用于渦輪增壓器驅(qū)動的冷卻劑泵的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的領(lǐng)域大體涉及用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的增壓空氣冷卻器冷卻劑回路。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪增壓和機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)可以被構(gòu)造成壓縮進(jìn)入發(fā)動機(jī)的環(huán)境空氣，以便增加動力。因為空氣的壓縮會導(dǎo)致空氣溫度的增加，所以可以采用增壓空氣冷卻器(CAC ;也稱為中間冷卻器)來冷卻被加熱空氣，從而增加空氣的密度并且進(jìn)一步增加發(fā)動機(jī)的潛在動力。在一種示例中，CAC可以是液冷式CAC且其中冷卻劑流過CAC的內(nèi)部冷卻管。同樣地，會需要被聯(lián)接到CAC的冷卻劑栗以控制流過CAC的冷卻劑，并且因而局部CAC冷卻。CAC可以用于在溫度足夠低以增加燃燒穩(wěn)定性但又足夠高以減少在CAC內(nèi)的冷凝物形成時維持增壓空氣。
[0003]然而，如果發(fā)生由CAC過冷，那么在比壓縮空氣的露點(diǎn)更冷的CAC的任何內(nèi)表面上可形成冷凝物(例如，水滴)。在瞬態(tài)狀態(tài)期間，諸如在猛烈的車輛加速期間，這些水滴會被吹出CAC并進(jìn)入發(fā)動機(jī)的燃燒室內(nèi)，從而導(dǎo)致例如發(fā)動機(jī)不點(diǎn)火、扭矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速損失以及不完全燃燒的可能性增加。
[0004]—種用于控制CAC的溫度以便減少進(jìn)入燃燒室的冷凝物量的方法公開于Borrmann等人的美國專利申請公開2003/0056772中。在Borrmann的文獻(xiàn)中，提供了具有水冷式CAC、熱交換器和冷卻劑栗的增壓空氣冷卻回路以冷卻遞送到內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的增壓空氣的溫度。為了調(diào)制增壓空氣溫度，提供了電動水栗，并且該電動水栗響應(yīng)于與相鄰CAC被設(shè)置的溫度傳感器通信的調(diào)節(jié)單元。當(dāng)溫度傳感器測量冷卻劑的溫度時，其將信號中繼到調(diào)節(jié)單元以打開或關(guān)閉電動冷卻劑栗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本文的發(fā)明人已認(rèn)識到以上系統(tǒng)的各種問題。具體地，具有水冷卻式CAC的前述增壓空氣冷卻回路需要由電動或發(fā)動機(jī)驅(qū)動的冷卻劑栗驅(qū)動的增壓空氣冷卻回路。然而，這種構(gòu)造需要附加回路和能量以驅(qū)動冷卻劑栗。因而，增加了這種系統(tǒng)的復(fù)雜性、能量消耗和包裝負(fù)擔(dān)。結(jié)果，可存在制造成本上的提高和燃料經(jīng)濟(jì)性上的總體減少。
[0006]作為一種示例，上述問題可以通過用于基于渦輪增壓器速度用單個冷卻劑栗調(diào)整通過增壓空氣冷卻器的冷卻劑流量的方法來解決，其中所述單個冷卻劑栗通過來自渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動功率機(jī)械地驅(qū)動。用這種方式，單個冷卻劑栗的操作由來自渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動功率供以動力，并且單個冷卻劑栗的操作由渦輪增壓器的速度控制，從而減少發(fā)動機(jī)功率消耗并控制發(fā)動機(jī)的復(fù)雜性。
[0007]例如，冷卻劑栗可以被機(jī)械地聯(lián)接到將渦輪增壓器壓縮機(jī)聯(lián)接到渦輪增壓器渦輪的渦輪增壓器的轉(zhuǎn)軸并且因而由所述轉(zhuǎn)軸驅(qū)動。這樣，冷卻劑栗通過渦輪增壓器的速度供以動力，并且隨著轉(zhuǎn)軸速度的增加冷卻劑栗的速度增加。冷卻劑栗可以設(shè)置在包括增壓空氣冷卻器(CAC)、低溫散熱器和恒溫器閥的增壓空氣冷卻回路中。隨渦輪增壓器速度的增加，通過CAC的冷卻劑流量增加。進(jìn)一步地，隨渦輪增壓器速度的增加，來自壓縮機(jī)和到CAC的增壓空氣流量也增加。用這種方式，CAC可以給隨渦輪增壓器速度的增加而增加的增壓空氣流量提供所需的冷卻。這樣，在冷卻劑栗被機(jī)械地聯(lián)接到的渦輪增壓器的轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度和由壓縮機(jī)產(chǎn)生的受熱增壓空氣之間存在正的線性關(guān)系。而且，冷卻劑栗直接聯(lián)接到渦輪增壓器的轉(zhuǎn)軸的系統(tǒng)消除對驅(qū)動增壓空氣冷卻回路的附加電氣系統(tǒng)(例如，電氣、電池或發(fā)動機(jī)驅(qū)動的部件)的需要。因此，可以減少發(fā)動機(jī)控制的復(fù)雜性和功率消耗。
[0008]應(yīng)當(dāng)理解，提供以上概要以簡化形式來介紹選擇的在詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的概念。并不旨在識別要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要特征，其范圍由隨附于詳細(xì)描述的權(quán)利要求書唯一地限定。此外，要求保護(hù)的主題不限于解決以上或在本公開的任何部分中提到的任何缺點(diǎn)的實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0009]圖1是包括增壓空氣冷卻器、冷卻劑栗和渦輪增壓器的示例發(fā)動機(jī)示意圖。
[0010]圖2是聯(lián)接到渦輪增壓器的示例增壓空氣冷卻回路的放大示意圖。
[0011]圖3是示出用于為冷卻劑栗供以動力的示例方法的流程圖。
[0012]圖4是示出用于基于冷卻劑栗的冷卻劑載荷調(diào)整廢氣門的示例方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]以下描述涉及用于使用渦輪增壓器的排氣驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)給冷卻劑栗供以動力以驅(qū)動冷卻劑的方法和系統(tǒng)。在一種示例中，具有葉輪的冷卻劑栗可操作地聯(lián)接到從渦輪增壓器的壓縮機(jī)側(cè)軸向延伸的轉(zhuǎn)軸。隨轉(zhuǎn)軸響應(yīng)于排氣的流動而旋轉(zhuǎn)，葉輪可同時旋轉(zhuǎn)，從而為冷卻劑栗供以動力以驅(qū)動冷卻劑到回路(諸如增壓空氣冷卻回路)中，而無需附加發(fā)動機(jī)驅(qū)動或電動的冷卻劑栗或電源。因而，通過在發(fā)動機(jī)系統(tǒng)(諸如在圖1中示出的發(fā)動機(jī)系統(tǒng))中的CAC可以提供增壓空氣冷卻。CAC可以是用由單個冷卻劑栗栗送的內(nèi)部循環(huán)冷卻劑冷卻增壓空氣的水至空氣CAC。圖2示出系統(tǒng)的實施例的另一示例，所述系統(tǒng)包括帶有被聯(lián)接到渦輪增壓器的轉(zhuǎn)軸的冷卻劑栗的增壓空氣冷卻回路，使得具有葉輪的冷卻劑栗以基本上與渦輪相同的RPM旋轉(zhuǎn)。圖3示出用于使用圖1和圖2的系統(tǒng)驅(qū)動冷卻劑流動的示例方法。圖4示出用于基于對設(shè)置在圍繞渦輪增壓器的渦輪的旁路通道中的廢氣門閥的調(diào)整控制驅(qū)動冷卻劑栗的功率量的示例方法。
[0014]圖1示出在機(jī)動車輛中示意性示出的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)100的示例實施例。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)100可以被包括在諸如公路車輛的車輛以及其它類型交通工具中。雖然發(fā)動機(jī)系統(tǒng)100的示例應(yīng)用將參考車輛進(jìn)行描述，不過應(yīng)該理解，可以使用各種類型的發(fā)動機(jī)和車輛推進(jìn)系統(tǒng)，包括客車、卡車等。
[0015]在所描述的實施例中，發(fā)動機(jī)10是被聯(lián)接到包括通過渦輪16驅(qū)動的壓縮機(jī)14的渦輪增壓器13的升壓發(fā)動機(jī)。具體地，新鮮空氣沿進(jìn)氣通道42經(jīng)由空氣凈化器11引入到發(fā)動機(jī)10中并流向壓縮機(jī)14。壓縮機(jī)可以是合適的進(jìn)氣空氣壓縮機(jī)，諸如馬達(dá)驅(qū)動或驅(qū)動軸驅(qū)動的機(jī)械增壓器壓縮機(jī)。在發(fā)動機(jī)系統(tǒng)100中，壓縮機(jī)14被示為經(jīng)由轉(zhuǎn)軸19機(jī)械地聯(lián)接到渦輪16的渦輪增壓器壓縮機(jī)，渦輪16通過使發(fā)動機(jī)排氣膨脹來驅(qū)動。這樣，壓縮機(jī)14的速度可以基于渦輪16的速度。隨渦輪16的速度增加，因而壓縮機(jī)的速度也增加，以便可以提供更多升壓到進(jìn)氣歧管22。在圖1示出的實施例中，在進(jìn)氣歧管內(nèi)增壓空氣的壓力通過歧管空氣壓力(MAP)傳感器124進(jìn)行感測。由于流過壓縮機(jī)能夠加熱壓縮空氣，所以提供下游CAC 18，以便升壓進(jìn)氣增壓空氣在遞送到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口之前能夠被冷卻。
[0016]在一種實施例中，提供增壓空氣冷卻回路130，其包括具有葉輪和栗殼的冷卻劑栗140，如圖2所示(下面進(jìn)一步描述)。冷卻劑栗140機(jī)械地聯(lián)接到渦輪增壓器13的轉(zhuǎn)軸19，如圖2所示。在一種示例中，冷卻劑栗140的葉輪被裝配在渦輪16的一個或更多個減摩軸承和壓縮機(jī)的一個或更多個減摩軸承之間(兩者均未示出)的轉(zhuǎn)軸19的位置處。在另一實施例中，在壓縮機(jī)14的與渦輪16相反的側(cè)面上在壓縮機(jī)14近側(cè)的轉(zhuǎn)軸的下游端在軸向上通過一個或更多個適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)(諸如鑄造或焊接)進(jìn)行延伸(在圖2中示出，下面進(jìn)一步描述)。延伸部分的長度和寬度決定于與葉輪和其它冷卻劑栗部件的尺寸和形狀的兼容性。葉輪被裝配在轉(zhuǎn)軸的延伸部分上的一個位置處，并且可以被設(shè)置在壓縮機(jī)14的一個或更多個減摩軸承和被安裝在延伸部分的下游端處的一個或更多個減摩軸承之間(兩者均未示出)。用這種方式，渦輪增壓器13的轉(zhuǎn)軸19充當(dāng)驅(qū)動輪，并且可以安全地和有效地提供轉(zhuǎn)動功率以驅(qū)動冷卻劑栗140的葉輪。渦輪驅(qū)動的冷卻劑栗可因此在高發(fā)動機(jī)速度期間提供通過增壓空氣冷卻回路130的冷卻劑的高壓液壓流動。進(jìn)一步地，在一種實施例中，渦輪驅(qū)動的冷卻劑栗可以僅通過來自渦輪增壓器的轉(zhuǎn)動功率而不通過任何附加發(fā)動機(jī)驅(qū)動或電力電源進(jìn)行驅(qū)動。再進(jìn)一步地，冷卻劑栗140通過渦輪增壓器速度而不通過附加發(fā)動機(jī)工況進(jìn)行驅(qū)動。
[0017]在另一實施例中，冷卻劑栗可以被整合到渦輪增壓器13的軸承殼中和/或被整合到與渦輪16和壓縮機(jī)14相同的轉(zhuǎn)軸19上。因而，轉(zhuǎn)軸19可包括一個或更多個葉輪和/或葉片，其可推進(jìn)冷卻劑通過腔體以使冷卻劑栗能夠在渦輪增壓器渦輪殼體中起作用。
[0018]在一種示例中，較大排氣流量進(jìn)入到渦輪增壓器中會要求來自壓縮機(jī)的更多的增壓空氣冷卻。由于較大空氣流量導(dǎo)致渦輪和冷卻劑栗同時增加RPM，所以可以通過渦輪驅(qū)動的冷卻劑栗滿足對更多的增壓空氣冷卻的需要。所述另一種方式，隨發(fā)動機(jī)速度增加并且給發(fā)動機(jī)提供增加的空氣質(zhì)量流量，經(jīng)由CAC的增加的增壓空氣冷卻可以是所需的。另外，隨發(fā)動機(jī)速度增加，渦輪驅(qū)動的冷卻劑栗的速度增加，從而給CAC提供增加的冷卻劑流量，并且因而給流過CAC的增壓空氣提供增加的冷卻。用這種方式，隨發(fā)動機(jī)速度增加，CAC冷卻也增加。在另一示例中，較小空氣流量進(jìn)入到渦輪增壓器中導(dǎo)致對來自壓縮機(jī)的增壓空氣的較少需求。因而，渦輪的較慢旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致較小功率至渦輪驅(qū)動的冷卻劑栗。用這種方式，經(jīng)由冷卻劑栗到渦輪增壓器轉(zhuǎn)軸的聯(lián)接實現(xiàn)了增壓空氣的高效、有效和受控冷卻。
[0019]冷卻劑栗140可進(jìn)一步包括栗殼，其中提供開口，通過該開口渦輪增壓器13的轉(zhuǎn)軸19可橫貫并且可操作地聯(lián)接到葉輪。另外，冷卻劑栗140可包括軸向機(jī)械密封(未示出)。進(jìn)一步地，不需要附加的發(fā)動機(jī)控制來響應(yīng)于改變的空氣質(zhì)量流量、發(fā)動機(jī)速度和CAC冷卻需要而調(diào)整冷卻劑栗的操作。
[0020]在一種實施例中，壓縮機(jī)和渦輪可以聯(lián)接在雙渦道渦輪增壓器內(nèi)。在另一種實施例中，渦輪增壓器可以是可變幾何渦輪增壓器(VGT)，其中，渦輪幾何形狀作為發(fā)動機(jī)速度和其它工況的函數(shù)是靈活變化的。
[0021]另外，可以提供廢氣門142作為渦輪增壓器13的一部分以轉(zhuǎn)移圍繞渦輪16的排氣流，從而控制提供給發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管22的升壓量。具體地，廢氣門142被設(shè)置在圍繞渦輪16的旁路通道中(例如，旁路通道入口聯(lián)接到渦輪16上游的排氣道并且旁路通道出口聯(lián)接到渦輪16下游的排氣道)。例如，打開廢氣門可減少升壓壓力。可以基于工況控制廢氣門閥以實現(xiàn)期望升壓。在一些實施例中，基于通過在增壓空氣冷卻回路130中的一個或更多個溫度傳感器(例如傳感器134、傳感器136和傳感器214)測量的一個或更多個冷卻劑溫度調(diào)整廢氣門142，如圖2-圖4中所描述。在一些實施例中，驅(qū)動被聯(lián)接的冷卻劑栗所需的功率可引起廢氣門閥處于比傳統(tǒng)的渦輪增壓器更閉合的位置。這將使得能夠?qū)崿F(xiàn)較小的廢氣門機(jī)構(gòu)，從而降低系統(tǒng)