CN104564301B - 用于内燃发动机的冷却*** - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供用于内燃发动机(110)的冷却***(1,1’)，该发动机包括发动机体(120)、汽缸盖(130)和集成在汽缸盖中的排气歧管(225)，该冷却***包括用于在冷却液和环境空气之间交换热量的散热器(2)，用于循环冷却剂的冷却剂泵(3)，在冷却剂泵和发动机体、汽缸盖和排气歧管之间的第一组流体连接部分支(12、13、14、15)，在发动机体、汽缸盖和排气歧管和散热器和/或冷却剂泵之间的第二组流体连接分支(16、17、18、19、20)，用于拦截冷却剂向散热器使得冷却剂向冷却剂泵重新再循环的第一控制阀(4)，用于拦截来自汽缸体的冷却剂的第二控制阀(5)，以及用于拦截来自集成排气歧管的冷却剂的第三控制阀(6)。

Description

用于内燃发动机的冷却***
技术领域
本发明涉及用于内燃发动机的冷却***。特别地，该冷却***为先进的“分离(split)”冷却***，并且该内燃发动机提供有集成在汽缸盖上的排气歧管。
背景技术
公知的是，内燃发动机通过从热流中提取能量，产生机械能。发动机是低效率的，所以进入发动机的热量大于转化为的机械能；该差值为废热(waste heat)必须被去除。内燃发动机通过冷的进气空气、热的排气气体以及显式(explicit)发动机冷却，去除废热。冷却也是需要的，因为高温损坏发动机材料和润滑剂。内燃发动机将燃料燃烧至高于发动机材料熔点的温度，并且足够热以点燃润滑剂。发动机冷却足够快地去除能量，以保持低温，这样该发动机可继续使用(survive)。大多数内燃发动机为流体冷却的，使用液体冷却剂流过由空气冷却的热交换器(散热器(radiator))。液冷发动机通常具有循环泵。
现代内燃发动机使用分离冷却***，该冷却***的特征为分离汽缸盖和汽缸体的回路，使更快的预热(warm-up)成为可能。特别地，在预热中，分离冷却布局可允许首先单独冷却汽缸盖，并且只有在给定的时间间隔后单独冷却汽缸体。原因是汽缸盖具有比汽缸体更低的热容，并且暴露在非常高的温度。因此，汽缸盖变得比汽缸体更热，以及需要更早地冷却。借助于这样的分离冷却***可以达到的优势是：优化的油温度、更好的燃烧状态、更快的预热以及减少特定的消耗和排放。
此外，最近的研究和产品开发已经表明，通过使用集成排气歧管的汽缸盖的涡轮增压发动机，有重大的潜力被开发出(be tapped)。它提供科技的双赢工作，在相关属性提供进步，也提供花费的减少，特别地，当减少排放时达到更好的燃料经济。通过靠近发动机排气点的催化转换器，排放减少过程开始得更迅速，导致更低的排放。由于更小的表面积，这样的解决方式也有助于减小发动机在空转时的噪音。
另一方面，具有集成的排气歧管的内燃发动机分离冷却***不适合于需要对排气线进行快速温度预热的发动机，如柴油发动机。对于这样的发动机，尽可能快地达到所谓的起燃(light-off)温度是非常重要的，该起燃温度即催化反应在催化转换器内发起的温度。
因此，存在适合于预见集成排气歧管的发动机架构的新分离冷却***的需求。
本发明实施例的目的是提供用于具有集成在汽缸盖上的排气歧管的内燃发动机的分离冷却***。
这些目的通过独立权利要求中所述特征的冷却***和发动机来实现。
从属权利要求描绘了优选的，和/或特别有利的方面。
发明内容
本公开的实施例提供用于内燃发动机的冷却***，发动机包括发动机体、汽缸盖和集成在汽缸盖中的排气歧管，冷却***包括用于在冷却剂和环境空气之间交换热量的散热器，用于循环冷却剂的冷却剂泵，在冷却剂泵和发动机体、汽缸盖和排气歧管之间的第一组流体连接部(fluid connection)分支，在发动机体、汽缸盖和排气歧管和散热器和/或冷却剂泵之间的第二组流体连接部分支，用于拦截冷却剂流向散热器使得冷却剂向冷却剂泵再循环的第一控制阀，用于拦截来自汽缸体的冷却剂的第二控制阀以及用于拦截来自集成排气歧管的冷却剂的第三控制阀。
这个实施例的优势为，这个冷却***导致，也对于对排气温度非常敏感的发动机，重新获取排气热量，这是通过将控制阀加入它的布局，借助于它排气歧管的冷却可发生或可避免。
根据另一个实施例，第一控制阀为具有用于收集所有来自内燃发动机冷却剂的入口、与冷却剂泵流体连接的第一出口以及与散热器流体连接的第二出口的三通阀。
这个实施例的优势为该冷却***能够管理发动机预热阶段，避免冷却剂由散热器冷却。
根据另一个实施例，第二控制阀位于发动机体的下游，并且与该第一控制阀流体连接。
本实施例的优势为发动机体比汽缸盖更晚变暖，以及因此发动机体不需要在预热阶段的早期被冷却。
仍根据另一个实施例，第三控制阀位于排气歧管的下游，并且与该第一控制阀流体连接。
这个实施例的优势为，这个第三阀体也对于发动机(如柴油机)给予其从排气线中重新获取热量的机会，该发动机对排气管线预热时间非常敏感。
仍根据另一个实施例，冷却***还包括机油热交换器(oil heat exchanger)。
这个实施例的优势为，冷却***也从发动机油中重新获得热量。
仍根据另一个实施例，冷却***还包括电加热器。
这个实施例的优势为，冷却***也从电加热器中重新获得热量。
根据本发明的方面，该***配置为开启冷却剂泵，关闭第二控制阀和第三控制阀以及打开第一控制阀的第一出口，使得冷却剂从冷却剂泵流向汽缸盖，并且回到冷却剂泵，旁路(by-passing)散热器。
本配置的优势，在预热阶段一开始发生的是，仅汽缸盖被冷却，并且这是有益的，因为汽缸盖立即地达到非常高的温度，而发动机体和排气歧管不被冷却。这允许排气气体立即地到达起燃温度。
根据另一个方面，该***配置为保持冷却剂泵开启，关闭第二控制阀以及打开第一控制阀的第一出口和第三控制阀，使得冷却剂的第一给定量从冷却剂泵流向汽缸盖，冷却剂的第二给定量从冷却剂泵流向排气歧管，冷却剂的第一给定量和冷却剂的第二给定量均流回到冷却剂泵，旁路散热器。
这个方面的优势为，在到达起燃温度后，第三控制阀是打开的，也对于对排气线预热时间非常敏感的那种发动机提供从排气管线重新获得热量的机会。
根据另一方面，***配置为保持冷却剂泵开启，打开第一控制阀的第一出口、第二控制阀和第三控制阀，使得冷却剂的第一给定量从冷却剂泵流向汽缸盖，冷却剂的第二给定量从冷却剂泵流向排气歧管，冷却剂的第三给定量从冷却剂泵流向发动机体，冷却剂的第一给定量、冷却剂的第二给定量和冷却剂的第三给定量均流回到冷却剂泵，旁路散热器。
这个方面的优势为，允许在晚一些的预热时间中，发动机体也和其他发动机构件一起开始冷却。
仍根据另一方面，***配置为保持冷却剂泵开启，打开第一控制阀的第二出口、第二控制阀和第三控制阀，使得冷却剂的第一给定量从冷却剂泵流向汽缸盖，冷却剂的第二给定量从冷却剂泵流向排气歧管，冷却剂的第三给定量从冷却剂泵流向发动机体，冷却剂的第一给定量、冷却剂的第二给定量和冷却剂的第三给定量均流回到散热器，并且继而流回到冷却剂泵。
这个方面的优势为，当散热器需要冷却的时候，冷却剂将也流动通过散热器，不再旁路它。
仍根据另一个方面，***配置为，如果排气气体温度高于排气气体温度阈值，打开第三控制阀。
这个方面的优势为，排气歧管刚已经到达温度阈值就被冷却，该温度阈值对应于催化剂的起燃温度。
根据另一个实施例，该排气气体温度阈值等于200℃。
这是非常接近于催化剂的起燃温度的平均值的温度。
本公开的另一个实施例提供内燃发动机，该发动机包括发动机体、汽缸盖、集成在汽缸盖上的排气歧管以及根据前面实施例中任一个所述的冷却***。
附图说明
通过示例，参照附图，将描述各种实施例，其中：
图1示出了汽车***。
图2是属于图1所示的汽车***的内燃发动机的截面。
图3是根据本发明实施例的冷却***示意概述图。
图4是根据本发明的不同的实施例的冷却***另一个示意概述图。
附图标记
A,B,C,D 冷却***的节点
1,1’ 冷却***
2 散热器
3 冷却剂泵
4 第一控制阀
5 第二控制阀
6 第三控制阀
7 机油热交换器
8 电加热器
10-20 冷却***的分支
40 数据载体
100 汽车***
110 内燃发动机
120 发动机体
125 汽缸
130 汽缸盖
135 凸轮轴
140 活塞
145 曲轴
150 燃烧室
155 凸轮相位器
160 燃料喷射器
165 燃料喷射***
170 燃料轨
180 燃料泵
190 燃料源
200 进气歧管
205 进气管
210 进气口
215 阀
220 端口
225 排气歧管
230 涡轮增压器
240 压缩机
245 涡轮增压器轴
250 涡轮
260 中间冷却器
270 排气***
275 排气管
280 后处理设备
290 废气门阀
295 废气门促动器或电压力阀或增压压力控制阀
300 排气气体再循环***
310 EGR冷却器
320 EGR阀
330 节气门体
340 质量空气流量、压力、温度和湿度传感器
350 歧管压力和温度传感器
360 燃烧压力传感器
380 冷却剂温度和水平传感器
385 润滑油温度和水平传感器
390 金属温度传感器
400 燃料轨数字压力传感器
410 凸轮位置传感器
420 曲轴位置传感器
430 排气压力和温度传感器
440 EGR温度传感器
445 加速器位置传感器
446 加速器踏板
450 ECU
T 排气气体温度
Tthr 排气气体温度阈值
具体实施方式
一些实施例可包括如图1和图2所示的汽车***100，该汽车***包括内燃发动机(ICE)110，该内燃发动机具有发动机体120，该发动机体限定了具有联接以旋转曲轴145的活塞140的至少一个汽缸125。汽缸盖130与活塞140协作以限定燃烧室150。
燃料和空气混合物(未示出)被置于燃烧室150内以及被点燃，导致热扩张排气气体引起活塞140的往复运动。燃料由至少一个燃料喷射器160提供，并且空气通过至少一个进气口210。燃料在高压力下从燃料轨170提供到燃料喷射器160，该燃料轨与高压燃料泵180流体连通，该高压燃料泵增大从燃料源190接收到的燃料的压力。
汽缸125的每一个具有至少两个阀215，该阀由和曲轴145正时地(in time)旋转的凸轮轴135促动。阀215选择性地允许空气从端口210进入到燃烧室150，并且可选地允许排气气体通过端口220排出。在一些示例中，凸轮相位器155可选择性地改变凸轮轴135和曲轴145之间的正时。
空气可通过进气歧管200分配给空气进气口210。空气进气管205可从周围环境中提供空气到进气歧管200。在其他的实施例中，节气门体330可被提供以调节进入歧管200气流。仍在其他实施例中，可提供加强制进气***，如涡轮增压器230，其具有旋转地联接至涡轮250的压缩机240。压缩机240的旋转增大管道205和歧管220中空气的压力和温度。置于管道205内的中间冷却器260可降低空气的温度。涡轮250通过从排气歧管225接收排气气体而旋转，该排气歧管引导来自排气口220的排气气体，并且在膨胀通过涡轮250之前通过一系列的叶片。排气气体排出涡轮250并且被引导进入排气***270。这个示例示出了包括废气门290的固定几何涡轮250。在其他的实施例中，涡轮增压器230可为可变几何涡轮(VGT)，该涡轮带有布置为移动叶片以改变排气气体通过涡轮的流动的VGT促动器。
排气***270可包括排气管275，其具有一个或多个排气后处理装置280。排气后处理装置可为配置为改变排气气体成分的任何装置。后处理装置280的一些示例包括，但不限于，催化转换器(二元和三元)、氧化催化器、贫氮氧化物阱(lean Nox traps)、碳氢化合物吸收器以及选择性催化还原(SCR)***。其他实施例可包括排气气体再循环(ECR)***300，该***联接在排气歧管225和进气歧管220之间。EGR***300可包括EGR冷却器310以降低EGR***300内排气气体的温度。EGR阀320调节在EGR***内排气气体的流动。
汽车***100可进一步包括电子控单元(ECU)450，该电子控单元与一个或多个与ICE110相关联的传感器和/或装置通信，并且装备有数据载体40。ECU450可从各种传感器中接收输入信号，传感器配置为产生与和ICE110相关联的各种物理参数成比例的信号。传感器包括，但不限于，质量空气流量、压力、温度传感器340，歧管压力和温度传感器350，燃烧压力传感器360，冷却剂和油的温度和水平传感器380，燃料轨压力传感器400，凸轮位置传感器410，曲轴位置传感器420，排气压力和温度传感器430，EGR温度传感器440以及加速踏板位置传感器445。此外，ECU450可产生输出信号至各种控制装备，该控制装备布置为控制ICE110的操作，该控制装置包括，但不限于，燃料喷射器160、节气门体330、ECR阀320、废气门促动器290以及凸轮相位器155。注意的是，虚线用作表明ECU450和各种传感器以及装置之间的通信，但是为了清晰起见省略了一些。
根据本发明的实施例，内燃发动机具有预见发动机盖130内排气歧管225，以及分离冷却***的设计。图3示出了冷却***1，该冷却***包括用于在液体冷却剂和周围空气之间交换热量的散热器2，以及用于循环液体冷却剂的冷却剂泵3。优选地，冷却剂泵可为可切换的水泵。
此外，冷却***具有多个分支，通过在***的多个回路(loops)间分配冷却剂液体，将泵体流体连接至发动机构件。更详尽地，第一组流体连接部分支12,13,14,15连接冷却剂泵和发动机体120，汽缸盖130和排气歧管225。跟随图3以及开始于冷却剂泵，液体冷却剂的第一部分通过分支13和12到达发动机体120；液体冷却剂的第二部分通过分支13和14到达汽缸盖130；液体冷却剂的第三部分通过分支13和15到达排气歧管225。第二组流体连接部分支16,17,18,19,20把该发动机体、汽缸盖和排气歧管与散热器和/或冷却剂泵连接。更详尽地，以及跟随图3，分支16从发动机体收集冷却剂，分支17从发动机体和汽缸盖收集冷却剂，分支18从排气歧管收集冷却剂；分支19和11将冷却剂再循环至冷却剂泵3，而分支20将冷却剂再循环至散热器2。最终，分支10和11将冷却剂从散热器再循环至冷却剂泵。
冷却***也提供有用于拦截流向散热器的液体冷却剂以及再循环液体冷却剂流向冷却剂泵的第一控制阀4。作为示例，该控制阀可为三通控制阀，也称作冷却剂控制阀，它的入口4’与分支17,18连接。因此，所有来自发动机100(也就是说，发动机体120、汽缸盖130以及集成的排气歧管225)的冷却剂到达第一控制阀4的入口4’。阀体4具有两个出口4”和4”’。出口4”与分支19连接，而出口4’”与分支20连接。因此，通过控制这个阀，冷却剂可直接地被定向(addressed)给泵体，旁路散热器，或者先定向给散热器继而定向给泵。
第二控制阀5位于发动机体的下游，并且位于分支12和分支16之间。这个阀5可拦截来自汽缸体的冷却剂液体，因而防止冷却剂循环通过发动机体。
最后，第三控制阀6位于集成排气歧管的下游，并且位于分支15和分支18之间。这个第三控制阀可拦截来自集成排气歧管的冷却剂液体。
需要理解的是，三个阀可被视作单独元件，如图3中的示例，或可连结为单个部件，如上所述的阀的不同功能仍可执行。
根据不同实施例，冷却***也可包括机油热交换器和/或电加热器。参照图4，冷却***1’包括机油热交换器7，该机油热交换器位于沿着分支19，即在分支19(散热器旁路线)的第一部分19’和第二部分19”之间。所以冷却剂将仅在发动机预热期间，流动通过机油热交换器。冷却***1’也包括电加热器8，该加热器位于沿着分支12，在发动机体中。
冷却***，由于它的分立式布局以及控制阀，在发动机预热阶段和预热之后，可用不同的方式操作。基本上，在发动机预热的一开始，如果冷却剂泵为可切换的冷却剂泵，泵体关闭，并且无冷却剂循环发生。继而，在时间序列，冷却***可按如下配置。
冷却剂泵3刚被开启，第二控制阀5和第三控制阀6就将被关闭并且第一控制阀4的第一出口4”将打开，使得冷却剂从冷却剂泵流向汽缸盖130(分支13、14)并且回到冷却剂泵(分支19)，旁路散热器2。这是在发动机预热过程中的第一可能配置。实际上，只有汽缸盖将被冷却(如解释的，盖部立即地达到非常高的温度，需要更快的冷却)，而发动机体和排气歧管将不被冷却。这允许排气气体立即地到达起燃温度。
第三控制阀6，其代表提出的冷却***的核心，将保持关闭直到排气气体将到达足够的温度阈值Tthr，大约对应于催化剂的起燃温度。例如，这个阈值可固定在200℃。在排气气体温度T到达该温度阈值Tthr之后，阀6将打开。因此，对于对排气线预热时间非常敏感的那种发动机(如柴油机)，这个阀给予从排气线中重新获取热量的机会。
事实上，排气气体到达起燃温度(或更通常，预定的温度阈值)，冷却***将配置为保持冷却剂泵3开启，关闭第二控制阀5以及打开第一控制阀4的第一出口4”和第三控制阀6。冷却剂将被分离为两个给定量，冷却剂的第一给定量从冷却剂泵流向汽缸盖130(分支13和14)，冷却剂的第二给定量从冷却剂泵3流向排气歧管225(分支13和15)，冷却剂的第一给定量和冷却剂的第二给定量均流回到冷却剂泵(分支19)，旁路散热器2。
冷却的第三后续配置，随着发动机预热的继续进行，如下：打开第一控制阀4的第一出口4”、第二控制阀5和第三控制阀6。根据这个配置，冷却剂将被分离为三个量，沿着三个不同的路径：冷却剂的第一给定量从冷却剂泵流向汽缸盖130，冷却剂的第二给定量从冷却剂泵流向排气歧管225，冷却剂的第三给定量从冷却剂泵流向发动机体120(分支13、12)，冷却剂的第一给定量、冷却剂的第二给定量和冷却剂的第三给定量均流回到冷却剂泵，如之前配置，旁路散热器2。这为最后的预热阶段：发动机体也需要被冷却，而冷却剂已经不热，以及不需要通过散热器来冷却。
最后，在预热阶段的末尾，所有控制阀4、5和6将打开，但是现在将打开第一控制阀4的第二出口4’”。冷却剂将如在前面的配置中一样流过汽缸盖(以及集成的排气歧管)和发动机体，但是该冷却剂将也流动通过散热器，不再旁路它。预热阶段被终止，并且冷却剂也足够热以及需要冷却。
总之，通过在冷却***的布局中加入控制阀，借助于根据需要可发生或可避免的排气歧管的冷却，提出的冷却***将导致也对于对排气温度非常敏感的发动机重新获取排气热量。
虽然在之前的总结和细节描述中，已经提出了至少一个示例性实施例，但是应意识到有大量的变化存在。应当意识到的是，示例性实施例或示例性实施方式都仅为示例，并且未意图为以任何方式限定范围、应用或配置。但是，上述总结和细节描述将为本领域技术人员提供实施至少一个示例性实施例的方便路线图，应当理解的是，在未背离在从属权利要求和它们的法律等价物中所提出的范围的情况下，示例性实施例中描述的元件的功能和布置可做出各种改变。

Claims (13)

1.一种用于内燃发动机(110)的冷却***(1,1’)，所述发动机包括发动机体(120)、汽缸盖(130)和集成在汽缸盖中的排气歧管(225)，所述冷却***包括：
用于在冷却剂和环境空气之间交换热量的散热器(2)，
用于循环冷却剂的冷却剂泵(3)，
在所述冷却剂泵和所述发动机体、所述汽缸盖和所述排气歧管之间的第一组流体连接部分支(12、13、14、15)，
在所述发动机体、汽缸盖和排气歧管和散热器和/或冷却剂泵之间的第二组流体连接部分支(16、17、18、19、20)，
第一控制阀(4)，其选择性地控制冷却剂从排气歧管、汽缸盖和发动机体朝向散热器和冷却剂泵的流动，且所述第一控制阀(4)为三通阀，
第二控制阀(5)，选择性地控制冷却剂从发动机体到第一控制阀的流动，所述第二控制阀为二通阀，以及
第三控制阀(6)，其选择性地控制冷却剂从排气歧管到第一控制阀的流动，所述第三控制阀为二通阀。
2.根据权利要求1所述的冷却***(1,1’)，其中所述第一控制阀(4)为具有入口(4’)、第一出口(4”)和第二出口(4”’)的三通阀，该入口用于收集所有来自内燃发动机(110)的冷却剂，该第一出口与冷却剂泵(3)流体连接，该第二出口(4”’)与散热器(2)流体连接。
3.根据权利要求1所述的冷却***(1,1’)，其中所述第二控制阀(5)位于发动机体(120)的下游，并且与所述第一控制阀(4)流体连接。
4.根据权利要求1所述的冷却***(1,1’)，其中所述第三控制阀(6)位于所述排气歧管(225)的下游，并且与所述第一控制阀(4)流体连接。
5.根据权利要求1所述的冷却***，其中所述冷却***还包括机油热交换器(7)。
6.根据权利要求1所述的冷却***，其中所述冷却***还包括电加热器(8)。
7.根据权利要求2所述的冷却***(1,1’)，所述***配置为开启所述冷却剂泵(3)，关闭所述第二控制阀(5)和所述第三控制阀(6)以及打开所述第一控制阀(4)的所述第一出口(4”)，使得所述冷却剂从所述冷却剂泵(3)流向所述汽缸盖(130)，并且回到冷却剂泵，旁路所述散热器(2)。
8.根据权利要求2所述的冷却***(1,1’)，所述***配置为保持所述冷却剂泵(3)开启，关闭所述第二控制阀(5)以及打开所述第一控制阀(4)的第一出口(4”)和第三控制阀(6)，使得冷却剂的第一给定量从所述冷却剂泵(3)流向所述汽缸盖(130)，冷却剂的第二给定量从所述冷却剂泵(3)流向所述排气歧管(225)，冷却剂的第一给定量和冷却剂的第二给定量均流回到所述冷却剂泵，旁路所述散热器(2)。
9.根据权利要求2所述的冷却***(1,1’)，所述***配置为保持所述冷却剂泵(3)开启，打开所述第一控制阀(4)的所述第一出口(4”)、所述第二控制阀(5)以及所述第三控制阀(6)，使得冷却剂的第一给定量从所述冷却剂泵(3)流向所述汽缸盖(130)，冷却剂的第二给定量从所述冷却剂泵(2)流向所述排气歧管(225)，冷却剂的第三给定量从所述冷却剂泵(3)流向所述发动机体(120)，冷却剂的第一给定量、冷却剂的第二给 定量和冷却剂的第三给定量均流回到所述冷却剂泵，旁路所述散热器(2)。
10.根据权利要求2所述的冷却***(1,1’)，所述***配置为保持所述冷却剂泵(3)开启，打开所述第一控制阀(4)的第二出口(4’”)、第二控制阀(5)和第三控制阀(6)，使得冷却剂的第一给定量从所述冷却剂泵(2)流向所述汽缸盖(130)，冷却剂的第二给定量从所述冷却剂泵(3)流向所述排气歧管(225)，冷却剂的第三给定量从所述冷却剂泵(3)流向所述发动机体(120)，冷却剂的第一给定量、冷却剂的第二给定量和冷却剂的第三给定量均流回到所述散热器(2)，并且继而流回到所述冷却剂泵。
11.根据前面权利要求1所述的冷却***(1,1’)，所述***配置为如果排气气体温度(T)高于排气气体温度阈值(Tthr)，打开所述第三控制阀(6)。
12.根据权利要求11所述的冷却***(1,1’)，其中所述排气气体温度阈值(Tthr)等于200℃。
13.一种内燃发动机(110)，包括发动机体(120)、汽缸盖(130)、集成在所述汽缸盖内的排气歧管(225)以及根据前面权利要求中任一项所述的冷却***(1,1’)。
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