接头，2、第一中冷器空气腔，3、绝热板，4、第二中冷器管接头，5、第二中冷器空气腔，6、第三中冷器空气腔，7、第三中冷器管接头，8、空气旁通阀，9、第四中冷器管接头，10、第四中冷器空气腔，11、第一热交换管组，12、第二热交换管组，13、热交换媒介，20、空滤，21，引气管，22、进气歧管总成，23、节气门，24、电子增压器电机及电控单元，25、压气机叶轮，26、集成式双通道中冷器，27、发动机本体，28、排气歧管，29、排气管，30、增压器涡轮机，31、增压器压气机，32、密封堵头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

参见图1，一种汽车发动机中冷器，具有：

中冷器壳体；

第一热交换管组11和第二热交换管组12，设置在中冷器壳体内部，第一热交换管组11和第二热交换管组12之间热隔绝；

第一中冷器空气腔2和第四中冷器空气腔10，设置在壳体内第一热交换管组11两侧；

第二中冷器空气腔5和第三中冷器空气腔6，设置在壳体内第二热交换管组12两侧；

第一中冷器管接头1，设置在第一中冷器空气腔2上；

第二中冷器管接头4，设置在第二中冷器空气腔5上；

第三中冷器管接头7，设置在第三中冷器空气腔6上；

第四中冷器管接头9，设置在第四中冷器空气腔10上；

第一中冷器空气腔2和第二中冷器空气腔5之间热隔绝；

第三中冷器空气腔6和第四中冷器空气腔10之间设有空气旁通阀8。

第一中冷器空气腔2和第二中冷器空气腔5之间通过绝热板3热隔绝。

第四中冷器管接头9上设有密封堵头32，或者取消设置第四管接头9。

集成式双通道中冷器26，具有四个空气腔、热交换器、绝热板3和空气旁通阀8。发动机的进气分为独立的两路在中冷器中流通。空气旁通阀8的作用则是用来转换进气系统增压的模式，随着空气旁通阀8的开启或关闭，整套进气增压系统可由两级串联增压切换为单级增压；或复合双增压切换为单涡轮增压。空气旁通阀8由电控系统根据车辆行驶状态进行控制，当空气旁通阀8关闭的时候，相连两个空气腔则完全被阻隔，从而改变气流方向。第一热交换管组11和第二热交换管组12实质上各单体方面是独立的，根据气流运行的情况对其进行分组。如图1所示，第一热交换管组11的一端与输入端空气腔相连，另一端与输出端空气腔相连，空气旁通阀8全闭时，与绝热板3共同作用，使空气仅在上述有关联腔体和管组中联通；同时，另一组输入端和输出端的空气腔通过另一组热交换管组联通；这两组通道的空气彼此被限制流通和绝热，因此，构成双通道中冷功能。

这种中冷器在设计时可以根据具体的进气系统形式采用不同的参数设计。当采用串联两级增压形式时，由于两个通道内空气流量相同，但温度由于两级压比不同而具有较大差异，因此该形式中冷器可设计使第一热交换管组11和第二热交换管组12具有同等空气流通截面积，但采用不同参数和形式的冷却媒介(如一组采用风冷，另一组采用水冷，或更大面积的散热模块，或单独增加通风等)；当采用复合双增压时，两个通道内空气流量和初始温度可以因两个压气机不同而不同，因此可以采用第一热交换管组11和第二热交换管组12不同的流通截面积设计，并辅以采用不同的冷却媒介(如，当电动压气机的流量和压比小于涡轮压气机时，电动压气机的流量和温升均较小，因此可以采用小一些的流通容积和热交换容量，将更大的空间留给涡轮压气机通道，实现配比优化，充分利用空间资源。

中冷器的结构上具有两个相互独立的冷却通道，并具有可控制的、使两个通道相互接通/隔断功能的空气阀。具体的来讲，如图1所示：这种中冷器具有四组空气腔，这四组空气腔分别具有管接头。第一空气腔和第二空气腔之间具有绝热板3，可阻隔热能直接在第一空气腔和第二空气腔直接进行交换；第一空气腔和第四中冷器空气腔10之间可以独立通过第二中冷器热交换管组流通空气，增压空气的热量通过散热片带走；相应的，第二中冷器空气腔5和第三中冷器空气腔6之间可以独立通过第一中冷器热交换管组流通空气，所流通空气的热量同样由散热片带走，所述散热片的形式不限于冷却形式，可包括风冷、水冷以及其他任意可实现热交换的途径；所需要特别提出的是，第一热交换管组11为众多独立的空气通道，同样第二热交换管组12为众多独立的空气通道，并且在工作状态下，第一热交换管组11与第二热交换管组12中各自的空气隔绝流通，同时也隔绝热交换，因此，专利所述的中冷器为双通道，系指空气从第一中冷器空气腔2经第二热交换管组12流通到第四中冷器空气腔10，为一个独立通道；而空气从第二中冷器空气腔5经第一热交换管组11流通到第三中冷器空气腔6，构成第二个独立通道。第三中冷器空气腔6和第四中冷器空气腔10之间设有一个空气旁通阀8，若该空气旁通阀8处于关闭状态，则第三中冷器空气腔6和第四中冷器空气腔10中空气将相互隔绝不能流通和传热，若该空气旁通阀8处于开启状态，则第三中冷器空气腔6和第四中冷器空气腔10的空气可以流通和传热。

由这种集成式双通道中冷器26所集成的整套发动机增压进气系统有两种形式，其中包括，第一种形式：两级增压串联，如图2；第二种形式：两级增压并联，如图3。

实施例二

一种具有上述的汽车发动机中冷器的发动机进气系统，电子增压器与涡轮增压器呈串联增压特征的，具有：

空滤20、增压器涡轮机30、增压器压气机31、电子增压器电机及电控单元24、压气机叶轮25、进气歧管总成22、发动机本体27、排气歧管28、排气管29；

空滤20通过引气管与增压器压气机31连接，增压器压气机31通过引气管与第二中冷器管接头4连接；

空滤20还通过引气管与电子增压器连接，电子增压器通过引气管与第一中冷器管接头1连接；

发动机本体27的进气歧管总成22通过引气管21与第一中冷器管接头1连接；

发动机本体27的排气歧管28通过引气管21与排气管29连接，增压器涡轮机30设置在排气管29上。

进气歧管总成22上设有节气门23。

是应用于涡轮增压器和电动增压器串联两级增压形式的进气系统，中冷器的四个管接头分别担负各通道的进气输入和输出作用。进气旁通阀则用来旁路电动增压器，主要策略是：当车辆需要瞬间实现加速时，电动增压器立即从怠速介入工作，进气旁通阀在同一时刻关闭，发动机将在瞬态下获得更大压比的进气和流量，快速响应输出较高扭矩；当车辆在不需要额外动力输出的工况下，为了提高经济性，系统则工作在单级增压模式下，电动增压器仅以维持自身运转的怠速运行，而进气旁通阀处于开启状态，空气无需第二级压缩而直接从中冷器的第一通道流入第二通道。

涡轮增压器压气机31、电动增压器压气机31与专利所述双通道中冷器呈相串联关系。这种形式，能够通过ECU控制，实现涡轮增压+电动增压两者同时介入增压，呈现两级增压模式；也可以通过ECU控制，实现只有涡轮增压工作，电动增压不工作，呈现单级增压模式。在两级增压模式下：中冷器上的空气旁通阀8关闭，使第三中冷器空气腔6与第四中冷器空气腔10的空气隔绝。发动机进气进入空滤20；通过引气软管进入涡轮压气机端；进气完成第一级增压，此时空气温度高；空气流入引气管21，再经中冷器入口进入中冷器空气第二中冷器空气腔5；空气继续经中冷热第一热交换管组11进入第三中冷器空气腔6，完成第一级冷却；由于空气旁通阀8状态为关闭，因此空气只能通过出口，经管路进入电动增压器压气机31；空气经电机驱动的压气机压缩后，完成第二级增压，此时空气的压力和温度再次被提高；空气经进气管通过中冷器入口进入第四中冷器空气腔10；由于空气旁通阀8状态为关闭，因此空气只能进入第二热交换管组12，流经后进入第一中冷器空气腔2，此时完成第二级进气冷却；此时空气的压力经过两次增压，两次中冷，此时进气压力为两个增压器压力之和，而温度符合增压发动机的进气要求；空气通过引气管21进入节气门23体；进气歧管将进气向发动机各缸均匀配送，发动机对外输出功率；废气由排气歧管28收集后，进入涡轮机，推动涡轮增压器做功，最终废气由排气管29排出。以上过程描述了第一种集成形式的两级增压模式。

第一种形式的单级增压模式中，中冷器旁通阀开启，电机仅以怠速模式运行，不具备增压功能。此时，空气由中冷器第一热交换管组11输出后，由于旁通阀开启，流通阻力远小于怠速运行的压气机，因此空气可不经压气机，而直接流向空气第四中冷器空气腔10；再经过热交换管路流向发动机。在这种形式下，电动压气机的进气随旁通阀的开启被短路掉，主要用作车辆的怠速、巡航、倒拖等无需两级增压的诸多工况，在节约能源的同时还可以延长电动增压器总成的寿命。

实施例三

一种具有上述的汽车发动机中冷器的发动机进气系统，电子增压器与涡轮增压器呈并联复合增压特征的，具有：

空滤20、增压器涡轮机30、增压器压气机31、电子增压器电机及电控单元24、压气机叶轮25、进气歧管总成22、发动机本体27、排气歧管28、排气管29；

空滤20通过引气管21与第二中冷器管接头4连接，增压器压气机31设置在连接空滤20和第二中冷器管接头4的引气管21上；

空滤20还通过引气管21与第一中冷器管接头1连接，电子增压器电机与压气机叶轮25连接，压气机叶轮25设置在连接空滤20和第一中冷器管接头1的引气管21上；

发动机本体27的进气歧管总成22通过引气管21与第三中冷器管接头7连接；

第四中冷器管接头9封闭，或者取消设置第四中冷器管接头9；

发动机本体27的排气歧管28通过引气管21与排气管29连接，增压器涡轮机30设置在排气管29上。

进气歧管总成22上设有节气门23。

是应用于涡轮增压器和电动增压器并联复合双增压形式的进气系统，需要取消一个管路，可以在中冷器总成上通过新开发件取消一个管接头，也可以采用封堵的方式关闭一个对外界通道。进气旁通阀用来配合电动增压器，主要策略是：当车辆需要瞬间实现加速时，电动增压器立即从怠速介入工作，进气旁通阀在同一时刻开启，发动机将在瞬态下获得更大的流量，快速响应输出较高扭矩；当车辆在不需要额外动力输出的工况下，为了提高经济性，系统则工作在单级增压模式下，电动增压器仅以维持自身运转的怠速运行，而进气旁通阀处于关闭状态，仅保留一路涡轮增压通道的进气供给发动机。

如图3所示，涡轮增压器压气机31、电动增压器压气机31呈相并联关系。需要采用有两个输出端的空滤20；还需要将中冷器的管接头采用密封性良好的堵头予以封堵，使第四中冷器空气腔10与外界隔离。这种形式，能够通过ECU控制，实现涡轮增压+电动增压两者同时介入增压，呈现复合双增压模式；也可以通过ECU控制，实现只有涡轮增压工作，电动增压不工作，呈现单级增压模式。在复合增压模式下：中冷器上的空气旁通阀8开启，使第三中冷器空气腔6与第四中冷器空气腔10的空气能流通。发动机进气进入空滤20；经空滤20的第一个输出端通过引气软管进入涡轮压气机端；进气经过涡轮压气机增压后，空气温度升高；空气流入引气管21，再经中冷器入口进入中冷器空气第二中冷器空气腔5；空气继续经中冷热第一热交换管组11进入第三中冷器空气腔6，完成冷却；空气通过管接头，经引气管21导流后进入发动机；与此同时，进气经空滤20的第二个输出端通过引气软管进入电动压气机端；进气经过电动压气机增压后，空气温度升高；空气流入引气管21，再经中冷器入口进入中冷器空气第一中冷器空气腔2；空气继续经中冷热交换通道进入第四中冷器空气腔10，完成冷却；由于管接头已被堵头封堵，且空气旁通阀8为开启状态，此时经电动增压器增压后的空气汇入由涡轮增压器增压的进气流之中，共同经引气管21进入发动机。此时发动机的进气流量为两个增压器流量之和，可明显提高发动机的动力输出。

第二种形式的单级增压模式中，中冷器旁通阀为关闭状态，电机仅以怠速模式运行，不具备增压功能。此时，由空滤20第二个输出端通向电子增压器的进气路径关闭，只有涡轮增压器增压的一路进气供应发动机运行，在这种形式下，发动机以较小的部分负荷运行，经济性好，主要用作车辆的怠速、巡航、倒拖等无需复合增压的诸多工况，在节约能源的同时还可以延长电动增压器总成的寿命。

采用上述的方案后，实现一种布置紧凑的，可兼容增压发动机同时采用涡轮增压器与电动增压器的两级串联/复合双增压模式的进气中冷系统，从而解决传统的设计结构会导致相同功能进气系统结构庞大复杂，机构臃肿，且进气压损过大问题。可实现进气结构的高度紧凑，在提高发动机性能的同时，还可降低架构成本。集成式双通道中冷器26，以及该中冷器与专利中所提及涡轮增压器+电动增压器共同集成的串联/复合增压进气系统，构成本方案的核心内容。其中，涉及的集成化进气系统，包括涡轮增压器、电动增压器与双通道中冷器相串联连接；以及涡轮增压器、电动增压器呈相并联连接关系，并各自与双通道中冷器构成串联连接两种形式。在这两种连接形式下，各自均能够通过ECU控制，实现不同工况下的涡轮增压+电动增压两者同时介入增压功能，或涡轮增压单独介入，而电动增压不介入的工作功能。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种汽车发动机中冷器，其特征在于，具有：

中冷器壳体；

第一热交换管组和第二热交换管组，设置在所述中冷器壳体内部，所述第一热交换管组和第二热交换管组之间热隔绝；

第一中冷器空气腔和第四中冷器空气腔，设置在所述壳体内第一热交换管组两侧；

第二中冷器空气腔和第三中冷器空气腔，设置在所述壳体内第二热交换管组两侧；

第一中冷器管接头，设置在所述第一中冷器空气腔上；

第二中冷器管接头，设置在所述第二中冷器空气腔上；

第三中冷器管接头，设置在所述第三中冷器空气腔上；

第四中冷器管接头，设置在所述第四中冷器空气腔上；

所述第一中冷器空气腔和第二中冷器空气腔之间热隔绝；

所述第三中冷器空气腔和第四中冷器空气腔之间设有空气旁通阀；

所述第一中冷器空气腔和第二中冷器空气腔之间通过绝热板热隔绝；

所述第四中冷器管接头上设有密封堵头。

2.一种具有如权利要求1所述的汽车发动机中冷器的发动机进气系统，其特征在于，具有：

空滤、增压器涡轮机、增压器压气机、电子增压器电机及电控单元、压气机叶轮、进气歧管总成、发动机本体、排气歧管、排气管；

所述空滤通过引气管与所述增压器压气机连接，所述增压器压气机通过引气管与所述第二中冷器管接头连接；

所述空滤还通过引气管与所述电子增压器连接，所述电子增压器通过引气管与所述第一中冷器管接头连接；

发动机本体的进气歧管总成通过引气管与所述第三中冷器管接头连接；

所述第四中冷器管接头封闭；

发动机本体的排气歧管通过引气管与排气管连接，所述增压器涡轮机设置在所述排气管上。

3.如权利要求2所述的发动机进气系统，其特征在于，所述进气歧管总成上设有节气门。