CN100547234C - 增压空气冷却器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增压空气冷却器，借此，增压空气冷却器包括至少一个具有用于在入口孔(20a)和出口孔(20b)之间引导压缩空气的内部流管(16)的管状元件(5)。温度低于压缩空气的介质被引起流动接触管状元件(5)的外表面(14)，以至于压缩空气被引导通过流管(16)时，管状元件(5)中的压缩空气受到冷却。增压空气冷却器包括接近于流管(16)的入口孔(20a)或者出口孔(20b)安置的可移动控制元件(1Ia，b)，借此，控制元件(1Ia，b)包括当可移动控制元件(1Ia，b)被放置在不同位置时，适于提供通过流管(16)的可变量压缩空气的控制装置(21)。

Description

增压空气冷却器
技术领域
本发明涉及一种增压空气冷却器(charge air cooler)，该增压空气冷却器包括至少一个具有用于在入口孔和出口孔之间引导压缩空气的内部流管的管状元件，以及借此，使比压缩空气温度低的介质流动接触管状元件的外表面，使管状元件中的压缩空气通过流管时被冷却，以及接近于入口孔或者出口孔安置的可移动控制元件。
背景技术
可以提供给车辆增压式内燃机的空气量取决于空气的压力，还取决于空气的温度。给增压式内燃机提供最大可能量的空气需要压缩空气被引到内燃机之前，在增压空气冷却器中冷却压缩空气。增压空气冷却器通常位于车辆传统散热片的前面。增压空气冷却器通常包括两个容器和多个平行安装、且使容器彼此连接的管状元件。平行的管状元件彼此间隔一定距离安装，以至于环境冷空气能够在管状元件间流动，且冷却管状元件中的压缩空气。依靠增压空气冷却器的效率，压缩空气能够被冷却到大约相当于周围空气温度的温度。
车辆中增压空气冷却器通常被加工成所需尺寸，以便具有比较好的效率。在某些情况下，当存在寒冷的环境温度和/或很高的空气湿度时，增压空气冷却器中的压缩空气被冷却到空气露点温度以下的温度。压缩空气中的水蒸气冷凝，从而液态水在压缩空气冷却器中凝结。当周围空气温度很低时，还存在着液态水可能在增压空气冷却器内部冷冻结冰的危险。假如冷却器被冰阻塞，导致缺少空气提供给内燃机，这可能引起运行故障。当车辆从低温启动时，首先减少被引到增压式内燃机的压缩空气的冷却，以使得内燃机最初能产生更快预热车辆催化器(catalyst)的较热废气，这也是有利的。
GB1255956涉及一种在压缩空气被引到内燃机之前，冷却压缩空气的增压空气冷却器。增压空气冷却器包括具有可调阀的旁通管路，以至于至少预期部分的压缩空气能够被引导经过增压空气冷却器，而不被冷却。没有冷却部分的压缩空气和冷却部分的压缩空气此后在被引到内燃机之前被混合。冷却适当部分的压缩空气可以使被引到内燃机的空气温度被控制到预定值。
发明内容
本发明的目的是提供一种增压空气冷却器，其可以按照简单和可靠的方法控制通过增压空气冷却器的压缩空气流量，使内燃机通常基本上可以被提供最佳温度的压缩空气。
该目的是由本发明的增压空气冷却器实现。本发明提供一种增压空气冷却器，该增压空气冷却器包括至少一个具有用于在入口孔和出口孔之间引导压缩空气的内部流管的管状元件，以及借此，使比压缩空气温度低的介质流动接触管状元件的外表面，使管状元件中的压缩空气通过流管时被冷却，以及接近于入口孔或者出口孔安置的可移动控制元件，其特征在于，增压空气冷却器包括控制装置，当可移动控制元件被放置在不同位置时，控制装置适于提供通过流管的可变流量的压缩空气，借此，控制元件包括主体，所述主体具有形式为至少一个贯穿主体本身的孔的控制装置，孔适于在接近于管状元件的入口孔或者出口孔的位置，以至于孔和入口孔或者出口孔一起形成压缩空气的通道，该通道具有与控制元件位置相关的流量限制横截面面积。
使用至少一个可以设置在不同位置的上述控制元件可以有效和精确地控制通过管状元件的压缩空气流量。压缩空气的流量与通过增压空气冷却器的空气流动速度是成比例的。通过增压空气冷却器的流量越小，通过增压空气冷却器的压缩空气流动速度越慢。当通过增压空气冷却器的流动速度很慢时，压缩空气受到有效的冷却。因而，调整通过管状元件的压缩空气流量可以改变增压空气冷却器的效率，使得压缩空气可以被冷却到大约接近于冷却介质温度的温度。在增压空气冷却器中冷却后的压缩空气温度在很大程度上仍然由冷却介质温度确定。冷却介质如果是周围空气的形式，则其本身温度会显著地变化。因而，根据本发明的控制元件可以被用来精确控制通过增压空气冷却器的管状元件的压缩空气流量。因此还可以使被引到内燃机的压缩空气具有基本上最佳的温度，而与周围空气温度和内燃机的运行状态无关。
根据本发明的实施例，控制元件可以被无级地(steplessly)设置在将最大流量的压缩空气引到流管的第一极限位置和将最小流量的压缩空气引到流管的第二极限位置之间的不同位置。因而可以通过沿着包括所述极限位置的路线移动控制元件到合适的位置来很精确地调整压缩空气的流量。因而可以使由增压空气冷却器引到内燃机的压缩空气具有很好精度的预期温度。
根据本发明的另一个优选实施例，控制元件包括主体，主体具有形式为至少一个贯穿主体本身的孔的控制装置，孔适于在上述接近于管状元件的入口孔或者出口孔的位置，使孔和入口孔或者出口孔一起形成压缩空气的通道，该通道具有与控制元件位置相关的流量限制横截面面积。有利地，孔在尺寸和形状上与入口孔或者出口孔相对应。当控制元件按照上述孔与上述入口孔彼此完全同轴连通的位置被放置时，结果是具有基本不变横截面面积的入口通道。当控制元件在该位置时，最大流量的压缩空气能够通过入口通道。假如控制元件被移动到垂直于通过入口通道主流动方向的平面里的新位置时，孔相对于入口孔径向移动。在控制元件的新位置，孔和入口孔不再彼此完全同轴连通。当控制元件在上述位置时，入口通道在孔与入口孔之间的过渡区域具有减小的横截面面积。减小的横截面面积限制通过入口通道的流量。孔在所述平面远离入口孔被移动地越远，孔与入口孔之间的过渡区域中流量限制横截面面积将越小。假如控制元件被移动到孔与入口孔之间不再连通的位置，通过入口通道的压缩空气流也将被中止。
根据本发明的优选实施例，增压空气冷却器包括压缩空气在管状元件中被冷却之前或者之后适于接收压缩空气的容器，借此，控制元件被安装在所述容器内部。大多数传统增压空气冷却器在管状元件一侧面设置有在压缩空气被冷却之前积聚热压缩空气的热容器，在管状元件的另一侧面设置有积聚冷压缩空气的冷容器。控制元件可以在上述容器中的一个内部的被保护位置，该被保护位置接近于管状元件的入口孔或者出口孔。控制元件是平台状且可沿直线方向双向移动，这是有利的。上述控制元件在增压空气冷却器中占有相当小量的空间。使控制元件沿着直线路线可双向移动比较容易，但是也可以安置具有一些其他类型运动的控制元件。增压空气冷却器可以包括适于移动控制元件到预期位置的致动器。因为入口，孔和入口孔通常具有相当小的尺寸，所以为了改变通过入口通道或者出口通道的压缩空气流量，控制元件仅仅需要由致动器移动相当短的距离。致动器可以是比例阀，例如，以螺线管的形式。还可以是另一种形式的电力动力致动器，液压动力致动器或者气动动力致动器。有利地，增压空气冷却器包括适于用上述方法控制致动器致动，以便移动控制元件到预期位置的控制单元。控制单元可以是具有控制控制元件的合适软件的计算机单元。为了可以控制控制元件的功能，控制单元可以接收适当的运行相关信息，例如，引到内燃机的压缩空气温度，周围空气温度或者其他相关信息。
根据本发明的优选实施例，增压空气冷却器包括多个平行安置的管状元件，每个管状元件适于在入口孔和出口孔之间引导压缩空气。传统的增压空气冷却器通常包括相当大数量彼此间距安装的平行管状元件，以至于周围空气的冷却空气流能够在管状元件之间流动，冷却管状元件内部流管中的压缩空气。控制元件可以包括设置有多个贯穿本身的孔的主体，每个孔适于被分布在接近管状元件入口孔或者出口孔的位置，以至于在所有的管状元件中形成至少一个具有流量限制的横截面面积的通道。因此通过每个管状元件的流量可以被基本一致地控制。
根据本发明，增压空气冷却器包括与管状元件平行延伸的旁通管路和可以被设置成允许可变流量的压缩空气被引导通过管状元件的阀装置。上述旁通管路可以在安装在管状元件相对侧面的容器之间直接引导变化部分的压缩空气，而不需要压缩空气被基本上冷却。
附图说明
以下通过根据附图的实例描述本发明的实施例，其中：
图1描述了根据本发明的增压空气冷却器，
图2描述了沿图1中平面A-A的截面，
图3描述了沿图1中平面B-B的截面，以及
图4描述了根据本发明的控制元件。
具体实施方式
图1描述了增压空气冷却器，该冷却器例如可以被安装在由增压式内燃机驱动的车辆的前部。增压式内燃机需要一定量的压缩空气。增压空气冷却器的作用是压缩空气被引入内燃机之前，冷却压缩空气。增压空气冷却器包括接收来自压缩机的热压缩空气的第一容器2的入口1。增压空气冷却器包括在第一容器2和第二容器4之间延伸、用于接收冷却压缩空气的冷却器组件3。冷却器组件3包括多个在第一容器2和第二容器4之间的共同平面里按照基本上直线方式延伸的管状元件5。
管状元件彼此间以基本上相同的距离平行地被安装，以至于相邻的管状元件5之间存在固定间隙。周围空气因此可以通过管状元件5之间的间隙流动。通过冷却器组件3的周围空气的流动可以由车辆的运动和/或由吸引空气通过冷却器组件3的散热器风扇引起。周围空气冷却被引导通过管状元件5的压缩空气。第二容器4因而接收来自各个管状元件5的冷却压缩空气，然后冷却的压缩空气通过出口7从第二容器4被导出。冷却的压缩空气随后通过适当管路被引到增压式内燃机的入口管。增压空气冷却器在下部处包括在第一容器2和第二容器4之间延伸的旁通管路8。当增压空气冷却器中存在过量冷却压缩空气的危险时，部分压缩空气可以通过旁通管路8代替通过管状元件5。旁通管路8包括被示意性描述的阀9，可变的空气流可以经由该阀9被引导通过旁通管路8。阀9由电控单元10控制。增压空气冷却器包括安装在第一容器2中的第一控制元件11a和安装在第二容器4中的第二控制元件11b，用于控制通过管状元件5的压缩空气流量。控制元件11a，11b中的每个借助于致动器12a，12b在容器2，4里面的不同位置之间是可移动的。致动器12a，12b可以是螺线管形式的比例阀。致动器12a，12b还可以是已知种类的电力致动器、液压致动器或者气压致动器。电控单元10还适于控制致动器12a，12b的致动，使它们移动各自的控制元件11a，11b到预期位置。控制单元10根据来自一个或者多个传感器13的信息控制阀9和致动器12a，12b。一个上述传感器13可以是探测压缩空气在增压空气冷却器中被冷却后的温度或者周围空气温度的温度传感器。控制单元10可以根据关于任何预期数量的相关参数的信息控制控制元件11a，11b和阀9，以至于具有基本上是最佳特性的压缩空气通常可以被引到增压式内燃机。
图2描述了通过冷却器组件3中多个管状元件5的截面。管状元件5具有基本上相同的结构。管状元件5由具有高热传导率的材料制成，例如，由铝制成。管状元件5具有外表面14，该外表面14限定了与周围空气相接触的表面。管状元件5具有限定用于管状元件5内部压缩空气的流管16的内表面15。流过各个管状元件5中流管16的压缩空气因而由周围空气冷却。周围空气朝向冷却器组件3的主流动方向18与在中心贯穿互相平行的管状元件5的平面19基本上垂直。为了在流动的周围空气和管状元件5之间提供大面积的热传递表面，管状元件5具有在周围空气主流动方向18的横截面上基本上拉长的外形。
第一容器包括壁部2a，壁部2a设置有用于引导压缩空气到各个管状元件5中流管16的入口孔20a。在该情况下，对于每个管状元件5，壁2a包括一排三个入口孔20a。因而在第一容器2内部安装的控制元件11a设置有许多贯穿其本身的孔21，孔21与壁部2a中入口孔20a的数量对应。孔21在形状和尺寸上与入口孔20a相对应。当控制元件11a被安装在容器2中时，每个孔21与入口孔20a一起形成压缩空气进入管状元件5的入口通道22a。
第二容器4按照对应的方式包括具有用于引导压缩空气排出各个管状元件5的出口孔20b的壁部。在第二容器4内安装的控制元件11b设置有许多贯穿其本身的孔21，孔21与出口孔20b的数量对应。孔21在形状和尺寸上与出口孔20b相对应。第二容器4中控制元件11b的作用与第一容器2中控制元件11a的作用对应。因而，贯穿控制元件11b的孔21与出口孔20b一起形成压缩空气离开管状元件5的出口通道22b。
图3描述了沿图1中平面B-B的截面图。第一容器2包括向内突出、且被安装在壁部2a相对两端的部分23。在向内突出的部分23和壁部2a之间存在凹口24，在凹口24中安装用于直线移动的控制元件11a。第二容器4可以具有容纳控制元件11b的相应结构。假如第一容器2中的入口孔20a和第二容器4中的出口孔20b在形状和尺寸上相对应，可将基本上相同结构的控制元件11a，11b安装在各自的容器2，4中。上述控制单元11a，11b在图4中被单独描述。控制元件11a，11b包括平台状、基本上是矩形的主体，该主体具有相当大数量贯穿其本身的孔21。孔21具有与第一容器2入口孔20a和第二容器4出口孔20b相互位置对应的相互位置。
在车辆运行期间，控制单元10接收尤其来自传感器13、关于压缩空气离开增压空气冷却器后其温度的信息。控制单元10尤其使用上述信息来开始控制元件11a，11b和阀9的位置控制，使适当流量的压缩空气被引导通过管状元件5和旁通管路8。上述控制可以使第二容器4中的压缩空气基本上被给定具有相当高精度的预期温度。因而基本上在内燃机的所有运行状态过程中，预期温度的压缩空气可以被引到内燃机。在正常的运行中，控制元件11a，11b基本上被同步控制，以至于入口通道22a和出口通道22b具有对应的流量限制的横截面面积。
在控制单元10确定最大流量的压缩空气将被引导通过管状元件5的情况下，控制元件11a，11b被放置在上端位置。在该上端位置，第一控制元件11a中的所有孔21与第一容器入口孔20a是完全同轴连通，且第二控制元件11b中的所有孔21与第二容器4出口孔20b是完全同轴连通。结果是孔21和入口孔20a之间的过渡区域具有与入口孔21和入口孔20a横截面面积对应的横截面面积。孔21和出口孔20b之间的对应过渡区域具有与入口孔21和入口孔20a横截面面积对应的横截面面积。当各个控制单元11a，11b在上端位置时，可以通过管状元件5中的流管16提供最大流量的压缩空气。
反之，假如控制单元10确定通过管状元件5的压缩空气流量需要减少，在凹口24中向下微小地移动控制元件11a，11b至适当的位置，借此，控制元件11a，11b的孔21被相对于入口孔20a和出口孔20b向下移动。因而，孔21和入口孔20a和出口孔20b各自将不再彼此完全同轴连通。在孔21、入口孔20a和出口孔20b之间的各个过渡区域中，通道22a，22b的横截面面积将被减少。可以通过所述通道22a，22b的流量与通道的最小横截面面积是成比例的。控制元件11a，11b的上述位置导致了在所述过渡区域中具有减少的流量限制横截面面积的通道22a，22b的形成。向下移动控制元件11a，11b越多，孔21分别离开入口孔20a和出口孔20b越多，在所述通道22a，22b中流量限制横截面面积将越小。控制元件11a，11b可以被向下被移动到下端位置，借此，孔21分别完全移动经过入口孔20a和出口孔20b，以至于不再通过所述通道22a，22b连通。因此，当控制元件在下端位置时，没有任何压缩空气流过管状元件5。控制元件11a，11b移动方向上的相邻孔21之间的距离25大于或者等于相应孔21在控制元件11a，11b移动方向的范围，从而确保可以完全切断通过通道22a，22b的气流。
在运行期间，当通过管状元件5的压缩空气流量不得不被增加时，控制单元10启动控制元件11a，11b向上移动，当通过管状元件5的压缩空气流量不得不被减少时，控制单元10启动控制元件11a，11b向下移动。控制单元10基本上同时启动阀9的位置控制，使预期的流量通过旁通管路8。控制单元10可以包括关于控制元件11a，11b和阀9在基本上内燃机所有运行范围的最优相互位置的存储信息。在某些环境下，控制单元10可以启动控制元件11a，11b单独运动到不同位置，使入口通道22a和出口通道22b具有不同流量限制的横截面面积。当增压空气冷却器内部存在冰信息危险时，控制单元可以对致动器12a，12b进行单独控制，从而单独控制通道22a，22b的流量限制的横截面面积，以在容器2和4之间建立临时的压力差。当上述压力差被消除时，产生通过管状元件5流管16的间歇性(intermittent)压缩空气流。上述间歇性空气流可以将流管16内部吹干净，以至于消除任何成冰过程。
本发明不以任何方式被限定在根据附图所描述的实施例中，而是可以在权利要求的范围内任意变化。在所描述的实施例中，控制元件11a，11b被安装在两个容器2，4中。在容器2，4的其中之一中设置控制元件11a对于以预期方式控制通过管状元件5的流量通常就足够。控制元件11a，11b基本上可以具有任何预期形状，具有任何预期形状或者尺寸的合适数量的孔21。容器2，4还可以分别具有基本上是任意预期数量、合适形状和尺寸的入口孔20a和出口孔20b。孔21和入口孔20a和出口孔20b分别在形状和尺寸上完全对应不是必须的。冷却介质不必是周围空气，还可以是冷却***的循环冷却剂。

Claims (9)

1.一种增压空气冷却器，该增压空气冷却器包括至少一个具有用于在入口孔(20a)和出口孔(20b)之间引导压缩空气的内部流管(16)的管状元件(5)，以及借此，使比压缩空气温度低的介质流动接触管状元件(5)的外表面(14)，使管状元件(5)中的压缩空气通过流管(16)时被冷却，以及接近于入口孔(20a)或者出口孔(20b)安置的可移动控制元件(11a，11b)，其特征在于，增压空气冷却器包括控制装置(21)，当可移动控制元件(11a，11b)被放置在不同位置时，控制装置(21)适于提供通过流管(16)的可变流量的压缩空气，借此，控制元件(11a，11b)包括主体，所述主体具有形式为至少一个贯穿主体本身的孔(21)的控制装置，孔(21)适于在接近于管状元件(5)的入口孔(20a)或者出口孔(20b)的位置，以至于孔(21)和入口孔(20a)或者出口孔(20b)一起形成压缩空气的通道(22a，b)，该通道(22a，22b)具有与控制元件(11a，11b)位置相关的流量限制横截面面积。
2.如权利要求1所述的增压空气冷却器，其特征在于，控制元件(11a，11b)能够被无级地设置在将最大流量的压缩空气引导通过流管(16)的第一极限位置和将最小流量的压缩空气引导通过流管的第二极限位置之间的不同位置。
3.如权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其特征在于，增压空气冷却器包括容器(2，4)，容器(2，4)适于在压缩空气在管状元件(5)中被冷却之前或者之后接收压缩空气，由此，控制元件(11a，11b)被安置在所述容器(2，4)内部。
4.如权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其特征在于，控制元件(11a，11b)是平台状，且安置成沿直线方向双向移动。
5.如权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其特征在于，增压空气冷却器包括适于移动控制元件(11a，11b)到预期位置的致动器(12a，12b)。
6.如权利要求5所述的增压空气冷却器，其特征在于，增压空气冷却器包括适于控制致动器(12a，12b)致动以使其移动控制元件(11a，11b)到预期位置的控制单元(10)。
7.如权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其特征在于，增压空气冷却器包括多个平行布置的管状元件(5)，每个管状元件(5)适于在入口孔(20a)和出口孔(20b)之间引导压缩空气。
8.如权利要求2所述的增压空气冷却器，其特征在于，控制元件(11a，11b)包括设置有多个贯穿本身的孔(21)的主体，孔适于被布置在接近管状元件(5)入口孔(20a)或者出口孔(20b)的位置，使得在每个管状元件(5)中形成至少一个具有流量限制的横截面面积的通道(22a，22b)。
9.如权利要求1或2所述的增压空气冷却器，其特征在于，增压空气冷却器包括与管状元件(5)平行延伸的旁通管路(8)和能够被设置成允许可变流量的压缩空气能够通过旁通管路(8)被引导通过管状元件(5)的阀装置(9)。
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