专利名称：发动机冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机冷却系统，该发动机冷却系统设有用于在 不同的发动机运行模式期间控制冷却系统的不同部分内的压力的装 置。这允许一个部分在冷启动期间被加压以避免气穴，而另一个回路 能够在发动机以高速运行时被保护免受过大压力。
背景技术：
由于多种因素，例如更严格的排放标准和更多的要求冷却的附件， 对于发动机部件和附件的冷却需要不断增加。因此，与当前生产的发 动机相比，未来的车辆发动机、特别是卡车发动机将要求更高的冷却 剂流量以应对增加的需求。然而，增加冷却剂的流量可能导致许多问题。
通过散热器的冷却剂流量的增加可能导致散热器两端的比当前设 计能够承受的更大的压降。冷却剂流量可能变得高到足以导致散热器 芯部内的内部腐蚀。增加的冷却剂流量通常将提高散热器的排热或冷 却能力，但当前散热器内的冷却剂流量经常高到使散热器已经在冷却 剂侧饱和。因此，冷却剂流量的另外的增加可能仅给出非常轻微的排 热量增加。
与车辆发动机的冷却有关的另外问题涉及发动机缸体内的气穴的
风险，以及诸如EGR (废气再循环)冷却器的发动机换热器由于冷却 剂在局部热点处沸腾的影响所导致的故障。以上的问题可以至少部分 地通过增加发动机冷却系统内的压力来避免。在冷却系统内能够使用 的最大压力受到散热器的设计压力的限制。和减压安全阀的封闭式冷却 系统。在发动机运行期间，冷却剂被加热且发动机冷却剂体积增加到 预定水平。压力变化可以由膨胀箱控制。如果系统变得过热，则冷却 系统内的压力增加直至最大允许压力，且减压安全阀开启以将过大的 压力排到大气中。
此类发动机冷却系统的一个问题是升高的系统压力增加了散热器 上的压降。因此，对于散热器来说，总压降可能变得过高，从而导致 冷却剂泄漏或甚至使冷却剂管道或管爆裂。另一方面，在发动机温度 相对低的冷启动期间，在冷却系统内无压力或压力非常低。因此，发 动机内的局部热积累可能导致在冷却系统压力建立之前的冷启动期间 在发动机的冷却剂管道内出现气穴。
能够通过利用来自空气制动系统的空气对该系统加压来解决在启 动期间冷却系统内压力不足的问题。以此方式，加压的空气能够供给 到膨胀箱等，以在发动机启动时立即实现压力增加。然而，此解决方 法未解决与散热器上的大压降有关的问题。
为了保护散热器免受过大压力，可以安装压敏旁通阀。这将把散 热器上的压降限制为可接受的水平，并且将冷却剂流量的至少一部分 引导到连接在该阀和散热器下游的管道之间的旁通管道内。然而，使 用这种类型的阀将要求冷启动期间的相对长的时间以用于加压冷却系统。
通过根据本发明的改进的冷却系统，解决了上述涉及冷启动期间 导致的发动机内气穴以及导致散热器两端的过大压降的冷却剂流量的 问题。
发明内容
通过根据本发明的具有在所附权利要求中限定的特征的发动机冷却系统实现了本发明的目的。
根据优选实施例，本发明涉及一种发动机冷却系统，该发动机冷 却系统包括延伸通过发动机的冷却剂回路，其中冷却剂流经该冷却剂 回路。发动机优选为车辆发动机，但本发明也能够用于船舶发动机或 固定式发动机。泵被设置用于使冷却剂在压力下循环通过冷却剂回路， 且散热器被设置用于冷却经过该冷却剂回路的冷却剂。该泵优选但非 必需地是离心泵。冷却剂回路还包括旁通管道，其中该旁通管道允许 冷却剂旁通散热器并返回到泵。流量控制阀装置布置为用于调节流经 散热器和旁通管道的冷却剂的流量，且控制器被设置用于响应于来自 冷却剂回路内的至少一个压力传感器和至少一个温度传感器的输入信 号来控制流量控制阀装置。该控制器可以是至少连接到所述传感器的 单独的电子控制单元(ECU)，或是连接到这些传感器和另外的用于 监测所有相关的发动机相关参数的传感器的用亍控制发动机运行的主
ECU。流量控制阀装置可以包括位于散热器上游和旁通管道下游的冷
却剂回路内的第 一 可控阀。第二可控阀可以位于旁通管道内。
第一和第二单独可控的阀可以是能够在闭合位置和开启位置之间 无级控制的模拟阀。适合于此目的的阀的例子可以是电动操作或电磁 操作的单向阀。阀可以布置成处于完全开启和完全闭合之间的任何位 置。常规运行优选但非必需地是一个阀开启而另一个闭合。
在第一运行模式期间，第一和第二可控阀被同时控制，其中通过 该阀的总流量等于由泵提供的流量。通过将阀节流，泵两端的压力增 加，从而将系统加压。此模式在发动机冷启动后、当冷却剂系统内的 压力相对低且温度接近环境温度时运行。第一运行模式用于实现经过 发动机的冷却剂回路的部分的相对快速的加压。此模式通常在发动机 冷启动后立即运行。
最初，在冷启动模式期间，第一阀和第二阀都将闭合。在加压的最初阶段可以允许通过旁通回路的有限的受控泄漏，以避免泵内的冲 击。该泵位于发动机上游且将提供相对高的压力，因为没有或只有非 常低的流量。用于此目的的合适的泵优选但非必需地是离心泵，该离 心泵经常用在卡车发动机等的冷却剂回路中。冷却剂最初将相对冷， 并且连接到冷却剂回路的膨胀箱内的系统压力将相对低。
控制器可以响应于来自发动机下游的冷却剂回路内的压力传感器 的输入将第一可控阀维持在闭合位置并控制第二可控阀。第二可控阀 可以被控制为维持通过发动机的冷却剂回路内的预定的最小压力。一 旦在包括发动机和旁通管道的冷却回路的部分内已建立希望的压力， 则控制器可以响应于来自发动机下游的冷却剂回路内的温度传感器的 输入来控制第 一 可控阀和/或第二可控阀。
控制器也可以响应于来自温度传感器的输入来控制第一和第二可 控阀，该温度传感器优选但非必需地紧邻泵的下游位于冷却剂回路内。 该温度传感器可替代地位于散热器和泵之间的适当位置。如果来自包 含散热器的最初闭合的回路的相对冷的冷却剂进入包含带有其缸套的 发动机缸体、可选的EGR冷却器和类似的相对热部件的冷却剂回路的
部分，则热部件可能受到热冲击。如果该泵下游的温度传感器感测到 来自散热器的冷却剂低于预定极限，则通过第一阀的流量将降低，且 通过第二阀的流量将增加相应的量。对第一阔的这种控制也防止来自 发动机的相对热的冷却剂在包含相对冷的散热器的冷却系统的部分内 导致热冲击。温度被监测直至散热器已达到标称运行温度。
以此方式，诸如缸套、EGR冷却器等的部件将在启动后立即被供 给有相对高压(系统压力加上泵压力)的冷却剂。这防止局部的热积 累在发动机缸体内的缸套附近和发动机的加压冷却剂管道的其他部分 处导致气穴。
在第二运行模式期间，第一和第二可控阀被同时或基本同时控制，其中通过阀的总流量等于或基本等于由泵提供的流量。第二运行模式 用于控制通过散热器的冷却剂回路的部分内的压力。在发动机在高负 荷和/或高发动机转速下运行的时段内，希望提高冷却系统的冷却能力。 由发动机驱动的固定排量泵提供的冷却剂流量和压力取决于发动机转 速。因此，相对高的发动机转速将导致相对高的冷却剂流量和提高的 系统压力。
替代地，可以通过增加电动泵的转速或控制可变排量泵来实现冷 却剂流量的增加，这使冷却系统内的冷却剂流量和压力都增加。提高 的系统压力在散热器上增加压降，且因此希望控制进入散热器入口的 冷却剂的压力。控制器将至少监测发动机下游的冷却剂的压力和温度 和散热器入口处的压力。散热器入口处的压力由位于第一阀和散热器 入口之间的第二压力传感器感测。当散热器入口处的压力接近最大允 许值时，散热器将接近其最大冷却能力。此时，散热器几乎在冷却剂 侧饱和，通过散热器的冷却剂流量的增加将仅对排到大气中的热量有 小的影响。只要散热器入口压力和因此引起的散热器上的总压降小于 或等于预定的最大值，则第一可控阀将几乎完全开启且第二可控阀将 部分开启。然而，如果入口压力超过此值，则控制器将控制第一可控 阀以将散热器内的冷却剂压力限制为预定的最大值。
在下文中，将参考附图来详细描述本发明。这些示意图仅用于图 示目的而不以任何方式限制本发明的范围。在附图中
图l示出根据本发明的第一实施例的发动机冷却系统的示意图； 图2示出排热量与冷却剂流量的关系以及散热器上的压降与发动
机转速的关系的示意性曲线图。
具体实施例方式
图l描述了发动机冷却系统，该发动机冷却系统包括延伸通过发动
杉L E的发动机缸体1的冷却剂回路，其中诸如水的冷却剂流经该冷却剂回路。离心泵2被设置用于在压力下使冷却剂通过冷却剂回路循环，且
散热器3被设置用于冷却经过该冷却剂回路的冷却剂。从动风扇4邻近 散热器3安装以控制通过散热器的环境空气的流动。冷却剂回路还包括 第一部分5和第二部分6，该第一部分5包括发动机缸体1和泵2，第二部 分6包括散热器3。冷却剂回路还包括旁通管道7，其中该旁通管道7允 许冷却剂绕过散热器3。
流量控制阀装置8布置为用于调节分别流经散热器3和旁通管道7 的冷却剂的流量。流量控制阀装置8包括位于散热器3上游和旁通管道7 下游的第一冷却剂通道6内的第一可控阀8a。第二可控阀8b位于旁通管 道7内。该可控阀是电控的电磁阀，该电磁阀能够从闭合位置到开启位 置被无级控制。控制器10被设置用于响应于来自冷却剂回路内的压力 和/或温度传感器的输入信号来控制第一和第二可控阀8a、 8b。该控制 器10是电子控制单元，它连接到所述传感器并连接到控制第一和第二 阀的螺线管。第 一 压力传感器11位于发动机E下游的第 一 冷却剂回路5 内。第一温度传感器12在发动机下游邻近第一压力传感器11位于第一 冷却剂回路5内。第二压力传感器13位于第一可控阀8a和散热器3的入口 之间的第二冷却剂回路6内。第二温度传感器14紧邻泵2的下游位于第 一冷却剂回路5内。
冷却系统能够可选地设有另外的部件，例如用于再循环废气 (EGR)的冷却器15。 EGR冷却器能够设有用于控制流量和压力的单 独的装置(未示出)。然而，这些装置对于本发明不相关且将不进一 步详细描述。
图l中的冷却系统能够在至少两个不同的模式下运行，其中第一和 第二模式将在下文中描述。
在第一运行模式期间，第一和第二可控阀8a、 8b被控制，使得通 过阀的总流量等于由泵2提供的流量。此模式在发动机冷启动后、当冷却剂系统内的压力相对低且温度接近环境温度时运行。当发动机启动
时，控制器将接收来自第一压力传感器11和第一温度传感器12的输出
信号。如果所感测到的压力和温度值低于预定极限，则确定为需要冷 启动模式。冷启动模式用于实现冷却剂回路的通过发动机E的第一部分
5的快速加压。
在冷启动模式期间，控制器10将开始促动第一和第二阀8a、 8b， 并闭合两个阀。在加压的最初阶段期间可以允许通过旁通管道7的有限 的受控的泄漏，以避免泵2内的冲击。该泵2位于发动机E的上游且将提 供相对高的压力，因为此时没有或仅有通过回路的非常低的流量。冷 却剂最初将相对冷，并且冷却剂回路5、 6、 7内的和连接到冷却剂回路 的膨胀箱(未示出)内的系统压力将相对低。
控制器10响应于来自发动机E下游的第一冷却剂回路5内的第一压 力传感器ll的输入将第一可控阀8a维持在闭合位置并控制第二可控阀 8b。在冷启动模式中，第二可控阀8b可以被控制为增加并随后维持通 过发动机E的第一冷却剂循环5内的预定的最小压力。--旦在包括发动 机和位于第二可控阀8b上游的旁通管道7的冷却回路部分内已建立希 望的压力，则控制器能够响应于来自发动机下游的第 一 冷却剂回路5内 的第一温度传感器12的输入来开始开启第一可控阀8a和/或第二可控阀 8b。
当第一冷却回路5己被加压时，控制器10将响应于来自紧邻泵2的
下游位于冷却剂回路内的第二温度传感的输入来控制第一和第二可控 阀8a、 8b。如果来自包含散热器的最初闭合的第二回路6的相对冷的冷 却剂进入包含带有其缸套的发动机缸体、可选的EGR冷却器和类似的 相对热部件的第一冷却剂回路5的部分，则热部件可能受到热冲击。因 此，如果泵2下游的第二温度传感器14感测到来自散热器3的冷却剂低 于预定极限，则通过第一可控阀8a的流量将降低，且通过第二可控阀8b 的流量将增加相应的量。对第一可控阀8a的这种控制也防止来自第一冷却回路5的相对热的冷却剂在包含相对冷的散热器3的第二冷却回路6 内导致热冲击。控制器10将监测第一冷却回路5内的温度，直至散热器 3己达到标称运行温度。已假定风扇4在冷启动模式下由于冷却系统内 的相对低的温度而不运行。
以此方式，诸如发动机缸体、缸套、EGR冷却器的部件和类似部 件将在冷启动后立即被供给有相对高压(系统压力加上泵压力)的冷 却剂。这防止局部的热积累在发动机缸体内的缸套附近处和发动机的 加压冷却剂管道的其他部分处导致气穴。
在第二运行模式期间，第一和第二可控阀8a、 8b被同时控制，其 中通过阀的总流量等于由泵2提供的流量。第二运行模式用于控制通过 散热器3的冷却剂回路的第二部分6内的压力。在发动机E在高负荷和/ 或高发动机转速下运行的时段内，希望提高冷却系统的冷却能力。在 图l所示的例子中，由发动机驱动的泵2和所提供的冷却剂流量和压力 取决于发动机转速n。因此，相对高的发动机转速n将导致相对高的冷 却剂流量q和提高的系统压力P。
提高的系统压力P在散热器上增加压降AP，且因此希望控制进入
散热器入口的冷却剂的压力。控制器io将监测发动机下游的第一冷却
回路内的压力传感器11和温度传感器12，以及散热器3上游的在第一可 控阀8a和散热器入口之间的压力传感器13。当散热器入口处的压力接近 最大允许值时，散热器将接近其最大冷却能力。此时，散热器几乎在 冷却剂侧饱和，通过散热器的冷却剂流量的增加将仅对排到大气中的 热量Q有小的影响。这在图2中示出，图2示出排热量Q(kW)与冷却剂流 量q (1/min)关系以及散热器上的压降AP (kPa)与发动机转速n (rpm) 的关系的示意性曲线图。—匕部曲线示出散热器的排热量Q如何随冷却剂 流量q增加。然而，在较高的冷却剂流量q时，排热量Q的增加速度随冷 却剂流量的增加而降低。类似地，下部曲线示出散热器上的压降P随发 动机转速n的增加而急剧增加。因此，即使散热器两端的压降被限制为预定值，来自散热器的排热量Q也能够维持在接近其最大值的水平。只 要散热器入口压力和因此引起的散热器上的总压降小于或等于预定的
最大值，则第一可控阀8a将几乎完全开启且第二可控阀8b将部分开启。 假定风扇4在此阶段以最大能力运行。如果入口压力超过最大值，则控 制器10将首先控制开始开启第二可控阀8b以降低散热器3上的压降。第 一可控阀8a将保持开启以维持尽可能高的向大气中的排热量Q。在延长 的高负荷时段内，即使第二可控阀8b完全开启时，第二冷却回路6内的 压力也可能继续增加。在这种情况下，控制器10将开始闭合第一可控 阀8a以将散热器内的冷却剂压力限制为预定的最大值，从而防止对散热 器的损坏。在此阶段，应向操作者发出通知发动机负荷应降低以避 免过热。
本发明不限于上述实施例，而是可以在权利要求的范围内自由变 化。例如，以上例子描述了其中泵由发动机驱动的非限制性例子。替 代地，可以通过增加电动泵的转速或通过控制可变排量泵来实现冷却 剂流量的增加，这使冷却系统内的冷却剂流量和压力都增加。
权利要求
1.一种发动机冷却系统，包括延伸通过发动机的冷却剂回路，其中冷却剂流经所述冷却剂回路；用于使冷却剂在压力下循环通过所述冷却剂回路的泵；设置在所述冷却剂回路内的散热器，其中所述散热器冷却经过所述冷却剂回路的冷却剂；旁通管道，其中所述旁通管道允许冷却剂旁通所述散热器；流量控制阀装置，所述流量控制阀装置调节流经所述散热器和所述旁通管道的冷却剂的流量；以及控制器，其中所述控制器响应于来自所述冷却剂回路内的至少一个压力传感器和至少一个温度传感器的输入信号来控制所述流量控制阀装置，其特征在于，所述流量控制阀装置包括位于所述散热器上游和所述旁通管道下游的第一可控阀，和位于所述旁通管道内的第二可控阀。
2. 根据权利要求l所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述第 -- 和第二单独可控的阀是能够在闭合位置和开启位置之间无级控制的 模拟阀。
3. 根据权利要求2所述的发动机冷却系统，其特征在于，在第一 运行模式期间，所述第一和第二可控阀被同时控制，其中所述阀布置 为被节流以增加由所述泵提供的压力。
4. 根据权利要求3所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述控 制器响应于来自所述发动机下游的所述冷却剂回路内的压力传感器的 输入，将所述第一可控阔维持在闭合位置并控制所述第二可控阀。
5. 根据权利要求4所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述控 制器控制所述第二可控阀，以维持通过所述发动机的所述冷却剂回路 内的预定的最小压力。
6. 根据权利要求5所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述控制器响应于来自所述发动机下游的所述冷却剂回路内的温度传感器的 输入来控制所述第一可控阀。
7. 根据权利要求6所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述控 制器响应于来自所述泵下游的所述冷却剂回路内的温度传感器的输入 来控制所述第一可控阀。
8. 根据权利要求3所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述第 一运行模式是所述发动机的冷启动。
9. 根据权利要求2所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述第 一和第二可控阀被同时控制，其中通过所述阀的总流量等于由所述泵 提供的流量。
10. 根据权利要求9所述的发动机冷却系统，其特征在于，当所述 散热器内的压力小于或等于预定值时，所述控制器将所述第一可控阀 维持在开启位置并将所述第二可控阀维持在开启位置。
11. 根据权利要求10所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述 控制器响应于来自所述第一阀和所述散热器之间的所述冷却剂回路内 的压力传感器的输入来控制所述第 一 可控阀。
12. 根据权利要求ll所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述 控制器控制所述第 一 可控阀，以将所述散热器内的冷却剂压力限制为 预定的最大值。
13. 根据权利要求9所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述 发动机在高负荷下以所述第一运行模式运行。
全文摘要
本发明涉及一种发动机冷却系统，其中冷却剂流经冷却剂回路；用于使冷却剂在压力下循环通过冷却剂回路的泵；设置在冷却剂回路内的散热器，其中该散热器冷却经过该冷却剂回路的冷却剂；旁通管道，其中该旁通管道允许冷却剂旁通散热器；流量控制阀装置，该流量控制阀装置调节流经散热器和旁通管道的冷却剂的流量；以及控制器，其中该控制器响应于来自冷却剂回路内的至少一个压力传感器和至少一个温度传感器的输入信号来控制流量控制阀装置。该流量控制阀装置包括位于散热器上游和旁通管道下游的第一可控阀，和位于旁通管道内的第二可控阀。
文档编号F01P7/14GK101529061SQ200780038963
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月16日 优先权日2006年10月18日
发明者史蒂文·阿德尔曼, 埃里克·达尔 申请人:沃尔沃拉斯特瓦格纳公司