CN101198777B - 冷却设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增压空气冷却器(7)和废气再循环冷却器(12)的冷却设备，所述增压空气冷却器(7)本身包括至少一个在冷却期间用于引导压缩空气的管线(14)和一个适合于容纳经过出口孔(14a)来自第一管线(14)的冷却压缩空气的箱体(17)，所述废气再循环冷却器(12)包括至少一个在冷却期间用于引导废气的第二管线(18)和一个适合于容纳来自第二管线(18)的出口孔(18a)的冷却废气的箱体(20)。所述冷却设备包括从废气再循环冷却器的箱体(20)伸入到增压空气冷却器的箱体(17)中的管状元件(21)，并且该管状元件(21)具有一个用于废气的出口孔(21a)，所述出口孔相对于箱体(17)中空气的主要流动方向位于增压空气冷却器的箱体(17)中最下游的出口孔(14a)的下游处。

Description

冷却设备
技术领域
本发明涉及一种冷却设备。
背景技术
可以提供给增压内燃机的空气量取决于空气的压力，而且也取决于空气的温度。向内燃机中供应最大可能量的空气因此在压缩空气被导入内燃机中之前必需在增压空气冷却器中冷却压缩空气。通常通过流过增压空气冷却器的环境空气来冷却压缩空气。因此可以将压缩空气冷却到大致相当于环境温度的温度。
已知被称为EGR(废气再循环)的方法将来自内燃机燃烧过程的部分废气经过回流管导入到用于向内燃机供应空气的入口管线。因此，空气和废气的混合物经过入口管线被供应到发动机的气缸中，并在发动机的气缸中发生燃烧。将废气添加到空气中促使燃烧温度降低，从而导致废气中的氮氧化物NOx含量的降低。该方法可用于汽油机和柴油机。已知的实践是在第一废气再循环冷却器中通过车辆冷却***中的冷却剂和在第二废气再循环冷却器中通过环境空气来冷却返回的废气。因此同样可以将废气冷却到大致相当于环境温度的温度。另一已知实践是将增压空气冷却器和第二废气再循环冷却器相互接近地布置在车辆普通散热器前面的车辆前部中。因此可以在冷却后立即将已被冷却的废气和已被冷却的压缩空气大致相互混合在一起。
在内燃机负荷较小而且同时环境温度较低的运行情况下，存在废气被冷却到废气中腐蚀性物质在冷却期间可能在废气再循环冷却器中凝结的这种低温的危险。废气再循环冷却器通常是由耐蚀材料(如不锈钢)制成，以便至少在短期间内不会由于废气再循环冷却器中形成上述冷凝物引起问题。然而，增压空气冷却器通常是由如铝的材料制成，铝具有良好的导热性、但是缺乏良好的抗腐蚀性。当增压空气冷却器和废气再循环冷却器在这种情况下彼此靠近设置时，存在废气或来自废气的冷凝物进入并积累在不是由完全耐腐蚀材料制成的增压空气冷却器中的危险。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷却设备，所述冷却设备包括用于冷却返回的废气的废气再循环冷却器和用于冷却压缩空气的增压空气冷却器，所述废气再循环冷却器和增压空气冷却器彼此靠近安装，并且凭此有效地阻止来自废气再循环冷却器的冷却废气或来自废气的冷凝物进入和聚集在增压空气冷却器中。
根据本发明，提供一种包括增压空气冷却器和废气再循环冷却器的冷却设备，所述增压空气冷却器本身包括用于在冷却期间引导压缩空气的至少一个管线、和适合于接收经过出口孔来自所述第一管线的冷却压缩空气的箱体，所述废气再循环冷却器包括用于在冷却期间引导废气的至少一个第二管线、和适合于接收来自所述第二管线的出口孔的冷却废气的箱体，其特征在于，所述冷却设备包括从所述废气再循环冷却器的箱体延伸到所述增压空气冷却器的箱体的管状元件，并且所述管状元件具有废气的出口孔，所述出口孔相对于箱体中空气的主流动方向位于增压空气冷却器的箱体中最下游的出口孔的下游。利用这种管状元件可以将冷却废气导入到位于冷却空气被导入所述箱体中的位置下游的增压空气冷却器的箱体中。因此，存在于该箱体中的气流有效地阻止了废气在相反方向流动并进入增压空气冷却器管线中或聚集在增压空气冷却器箱体的上游部分中。因为阻止了废气聚集在增压空气冷却器中，所以可以用比废气再循环冷却器更少耐蚀材料来制成增压空气冷却器。返回的废气和压缩空气因而已经在增压空气冷却器箱体的下游部分中经过混合。因此，可以将通到内燃机中的入口管线制造得更短。
根据本发明的优选实施例，管状元件具有在增压空气冷却器箱体内的延伸部分。因此，不需要任何外部线路将来自废气再循环冷却器箱体中的冷却废气导入到增压空气冷却器箱体中。另外，管状元件可以具有至少部分地位于增压空气冷却器箱体外部的延伸部分。有利的是，管状元件具有在第一箱体内的大致直线延伸部分。因此，管状元件的长度可以最小。管状元件优选由基本上刚性材料制成。这便于将管状元件装配在增压空气冷却器箱体内的正确位置上。管状元件可以具有在第一箱体内的大体中心的延伸部分。结果，围绕管状元件和其出口孔的空气基本上均匀流动。因此，消除了来自出口孔的废气被沿着相反方向引导的危险。将管状元件的出口孔居中定位在增压空气冷却器中导致了废气和压缩空气的有效混合。
根据本发明的优选实施例，增压空气冷却器箱体具有至少一个弯曲部分，并且所述管状元件的出口孔被布置在所述弯曲部分中。通常在弯曲部分中存在比直线部分中更多的湍流。结果是，当废气已经离开管状元件时，它们与周围的压缩空气在弯曲部分开始经过有效的混合。管状元件的出口孔可以通过端面限定，该端面倾斜，使得弯曲部分中的端面径向最外侧部分位于端面径向最内侧部分的下游。因此，所述管状元件被设置了有助于废气通过弯曲部分流动的出口孔。所述端面可以具有沿斜面的延伸部分。
根据本发明的优选实施例，增压空气冷却器箱体被装配在上述废气再循环冷却器箱体上方。这样可以布置经过增压空气冷却器箱体下部的孔从废气再循环冷却器箱体的上部大体直接延伸到增压空气冷却器箱体中的管状元件。在这种情况下，管状元件基本上垂直延伸。因此，来自冷却废气、并淀积在管状元件内壁表面上的任何冷凝物将向下移动并聚集在废气再循环冷却器箱体中。
根据本发明的优选实施例，管状元件由不锈钢制成。当存在来自冷却废气的冷凝物淀积在管状元件内部的危险时，管状元件必须是由耐腐蚀材料制成。不锈钢是一种非常耐腐蚀的材料，而且同时具有相当好的传热特性。废气再循环冷却器也优选主要由不锈钢制成。在废气再循环冷却器中，总存在来自冷却废气的冷凝物淀积的危险，例如，当环境空气处于低温并且发动机处于低负载时。因为不锈钢具有如上所述的特性，所以废气再循环冷却器由该种材料制成是有利的。有利的是，增压空气冷却器主要由铝制成。压缩空气不包含与废气相似的腐蚀性物质。因此，第一冷却元件可以有利地由铝制成，铝具有异乎寻常的传热特性并且是比不锈钢价格便宜的材料。
附图说明
下面参照附图来举例说明本发明的优选实施例，其中：
图1示意性地显示了一种用于增压内燃机的废气再循环的***；以及
图2显示了本发明的冷却设备。
具体实施方式
图1示意性地显示了用于增压内燃机的废气再循环的设备。内燃机1可以是汽油机或柴油机。废气的这种再循环可以被称为EGR(废气再循环)。将废气添加到被导入发动机气缸的压缩空气中降低了燃烧温度，并因此还降低了在燃烧过程期间形成的氮氧化物(NOx)的含量。例如，内燃机1可以用来为重型车辆提供动力。来自内燃机1的气缸的废气经过排气集管2被导入到排气管线3中。处于大气压力之上的排气管线3中的废气被导入涡轮机4中。因此，涡轮机4被提供了驱动力，该驱动力经过连接机构被传递到压缩机5中。压缩机5压缩经过入口管线6导入到内燃机1中的空气。增压空气冷却器7被布置在入口管线6中以在压缩空气被导入内燃机1之前冷却压缩空气。压缩空气在增压空气冷却器7中通过处于环境温度的气流被冷却。
回流管8是用来实现来自排气管线3的部分废气的再循环。回流管8包括废气再循环阀9，流入到回流管8中的废气可以根据需要通过该废气再循环阀被切断。废气再循环阀9可以用于控制经过回流管8导入到入口管线6中的废气量。控制单元10基于有关内燃机1当前运行状态的信息来控制废气再循环阀9。控制单元10可以是配有适当软件的计算机单元。回流管8包括第一废气再循环冷却器11，作为第一步，废气在该第一废气再循环冷却器中由内燃机冷却***的冷却剂冷却。作为第二步，回流管8还包括用于冷却废气的第二废气再循环冷却器12。废气在第二废气再循环冷却器12中由环境空气冷却。因此，可以将废气冷却到高于环境温度仅仅几度的温度。
增压空气冷却器7和第二废气再循环冷却器12彼此靠近安装。它们被有利地安装在用于冷却内燃机1的车辆未显示的普通散热器前面的车辆前部上。来自增压空气冷却器7的冷却压缩空气和来自第二废气再循环冷却器12的冷却废气混合并被导入进口管线6中。废气和空气的混合物经过集管13被导入到内燃机1的相应气缸中。
在内燃机1的运行期间，排气管线3中的废气驱动涡轮机4。因此，涡轮机4被提供驱动压缩机5的驱动动力。因此，压缩机5将空气吸入到入口管线6中并将空气压缩。在内燃机1的大部分运行状态中，控制单元10保持废气再循环阀9打开，以便排气管线3中的部分废气被导入回流管8中。在该阶段，废气处于大约600-700℃的温度。当回流管8中的废气到达废气再循环冷却器11时，作为第一步，它们由冷却内燃机1的冷却***的冷却剂来冷却。在这里，废气经历它们主要的温度下降。然而，废气再循环冷却器11受最到限制，它仅可以将废气冷却到基本上相当于冷却剂温度的温度。冷却***中的冷却剂的温度可能变化，但是在正常运行时，该温度通常在80-100℃的范围内。可以提供给柴油机1的压缩空气和废气量不但取决于空气和废气的压力而且取决于它们的温度。因此，提供再循环废气的最佳冷却是很重要的。因此，废气被导入到第二废气再循环冷却器12中，废气在该废气再循环冷却器中由环境空气来冷却。使用环境空气作为冷却介质可将废气冷却到接近环境空气温度的温度。因此，可以在第二废气再循环冷却器12中将废气冷却到与增压空气冷却器7中的压缩空气基本上相同的温度。
图2显示了彼此靠近安装的增压空气冷却器7和第二废气再循环冷却器12的部分截面。增压空气冷却器7包括用来引导压缩空气的多个平行管线14。散热凸缘15被布置在管线14之间的间隙中。处于环境温度下的空气适合于通过管线14之间的间隙循环，以便管线14内的压缩空气由环境空气来冷却。管线14和散热凸缘15一起组成了增压空气冷却器7的大致平台状冷却器部分。管线14具有出口孔14a，所述出口孔在不同高度通向增压空气冷却器的箱体17，该箱体17被固定到大致平台状冷却器部分的端部。箱体17的功能是容纳来自管线14的冷却压缩空气。箱体17具有用于容纳来自管线出口孔14a的压缩空气的基部部分17a。箱体17具有位于基部部分17a的上端的第一弯曲部分17b。第一弯曲部分17b后面是相对较短的大致水平部分17c和第二弯曲部分17d。增压空气冷却器箱体17终止于用于将入口管线6连接到该箱体17的连接部分17e。有利的是，增压空气冷却器7的管线14、散热凸缘15和箱体17是由具有很好导热特性的材料例如铝制成。
第二废气再循环冷却器12基本上垂直地安装在增压空气冷却器7的下方。第二废气再循环冷却器12包括用来引导返回废气的多个平行管线18。散热凸缘19被布置在管线18之间的空间中。处于环境温度下的空气适合于在管线18之间的间隙中循环以便管线18中的废气被冷却。管线18和散热凸缘19一起组成了第二废气再循环冷却器12的大致平台状冷却器部分。管线18具有在不同高度通向第二废气再循环冷却器12的箱体20的出口孔18a，所述箱体20适合于容纳冷却废气。有利的是，管线18和箱体20是由非常耐腐蚀的材料例如不锈钢制成。所述材料还应该具有相当好的导热特性。然而，散热凸缘19可以由不同材料制成，因为它们不直接与腐蚀性废气接触。在装配状态，增压空气冷却器箱体17和第二废气再循环冷却器箱体20相互连接。第二废气再循环冷却器的箱体20包括位于上部的管状元件21，所述管状元件基本上垂直地延伸到增压空气冷却器的箱体17中。所述管状元件21的功能是将废气从第二箱体20导入第一箱体17中的合适位置。管状元件21按直线方式在第一箱体17内大致中心位置向上延伸。管状元件21具有靠近第一箱体的第一弯曲部分17b设置的出口孔21a。出口孔21a位于比管线的出口孔14a更高的位置上。离开出口孔14a的空气在箱体的基部部分17a中向上流向箱体的第一弯曲部分17b。因此，管状元件的出口孔21a相对于空气主流动方向位于管线出口孔14a的下游位置上。管状元件21具有形成出口孔21a的上缘表面21b。该上缘表面21b位于相对于箱体的水平部分17c倾斜的平面22上。因此，位于弯曲部分17b中径向外侧的部分边缘表面21b‘因此处于比位于弯曲部分17b中径向内侧的部分边缘表面21b“更高的位置。出口孔21a的这种方向有助于废气通过第一弯曲部分17b流动、以及废气与压缩空气在箱体的水平部分17c中的混合。
管状元件21的目的是阻止来自废气的腐蚀性物质聚集在增压空气冷却器7中，因为增压空气冷却器的部件通常不是由完全抗腐蚀性物质的材料制成。因此，管状元件的出口孔21a在绝对高于箱体17中的出口孔14a的位置上流出。离开管状元件的出口孔21a的废气将由环境空气沿着环境空气流动方向携带。因此，消除了废气聚集在增压空气冷却器的管状元件14和箱体17中的危险。例如，当内燃机的负载很低而且同时环境温度很低时，存在废气被冷却到废气中的腐蚀性物质可能凝结的这种低温的危险。如果废气被冷却到形成冷凝物的这种温度，这通常发生在第二废气再循环冷却器的管状元件18或箱体20中。如果冷凝物形成在垂直管状元件21的内部，则其将向下移动并聚集在箱体20的底部上。由于第二废气再循环冷却器的箱体20和管状元件21是由非常耐腐蚀性的材料如不锈钢制成，至少在较短使用期限内腐蚀性物质可能聚集在箱体20中的腐蚀危险很小。
本发明决不限于所述实施例，而是可以在权利要求的范围内自由改变。

Claims (10)

1.一种包括增压空气冷却器(7)和废气再循环冷却器(12)的冷却设备，所述增压空气冷却器本身包括用于在冷却期间引导压缩空气的至少一个第一管线(14)、和适合于接收经过第一出口孔(14a)来自所述第一管线(14)的冷却压缩空气的第一箱体(17)，所述废气再循环冷却器包括用于在冷却期间引导废气的至少一个第二管线(18)、和适合于接收来自所述第二管线(18)的第二出口孔(18a)的冷却废气的第二箱体(20)，其特征在于，所述冷却设备包括从所述废气再循环冷却器的第二箱体(20)延伸到所述增压空气冷却器的第一箱体(17)的管状元件(21)，并且所述管状元件(21)具有废气的第三出口孔(21a)，所述第三出口孔相对于第一箱体(17)中空气的主流动方向位于增压空气冷却器的第一箱体(17)中最下游的第一出口孔(14a)的下游。
2.如权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述管状元件(21)具有位于所述增压空气冷却器的第一箱体(17)内的延伸部分。
3.如权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述管状元件(21)具有位于所述增压空气冷却器的第一箱体(17)内的直线延伸部分。
4.如权利要求2或3所述的冷却设备，其特征在于，所述管状元件(21)具有位于所述增压空气冷却器的第一箱体(17)内的中心延伸部分。
5.如权利要求1或2所述的冷却设备，其特征在于，所述增压空气冷却器的第一箱体(17)具有弯曲部分(17b)，并且所述管状元件的第三出口孔(21a)被布置在所述弯曲部分(17b)中。
6.如权利要求4所述的冷却设备，其特征在于，所述管状元件的第三出口孔(21a)由端面(21b)限定，所述端面是倾斜的，使得所述弯曲部分(17b)中的端面径向最外侧部分(21b‘)相对于端面径向最内侧部分(21b“)位于下游。
7.如权利要求1或2所述的冷却设备，其特征在于，所述增压空气冷却器的第一箱体(17)被安装在所述废气再循环冷却器的第二箱体(20)上方。
8.如权利要求1或2所述的冷却设备，其特征在于，所述管状元件(21)由不锈钢制成。
9.如权利要求1或2所述的冷却设备，其特征在于，所述废气再循环冷却器(12)主要由不锈钢制成。
10.如权利要求1或2所述的冷却设备，其特征在于，所述增压空气冷却器(7)主要由铝制成。
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