DE60131720T2

DE60131720T2 - Ansauglufttemperatursteuerungssystem

Info

Publication number: DE60131720T2
Application number: DE60131720T
Authority: DE
Inventors: Mark R. Peoria Burbank; Eric D. Peoria Hardin
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: US6314950B1; EP1211400A2; DE60131720D1; JP2008255991A; EP1211400B1; JP2002188449A; EP1211400A3

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Motor und insbesondere die Kühlung der Einlassluft mit einem Luft-Luft-Nachkühler.
Hintergrund
Die Anwendung von turboaufgeladenen Motoren ist eine übliche Praxis. Der Turbolader steigert die Menge der Luft für die Verbrennung und steigert den Wärmewert oder die Temperatur der Einlassluft. Um die gesteigerte Temperatur der Einlassluft zu kompensieren, wird ein Nachkühler verwendet, um die Temperatur der komprimierten Einlassluft zu reduzieren. Viele der Kühlsysteme weisen einen Mantelwassernachkühler auf. In dem Mantelwassernachkühler wird ein Kühlmittel vom Motor durch den Nachkühler zirkuliert, und die Einlassluft wird gekühlt. Die Anwendung des Motorkühlmittels begrenzt die Temperatur, auf die die Einlassluft gekühlt werden kann. In neuerer Zeit ist das Kühlmedium des Nachkühlers so umgewandelt worden, dass Umgebungsluft verwendet wird, und ein Luft-Luft-Nachkühler hat den Mantelwassernachkühler ersetzt. In einigen Anwendungen und unter einigen Betriebsbedingungen verringert der Luft-Luft-Nachkühler die Temperatur der Einlassluft zu stark. Da Umgebungsluft als das Kühlmittel oder Aufnahmeströmungsmittel verwendet wird, variieren die Temperatur, der Druck und die Feuchtigkeit der Umgebungsluft, abhängig von der geografischen Lage und der Jahreszeit. Somit variieren die Temperatur und die Feuchtigkeit der Einlassluft entsprechend. Mit dem Aufkommen der Abgasrückzirkulation zur weiteren Verringerung von Emissionen ist herausgefunden worden, dass die Mischung der Einlassluft mit einem variierenden Feuchtigkeitsgehalt und des rückzuzirkulierenden Abgases Schwefelsäure bildet, was schädlich für den Motor ist. Unter diesen variierenden Bedingungen hat die Verbrennung der Einlassluft, des rückzirkulierten Abgases und des Brennstoffes variierende Charakteristiken zur Folge. Unter gewissen Bedingungen können Emissionen von dort aufgrund dessen zunehmen, dass die Verbrennungstemperatur die Charakteristik bzw. Eigenschaft hat, übermäßig viel Kohlenwasserstoffe und andere Emissionen zu bilden. Unter anderen Bedingungen kann auch die Struktur des Motors aufgrund übermäßig großer ent wickelter Leistung beschädigt werden. Somit wird ein System zur Steuerung der Temperatur der Einlassluft benötigt.
EP 0 233 362 A1 offenbart ein Motorfahrzeug mit einem abgedichteten Verbrennungsmotor, bei dem ein Ladungsluftkühler Klappen hat, die an seiner Außenseite vorgesehen sind. Die Klappen werden durch den Luftstrom während der Fahrt des Fahrzeugs aufgedrückt und schließen aufgrund der Schwerkraft. Weiterhin können die Klappen durch eine Betätigungsvorrichtung geöffnet werden, die mit einem Thermostaten gekoppelt ist, um die Temperatur innerhalb des abgedichteten Motorraums zu messen. Dies kann nützlich sein, wenn der Motor mit hoher Belastung arbeitet, während das Fahrzeug sich langsam bewegt.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht einen Motor mit einem Fluss von Abgabeeinlassluft vor, der in einer Einlasssammelleitung eintritt, wo bei der Fluss von Abgabeeinlassluft durch einen Nachkühler läuft und eine voreingerichtete Temperatur hat, wobei der Nachkühler eine Luft-Luft-Konfiguration hat, wobei ein Aufnahmeumgebungsluftfluss durch den Nachkühler läuft, wobei der Motor die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können aus den Unteransprüchen gewonnen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht eines Fahrzeugs, welches die vorliegende Erfindung verkörpert;
2 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Luft-Luft-Nachkühlers, der die vorliegende Erfindung verkörpert; und
3 ist eine vergrößerte Ansicht des Luft-Luft-Nachkühlers, der die vorliegende Erfindung verkörpert.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist ein Fahrzeug 10 gezeigt. Bei dieser Anwendung ist das Fahrzeug 10 eine Straßenzugmaschine. Als eine Alternative könnte jedoch das Fahrzeug 10 irgendeine Bauart einer Arbeitsmaschine sein, wie beispielsweise ein Geländelastwagen, ein Straßenhobel, ein Radlader oder eine Raupenmaschine. Das Fahrzeug 10 hat einen hinteren Teil 12 und einen vorderen Teil 14, die einander gegenüber liegen. Ein Rahmen 16 erstreckt sich zwischen dem hinteren Teil 12 und dem vorderen Teil 14. An dem Rahmen 16 angebracht und im Fahrzeug 10 nahe dem vorderen Teil 14 positioniert ist ein Verbrennungsmotor 18. Bei dieser Anwendung ist der Verbrennungsmotor 18 ein Verdichtungs- bzw. kompressionsgezündeter Motor, der wassergekühlt ist. Jedoch können andere Arten von Verbrennungsmotoren 18, wie beispielsweise funkengezündete Motoren, Zwei-Takt-Motoren und/oder Vier-Takt-Motoren verwendet werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verändern. Der Motor 18 hat ein herkömmliches Abgasrückzirkulationssystem. Das Fahrzeug 10 hat eine Haube 19, die am vorderen Teil 14 des Rahmens 16 angebracht ist. Die Haube 19 hat eine voreingerichtete Konfiguration. Der Motor 18 hat einen hinteren Teil 20, von dem Leistung zu einem nicht gezeigten Antriebsstrang übertragen wird. Und der Motor 18 hat einen vorderen Teil 22 mit einem Antriebsstrang 24 von herkömmlicher Konstruktion, der ein Teil davon ist. Der Antriebsstrang 24 hat eine Vielzahl von angetriebenen Scheiben 26, die daran angebracht sind. Eine Vielzahl von Riemen 28 verbindet betriebsmäßig jeweilige Scheiben der Vielzahl von angetriebenen Scheiben 26 mit einer Vielzahl von Zusatzeinrichtungen 30 und treibt diese an, wie beispielsweise Generatoren, einen Ventilator oder Ventilatoren und eine Pumpe oder mehrere Pumpen. Der Motor 18 hat eine Vielzahl von nicht gezeigten Zylindern und eine Einlasssammelleitung 32, die in Verbindung mit der Vielzahl von Zylindern ist. Der Motor 18 hat ein Abgassystem 34, welches damit verbunden ist und in Verbindung mit der Vielzahl von Zylindern steht. Ein Turbolader 36 ist mit dem Motor 18 verbunden und steht mit der Einlasssammelleitung 32 durch einen Kompressorabschnitt 37 und mit dem Abgas- bzw. Auslasssystem 34 durch einen Turbinenabschnitt 38 in herkömmlicher Weise in Verbindung.
Wie ebenfalls in den 2 und 3 gezeigt, ist ein Kühler 40 am Rahmen 16 in herkömmlicher Weise nahe dem vorderen Teil 14 angebracht und ist unter der Haube 19 positioniert. Der Kühler 40 hat einen Rahmen 42, in dem ein Kern 44 positioniert ist, der eine Lufteinlassseite 46 und eine Luftauslassseite 48 hat, die einander gegenüberliegend positioniert sind. Eine der Vielzahl von Zusatzeinrichtungen 30, der Ventilator 30, ist zwischen dem Kühler 40 und dem vorderen Teil 22 des Motors 18 angeordnet. Bei dieser Anwendung ist der Ventilator 30 eine Konfiguration der Ansaugbauart und erzeugt einen Fluss von Aufnahmeumgebungsluft, wie durch die Pfeile 50 bezeichnet. Der Ventilator 30 zieht Aufnahmeumgebungsluft von der Einlassseite 46 durch den Kern 44 und aus der Auslassseite 48 heraus.
Ein Nachkühler 52 ist über dem Kühler 40 positioniert. Als eine Alternative kann der Nachkühler 52 stromaufwärts des Umgebungsluftflusses 50 durch den Kühler 40 angeordnet sein, jedoch in einer Entfernung davon, um nicht den Umgebungsluftfluss 50 durch den Kühler 40 zu behindern. Als eine weitere Alternative kann der Nachkühler 52 stromabwärts des Umgebungsluftflusses 50 durch den Kühler 40 nahe der Luftauslassseite 48 angeordnet sein. Als eine weitere Alternative kann der Nachkühler 52 unter dem Kühler 40 angeordnet sein. Als eine weitere Alternative kann der Nachkühler 52 entfernt vom Kühler 40 angeordnet sein, und ein nicht gezeigter Hilfsventilator kann verwendet werden, um den Umgebungsluftfluss 50 dort hindurch zu zirkulieren. Bei dieser Anwendung hat der Nachkühler 52 einen Kern 54 mit einer Umgebungsluft- oder Aufnahmelufteinlassseite 56 und einer Luftauslassseite 58. In der in 2 gezeigten Konfiguration ist der Nachkühler 52 eine Querflussnachkühlerkonfiguration und hat einen Rahmen 60, in dem der Kern 54 positioniert ist. Der Kern 54 hat ein Einlassende 64, durch welches eine Abgabeeinlassluft eintritt, die durch Pfeile 66 gezeigt wird. Ein Auslassende 68 des Kerns 54 ist gegenüberliegend zum Einlassende 64 positioniert. Der Turbolader 36 und ein Leitungssystem 70 des Motors 18 bewirken betriebsmäßig, dass die Abgabeeinlassluft 66 in das Einlassenden 64 eintritt, durch den Kern 64 hindurchläuft und aus dem Auslassende 68 austritt und durch einen anderen Teil des Leitungssystems 70 zur Einlasssammelleitung 32 läuft.
An der Umgebungs- oder Aufnahmelufteinlassseite 56 des Nachkühlers 52 ist ein Umgebungsluftflussbegrenzungssystem 72 befestigt. Das Umgebungsluftflussbegrenzungssystem 72 verwendet in dieser Anwendung eine Vielzahl von Lüftungsklappen 74, die zwischen einer geschlossenen Position 76, wie in 2 gezeigt, und einer offenen Position 78 bewegbar sind, wie in 3 gezeigt. Als eine Alternative könnte eine Klappen- oder Schiebervorrichtung verwendet werden, ohne den Kern der Erfindung zu verändern. Das Begrenzungssystem 72 hat einen Rahmen 90, der ein Paar von horizontalen Gliedern 92 und ein Paar von vertikalen Gliedern 94 hat, die daran angebracht sind, um ein Kastenglied 96 mit einer im Allgemeinen rechteckigen Konfiguration zu bilden. Jedes des Paares von vertikalen Gliedern 94 hat eine Vielzahl von Bohrungen 98 darin. In dieser Anwendung hat jede der Vielzahl von Bohrungen 98 einen vorbestimmten Durchmesser und eine Beabstandung dazwischen. Das Begrenzungssystem 72 hat eine Vielzahl von Lüftungsklappen 74, die in dem Kastenglied 96 positioniert sind. Jede der Vielzahl von Lüftungsklappen 74 hat einen Endteil 102, der in einer jeweiligen Bohrung der Vielzahl von Bohrungen 98 der vertikalen Glieder 94 positioniert ist. Jeder der Endteile 102 ist konfiguriert, um sich innerhalb der jeweiligen einen Bohrung der Vielzahl von Bohrungen 98 zu drehen, wenn sich die jeweilige eine Lüftungsklappe der Vielzahl von Lüftungsklappen 74 stufenlos variabel zwischen der geschlossenen Position 76 und der offenen Position 78 bewegt. Das Begrenzungssystem 72 ist unter der Haube 19 positioniert.
Eine Verbindung 110 ist mit der Vielzahl von Lüftungsklappen 74 verbunden, und ein Steuersystem 120 steuert betriebsmäßig die Position der Vielzahl von Lüftungsklappen 74 zwischen der geschlossenen Position 76 und der offenen Position 78.
Das Steuersystem 120 hat eine Steuervorrichtung 122, die in dieser Anwendung ein Teil der Konfiguration des Motors 18 ist. Als eine Alternative kann die Steuervorrichtung 122 jedoch eine getrennte Einheit sein, ohne den Umfang der Erfindung zu verändern. Eine Betätigungsvorrichtung 124 ist in betrieblicher Verbindung mit der Steuervorrichtung 122 und der Verbindung 110. Beispielsweise hat ein Elektromagnet 126 einen Draht 128, der mit der Steuervorrichtung 122 in Ver bindung steht, und ein Signal mit einer variierenden Größe wird zum Elektromagneten 126 durch den Draht 128 übertragen. Als eine Alternative kann ein Zylinder, der pneumatisch oder hydraulisch betätigt ist, den Elektromagneten ersetzen und eine Vielzahl von Versorgungsleitungen kann als eine Alternative zum Draht 128 verwendet werden. Eine Vielzahl von Sensoren 130 ist an dem Motor 18 an vorbestimmten Stellen angebracht. Beispielsweise ist ein Teil von solchen vorbestimmten Stellen innerhalb der Einlasssammelleitung 32 und innerhalb des Auslasssystems 34. Ein weiterer Teil der Vielzahl von Sensoren 130 ist in dem Fluss der Aufnahmeumgebungsluft 50 und in dem Fluss der Abgabeeinlassluft 66 positioniert, und zwar vor dem Eintritt am Einlassende 64 und nach dem Austritt am Auslassende 68 des Nachkühlers 52. Ein Teil der Vielzahl von Sensoren 130 kann die Temperatur, den Druck und die Feuchtigkeit messen. Eine Vielzahl von Drähten 132 ist zwischen der Vielzahl von Sensoren 130 und der Steuervorrichtung 122 angeordnet und ein Signal wird dort hindurch zwischen dem jeweiligen einen Sensor der Vielzahl von Sensoren 130 und der Steuervorrichtung 122 übertragen.
Industrielle Anwendbarkeit
Im Betrieb arbeitet das Fahrzeug 10 in einer Umgebung mit einer warmen Temperatur, die beispielsweise durchgängig auf 90° Fahrenheit oder darüber ist. Unter diesen Bedingungen muss die Abgabeeinlassluft 66 maximal oder nahe dem Maximum gekühlt werden, um eine maximale Leistungsausgabe des Motors 18 vorzusehen. Somit überwacht die Vielzahl von Sensoren 130 Betriebsbedingungen des Motors 18 und übermittelt die jeweiligen Signale an die Steuervorrichtung 122. Die Steuervorrichtung 122 speichert, berechnet und integriert das jeweilige Signal, abhängig von einem festen Satz der Variablen. Und unter den Betriebsbedingungen der Umgebung, einer warmen Temperatur, hält die Betätigungsvorrichtung 24 die Vielzahl von Lüftungsklappen 74 in der offenen Position 78. Somit läuft der maximale Fluss der Umgebungsaufnahmeluft 50 durch den Kern 54 des Nachkühlers 52, und die Abgabeeinlassluft 66 wird auf dem Maximum oder nahe dem Maximum gekühlt.
Gemäß einem weiteren Beispiel arbeitet das Fahrzeug 10 in einer Umgebung mit einer kalten Temperatur, die beispielsweise konstant 50 Grad Fahrenheit oder darunter ist. Unter diesen Bedingungen muss verhindert werden, dass die Abgabeeinlassluft 66 gekühlt wird, um einen strukturellen Schaden am Motor 18 zu verhindern, um einen effizienten Betrieb des Motors 18 vorzusehen und übermäßige Emissionen zu verhindern. Somit überwacht die Vielzahl von Sensoren 130 die Betriebsbedingungen des Motors 18 und übermittelt die jeweiligen Signale an die Steuervorrichtung 122. Die Steuervorrichtung 122 speichert, berechnet und integriert die Signale, abhängig von einem festen Satz von Variablen. Und unter den Betriebsbedingungen der Umgebung, einer kalten Temperatur, hält sie die Vielzahl von Lüftungsklappen 74 in der geschlossenen Position 76. Somit läuft der minimale Fluss der Umgebungsaufnahmeluft 50 durch den Kern 54 des Nachkühlers 52, und es wird verhindert, dass die Abgabeeinlassluft 66 gekühlt wird.
Wenn das Fahrzeug 10 in einer Umgebung arbeitet, die weder auf der warmen noch auf der kalten Temperatur ist, die beispielsweise konstant zwischen 50 und 70 Grad Fahrenheit ist, muss das Begrenzungssystem 72 so betrieben werden, dass die Vielzahl von Lüftungsklappen 74 zwischen der geschlossenen Position 76 und der offenen Position 78 ist. Unter diesen Bedingungen muss die Abgabeeinlassluft 66 gekühlt werden, jedoch nicht maximal gekühlt werden oder minimal gekühlt werden, um eine maximale Leistungsausgabe aus dem Motor 18 vorzusehen, um Emissionen aus dem Motor 18 zu steuern und den Motor effizient zu betreiben. Somit überwacht die Vielzahl von Sensoren 130 die Betriebsbedingungen des Motors 18 und übermittelt die jeweiligen Signale an die Steuervorrichtung 122. Die Steuervorrichtung 122 speichert, berechnet und integriert die Signale, abhängig von einem festen Satz von Variablen. Und unter den Betriebsbedingungen der Umgebung, d. h. weder einer warmen noch einer kalten Temperatur, hält sie die Vielzahl von Lüftungsklappen 74 in einer Position zwischen der geschlossenen Position 76 und der offenen Position 78. Wenn die Temperatur der Umgebung sich verändert, wird die Position der Vielzahl von Lüftungsklappen 74 auch entsprechend zwischen der geschlossenen Position 76 und der offenen Position 78 variieren. Somit läuft der geeignete Fluss von Umgebungsaufnahmeluft 50 durch den Kern 54 des Nachkühlers 52, und die Abgabeeinlassluft 66 wird auf ihre ordnungsgemäße Temperatur gekühlt, um effizient den Motor 18 unter allen Umgebungsumweltbedingungen zu betreiben.
Mit dem Umgebungsluftflussbegrenzungssystem 72 kann somit die Temperatur der Abgabeeinlassluft 66 überwacht und auf eine vorbestimmte Temperatur gesteuert werden. Wenn die Umgebungstemperatur der Aufnahmeumgebungsluft 50 zwischen warm und kalt variiert, steuert das Umgebungsluftflussbegrenzungssystem 72, insbesondere die Vielzahl von Lüftungsklappen 74, die Flussrate der Aufnahmeumgebungsluft 50. Wenn die Aufnahmeeinlassluft 66 kühler sein muss, wird somit die Flussrate der Aufnahmeumgebungsluft 50 gesteigert. Und falls die Abgabeeinlassluft 66 wärmer sein muss, wird in ähnlicher Weise die Flussrate der Aufnahmeumgebungsluft 50 verringert.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche gewonnen werden.

Claims

Motor (18) mit einem Abgabeeinlassluftfluss (66), der durch eine Einlasssammelleitung (32) eintritt, wobei der Abgabeeinlassluftfluss (66) durch einen Nachkühler (52) eintritt und eine voreingerichtete Temperatur hat, wobei der Nachkühler (52) eine Luft-Luft-Konfiguration hat, wobei ein Aufnahmeumgebungsluftfluss (50) durch den Nachkühler (52) läuft; wobei der Motor Folgendes aufweist: einen ersten Sensor (130) in der Einlasssammelleitung (32); einen zweiten Sensor (130), der eine Temperatur des Aufnahmeumgebungsluftflusses (50) misst; eine Steuervorrichtung (122), die von den Sensoren (130) Signale aufnimmt, welche die Temperaturen der Luftflüsse (50, 66) definieren; und ein Aufnahmeumgebungsluftflussbegrenzungssystem (74), welches eine Flussrate der Aufnahmeumgebungsluft durch den Nachkühler (52) definiert; wobei das Aufnahmeumgebungsluftflussbegrenzungssystem (74) eine Vielzahl von Lüftungsklappen aufweist, die zwischen einer geschlossenen Position (76) und einer offenen Position (78) bewegbar sind, wobei die Steuervorrichtung (122) die Vielzahl von Lüftungsklappen (74) so steuert, dass diese stufenlos auf irgendeine Position zwischen der geschlossenen Position (76) und der offenen Position (78) einstellbar sind, und zwar durch Vergleichen der Temperatur der Abgabeeinlassluft (66) mit einem ersten festen Satz von Variablen; durch Vergleichen der Temperatur des Aufnahmeumgebungsluftflusses (50) mit einem zweiten festen Satz von Variablen; und durch Steuern der Flussrate des Aufnahmeumgebungsluftflusses durch den Luft-Luft-Nachkühler basierend auf dem Ergebnis der Vergleichsschritte durch entsprechende Einstellung der Position einer Vielzahl der stufenlos variablen Lüftungsklappen (74) im Pfad des Aufnahmeumgebungsluftflusses zwischen einer geschlossenen Position (76) und der offenen Position (78).
Motor nach Anspruch 1, wobei das Aufnahmeumgebungsluftflussbegrenzungssystem (74) eine Betätigungsvorrichtung (124) aufweist, die mit einer Verbindung (110) verbunden ist, welche mit der Vielzahl von Lüftungsklappen (74) verbunden ist, um die Vielzahl von Lüftungsklappen (74) zwischen der geschlossenen Position (76) und der offenen Position (78) zu bewegen.
Motor nach Anspruch 2, wobei die Betätigungsvorrichtung (124) einen Elektromagneten (126) aufweist.
Verfahren zur Steuerung einer Temperatur von Abgabeeinlassluft (66), die durch einen Luft-Luft-Nachkühler (52) läuft, der durch einen Aufnahmeumgebungsluftfluss (50) gekühlt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Abfühlen einer Temperatur der Abgabeeinlassluft (66); Abfühlen der Temperatur des Aufnahmeumgebungsluftflusses (50) Vergleichen der Temperatur der Abgabeeinlassluft (66) mit einem ersten festen Satz von Variablen; Vergleichen der Temperatur des Aufnahmeumgebungsluftflusses (50) mit einem zweiten festen Satz von Variablen; und Steuern der Flussrate des Aufnahmeumgebungsluftflusses durch den Luftluft-Nachkühler basierend auf dem Ergebnis der Vergleichsschritte durch entsprechende Einstellung der Position einer Vielzahl der stufenlos variablen Lüftungsklappen (74) im Pfad des Aufnahmeumgebungsluftflusses zwischen einer geschlossenen Position (76) und einer offenen Position (78).