CN201943801U - 车辆发动机的系统和其中增压空气冷却器的凝结捕集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于车辆中发动机的系统的增压空气冷却器的凝结捕集器。凝结捕集器包括储液槽，其通过开口与所述增压空气冷却器的出口管道中的弯曲的外表面相连，其中所述开口被设置成使得来自于所述出口管道内气流中的凝结液流经所述开口并进入所述储液槽内；和导管，其通过所述开口且被设置成具有在所述储液槽中的第一端和在所述气流中的第二端。本实用新型还公开了一种用于车辆中发动机的系统，其包括涡轮增压器、排气再循环系统、增压空气冷却器、增压空气冷却器的出口管道内的弯曲、以及凝结捕集器。本实用新型中可以减少到达燃烧室的凝结液总量以及解决了排放储液的问题。

Description

车辆发动机的系统和其中增压空气冷却器的凝结捕集器

技术领域

本实用新型一般涉及车辆发动机的系统和用于其中的增压空气冷却器的凝结捕集器。

背景技术

涡轮增压和机械增压发动机可被配置成压缩进入发动机的环境空气，以提高功率。由于对空气的压缩导致了空气温度的升高，所以可利用增压空气冷却器或进气空气冷却器(charge air cooler)来冷却被加热的空气，从而增加空气的密度并进一步提高发动机的潜在功率。但是，如果环境空气湿度较大，则在比被压缩空气的露点温度低的任意增压空气冷却器内表面上会形成凝结(例如，水滴)。在诸如车辆猛烈加速的情况下，这些水滴会从增压空气冷却器中被吹出，并进入发动机的燃烧室内，从而导致发动机熄火、发动机转速和扭矩的损失以及燃料的不完全燃烧等问题。

在美国专利申请公开2008/0190079中公开了一种用于减少进入燃烧室内的凝结总量的方法。在所引用的参考中，用于收集凝结的液体捕集器被置于与空气冷却器下游的空气进气通道液体连通。液体捕集器可与带有液位传感器的收集罐相连，所述收集罐储存所收集到的凝结。所述传感器可以指示何时水位为高且收集罐需要清空。这一系统需要放水阀，所述放水阀最终会卡在闭合位置或者卡在打开位置，从而导致发动机增压损失和随之而来的发动机功率损失。这一系统还需要将水放至车辆外部环境中的收集罐。但是，凝结可能会含有受法规限制的排放物，并且，将收集罐的内容物排放至车辆周围可能是不现实的选择。

实用新型内容

本实用新型能解决上述问题。因此，一种用于与发动机相连的增压空气冷却器的方法被加以公开。所述方法包括在与冷却器出口管道内弯曲处的外表面相连的凝结捕集器中收集从冷却器中排出的凝结液；在第一情况下，临时地在凝结捕集器的储液槽中储存凝结液；和，在第一情况和第二情况下，通过导管将凝结液沿气流方向释放到出口管道中。

根据一个方面，公开一种用于车辆中发动机的系统的增压空气冷却器的凝结捕集器，其特征在于包括储液槽，其通过开口与所述增压空气冷却器的出口管道中的弯曲的外表面相连，其中所述开口被设置成使得来自于所述出口管道内气流中的凝结液流经所述开口并进入所述储液槽内；和导管，其通过所述开口且被设置成具有在所述储液槽中的第一端和在所述气流中的第二端。

根据另一个方面，公开用于车辆中发动机的系统，其特征在于所述系统包括涡轮增压器；排气再循环系统；增压空气冷却器，其位于所述发动机的进气歧管之前并在所述涡轮增压器的下游；所述增压空气冷却器的出口管道内的弯曲；和凝结捕集器，其与所述增压空气冷却器的所述出口管道中的所述弯曲的外表面相连，所述凝结捕集器包括：储液槽，其通过在所述弯曲的外表面内开口与来自于所述增压空气冷却器的气流相连通，所述开口被设置成使得来自于所述气流中的凝结液流经所述开口并进入所述储液槽内；和通过所述开口的导管，所述导管具有在所述储液槽中的第一端，和在所述出口管道的气流中的第二端。

在一个示例中，凝结液以不会对发动机运转不利的速率缓慢地被释放。例如，在短暂的发动机高负载状态，比如剧烈加速时，凝结液可暂时地被储存且以低于阈值释放速率的释放速率沿气流方向被释放到出口管道。用这种方式，可以减少到达燃烧室的凝结液总量。此外，由于凝结液被缓慢地释放回出口管道，并在之后被输送到发动机，所以解决了排放储液的问题。

应理解通过上述简要说明以便用简化的形式介绍一组概念，这组概念会在具体实施方式中被进一步描述。这不意味着确定被权利要求所限定的主题的关键或者基本特征，所述主题的范围唯一地在随着细节说明所附的权利要求中被限定。此外，权利要求的主题不限于解决上述或者本公开任一部分中所述缺点的具体实施方式。

附图说明

图1示出了包括增压空气冷却器和凝结捕集器的发动机的示意图。

图2示出了介绍图1中绘出的凝结捕集器的示意图。

图3示出了沿图2中线A-A截取的凝结捕集器的截面示图。

图4示出了介绍用于凝结捕集器的方法的流程图。

具体实施方式

以下说明涉及带有增压空气冷却器的凝结捕集器的实施例，其中所述增压空气冷却器在涡轮增压发动机中，用于降低凝结进入发动机燃烧室的速率。凝结捕集器可以与出口管道内的弯曲处相连，并且在出口管道中的气流经由出口管道的弯曲处的外表面内的开口与凝结捕集器相连通。出口管道内的弯曲处可促进气流中的水滴(例如，凝结液)进入凝结捕集器。此外，凝结捕集器可包括用于收集凝结液的储液槽和用于将凝结液释放回出口管道的导管。根据发动机工况，某些运转情况下被收集的凝结液可比其它情况下更多地被暂时储存于储液槽中。例如，在瞬态发动机高负载状态下，此时更大量的凝结液从增压空气冷却器中被排出，收集的凝结液可暂时地被储存并且之后在不会对发动机运转造成不利的晚些时候被释放。用这种方式，为发动机提供了更稳定的凝结液流动，因此降低了对发动机燃烧过程的潜在损害。换句话说，当生成更大量的凝结液时，可以临时增加被储存的凝结液的量。当生成较少凝结液的其它情况下，可以经由导管逐渐减少被储存量。

图1-3示出了凝结捕集器的示例性实施例。图1中的示意图示出了涡轮增压内燃发动机，其带有与增压空气冷却器的出口管道相连的凝结捕集器。图2示出了介绍与增压空气冷却器的出口管道内的弯曲处相连的凝结捕集器的示例性示意图。图3中的示意图示出了图2中的凝结捕集器沿截面剖开视图。最后，在图4中介绍了凝结捕集器操作方法。

首先，图1是示出了发动机10的示意图，发动机10可被包括于机动车的推进系统中。所示发动机10有四个气缸30。不过，根据本公开内容，也可采用其它数量的气缸。发动机10可至少部分地被包括控制器12的控制系统并且经由输入设备130被来自于车辆驾驶员132的输入所控制。在本示例中，输入设备130包括加速踏板和踏板位置传感器134，该踏板位置传感器134用于产生成比例的踏板位置信号PP。发动机10的每个燃烧室(例如，气缸)30均可包括燃烧室壁且活塞(未显示)位于该燃烧室壁内。活塞可与曲轴40相连，以使得活塞的往复运动被转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可经由中间变速系统(未显示)与车辆的至少一个驱动轮相连。此外，起动马达可经由飞轮与曲轴40相连，以使发动机10能够进行起动操作。

燃烧室30可经由进气通路42从进气歧管44接收进气，并经由排气通路48排出燃烧气体。进气歧管44和排气歧管48可选择性地经由各自的进气门和排气门(未显示)与燃烧室30相连通。在有些实施例中，燃烧室30可包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。

燃料喷射器50被示出与燃烧室30直接相连，以便向其内以与接收自控制器12的FPW信号的脉宽成比地直接喷射燃料。用这种方式，燃料喷射器50提供了所谓的向燃烧室30内的直接喷射燃料。燃料喷射器可被装在例如燃烧室的侧面或者燃烧室的顶部。燃料可被包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨的燃料系统(未显示)输送至燃料喷射器50。在有些实施例中，燃烧室30可替代地或者附加地包括被安排在进气通路42内的燃料喷射器，它们被配置成提供在各燃烧室30的上游处向进气端口内所谓的燃料进气道喷射。

进气通路42可包括分别带有节流板22和节流板24的节气门21和节气门23。在这一具体示例中，节流板22和节流板24的位置可被控制器12通过被提供给包含有节气门21和节气门23的电气马达或者驱动器的信号加以改变，这种配置通常被称为电子节气门控制(ETC)。用这种方式，节气门21和节气门23可被操作以改变被提供给除其它发动机气缸之外的燃烧室30的进气。节流板22和节流板24的位置可被节气门位置信号TP提供给控制器12。进气通路42可进一步包括质量空气流量传感器120和歧管气压传感器122以便向控制器12提供相应的MAF信号和MAP信号。

图1所示控制器12为微型计算机，其包括微处理器单元102、输入/输出端口104、存储可执行程序和校验值的电子存储介质(在这一具体示例中其显示为只读存储芯片106)、随机存取存储器108、保活存储器110和数据总线。控制器12可从连接于发动机10的传感器中接收各种信号，除前面讨论过的这些信号之外，还包括来自于质量空气流量传感器120的进气质量空气流量(MAF)的测量值；来自于温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT)，其示意性地显示于发动机10中一个位置处；来自于与曲轴40相连的霍尔效应传感器118(或者其它类型传感器)的表面点火感测信号(PIP)；如同所讨论的，来自于节气门位置传感器的节气门位置(TP)；和如同所讨论的，来自于传感器122的绝对歧管压力信号MAP。控制器12可由信号PIP生成发动机转速信号RPM。来自于歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可被用于提供对进气歧管44内的真空度或者压力的指示。应注意上述传感器的不同组合可被采用，例如不带有MAP传感器的MAF传感器，或者相反。在理论空燃比运行中，MAP传感器能给出对发动机扭矩的指示。此外，这个传感器与检测到的发动机转速一起能够提供对进入气缸内的充气(包括空气)的估计。在一个示例中，传感器118(其也被用于发动机转速传感器)在曲轴40的每一转期间可产生预定数目的等间距脉冲。在一些示例中，存储介质只读存储器106可用计算机编程写入可读数据，所述数据代表了可被处理器102所执行的用于进行下面所述的方法的指令，以及进行其它可被预期但未具体列出的变量。

此外，在所公开的实施例中，排气再循环(EGR)系统经由EGR通路140从排气通路48引导排气的所需部分至进气通路42。被提供给进气通路42的EGR量可被控制器12通过EGR阀门142改变。此外，EGR传感器(未显示)可被设置在EGR通路中并提供对压力、温度和排气浓度中的一者或者更多者的指示。可替代地，可通过基于来自于MAF传感器(上游)、MAP(进气歧管)、MAT(歧管气体温度)和曲轴转速传感器的信号的计算值来控制EGR。此外，可基于排气O₂传感器和/或氧气进气传感器(进气歧管)来控制EGR。在某些情况下，EGR系统可被用于调整燃烧室内的空气和燃料混合物的温度。图1示出了高压EGR系统，其中EGR从涡轮增压器的涡轮机上游被导引至涡轮增压器的压缩机下游。在其它实施例中，发动机可以额外地或者可替代地包括低压EGR系统，其中EGR从涡轮增压器的涡轮机下游被导引至涡轮增压器的压缩机上游。

发动机10可进一步包括压缩设备，例如至少包含沿进气歧管44设置的压缩机60的涡轮增压器或者机械增压器。对于涡轮增压器，压缩机60可至少部分地通过例如轴或者其它连接配置被涡轮机62所驱动。涡轮机62可沿排气通路48设置。各种设置可被提供以驱动压缩机。对于机械增压器，压缩机60可至少部分地被发动机和/或者电气机械所驱动，并且可以不包括涡轮机。因此，通过涡轮增压器或者机械增压器提供给发动机的一个或更多个气缸的压缩总量可被控制器12改变。在一些例子中，涡轮机62可驱动例如发电机64，以便通过涡轮驱动器68向电池66提供动力。之后，来自于电池66的动力被用于通过马达70驱动压缩机60。

此外，排气通路48可包括将排气从涡轮机62中转移出来的废气门26。附加地，进气通路42可包括被配置成将进气转移到压缩机60周边的废气门27。例如当期望较低的增压时，废气门26和/或废气门27可被控制器12控制而打开。

进气通路42可进一步包括增压空气冷却器(CAC)80(例如，中间冷却器)以降低被涡轮增压的或者被机械增压的进气的温度。在有些实施例中，增压空气冷却器80可以是空气热交换器。在其它实施例中，增压空气冷却器80可以是气液热交换器。

在图1示例中，凝结捕集器90被示出与在增压空气冷却器80下游(例如，增压空气冷却器80的出口管道处)的进气通路42相连。在有些实施例中，例如在所绘出的实施例中，进气通路42可包括弯曲处82，其与凝结捕集器90相连。凝结捕集器90将在下面被详细地介绍。

现转向图2，示意性介绍了凝结捕集器实施例。特别的，图1中凝结捕集器90被示于此。在环境湿度高并且形成凝结的情况下，凝结捕集器将被用来收集从增压空气冷却器中排出的水滴。例如，当增压空气冷却器散热管的温度低于进入冷却器内的环境空气的露点时，上述情况就会在所述散热管中发生。

离开增压空气冷却器80的气流方向在图2中被箭头91所示。如图2所绘，来自于冷却器80的气流可能包含水滴93。水滴的数量和尺寸(例如，凝结量)可以取决于各种发动机工况，诸如发动机负载。例如，在发动机低负载稳态状态下，在增压空气冷却器散热管中形成的凝结可能聚集在散热管的壁和/或内部翼片上。一旦壁和/或内部翼片达到饱和，则额外的凝结将被从冷却器中排出。这种凝结(例如，相对小量的凝结)可被发动机所蒸发，而不会导致发动机稳定性的下降。

在另一示例中，在瞬态高负载状态下，此时发动机的气流速率突然增加，则在增压空气冷却器散热管的壁和/或内部翼片上形成的凝结可能被吹走。以这种方式，水滴(例如，相对大量的凝结)可以进入燃烧室并导致发动机熄火、发动机运行不畅、扭矩损失等等。

继续图2，如所示，来自于增压空气冷却器80的空气和水滴流向出口管道43内的弯曲82。空气会在弯曲82处转向并继续流向发动机的燃烧室。但是，由于其较大的质量，由于在弯曲82处转向时产生的离心力，水滴将被出口管道43的内壁的外侧半径所压迫。这样，出口管道43可被配置成带有开口85，水滴可以通过该开口流过。

图3示出了沿图2中线A-A被剖开的弯曲82的截面，其包括开口85。如图3中绘出的示例，开口85可具有矩形形状，且该矩形有着在96处所示的长度和在97处所示的宽度。开口的长度和宽度可基于例如弯曲半径、转弯的角度(例如，在图2中为90度)、空气离开增压空气冷却器的最大和/或最小速度、出口管道的直径(在图3中143处所示)等等因素而设定。此外，在其它实施例中，开口可以有不同于矩形的其它形状。例如，开口可有椭圆形状或者其它适合的形状，它们有着足够大的面积以让水滴通过。

现转回图2，凝结捕集器90包括与弯曲82相连的储液槽84。储液槽84可由附连于弯曲82处的出口管道43的外表面的圆柱形构成。此外，储液槽84被定位成使流过开口85的水滴93可以被收集，并且在某些状态下能够被暂时储存。例如，储液槽84及被收集的凝结液95的水位被示出。储液槽84的底部在图2的184处被指示。这里，应理解储液槽的底部包括了从重力角度讲的储液槽最低点。此外，由于气流流经出口管道43并流过开口85，在储液槽84中可产生高压。

凝结捕集器90进一步包括通过开口85的导管86。如图2所示，导管86被设置成具有在储液槽84中的第一端和在出口管道43的气流中的第二端。所述第一端可延伸以接近储液槽的底部。如此，低水位的(例如，少量的)凝结液可被从储液槽中移除。所述第二端在出口管道43中沿气流92的方向延伸一段距离。以这种方式，可以通过流经导管86的第二端的高速气流，在导管86的第二端处产生低压。

如图2所示，导管86可由三个部分组成。如此，导管86的第一端被可被置于靠近储液槽84底部，而导管86的第二端可以延伸通过开口85并进入出口管道43内。此外，在这种配置中，导管86在出口管道43中的部分可以接近出口管道43的内表面，从而减少了出口管道的潜在堵塞并使得凝结液可以从储液槽84中沿着出口管道43中的气流方向被释放。

在储液槽84内和在(例如，储液槽内的)导管86的第一端处的高压以及在(例如，管道内的)导管86的第二端处的低压在导管86内产生了压力差，并且导致在储液槽中的凝结液流向导管86的第二端并进入出口管道43。从导管86中释放的凝结液沿着出口管道中的气流方向流动并进入发动机燃烧室。当凝结液的释放速率被控制成低于阈值释放速率时，水滴可被发动机所蒸发且不影响发动机运行。

凝结液的释放速率可至少部分地被导管86的内直径控制。例如，导管的内直径越大，则对于储液槽中给定体积的凝结液，凝结液的释放速率就越大。图3所示的截面图介绍了在186处的导管86的内直径，并且在286处指示了导管86的外直径。为使得水滴进入储液槽84，外直径286可小于开口85的宽度97。

此外，回到图2，相对于凝结液的水位来说，在较低的储液槽84水位时储液槽84水位的截面面积可小于在较高的储液槽水位时的截面面积。以这种方式，对于给定的被引入储液槽84的水滴流动速率而言，在较小体积的凝结液时，液体的高度可以较快地上升，而在体积较大时，液体的高度可以上升相对较慢。液体较快地上升可以使凝结液流较早的开始重新被引入出口管道，并减少将液体从导管86的第一端抽取至导管86的第二端并进入气流所需的压力。这种方式还使得储液槽84的容量可以较高且不减小起始流动性能。

如上所述，与增压空气冷却器的出口管道(例如，进气歧管)相连的凝结捕集器可被配置成以低于阈值释放速率的速率将被收集的凝结液释放到出口管道。以这种方式，凝结液的流动速率可被控制，因此减小了由于进入发动机的大量水滴所导致的发动机稳定性问题。此外，将在下面介绍凝结捕集器操作方法。

最后，用于凝结捕集器，例如如上所述的凝结捕集器90的方法400，被示于图4。具体地讲，方法400介绍了基于如车辆速度、发动机转速和到发动机的气流等发动机工况的凝结捕集器操作。

在方法400中的步骤410，从增压空气冷却器被排出的凝结液被收集。如上所述，被出口管道的内壁的外侧半径所压迫的水滴会通过位于弯曲处的开口，并汇集于储液槽内。

在图4中方法400中的步骤412，在第一状态下，被收集于储液槽的凝结液被暂时地储存。所述第一状态可包括，例如瞬时发动机高负载运行。例如，如上所述，在瞬态发动机高负载运行期间，较大量的凝结液会被排入出口管道内。如此，凝结液可被暂时地储存以降低水到达燃烧室的速率。

在方法400中的步骤414，在第一和第二状态下凝结液沿气流方向被释放至出口管道。在发动机高负载运行的第一状态下，凝结液可被暂时地储存并以离开凝结捕集器的水量不影响发动机运行(例如，不会导致发动机熄火、发动机不稳定等等)的速率被释放。例如，水的释放速率可以低于预定的阈值释放速率。

所述第二状态可包括，例如发动机低负载稳态运行状态。在发动机低负载运行时，较少量的水可进入凝结捕集器，并因为这样，进入储液槽的水可被持续地释放至出口管道，同时保持低于阈值释放速率。

这样，来自于增压空气冷却器的凝结液可被收集于与冷却器的出口管道相连的凝结捕集器中，并且基于发动机运行状态，被收集的凝结液从储液槽到出口管道的引入过程可被控制。以这种方式，发动机稳定性得以保持，并且凝结液可以以使得车辆周边环境不受损害的方式被从储液槽中排出。此外，不可能存在来自于泄放阀门的增压泄漏，而这种泄漏会最终导致卡死在部分打开状态。

要注意此处包括的示例性控制和估计例程可被用于各种发动机和/或系统构造。此处所述具体例程可体现任意数量的过程策略中的一个或更多个，其中所述策略例如事件驱动、中断驱动、多任务、多进程和类似的策略。如此，所介绍的各种行为、操作或者功能可用所介绍的顺序加以执行、同时加以执行或者在某些例子中可被省略。同理，为达到此处描述的实施例示例中的特征和优点，处理的顺序不一定如这里所要求的那样，不过该顺序被提供以便于理解和描述。根据所用的特定策略，一个或者更多个所介绍的行为或者功能可被重复执行。此外，所介绍的行为可形象地表达为代码，该代码被编入发动机控制系统的计算机可读存储介质中。

应注意到，此处所公开的构造和例程在本质上是示例性的，并且这些具体的实施例不应被认为有限制意义，因为大量的变化是可能的。例如，上述技术可被用于V形6缸、直列4缸、直列6缸、V形12缸，对置4缸或者其它类型的发动机。本公开的主题包括各种系统和构造的，以及此处公开的其它特征、功能和/或性质的，所有新颖和非显而易见的组合和子组合。

所附权利要求特别地指出了有关新颖性和非显而易见性的特定组合和子组合。这些权利要求可涉及“一个”元件或者“一个第一”元件，或其等价物。应理解这些权利要求包括一个或更多个元件的结合，无论其是否要求或是排除两个或者更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或者性质的组合和子组合可被通过对本权利要求的修改或者通过对本申请或相关申请中的新权利要求的表达而加以要求。

这样的权利要求，无论是在范围上宽于、窄于、等同或者不同于原始权利要求，都被视为被包含在本公开内容的主题内。

Claims (8)

1.用于车辆中发动机的系统的增压空气冷却器的凝结捕集器，其特征在于包括：

储液槽，其通过开口与所述增压空气冷却器的出口管道中的弯曲的外表面相连，其中所述开口被设置成使得来自于所述出口管道内气流中的凝结液流经所述开口并进入所述储液槽内；和

导管，其通过所述开口且被设置成具有在所述储液槽中的第一端和在所述气流中的第二端。

2.根据权利要求1所述的凝结捕集器，其特征在于相对于凝结液的水位来说，在所述储液槽的相对较低水位处的所述储液槽的第一截面面积可小于在所述储液槽的相对较高水位处的所述储液槽的第二截面面积。

3.根据权利要求1所述的凝结捕集器，其特征在于所述开口是矩形的，并且所述开口的宽度大于所述导管的外直径，以使得凝结液通过所述开口并进入所述储液槽内。

4.根据权利要求1所述的凝结捕集器，其特征在于所述导管的内直径的大小设置为使得以低于阈值释放速率的速率释放所述凝结液。

5.根据权利要求1所述的凝结捕集器，其特征在于所述导管的所述第一端延伸接近所述储液槽的底部。

6.用于车辆中发动机的系统，其特征在于所述系统包括：

涡轮增压器；

排气再循环系统；

增压空气冷却器，其位于所述发动机的进气歧管之前并在所述涡轮增压器的下游；

所述增压空气冷却器的出口管道内的弯曲；和 

凝结捕集器，其与所述增压空气冷却器的所述出口管道中的所述弯曲的外表面相连，所述凝结捕集器包括：

储液槽，其通过在所述弯曲的外表面内开口与来自于所述增压空气冷却器的气流相连通，所述开口被设置成使得来自于所述气流中的凝结液流经所述开口并进入所述储液槽内；和

通过所述开口的导管，所述导管具有在所述储液槽中的第一端，和在所述出口管道的气流中的第二端。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于进一步包括，所述开口的宽度大于所述导管的外直径，所述导管的所述第一端延伸接近所述储液槽的底部，所述导管的所述第二端在所述出口管道中沿所述气流的方向延伸一段距离。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述导管的内直径的大小设置为使得以低于阈值释放速率的速率释放所述凝结液。 

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