專利名稱：具有冷卻器旁路的中冷器配置結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種中冷器配置結(jié)構(gòu)，更特別地，涉及一種具有冷卻 器旁通管線的中冷器配置結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
如圖1A中所見，其顯示了傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機l，渦輪增壓器或增壓 器2壓縮引入的空氣，使它被加熱。因為在相同的壓力下，熱空氣比冷 卻空氣的密度小，所以輸送到氣缸的總進氣比它可能的要少。通過在 壓縮之后使用諸如中冷器(charge air cooler) (CAC) 4或在多級渦輪增 壓系統(tǒng)中的中間冷卻器(intercooler)的裝置冷卻進氣，可輸送更多的進 氣，以提高功率。另外，諸如CAC和中間冷卻器的裝置有助于通過降 低進氣的溫度來增加在氣缸中的爆震開始以前容許的總升壓量。
廢氣再循環(huán)(EGR)是在大多數(shù)汽油和柴油發(fā)動機中使用的NOx (氧化氮和二氧化氮)減排技術(shù)。EGR通過使某一百分比(例如，5-10 %)的發(fā)動機廢氣再循環(huán)回到發(fā)動機氣缸而工作。使引入的空氣與再 循環(huán)廢氣混合稀釋了具有惰性氣體的混合氣，該惰性氣體減緩了燃燒 并降低了峰值溫度。因為NOx的形成在高溫下進行得更快，所以EGR 用于限制NOx的生成。NOx主要由于氧氣和高溫的存在而形成。
廢氣再循環(huán)通常通過設置從排氣歧管6到進氣歧管7的管線5來實 現(xiàn)。循環(huán)中的控制閥8 (EGR閥)調(diào)整氣流并對其計時。在現(xiàn)代的柴油 發(fā)動機中，通常使用熱交換器(EGR冷卻器)9對EGR氣體進行冷卻以 允許更大量的再循環(huán)氣體的引入。
當諸如CAC 4的裝置將增壓空氣冷卻到該增壓空氣的露點之下的
溫度時，特別是當與廢氣混合時所產(chǎn)生的冷凝可能對諸如進氣閥和進 氣閥座之類的發(fā)動機部件是有害的。 一個現(xiàn)有的解決方案包括當離開
CAC的增壓空氣的溫度降至露點溫度之下時，切斷EGR。因為此解決 方案增加了NOx的形成，所以它沒有被美國環(huán)境保護局批準。
另一現(xiàn)有的解決方案包括引導一些增壓空氣通過旁路IO。然而， 當僅僅一部分增壓空氣旁通CAC 4時，即使已經(jīng)旁通CAC的增壓空氣與 已經(jīng)通過CAC的增壓空氣的混合氣可以處于高于露點的溫度，如圖1B 的曲線圖中的點A處所見，但是通過CAC的增壓空氣仍可能被冷卻到低 于露點的溫度，如點B處所見。因此，CAC旁路10沒有完全解決冷凝的 問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面， 一種具有中冷器配置的發(fā)動機包括發(fā)動機、 通向所述發(fā)動機的進氣口、設置在所述進氣口上游的第一中冷器、設 置在所述第一中冷器上游的第二冷卻器以及用于旁通所述第一中冷器 上游的所述第二冷卻器的旁通管線。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種中冷器配置結(jié)構(gòu)包括設置在發(fā)動機 進氣口上游的第一中冷器、設置在所述第一中冷器上游的第二冷卻器 以及用于旁通所述第二冷卻器的旁通管線，所述旁通管線的下游端設 置在所述第一中冷器的上游。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面， 一種減少具有增壓空氣冷卻的發(fā)動機中 的冷凝的方法包括促使進氣流過位于第二冷卻器和設置用于旁通所述 第二冷卻器的旁通管線的下游的第一中冷器，以及通過調(diào)節(jié)穿過所述 第二冷卻器和所述旁通管線的進氣流的量來調(diào)節(jié)所述第一中冷器下游 的進氣溫度。


通過閱讀下文結(jié)合附圖的詳細描述將會更好地理解本發(fā)明的特征 和優(yōu)點，在附圖中，相同的附圖標記表示相似的元件，并且其中
圖1A示意性顯示了具有CAC、 CAC旁路和EGR的現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動 機，圖1B是穿過圖1A中所示類型的CAC和旁路的增壓空氣溫度的曲線 圖2A示意性顯示了具有根據(jù)本發(fā)明實施例的CAC的發(fā)動機，圖2B 是穿過圖2A中所示類型的CAC和旁路的增壓空氣溫度的曲線圖；以及 圖3示意性顯示了具有根據(jù)本發(fā)明另一實施例的CAC的發(fā)動機。
具體實施例方式
具有中冷器配置23的發(fā)動機21在圖2A中示出。通常為進氣歧管25 的進氣口通向發(fā)動機21。第一中冷器27 (CAC)設置在進氣歧管25的 上游。第一CAC 27可能比通常用于傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機的CAC的效率低。 更特別地，期望地是對于位于第一CAC中或下游的空氣，第一CAC27 不能夠充分有效地將期望運行發(fā)動機21的溫度和相對濕度的范圍內(nèi)的 空氣冷卻到露點以下。換句話說，第一CAC 27通常將不能引起第一CAC 下游的冷凝。
第二冷卻器29設置在第一CAC27的上游。期望地是串聯(lián)運行的第 二冷卻器29和第一CAC 27能夠?qū)⑵谕\行發(fā)動機21的溫度和相對濕度 的范圍內(nèi)的進氣溫度降低到明顯低于第一CAC 27通過其自身所降低到 的溫度。串聯(lián)運行的第一CAC 27和第二冷卻器29能夠?qū)⑦M氣溫度降低 到該進氣的露點或露點以下的溫度。
旁通管線31設置用于旁通第一CAC 27上游的第二冷卻器29。旁通 管線31的下游端33與第一CAC 27和第二冷卻器29之間的導管35處于流 通。當進氣流過旁通管線31時，第一CAC 27不會將該空氣冷卻到當所 有進氣流過第二冷卻器29時的溫度。
EGR回路37可與進氣歧管25處于流通。期望地是第一CAC 27下游
的進氣溫度足夠高以避免冷凝，因為特別是與EGR排氣一起的冷凝往
往會產(chǎn)生對諸如進氣閥和閥座的發(fā)動機部件有害的產(chǎn)物。通過切斷通
過第二冷卻器29的流動并引導所有流動通過旁通管線31，或者通過適 當?shù)仄胶饬鬟^第二冷卻器的空氣量和流過旁通管線的空氣量，第一 CAC 27下游的進氣溫度可保持在預期溫度或預期溫度之上。
穿過第二冷卻器29的進氣與穿過旁通管線31的進氣的適當平衡可 使用適于調(diào)節(jié)穿過第二冷卻器和旁通管線的進氣流的閥配置39來實 現(xiàn)。閥配置39可適于完全切斷穿過旁通管線31和/或穿過第二冷卻器29 的流動，或者可適于允許以預期的程度穿過第二冷卻器和旁通管線兩 者的流動。圖2A顯示了包括閥41和43的閥配置，所述閥41和43分別用 于調(diào)節(jié)穿過第二冷卻器29和旁通管線31的流動。閥41和43可僅具有打 開/關閉模式或者可調(diào)節(jié)到位于完全打開和完全關閉之間的各種狀態(tài)。 其它閥配置通常也是可利用的，諸如用于允許僅流向第二冷卻器29和 旁通管線31中的一個的三通閥。圖2B是曲線圖，顯示了當進氣流過系 統(tǒng)時，通過使一些進氣流過第二冷卻器29，從而這些空氣被冷卻(在 點C處離開第二冷卻器)，并且使一些進氣流過旁通管線31從而使這些 空氣不被冷卻，當這兩股流結(jié)合(在點D處)然后通過第一CAC27時， 由此產(chǎn)生的冷卻流(點E)的溫度可保持處于露點溫度之上。
可設置包括傳感器的傳感器配置，該傳感器適于檢測有關進氣的 露點的數(shù)據(jù)并適于將關于該數(shù)據(jù)的信號發(fā)送到控制器49，控制器49響 應該信號控制閥配置39。有關進氣的露點的數(shù)據(jù)通常包括第一CAC 27 和第二冷卻器29的上游的進氣溫度和/或相對濕度、第一CAC上游和第 二冷卻器下游的進氣溫度和/或相對濕度以及第一CAC和第二冷卻器的
下游的進氣溫度和/或相對濕度中的一個或多個。此數(shù)據(jù)可通過分別位 于第一CAC 27和第二冷卻器29的上游的溫度和/或相對濕度傳感器471 和472、分別位于第一CAC上游和第二冷卻器下游的溫度和/或相對濕度 傳感器473和474以及分別位于第一CAC和第二冷卻器的下游的溫度和/ 或相對濕度傳感器475和476來收集。因此，該傳感器配置可包括諸如 溫度傳感器(例如，溫度計和感溫開關)、濕度傳感器或露點傳感器 (諸如濕度計)等傳感器，盡管列出了上述類型的傳感器，但是并非 意在將可用于確定或估計進氣露點的設備限于這些類型。
傳感器配置可包括溫度傳感器475的形式的傳感器，其適于監(jiān)測第 一CAC 27下游的溫度并將關于該溫度的信號發(fā)送到控制器49，以響應 該信號控制閥配置39?？刂破?9可設置為響應第一CAC 27下游的溫度 低于進氣的露點溫度的信號來調(diào)節(jié)閥配置39，從而減少通過第二冷卻 器29的流動而增加通過旁通管線31的流動。信號可基于其它可用于計 算在第一CAC的下游是否存在冷凝條件的因素，諸如第一CAC 27和第 二冷卻器29的上游和下游的壓力、相對濕度以及溫度的測量，或者信 號可僅基于單一參數(shù)，例如在某點(諸如第一CAC下游)處的溫度的 測量，在該點處可以預計在典型操作條件下，在第一CAC的下游將通 常存在冷凝。當所監(jiān)測/檢測到的條件是預計在第一CAC 27的下游存在 冷凝時，可打開旁路31和/或關閉第二冷卻器29，從而第一CAC27下游 的條件不太可能引起冷凝。
EGR回路37將通常與進氣口25處于連通。EGR回路37包括EGR閥 53，該EGR閥53響應來自傳感器配置的信號以打開和關閉EGR閥。EGR 閥53可以例如響應來自第一CAC 27下游的反映可能引起冷凝的條件的 溫度傳感器475的信號而被關閉。溫度傳感器475可向控制器49發(fā)送信 號，控制器49又向EGR閥發(fā)送信號。EGR回路37還包括EGR冷卻器55 和傳統(tǒng)EGR系統(tǒng)的其它部件，并且可與傳統(tǒng)EGR系統(tǒng)以基本相同的方 式操作。
第二冷卻器29可以是任意合適類型的冷卻器。典型地，第二冷卻 器將是位于渦輪增壓器57或增壓器的下游的CAC，如圖2A中所見，或 者如圖3中所見，第二冷卻器29可以是例如位于兩極渦輪增壓系統(tǒng)的第 一渦輪增壓器57下游和第二渦輪增壓器157上游的中間冷卻器。
在減少具有增壓空氣冷卻配置23的發(fā)動機21中的冷凝的方法中，
促使進氣流過位于第二冷卻器29下游以及設置用于旁通第二冷卻器的 旁通管線31下游的第一CAC 27。第一CAC 27下游的進氣溫度通過調(diào)節(jié) 穿過第二冷卻器29和旁通管線31的進氣流的量來進行調(diào)節(jié)。穿過第二 冷卻器29和旁通管線31的進氣流的量能以任意合適的方式，諸如通過 切斷一條管線而打開另一管線，或者通過部分打開或關閉一條或兩條 管線而進行調(diào)節(jié)，由此以實現(xiàn)第一CAC 27下游的預期溫度。
典型地，進氣溫度將被監(jiān)測，并且穿過第二冷卻器29和旁通管線 31的進氣流的量將作為進氣溫度的函數(shù)來進行調(diào)節(jié)。例如，當諸如溫 度傳感器475的傳感器確定第一CAC 27下游的溫度已降到接近、處于或 低于預期出現(xiàn)冷凝的溫度時，可降低穿過第二冷卻器29的流量，并可 增加穿過旁路的流量。除了監(jiān)測第一CAC 27下游的進氣溫度外，可諸 如通過傳感器471和/或473來監(jiān)測第一CAC上游的進氣溫度。此外，可 監(jiān)測除溫度之外的參數(shù)，并且穿過第二冷卻器29和旁通管線31的流量 可作為單獨這些參數(shù)或與其它參數(shù)結(jié)合的函數(shù)來進行控制。
在本申請中，諸如"包括"之類的術(shù)語的使用是開放式的，意在 與諸如"包含"之類的術(shù)語具有相同的意義，而并不排除存在其它結(jié) 構(gòu)、材料或作用。同樣地，盡管諸如"能夠"或"可以"之類的術(shù)語 的使用確定為開放式的并意在反映該結(jié)構(gòu)、材料或作用不是必需的， 但是不使用這些術(shù)語并不意在反映該結(jié)構(gòu)、材料或作用是必要的。當 目前認為該結(jié)構(gòu)、材料或作用是必要的時，則將它們確定為這樣。
盡管已根據(jù)優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了說明和描述，但是應認識 到在不偏離如在權(quán)利要求中所提出的本發(fā)明的情況下，可對其進行變 型和變化。
權(quán)利要求
1. 一種具有中冷器配置的發(fā)動機，包括發(fā)動機；進氣口，其通向所述發(fā)動機；第一中冷器，其設置在所述進氣口的上游；第二冷卻器，其設置在所述第一中冷器的上游；以及旁通管線，其用于旁通所述第一中冷器上游的所述第二冷卻器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，包括與所述 進氣口連通的EGR回路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，包括適于調(diào) 節(jié)穿過所述第二冷卻器和所述旁通管線的進氣流的閥配置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，其中，所述 閥配置適于切斷穿過所述旁通管線的流動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，其中，所述 閥配置適于切斷穿過所述第二冷卻器的流動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，其中，所述 閥配置適于切斷穿過所述第二冷卻器的流動。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，其中，所述 閥配置適于允許穿過所述第二冷卻器和所述旁通管線的流動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，包括傳感器 配置，所述傳感器配置包括傳感器，所述傳感器適于檢測有關進氣的 露點的數(shù)據(jù)并將關于所述數(shù)據(jù)的信號發(fā)送到控制器，以響應所述信號控制所述閥配置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，其中，所述傳感器配置包括溫度傳感器，所述溫度傳感器適于監(jiān)測所述第一中冷 器下游的溫度并將關于所述溫度的信號發(fā)送到所述控制器，以響應所 述信號控制所述閥配置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，其中，所 述控制器設置為響應所述第一中冷器下游的溫度低于所述進氣的露點 的信號來調(diào)節(jié)所述閥配置，從而減少穿過所述第二冷卻器的流動而增 加穿過所述旁通管線的流動。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，包括與所 述進氣口連通的EGR回路，所述EGR回路包括EGR閥，所述EGR 閥響應來自所述傳感器配置的信號以打開和關閉所述EGR閥。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，包括傳感 器配置，所述傳感器配置包括溫度傳感器，所述溫度傳感器適于監(jiān)測 所述第一中冷器下游的溫度并將關于所述溫度的信號發(fā)送到控制器， 以響應所述信號控制所述閥配置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，其中，所 述第二冷卻器是中冷器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有中冷器配置的發(fā)動機，其中，所 述第二冷卻器是位于兩極渦輪增壓系統(tǒng)的第一渦輪增壓器下游和第二 渦輪增壓器上游的中間冷卻器。
15. —種中冷器配置結(jié)構(gòu)，包括 第一中冷器，其設置在發(fā)動機進氣口的上游；第二冷卻器，其設置在所述第一中冷器的上游；以及 旁通管線，其用于旁通所述第二冷卻器，所述旁通管線的下游端 設置在所述第一中冷器的上游。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的中冷器配置結(jié)構(gòu)，包括適于調(diào)節(jié)穿過 所述第二冷卻器和所述旁通管線的進氣流的闊配置。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的中冷器配置結(jié)構(gòu)，包括傳感器配置，所述傳感器配置包括傳感器，所述傳感器適于檢測有關進氣的露點的 數(shù)據(jù)并將關于所述數(shù)據(jù)的信號發(fā)送到控制器，以響應所述信號控制所 述閥配置。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的中冷器配置結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器 配置包括溫度傳感器，所述溫度傳感器適于監(jiān)測所述第一中冷器下游 的溫度并將關于所述溫度的信號發(fā)送到所述控制器，以響應所述信號 控制所述閥配置。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的中冷器配置結(jié)構(gòu)，其中，所述控制器 設置為響應所述第一中冷器下游的溫度低于所述進氣的露點的信號來 調(diào)節(jié)所述閥配置，從而減少穿過所述第二冷卻器的流動而增加穿過所 述旁通管線的流動。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的中冷器配置結(jié)構(gòu)，包括傳感器配置， 所述傳感器配置包括溫度傳感器，所述溫度傳感器適于監(jiān)測所述第一 中冷器下游的溫度并將關于所述溫度的信號發(fā)送到控制器，以響應所 述信號控制所述閥配置。
21. —種減少具有增壓空氣冷卻的發(fā)動機中的冷凝的方法，包括: 促使進氣流過位于第二冷卻器和設置用于旁通所述第二冷卻器的旁通管線的下游的第一中冷器；以及通過調(diào)節(jié)穿過所述第二冷卻器和所述旁通管線的進氣流的量來調(diào) 節(jié)所述第一中冷器下游的進氣溫度。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的減少具有增壓空氣冷卻的發(fā)動機中的 冷凝的方法，包括監(jiān)測進氣溫度，并調(diào)節(jié)作為進氣溫度的函數(shù)的穿過 所述第二冷卻器和所述旁通管線的進氣流的量。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的減少具有增壓空氣冷卻的發(fā)動機中的 冷凝的方法，其中，在所述第一中冷器的上游監(jiān)測進氣溫度。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的減少具有增壓空氣冷卻的發(fā)動機中的 冷凝的方法，其中，在所述第一中冷器的下游監(jiān)測進氣溫度。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的減少具有增壓空氣冷卻的發(fā)動機中的 冷凝的方法，其中，還在所述第一中冷器的上游監(jiān)測空氣溫度。
全文摘要
一種中冷器配置結(jié)構(gòu)，包括設置在發(fā)動機進氣口上游的第一中冷器、設置在第一中冷器上游的第二冷卻器以及用于旁通第二冷卻器的旁通管線，該旁通管線的下游端設置在第一中冷器的上游。還公開了一種減少具有增壓空氣冷卻的發(fā)動機中的冷凝的方法。
文檔編號F02B33/00GK101389839SQ200680053381
公開日2009年3月18日 申請日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者春 太, 托德·科林·雷佩特 申請人:馬克卡車公司