CN110630372A - 热交换器的控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种组件包括热交换器，热交换器具有入口部分、出口部分以及至少一个将入口部分流体联接到出口部分的流体通道。该组件还包括可移动阻挡元件，该阻挡元件具有相对于热交换器的第一位置和相对于热交换器的第二位置。在第二位置，阻挡元件相对于第一位置减少至少一个流体通道的横截面积。该组件还包括被动致动器，该被动致动器联接到阻挡元件，并且被构造成响应于满足热条件，选择性地将阻挡元件从第一位置移动到第二位置。

Description

热交换器的控制系统
技术领域
本公开涉及热交换器，更具体地涉及用于内燃发动机组件的增压空气冷却器，该内燃发动机组件配备有增压装置。
引言
内燃发动机(ICE)经常被要求在可靠的情况下长时间产生相当大的功率。许多内燃发动机组件采用机械增压装置(例如涡轮增压器)来在即将进入的气流进入发动机之前对气流进行压缩，以提高功率和效率。具体地，涡轮增压器是一种气体压缩机，其迫使更多的空气进入内燃发动机的燃烧室，并因此迫使更多的氧气进入内燃发动机的燃烧室，而不是通过环境大气压力(例如，自然吸气发动机)来实现。被压入内燃发动机的额外的含氧空气质量提高了发动机的容积效率，从而使得发动机在给定的循环中燃烧更多的燃料，从而产生更多的功率。
在极端运行条件下，“增压”过程可在一定程度上提高进气温度，从而导致形成不期望的排气副产物，例如各种氮氧化物(NOx)，并降低充气密度。为了解决这一问题，原始设备制造商历来采用最常见的中间冷却器，但更恰当地称为增压空气冷却器(CAC)或后冷却器，以从离开增压装置的空气中提取热量。增压空气冷却器是一种热交换装置，用于冷却进气，从而通过等容冷却增加进气增压密度，进一步提高内燃发动机的容积效率。降低进气温度使得发动机的进气更密集，并且使得每个发动机循环燃烧更多的空气和燃料，从而增加了发动机的输出。
热交换过程会导致水分冷凝，从而在增压空气冷却器系统内部形成水分，特别是当在流经增压装置和增压空气冷却器的环境空气大体上潮湿(例如，相对湿度大于50％)的条件下进行时。冷凝倾向于积聚在增压空气冷却器的下游，在进气歧管接收增压空气流的导管内。液化冷凝物可被吸入进气歧管，进入各种气缸燃烧室。根据增压空气冷却器和增压装置的构造，以及它们各自和相关的包装，液滴可能开始大量混合并进入燃烧室。意外将冷凝物组合引入到发动机气缸中可能导致内燃发动机失火，引起发动机过早磨损，并产生触发维修发动机指示灯的假阳性错误信号。此外，当环境温度达到冰点以下时，未恰当从增压空气冷却器中排出的冷凝水可能会结冰并使增压空气冷却器破裂。
发明内容
根据本公开的组件包括热交换器，该热交换器具有入口部分、出口部分和至少一个流体通道，该流体通道将入口部分流体联接到出口部分。该组件还包括可移动阻挡元件，该阻挡元件具有相对于热交换器的第一位置和相对于热交换器的第二位置。在第二位置，阻挡元件相对于第一位置减少至少一个流体通道的横截面积。该组件还包括被动致动器，该被动致动器联接到阻挡元件，并且被构造成响应于满足热条件，选择性地将阻挡元件从第一位置移动到第二位置。
在示例性实施例中，被动致动器包括具有致动端和热传感端的形状记忆材料。
在示例性实施例中，热交换器还具有上游流体罐、下游流体罐和至少一个将上游流体罐流体联接到下游流体罐的流体管。在这种实施例中，流体管大致垂直于流体通道延伸，并且被构造成与流体通道交换热量。被动致动器设有设置在下游流体罐中的热传感器。
在示例性实施例中，热交换器还具有上游流体罐、下游流体罐和至少一个将上游流体罐流体联接到下游流体罐的流体管。在这种实施例中，流体管大致垂直于流体通道延伸，并且被构造成与流体通道交换热量。被动致动器设有设置在至少一个流体管的流体管中的热传感器。
在示例性实施例中，被动致动器设有设置在热交换器外部的热传感器。
在示例性实施例中，可移动阻挡元件包括可滑动地连接到热交换器的格栅。格栅设有至少一个贯穿其中的狭槽。在第一位置，至少一个狭槽与至少一个流体通道大致对准，并且在第二位置，至少一个狭槽不与至少一个流体通道大致对准。在这种实施例中，入口部分可以限定入口平面，格栅可以被构造成在大致平行于入口平面的第一位置和第二位置之间滑动。
在示例性实施例中，可移动阻挡元件包括设置有多个可移动回转体的回转体组件，回转体在第一位置打开，在第二位置关闭。
在示例性实施例中，热交换器是用于内燃发动机的涡轮增压器的增压空气冷却器。
根据本发明的内燃发动机组件包括：进气歧管；增压器，其具有压缩机；以及增压空气冷却器，其具有带多个冷却管的芯部，冷却管将压缩机流体联接到进气歧管。芯部还包括与多个冷却管热连通的多个冷却通道。该组件还包括可移动地联接到芯部上的阻挡构件。阻挡构件可在相对于多个冷却通道的第一位置和相对于多个冷却通道的第二位置之间移动。在第二位置，阻挡构件相对于第一位置阻止空气流过多个冷却通道。该组件还包括被动致动器，该被动致动器联接到阻挡构件，并且被构造成响应于满足热条件，选择性地将阻挡构件从第一位置移动到第二位置。
在示例性实施例中，被动致动器包括具有致动端和热传感端的形状记忆材料。根据各种实施例，热感端可以设置在芯部外部的多个冷却管中的相应冷却管中，或者设置在将多个冷却管流体联接到进气歧管的下游流体罐中。在这种实施例中，可移动阻挡元件可以包括可滑动地联接到芯部并且可操作地联接到致动端的格栅，格栅设置有穿过其中的多个狭槽。在第一位置，多个狭槽中的相应狭槽与多个冷却通道中对应的相应冷却通道大致对准，并且在第二位置，相应狭槽不与对应的相应冷却通道大致对准。多个冷却通道可以具有限定入口平面的相应入口，并且格栅可以被构造成在大致平行于入口平面的第一位置和第二位置之间滑动。在这种实施例中，可移动阻挡元件可以包括回转体组件，该回转体组件设置有可操作地联接到致动端的多个可移动回转体，回转体在第一位置打开，在第二位置关闭。
根据本公开的实施例提供了许多优点。例如，本公开提供了一种系统和方法，用于被动控制通过热交换器的流体流动以防止过冷，从而降低热交换器中结冰的风险。
结合附图，通过以下优选实施例的详细描述，本公开的上述和其他优点和特征将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本公开实施例的内燃机组件的示意图；
图2是根据本公开第一实施例的热交换器组件的前视图；
图3A和图3B是在第一操作模式和第二操作模式下沿图2中的线3-3的剖视图；
图4是根据本公开第二实施例的热交换器组件的前视图；
图5是根据本公开第三实施例的热交换器组件的前视图；以及
图6是根据本公开实施例的用于热交换器的回转体组件的示意图。
具体实施方式
本说明书描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例，其他实施例可以有各种替代形式。附图不一定按比例绘制；且一些特征可以被放大或缩小，以便于显示特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是代表性的。参考任何一幅图所示和描述的各种特征可以与一幅或多幅其它图所示的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或具体实施，可能需要与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。
现在参考图1至图3，示出了典型内燃发动机(ICE)组件的示意图，该组件总体上标识为10，本发明可以结合到该组件中并实施。应该容易理解，图1仅仅是可以利用本发明的示例性应用。因此，本发明无论如何都不限于图1的特定发动机构造。此外，虽然ICE组件10旨在用于汽车，例如但不限于标准客车、运动型多功能车、轻型卡车、重型车辆、小型货车等，但是它可以被结合到任何机动车辆应用中，包括但当然不限于公共汽车、拖拉机、船只和水上摩托、飞机等。最后，本文呈现的附图不是按比例绘制的，并且纯粹是为了说明的目的而提供的。因此，附图中所示的具体和相对尺寸不应被认为是限制性的。
ICE组件10包括发动机壳体(在本领域中也称为“气缸壳”)和气缸盖，二者共同表示为12。ICE组件10配备有增压装置，在此由涡轮增压器装置14和增压空气冷却器(CAC)16表示。显而易见的，图1所示的发动机本体和气缸盖12、涡轮增压器装置14和CAC 16已经大大简化，应当理解，关于这些系统的功能和操作的进一步信息可以在现有技术中找到。此外，本领域技术人员将认识到，发动机本体和气缸盖12可以一体形成(如图1所示)，或者预先制造成单独的独立部件，这些部件随后例如通过螺栓连接、焊接或其他连接方式彼此连接。最后，在本文要求保护的本发明的范围内，ICE组件10可以在压缩点火或火花点火燃烧模式下运行。
继续参考图1，ICE组件10包括排气歧管30(在本领域中也称为“排气集管”)，该排气歧管30流体联接到发动机本体和气缸盖12并且被构造成从其接收和排出排气。例如，发动机本体和气缸盖12的气缸壳部分限定了多个排气口(未示出)，废气或燃烧产物通过排气口从与其流体联接的多个可变容积燃烧室(未示出)中选择性地排出。排气口将废气传送到排气歧管30，排气歧管30可以限定在发动机本体的气缸盖部分和气缸盖12内。排气歧管30将一部分排气输送到涡轮增压器装置14，并将一部分排气输送到排气后处理系统(这里未示出)，用于降低排气排放物的毒性，随后再排放到大气中。
ICE组件10还包括进气系统，该进气系统在此由进气歧管40表示，进气歧管40与节气门体42下游流体连通。节气门体42能够操作以调节流入发动机的空气量，通常响应于驾驶员输入。另一方面，进气歧管40负责将燃料/空气混合物均匀分配到各种可变容积燃烧室的进气口(未示出)。
当发动机处于开启状态时，ICE组件10的操作产生压力梯度。例如，每个可变容积燃烧室内部往复活塞(未示出)的向下运动，以及节气门体42内部的节气门(未示出)引起的流体限制(称为“阻塞流”)在进气歧管40内部产生真空。
涡轮增压器装置14与ICE组件10的进气系统流体连通，能够操作以在进入的空气进入进气歧管40之前对该空气进行压缩。更具体地，涡轮增压器装置14包括涡轮部分18和压缩机部分20。涡轮部分18具有涡轮壳体22，其经由排气管线38流体联接到排气歧管30。涡轮壳体22改变排气歧管30的一部分流动废气流的方向，以旋转涡轮叶片或叶轮，如图1中隐藏的28所示，涡轮叶片或叶轮可旋转地安装在其中。另一方面，压缩机部分20具有压缩机壳体24，压缩机壳体24设置有压缩机叶片，如图1中虚线26所示，压缩机叶片可旋转地安装在其中。压缩机壳体24的入口空气通过清洁空气过滤器32经由清洁空气管44从周围大气中抽出。
如图1所示，涡轮叶片28刚性联接到压缩机叶片26(例如，通过共享轴连接)，以便与其一体旋转。在ICE组件10的正常运行期间，涡轮壳体22接收排气歧管30的排气，迫使叶轮28旋转，从而迫使压缩机叶片26旋转。随着压缩机叶片26旋转，从空气过滤器32接收的环境空气在压缩机壳体24内被压缩。被压缩机部分20压缩的空气通过压缩机输出导管(或CAC入口管道)46被传送到CAC系统16，压缩机壳体24与CAC 16上游流体连通。应该认识到，本发明可以包括单涡轮增压器、双涡轮增压器、分级涡轮增压器或各种其他发动机增压装置，而不脱离本发明的预期范围。
仍然参考附图的图1，质量气流(MAF)传感器34位于清洁空气过滤器32和清洁空气导管44之间。MAF传感器34用于确定进入ICE组件10的空气质量——即通过涡轮增压器装置14的压缩机部分20，并将该信息传送给发动机控制单元(ECU)36。空气质量信息对于ECU36来计算并向进气歧管40输送适当的燃料质量是必要的。
增压空气输出在进入进气歧管40之前从涡轮增压器装置14的压缩机部分20经过CAC 16。就此而言，CAC系统16流体联接到内燃发动机进气系统，定位成与涡轮增压器装置14下游流体连通，并且与进气歧管40和节气门体42上游流体连通。CAC系统16被构造成在压缩气流进入ICE进气系统之前，从离开涡轮增压器装置14的压缩气流中提取热量，即冷却充气。
CAC系统16包括热交换器核心组件50，热交换器核心组件50设置有第一端罐52(在此也称为“入口端罐”或“上游端罐”)，第一端罐52可操作地附接到该热交换器核心组件50。上游端罐52提供过渡，以使得来自涡轮增压器装置14的进气能够从压缩机输出导管46流入CAC 16的内冷却管60。上游端罐52与第二端罐54(这里也称为“出口端罐”或“下游端罐”)上游流体连通，第二端罐54可操作地附接到热交换器芯部组件50的相对端。下游端罐54提供过渡，以使得进气从CAC系统16的冷却管60流到感应导管48，以便随后转移到节气门体42。
热交换器芯部组件50设有设置在冷却管60之间的多个冷却通道62。冷却通道62从热交换器芯部组件50的前端延伸到热交换器芯部组件的后端。冷却通道62设有与冷却管60热连通的热交换器翅片64。当流体(例如环境空气)通过冷却通道62时，热量从热交换器翅片64传递到流体，从而冷却冷却管60，并进而冷却冷却管60中的进入的空气。
当在寒冷条件下操作时，随着空气被热交换器芯部组件50进一步冷却，冷凝物或冰可能在CAC系统16内部形成。如上所述，当处于开启状态时，ICE组件10产生压力梯度。“发动机失火”是当临界体积的冷凝水在CAC内积聚时，由于进气歧管产生的较高“吸入”压力，使得进气歧管吸入不期望的量的冷凝水而可能发生的一种现象。“增压不足”是当临界体积的冰在CAC内积聚时，可能导致CAC内的过度压降并导致节气门体入口42处的增压压力低于期望的增压压力而发生的一种现象。CAC系统16可设有排水口或其他冷凝物提取器59，以从CAC系统16中去除冷凝物；然而，这种冷凝物提取器可能不足以提取冰。
阻挡构件66活动联接到热交换器芯部组件50。阻挡构件66被布置成相对于热交换器芯部组件50在多个位置之间移动，选择性地限制流体流过冷却通道62。被动致动器68可操作地联接到阻挡构件66，并且被构造成响应于温度的变化在多个位置之间移动阻挡构件66，这将在下面进一步详细讨论。
在图2和图3所示的实施例中，阻挡构件66包括联接到热交换器芯50前部的可移动格栅。格栅设有多个延伸穿过其中的狭槽70。在示例性实施例中，狭槽70之间的间距对应于热交换器芯部组件50的冷却管60之间的间距。在其他实施例中，阻挡构件可以以其他方式构造，例如联接到热交换器芯50的后部。格栅可以通过任何合适的方式可滑动地联接到热交换器芯部50，例如通过在联接到热交换器芯部50的轨道中滑动。
在第一位置，如图3A所示，格栅定位成使得狭槽70与冷却通道62大致对准。如箭头所示，流体因此可以穿过冷却通道62，以向冷却管60提供冷却。
格栅可以移动(例如在大致垂直于流体流动的方向上平移)到第二位置，如图3B所示。在第二位置，格栅被定位成使得狭槽70与冷却管60大致对准。因此，流体被限制不能通过冷却通道62，从而降低了对冷却管60的冷却效果。
被动致动器68可操作地联接到阻挡构件66，并且被构造成在第一位置和第二位置之间移动阻挡构件66。被动致动器68设有感温元件72。在图1至图3所示的实施例中，感温元件72设置在下游端罐54中，以感测热交换器芯部组件50下游的进气温度。然而，感温元件72可以定位在其他位置，这将在下面进一步详细讨论。
在图示的实施例中，弹簧构件74联接到阻挡构件66上，并且被构造成将阻挡构件66朝向第一位置偏斜。弹簧构件74可以固定到任何合适的附接点，例如热交换器芯部组件50的刚性部分。
在图示的实施例中，被动致动器68和感温元件72都由可热激活的形状记忆元件限定，该形状记忆元件的第一端设置在下游端罐54中，形成感温元件72，该形状记忆元件的第二端连接到阻挡构件66，形成致动器68。合适的热活性形状记忆材料包括但不限于形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等，以及包含前述形状记忆材料中的至少一种的复合组合物。当受到适当的热刺激时，这些形状记忆材料通常具有恢复到一些先前定义的形状或大小的能力。具体地，在形状记忆合金假塑性变形后，通过将这些形状记忆合金加热到特征温度以上，可以使它们恢复到原来的形状。
响应于感温元件72处的温度升高，致动器68的形状记忆材料返回到先前限定的形状，并且将阻挡构件66移动到第一位置。当温度随后降低时，致动器68的形状记忆材料松弛，并且阻挡构件66通过弹簧构件74返回到第二位置。阻挡构件66由此被被动控制，以在适当时限制流体流过冷却通道62，从而减少冷却管60中进气过冷的机会。
现在参考图4，示出了第一可选实施例。在该实施例中，CAC系统16′包括热交换器芯部组件50′，热交换器芯部组件50′具有可操作地附接到其上的上游端罐52′。上游端罐52′与下游端罐54′上游流体连通，下游端罐54′可操作地附接到热交换器芯部组件50′的相对端。多个冷却管60′将上游端罐52′流体联接到下游端罐54′。热交换器芯部组件50′设置有被动致动器68′，该被动致动器68′类似于上面参照图1至图3所讨论的致动器68。致动器68′设有设置在冷却管60′中的一个中的感温元件72′。致动器68′因此可以响应于冷却管60′中的温度变化，被动地控制如上所述的阻挡构件。
现在参考图5，示出了第二可选实施例。在该实施例中，CAC系统16″包括热交换器芯部组件50″，热交换器芯部组件50″具有可操作地附接到其上的上游端罐52″。上游端罐52″与下游端罐54″上游流体连通，下游端罐54″可操作地附接到热交换器芯部组件50″的相对端。多个冷却管60″将上游端罐52″流体联接到下游端罐54″。热交换器芯部组件50″设置有被动致动器68″，该被动致动器68″类似于上面参照图1至图3所讨论的致动器68。致动器68″在热交换器芯部组件50″外部设有感温元件72″。致动器68″因此可以响应于热交换器芯部组件50″外部的流体的温度变化，被动地控制如上所述的阻挡构件，例如环境空气。
现在参考图6，示出了进一步的可选实施例。在该实施例中，阻挡构件66′包括具有多个回转体76的回转体组件，回转体76能够在多个位置之间移动。在该实施例中，被动致动器68″′可操作地联接到回转体组件，并且被构造成响应于温度变化在多个位置之间移动回转体76。被动致动器68″′被构造成响应于温度的降低而将回转体76移动到关闭位置，并且响应于温度的升高而将回转体76移动到打开位置。被动致动器68″′可以以相对于任何前述实施例所讨论的大致相似的方式被构造。
在其他实施例中，可移动阻挡元件也可以采用其他形式的格栅组件，或者连接到致动端的其他几何形状，这些格栅组件的位置可以由被动致动器来控制，以使得冷却空气能够进入热交换器或者阻挡冷却空气进入热交换器。
当然，进一步的变型也是可能的。例如，其他类型的被动致动器，例如石蜡致动器，可以代替形状记忆材料来实现。此外，除了增压空气冷却器之外，根据本公开的实施例可以用于控制汽车和非汽车环境中的其他类型的热交换器的热交换。
可以看出，本公开提供了一种系统，用于被动控制通过热交换器的流体流动，以防止过冷，从而降低热交换器中结冰的风险。
虽然上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并非描述了权利要求所包含的所有可能的形式。在说明书中使用的语言是说明性语言而不是限制性的，应当理解在不脱离本发明的实质和范围的情况下可以进行不同的变化。如前所述，各种实施例的特征可以进行组合以形成可能没有被明确描述或示出的本公开的其他示例性方面。虽然各种实施例可以被描述为关于一个或多个期望的特征提供优势或优于其他实施例或现有技术具体实施，但是本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，这取决于具体的应用和具体实施。这些属性可以包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于组装等。因此，关于一个或多个特征被描述为不如其他实施例或现有技术具体实施的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。

Claims (9)

1.一种组件，包括：
热交换器，其包括入口部分、出口部分和至少一个将所述入口部分流体联接到所述出口部分的流体通道；
可移动阻挡元件，其具有相对于所述热交换器的第一位置和相对于所述热交换器的第二位置，其中，在第二位置，所述阻挡元件相对于所述第一位置减少所述至少一个流体通道的横截面积；以及
被动致动器，其联接到所述阻挡元件，并且被构造成响应于满足热条件，选择性地将所述阻挡元件从所述第一位置移动到所述第二位置。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述被动致动器包括具有致动端和热传感端的形状记忆材料。
3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述热交换器还包括上游流体罐、下游流体罐和至少一个将所述上游流体罐流体联接到所述下游流体罐的流体管，所述流体管大致垂直于所述流体通道延伸并且被构造成与所述流体通道交换热量，并且其中，所述被动致动器设有设置在所述下游流体罐中的热传感器。
4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述热交换器还包括上游流体罐、下游流体罐和至少一个将所述上游流体罐流体联接到所述下游流体罐的流体管，所述流体管大致垂直于所述流体通道延伸并且被构造成与所述流体通道交换热量，并且其中，所述被动致动器设有设置在所述至少一个流体管的流体管中的热传感器。
5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述被动致动器设有设置在所述热交换器外部的热传感器。
6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述可移动阻挡元件包括能够滑动地联接到所述热交换器的格栅，所述格栅设有至少一个贯穿其中的狭槽，其中，在所述第一位置，所述至少一个狭槽与所述至少一个流体通道大致对准，并且在所述第二位置，所述至少一个狭槽不与所述至少一个流体通道大致对准。
7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述入口部分限定入口平面，并且其中，所述格栅被构造成在大致平行于所述入口平面的所述第一位置和所述第二位置之间滑动。
8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述可移动阻挡元件包括设置有多个可移动回转体的回转体组件，所述回转体在所述第一位置打开，在所述第二位置关闭。
9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述热交换器是用于内燃发动机的涡轮增压器的增压空气冷却器。
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