发动机系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种发动机系统，包括涡轮增压器、后冷却器和入口装置，所述入口装置包括一主体，该主体限定位于其中的细长流路。所述主体包括设置在流路的首端处的前部开口。该主体还包括设置在相对于前部开口的一角度处且设置在流路的末端处的底部开口。该入口装置还包括设置在该流路中、位于前部开口和底部开口之间的至少两个挡板。该挡板具有从底部开口处测量的不同高度，且挡板的相应高度随着到前部开口的距离而增大。本实用新型提供传入的空气流在后冷却器的换热元件上的均匀分布，这样分离后的空气可在传送至发动机的进气歧管和气缸之前在后冷却器中均匀冷却。
【专利说明】发动机系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种后冷却器，具体地涉及一种用于后冷却器的入口装置。
【背景技术】
[0002]在发动机系统中使用涡轮增压器以将压缩空气传送到发动机中。然而，在压缩期间，空气容易变热并且可影响发动机中的燃烧过程。为了在传送到发动机之前将热空气冷却下来，在涡轮增压器和发动机之间放置后冷却器。这些后冷却器通常可包括换热元件，例如其上通过热空气的翅片、管或线圈。在一些情况下，由于热空气在后冷却器的换热元件上的不均匀分布，通过该后冷却器对热空气的冷却可能是不均匀的。热空气的不均匀冷却可导致发动机性能的降低。
[0003]美国专利4，452，216 (以下称‘216专利)公开了一种用于对通过中间冷却器芯体并且穿过该芯体的整个冷却表面的气流进行均匀分布的方法。‘216专利可适用于涡轮增压器或增压器，其中涡轮增压器或增压器的出口大体上与中间冷却器的一个或多个入口对齐。
【发明内容】
[0004]本实用新型的发动机系统针对后冷却器提供了一种入口装置，该入口装置被配置为对传入的空气流进行分离并均匀分布到后冷却器上。
[0005]在一个方面，本实用新型提供一种用于后冷却器的入口装置，所述入口装置包括一主体，该主体限定其中的细长流路；该主体包括设置在流路的首端处的前部开口 ；该主体还包括设置在相对于前部开口的一角度处且设置在流路的末端处的底部开口；该入口装置还包括设置在该流路中、位于前部开口和底部开口之间的至少两个挡板；该挡板具有从底部开口处测量的不同高度，其中挡板的相应高度随着到前部开口的距离而增大。
[0006]在另一方面，本实用新型提供一种发动机系统，包括涡轮增压器、后冷却器和入口装置；所述涡轮增压器被配置为输出压缩空气；后冷却器被配置为接收并冷却该压缩空气；入口装置被设置在涡轮增压器和后冷却器之间；入口装置包括一主体，所述主体限定位于其中的细长流路；所述主体包括设置在流路的首端处的前部开口，所述主体的前部开口被配置为接收来自涡轮增压器的压缩空气；所述主体还包括设置在相对于前部开口的一角度处且设置在流路的末端处的底部开口，所述底部开口被配置为允许压缩空气排出至后冷却器；所述入口装置还包括设置在该流路中、位于前部开口和底部开口之间的至少两个挡板；所述至少两个挡板具有从底部开口处测量的不同高度，其中所述至少两个挡板的相应高度随着到前部开口的距离的增大而增大。
[0007]进一步的，所述发动机系统还包括:发动机，所述发动机包括发动机缸盖，所述涡轮增压器的出口设置为与所述发动机缸盖的顶面成垂直关系。
[0008]其中，所述至少两个挡板以一预设距离彼此间隔开来，所述挡板被配置为横跨所述底部开口，对传入的空气流进行均匀地分离。
[0009]进一步的，所述挡板中的每个挡板包括:尖头部，被配置为对所述传入的空气流进行分离；弓形部，从所述尖头部延伸并被配置为对分离后的空气进行汇集；线形部，从所述弓形部延伸，所述线形部被配置为将汇集的空气传导至所述后冷却器中。
[0010]进一步的，所述主体包括:彼此间隔开来的一对侧壁以及顶壁，所述顶壁设置在所述一对侧壁上用于限定其间的所述流路。
[0011]又进一步的，所述至少两个挡板延伸在所述一对侧壁之间。
[0012]进一步的，所述发动机系统还包括:从所述一对侧壁处横向延伸的一对凸缘，所述凸缘被配置为与所述后冷却器的入口凸缘可释放地耦接。
[0013]优选的，所述顶壁延伸为远离所述前部开口的弓形，所述顶壁的远端限定所述底部开口的至少一部分，并且，所述顶壁的所述远端被配置为将分离后的空气流向下偏转至所述底部开口中。
[0014]优选的，所述流路的横截面积随着到所述前部开口的距离的增大而减小。
[0015]上述技术方案提供传入空气流在后冷却器的换热元件上的均匀分布，这样分离后的空气可在传送至发动机的进气歧管和气缸之前在后冷却器中均匀冷却。
[0016]本实用新型的其他特性和方面将在以下的描述和附图中显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为根据本实用新型的示例性实施方案的发动机系统的透视图；
[0018]图2为发动机系统的示例性入口装置的透视图；
[0019]图3为图2的示例性入口装置的剖视图；
[0020]图4为根据本实用新型的示例性实施方案将空气均匀分布到后冷却器上的方法流路图。
【具体实施方式】
[0021]尽可能地，在整个附图中将使用相同的附图标记来涉及相同或相似的部分。图1示出根据本实用新型的一个实施方案的示例性发动机系统100。该发动机系统100可用在诸如越野载重车、推土机、轮式装载机、挖掘机、自动倾卸卡车、反铲装载机、自动平地机、材料装卸机、水上设备等的掘土机中。在一供选择的替代性实施方案中，发动机系统100可用在诸如电力发电机等的大型固定设备中以驱动发电机并发电。在其他的实施方案中，可使用发动机系统100来实现气体的压缩。
[0022]发动机系统100包括发动机102。发动机102可为但不限于诸如直列式发动机、V型发动机或旋转式发动机等任何类型。在一实施方案中，发动机102可为气体压缩发动机。在图1所示的示例性实施方案中，发动机102可为具有发动机缸体104和发动机缸盖106的直列式发动机。发动机102可包括以逐行的方式依次排列在发动机缸体104中的两个或多个气缸(未示出)。发动机102还可包括限定在发动机缸盖106中的进气歧管(未示出)。在燃料的燃烧期间，该进气歧管可流体式地与气缸相连通并将空气传送至该气缸中。
[0023]发动机系统100还包括涡轮增压器108，该涡轮增压器108被配置为将压缩气体输出至发动机102。涡轮增压器108可由来自发动机102的热废气的动能和热能驱动以压缩从大气中过滤的空气。尽管本实用新型参照涡轮增压器108进行说明，但发动机系统100可使用增压器来代替涡轮增压器108。本文公开的结构、方法和各种实施方案可类似地适用于使用增压器的发动机系统100的情况。
[0024]如图1所示，涡轮增压器108位于远离发动机102的位置。涡轮增压器108的出口 112可被设置为与发动机缸盖106的顶面114大体上成垂直关系。然而,在其他实施方案中，涡轮增压器108可位于离发动机102的任何距离处并且涡轮增压器108的出口 112可被设置为与发动机缸盖106的顶面114成任何角度关系。
[0025]发动机系统100还包括后冷却器116。后冷却器116位于涡轮增压器108和发动机102之间。后冷却器116可释放地固定至发动机缸盖106的顶面114上。在供选择的替代性实施方案中，后冷却器116可耦接在发动机102上的其他位置处。后冷却器116可包括换热元件(未示出)，例如(但不限于)本领域通常所公知的设置在其中的翅片、管或线圈。后冷却器116被配置为接收来自涡轮增压器108的压缩空气，并对压缩空气进行冷却，之后将冷却的压缩空气传送至发动机102中。
[0026]发动机系统100还包括设置在涡轮增压器108和后冷却器116之间的入口装置118。入口装置118经由导管120流体式地连接到涡轮增压器108。入口装置118被配置为将压缩空气流从涡轮增压器108传导至后冷却器116中。
[0027]参照图2，入口装置118包括主体202，该主体限定其中的细长流路204。主体202包括彼此间隔开来的一对侧壁206、208。主体202还包括设置在该对侧壁206、208上的顶壁210，以限定其间的流路204。入口装置118包括从该对侧壁206、208横向延伸的一对凸缘212。凸缘212可从主体202的前部214延伸至后部216以形成连续的凸缘218。凸缘212被配置为通过通常所公知的紧固件222 (如六角螺栓)与后冷却器116的入口凸缘220可释放地相耦接。然而，在其他实施方案中，入口装置118可通过使用本领域所公知的其他结构(例如(但不限于)夹具、扣板或齿槽机制)可释放地耦接至后冷却器116。此外，可在入口装置118的凸缘212和后冷却器116的入口凸缘220之间设置垫圈(未示出)。
[0028]主体202包括前部开口 224,该前部开口设置在流路204的首端且被配置为接收来自涡轮增压器108的压缩空气。入口装置118还包括限定前部开口 224的板体228和穿过其中的多个较小的凹部230。板体228可被耦接至导管120上的连接凸缘232。可使用通常公知的紧固件234 (如六角螺栓或其他类型的紧固件)将板体228固定至连接凸缘232上。此外，可在板体228和连接凸缘232之间设置垫圈(未示出)。
[0029]主体202还包括设置在相对于前部开口 224的一角度处且设置在流路204的末端处的底部开口 226。底部开口 226被配置为允许压缩空气排出至后冷却器116。
[0030]尽管从本实用新型中可显而易见一对侧壁206、208和顶壁210共同形成单一主体202，但在一供选择的替代性实施方案中，主体202可由沿分模线240分开的两个部分236、238组成。该两个部分236、238在被设置为沿分模线240彼此邻接时可共同形成主体202。在另一实施方案中，部分236可为第一半部，而部分238可为第二半部，二者沿如图2所示的分模线240分开。本文所公开的第一半部和第二半部可包括例如侧壁206、208和顶壁210的半部242中的一者。此外，第一半部和第二半部可为彼此共轭的。然而，主体202可被分为任何数量的部分以包括任何数量的分模线，这样该些部分可沿其相互对应的分模线相连接以形成入口装置118的主体202。
[0031]参照图3，示出了入口装置118的剖视图。入口装置118包括设置在流路204中、位于前部开口 224和底部开口 226之间的至少两个挡板302、304、306、308和310。挡板302、304、306、308和310被配置为对以312方向进入主体202的传入空气流进行分离。挡板302、304、306、308和310可延伸在主体202的一对侧壁206、208之间。如图3所示，在流路204中设置五个挡板302、304、306、308和310。尽管本文公开了五个挡板302、304、306,308和310，但可以想象在本实用新型的其他实施方案中，根据各种因素(例如(但不限于)待分离的传入空气流的体积、传入空气流上待完成的分离数量、后冷却器116的换热元件上所需的空气分布的形式)可使用任何数量的挡板。因此，本文公开的五个挡板302、304、306,308和310在性质上仅为示例性的，从而并非限制本实用新型。
[0032]挡板302、304、306、308和310具有从底部开口 226处测量的不同高度H1、H2、H3、H4和H5，其中挡板302、304、306、308和310的相应高度随着到前部开口 224的距离的增大而增大。如图3所示，挡板302、304、306、308和310按照该些挡板302、304、306、308和310的高度H1、H2、H3、H4和H5的递增次序从前部开口 224到底部开口 226沿流路204依次排列。根据以远离底部开口 226的方向从底部开口 226处测量，挡板302的高度Hl小于挡板304的高度H2。类似地，挡板304的高度H2小于挡板306的高度H3，以此类推。挡板302、304、306、308和310按照高度H1、H2、H3、H4和H5的递增次序的依次排列可配置挡板302、304,306,308和310以分离传入空气流。挡板302、304、306、308和310分别以一预设距离D彼此间隔开来。在一实施方案中，相邻的挡板302、304、306、308和310之间的预设距离D可大体上相等。在另一实施方案中，相邻的挡板302、304、306、308和310之间的预设距离D可不等。挡板302、304、306、308和310以预设距离D的间隔和挡板302、304、306、308和310按照该些挡板302、304、306、308和310的高度H1、H2、H3、H4和H5的递增次序的依次排列可共同将挡板302、304、306、308和310配置为在底部开口 226上大体上均匀地分离传入的空气流以分布在后冷却器116的换热兀件上。
[0033]在一实施方案中，挡板302、304、306、308和310可大体上塑造为翼形来包括预设弦长L1、L2、L3、L4和L5。本文公开的弦长L1、L2、L3、L4和L5可根据各种因素(例如(但不限于)待分离的传入空气流的体积和在每个分离中实现后冷却器116的换热元件上特定形式的空气分布所需的空气体积)来确定。挡板302、304、306、308和310中的每个挡板可包括尖头部314、弓形部316和线形部318。
[0034]尖头部314被配置为分离传入空气流。在一示例性实施方案中，尖头部314可具有尖端结构。然而，在供选择的替代性实施方案中，尖头部314可具有圆端结构。弓形部316从尖头部314处延伸并被配置为对分离的空气进行汇集。线形部318从弓形部316处延伸并被配置为将汇集的空气从涡轮增压器108传导至后冷却器116中。
[0035]尽管本文公开的挡板302、304、306、308和310的轮廓包括尖头部314、弓形部316和线形部318，但根据应用的特定需求也可使用任何适当的轮廓并且可在挡板302、304、306、308和310中包括任何数量的部。因此，本领域中的一般技术人员可认知，挡板302、304,306,308和310在尖头部314、弓形部316和线形部318方面的结构在性质上仅为示例性的且并非限制本实用新型。
[0036]参照图3，顶壁210可延伸为远离前部开口 224的弓形，这样顶壁210的远端320限定底部开口 226的至少一部分。曲线形顶壁210的远端320被配置为将分离的空气流向下偏转至底部开口 226中。通过这种方式，曲线形顶壁210可将压缩空气从涡轮增压器108平滑地偏转至后冷却器116中。
[0037]在其他实施方案中，顶壁210在横截面中可为单面延展的，从而针对主体202限定一平顶状。然而，本文公开的顶壁210的形状在性质上仅为示例性的，因此并非限制本实用新型。需指出，可根据各种因素(例如(但不限于)空间限制、空气的偏转需求和空气在后冷却器116上的分布)来选择顶壁210的形状。
[0038]在一供选择的替代性实施方案中，一对侧壁206、208可朝主体202的后部216向内弯曲。向内弯曲的侧壁206、208和曲线形顶壁210可共同塑造成主体202的后部216的罩形。尽管本文公开了弓形和罩形的后部216，但需指出，细长的主体202可体现为本领域通常公知的其他形状(例如(但不限于)箱形)，从而形成一展平外形的后部216。然而，需指出，后部216的形状可根据特定应用的需求而改变。因此，本领域中的一般技术人员可认知，本文公开的后部216的形状仅为示例性的，从而并非限制本实用新型。
[0039]将参照图4描述将来自入口装置118的空气分布到后冷却器116上的方法400。
[0040]工业实用性
[0041]已知本领域中许多后冷却器用于在传送至发动机之前冷却来自涡轮增压器的热压缩空气流。这些后冷却器通常位于涡轮增压器和发动机之间。后冷却器可包括换热元件，例如其上通过热空气以进行冷却的翅片、管或线圈。在这些后冷却器执行热空气冷却的同时，由于热空气在后冷却器的换热元件上的不均匀分布，因此冷却可能是不均匀的。热空气的这种不均匀冷却可导致后冷却器或发动机中热点的产生，并且在一些情况下，可降低后冷却器或发动机的性能。
[0042]本实用新型提供用于后冷却器116的入口装置118。更为具体地，本实用新型提供被配置为对传入的空气流进行分离并分布到后冷却器116上的入口装置118。入口装置118的挡板302、304、306、308和310以一方式排列，这样挡板302、304、306、308和310被配置为在将传入的空气流分布到后冷却器116之前对该传入空气流进行均匀分离。挡板302、304、306,308和310按照其高度H1、H2、H3、H4和H5的递增次序的排列和挡板302、304、306、308和310之间的预设距离D配置挡板302、304、306、308和310来实现传入空气的均匀分离。此外，挡板302、304、306、308和310的轮廓允许均匀分离的空气在后冷却器116的换热元件上的偏转。因此，入口装置118的挡板302、304、306、308和310以一方式排列，这样挡板302、304、306、308和310被配置为对传入空气流进行均匀分离并分布到后冷却器116上。
[0043]本文公开的入口装置118的设计提供了传入空气流在后冷却器116的换热元件上的均匀分布，这样分离后的空气可在传送至发动机102的进气歧管和气缸之前在后冷却器116中均匀冷却。此外，通过入口装置118的均匀空气分布可使得燃烧发生之处的导管120、入口装置118、后冷却器116、发动机102的进气歧管和气缸中的热点减少。因此，发动机102和后冷却器116针对欠缺可具有增强的性能和可靠性。
[0044]在步骤402，在入口装置118的流路204中接收到空气流。传入的空气流代表来自涡轮增压器108的热压缩空气。通常，在涡轮增压器108或增压器中压缩的空气由于其中存在的压缩而变热。在一示例性实施方案中，由于涡轮增压器108中的压缩所导致的空气温度的增高可由以下理想气体定律方程式来支配:
[0045]P.V = n?R?T..............方程式 I ；
[0046]其中，P=空气的压力；
[0047]V=空气的体积；
[0048]T=空气的温度；
[0049]R=理想或通用气体常数，即8.314 J.K—1.moF1 ；以及
[0050]η=空气中物质的量。
[0051]在步骤404，设置在流路204中、位于入口装置118的前部开口 224和底部开口 226之间的挡板302、304、306、308和310将空气流312分离。挡板具有从底部开口 226测量的不同高度Η1、Η2、Η3、Η4和Η5，其中挡板302、304、306、308和310的相应高度Η1、Η2、Η3、Η4和Η5随着到前部开口 224的距离的增大而增大。本文公开的挡板302、304、306、308和310从主体202的前部开口 224处按照该些挡板302、304、306、308和310的高度Η1、Η2、Η3、Η4和Η5的递增次序依次排列。参照图3，流路204的横截面积随着到前部开口 224的距离的增大而减小。因此，在挡板302、304、306、308和310和主体202的顶壁210之间可为传入空气流312提供逐渐变窄的通道来通过。在连续的挡板302、304、306、308和310将传入空气流分离的同时，逐渐变窄的通道用于保持或增加挡板302、304、306、308和310处分离后剩余的传入空气流的速度。通过挡板302分离后剩余的传入空气流可以以增加的速度朝挡板304移动，且通过挡板304分离后剩余的传入空气流可以以增加的速度朝挡板306移动。因此，限定在挡板302、304、306、308和310和顶壁210之间的逐渐变窄的通道为传入空气流提供减小的流路204横截面积,从而影响传入空气流的速度。
[0052]在一实施方案中，通过挡板302、304、306、308和310对空气流的分离还包括在底部开口 226上大体上均匀地分离空气流，以及在后冷却器116的面积上大体上均匀地分离空气流。挡板302、304、306、308和310可以预设距离D彼此间隔开来，这样挡板302、304、306,308和310被配置为在后冷却器116的面积上大体上均匀地分离空气流312。
[0053]在步骤406，将分离后的空气向下偏转至后冷却器116中。挡板302、304、306、308和310可由用于将传入的空气流向下传导至后冷却器中的轮廓而形成。基于传入空气流的均匀分离，分离后的空气向下偏转至后冷却器116中。传入空气流的均匀分离并分布到后冷却器116的换热元件中允许随着分离后的空气传送到换热元件，传入空气流在冷却上的均匀性。因此，后冷却器116或发动机102中热点产生的可能性可被最小化。
[0054]在参照上述实施方案具体示出并描述了本实用新型的各方面时，本领域技术人员应了解，在不脱离所公开的精神和范围的情况下，通过对公开的机器、系统和方法的修改可设想出各种附加的实施方案。这些实施例应视为落在基于权利要求及其任何等同体而确定的本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种发动机系统，其特征在于，包括: 涡轮增压器，被配置为输出压缩空气； 后冷却器，被配置为接收并冷却所述压缩空气；以及 入口装置，设置在所述涡轮增压器和所述后冷却器之间，所述入口装置包括: 主体,该主体限定位于其中的细长流路,所述主体包括: 前部开口，设置在所述流路的首端处并被配置为接收来自所述涡轮增压器的所述压缩空气；以及 底部开口，设置在相对于所述前部开口的一角度处并且设置在所述流路的末端处，所述底部开口被配置为允许所述压缩空气排出至所述后冷却器； 所述入口装置还包括至少两个挡板，设置在所述流路中、位于所述前部开口和所述底部开口之间，其中所述至少两个挡板具有从所述底部开口处测量的不同高度，并且其中所述至少两个挡板的相应高度随着到所述前部开口的距离的增大而增大。
2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，还包括发动机，所述发动机包括发动机缸盖，所述涡轮增压器的出口设置为与所述发动机缸盖的顶面成垂直关系。
3.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述至少两个挡板以一预设距离彼此间隔开来，所述挡板被配置为横跨所述底部开口，对传入的空气流进行均匀地分离。
4.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述挡板中的每个挡板包括: 尖头部，被配置为对所述传入的空气流进行分离； 弓形部，从所述尖头部延伸并被配置为对分离后的空气进行汇集；以及 线形部，从所述弓形部延伸，所述线形部被配置为将汇集的空气传导至所述后冷却器中。
5.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述主体包括: 彼此间隔开来的一对侧壁；以及 顶壁，设置在所述一对侧壁上用于限定其间的所述流路。
6.根据权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，所述至少两个挡板延伸在所述一对侧壁之间。
7.根据权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，还包括:从所述一对侧壁处横向延伸的一对凸缘，所述凸缘被配置为与所述后冷却器的入口凸缘可释放地耦接。
8.根据权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，所述顶壁延伸为远离所述前部开口的弓形，所述顶壁的远端限定所述底部开口的至少一部分，并且，所述顶壁的所述远端被配置为将分离后的空气流向下偏转至所述底部开口中。
9.根据权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，所述流路的横截面积随着到所述前部开口的距离的增大而减小。
【文档编号】F02B29/04GK203939569SQ201420377328
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】B·M·布克思, D·L·彭妮库夫, J·A·哈伍德 申请人:卡特彼勒公司