专利名称：废气涡轮增压内燃机的受控冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废气涡轮增压内燃机的受控冷却系统，特别是涉及一种带有改进的散热器的冷却系统，其中一部分液体冷却剂从旁路绕过了散热器以控制温度，该散热器设置成与第二散热器相连的形式运行，在该第二散热器中有一部分液体冷却剂在被用于涡轮增压器的后冷器之前进行低温冷却，而风扇速度则按照环境空气温度和内燃机负载进行调整(散热器和低温冷却器中的热应力通过两个系统温度变化的增量而减至最小)。
内燃机的冷却系统是用来带走发动机中因摩擦而产生的热量的。该冷却系统的一个部件就是散热器，它让液体冷却剂与空气进行热交换以将热量排出或消散到大气中。
控制风扇速度或与散热器进行热交换的风扇鼓风将会部分地控制冷却剂的温度，也控制内燃机的温度。
适当的内燃机工作温度对于内燃机有效地工作是非常重要的因素。在环境温度较低时，内燃机工作温度事实上可低于最佳工作温度。在这种情况下，内燃机的效率将会下降且由于低效率的工作状况会使得排污增加。
应用废气涡轮增压来提高内燃机的功率至少自本世纪便已为人所公知。由空气与燃料混合而得来的空气/燃料混合气在燃烧前被压缩以提高在每个给定容积下的分子数。从涡轮增压器出来的压缩进气不仅密集而且还很热。由于燃烧混合物的冷却器有望提高燃烧效率并降低排气污染量，因而燃烧的可以与从散热器排出的液体冷却剂进行热交换。
然而在很多例子中，冷却剂温度仅比发动机工作温度低10°F到15°F。
申请人查到了下列美国专利专利号专利权人3516231乔治3841064希金纳等4325219斯坦等4485624梅尔齐奥4517929缪塞克等4520767罗特根等4550692克罗英特4563983早志等4620504克罗英特在早志(4563983)中，从涡轮增压器内部冷却器和内燃机冷却系统而来的蒸汽流在一普通散热器中以升高系统中的压力及在低负载情况下提高冷却剂沸点进行冷凝，如在市区巡逻时相应高速/高负载内燃机工作中而降低压力及沸点。
乔治(3516231)公开了一个用于压缩机和油箱之间的供气管上的后冷器，其用于冷却来自压缩机的空气，除去水和污物。它将含有水和油的蒸汽冷凝为液体，自动将杂质排出每个压缩机循环并自动将后冷却器卸载至每个压缩机循环之间的大气压。
希金纳(3841064)也为冷却及清洗压缩空气提供了一个后冷器。
斯坦(4325219)公开了一种带有一涡轮增压器和一后冷器的冷却剂系统。每个环通路还带有一响应流量控制的温度恒温器。
梅尔齐奥(4485624)公开了一种装有冷却系统的增压发动机，其包括发动机的液体冷却散热器和一个对涡轮压缩机所传送的空气增压散热器。
缪赛克(4517929)为内燃机提供了一种自调节冷却系统。
罗特根(4520767)为带有后冷器和机油冷却器的涡轮增压柴油机提供了一套冷却系统。
克罗英特(4550692)提供了一种内燃机冷却系统，其中冷却剂在一个包含有一台内燃机、一个散热器和一个后冷器的回路中循环、并为自动调节通过后冷器的冷却剂温度而提供了一套装置。
克罗英特(4620509)提供了一套冷却系统，它有选择地将冷却剂供入两个回路中的一个或者根据冷却剂的温度同时供入两个回路。它也包括一恒温控制的初级阀门。
拉尔森(4697551)提供了一种在可调节的低流量冷却系统中快速调整冷却剂流量以保持离开后冷器的空气温度的方法及装置。
在上述公开的一些控制冷却剂循环的系统中，没有一个现有技术公开了一种通过让一部分冷却剂经一旁路绕过散热器而控制冷却剂温度的系统。该系统通过将部分液体冷却剂在进入涡轮增压系统之前穿过散热器到达低温冷却器，并同时根据环境温度和内燃机负载控制风扇速度。也没有一种现有技术利用热交换器之间的连续流动实现增大的温度变化，这种变化将许可通过热交换器装置具有较小热应力的较低的增压空气的冷却剂温度。
本发明提供了一套冷却系统，它可在内燃机中保持一个所需的高的工作温度，同时通过利用液-气后冷器的系统提供尽可能保持低温度的燃烧空气进气。这两种状态，高的工作温度和低进气空气温度均可提高燃烧效率并降低排气污染。
由内燃机排出的液体冷却剂被导入由控制器操纵的一个阀门中，该控制器接与回路内的液体温度传感器相通并且共同运行。阀门将一部分液体冷却剂导至热交换散热器。而一部分冷却剂则从旁路绕过散热器并回到返回管路上。穿过散热器的液体冷却剂将与从一个风扇或多个风扇吹来的大气进行热交换。将温度控制设定成等于推荐的工作温度的温度。
从散热器排出的液体冷却剂将流过一测量冷却剂流量的管内传感器。传感器则可操作地与操纵阀门的控制器相连。一部分从散热器排出的液体冷却剂会被导至一低温冷却散热器。剩下的液体冷却剂则被导回到返回管路。
在低温冷却器中，液体冷却剂将与由风扇吹来的空气进行热交换。散热器和低温冷却器构成带有一个风扇或多个一齐使用的风扇的组合的散热器。来自低温冷却器的液体冷却剂而后再导入一后冷器热交换器中。
从内燃机到散热器到低温冷却器的冷却剂流量的逐渐减少，使得其可以实现最大的温度变化以与根据适当环境温度和功率水平相协调。
在废气涡轮增压器中，燃烧空气进气在一台由涡轮机驱动的压缩机中被压缩，而后引至后冷器热交换器。燃烧的空气进气将会在被供入内燃机之前在后冷器中与冷却剂进行热交换。
一台泵也被用于使冷却剂在系统中循环。
风扇或多个风扇速度控制通过一台处理机来操纵。该处理机被设计成让风扇在相应于由传感器测得的环境温度及相应于内燃机负载在最佳速度下运转。
图1表示目前公知涡轮增压内燃机的典型现有冷却系统的流程图;
图2是显示环境空气温度与增加的燃烧空气百分率之间关系的曲线，该燃烧空气用在涉及现有冷却系统的内燃机中;
图3是表示本发明的内燃机冷却和涡轮增压系统的流程图;
图4是根据本发明的冷却和涡轮增压系统的结构的工作简图;
详细参看附图，图1表示一套内燃机典型现有冷却和涡轮增压系统10。
在本发明针对机车内燃机进行描述时应当意识到本发明的原理可相同地应用到汽车内燃机、工业用内燃机及其它内燃机。
液体冷却剂被用来穿过这一冷却系统。这种液体冷却剂可以是公知的水或其它液体。液体冷却剂将通过内燃机14循环以便从其中吸收热量。而后冷却剂从内燃机14中排出并如箭头18所示导入散热器16中。流通的冷却剂将如箭头22所示与从风扇20吹来的大气进行热交换。该散热器热交换器16将会使热量消散到大气中并使液体冷却剂温度降低。
而后冷却剂如箭头26所示被导入一机油冷却器24。流通的冷却剂将在其中与机油或其它液体进行热交换。机油在28处进入而在30处排出，导致冷却剂的温度升高。最后冷却剂将如箭头32所示回到泵入口处。泵33则使得冷却剂在系统中循环。同时，内燃机的废气涡轮增压系统用来增压在充入内燃机之前的燃烧空气密度。燃烧空气进气如箭头36所示直接进入涡轮机34，在其中燃烧空气被压缩从而空气进气更加密实。空气进气的压缩过程又导致了进气温度的提高。
之后，燃烧空气由箭头38所示直接充入一后冷器热交换器中。有一部分冷却剂穿过后冷器热交换器40，该部分冷却剂如箭头42所示是从冷却系统的循环中引来的。液体冷却剂将与燃烧空气进气进行热交换以在燃烧空气如箭头14所示充入内燃机之前降低其温度。液体冷却剂通过后冷器热交换器后将会象箭头46所示导回散热器上游的冷却循环系统中。
上述的典型冷却及涡轮增压系统具有一系列的限制。内燃机的工作温度对于保持效率和将污染量保持在尽可能低的水准上极为重要。在遇到低功率和/或低环境温度的情况下，内燃机的温度实际上可低于推荐的工作温度。同时可期望将燃烧空气进气的温度降低到相当的程度。冷却程度通过从泵中排出的冷却剂的可能冷却的温度来限制。
本发明寻求在内燃机中保持一个理想的工作温度，同时对燃烧空气提供较低的温度以提高内燃机效率并降低排气污染量。
图2表示环境空气温度与相应于图1所示现有系统的本发明所实现的涉及燃烧空气进气的增加百分率之间的关系。正如图表中所反映的那样，随着环境温度的提高，进入的空气密度将会增加，进而使得所得到的燃烧的氧量增多。
图3表示出所示虚线线方框内的本发明50的流程图。从内燃机52排出的液体冷却剂如箭头56所示被导过液体温度传感器54。然后该液体冷却剂响应于冷却剂温度通过控制器60操纵而导入阀门58。冷却剂的一部分将如箭头64所示始终流向散热器62。一部分冷却剂则如箭头68所示从旁路绕过散热器热交换器62。通过散热器62的液体冷却剂将与箭头72所示从风扇70吹来的大气进行热交换。
控制器60设定与推荐的内燃机工作温度一样的温度。如果通过温度传感器54检测到冷却剂的温度已降低到了低于预定点，阀门58将减少流向内燃机散热器的冷却剂流量。这将使得在系统中循环的冷却剂回到内燃机52中以提高温度。当液体冷却剂温度升高时内燃机的温度也将升高。
相反，当冷却剂的温度升高到预点以上时，控制器60将使阀门58增加流过内燃机散热器的冷却剂流量。甚至在冷却剂温度超过预定最高温度时关闭旁路68。
从散热器62排出的液体冷却剂将流过一个用来测量冷却剂流量的管内传感器74。传感器74可操纵地与操纵阀门78的控制器76相连。从散热器中排出的部分液体冷却剂如箭头82所示流入一低温冷却散热器80。剩下的冷却剂将如箭头86所示返回管路84中。控制器76将确定从散热器排出的冷却剂流入低温冷却散热器与返回管路84之间的比例。例如，从散热器排出的三分之一冷却剂流入低温冷却器。流过低温冷却器的冷却剂量由后冷器的工作特性决定。
在低温冷却器80中的液体冷却剂将与由风扇70吹入的空气进行热交换。很明显一个或成组风扇不仅可用于低温冷却器80，而且也可用于散热器62。散热器62和低温冷却器80也与单个或多个风扇组成一个合成散热器结构。而后来自低温冷却器的冷却剂如箭头90所示被导入后冷器换热器88中。一个管内的温度传感器114用以检测燃烧空气进气温度。在预定的温度处，控制器116驱动旁通阀门118以防止燃烧空气进气过冷。
相对上面参照图1进行的描述，燃烧空气进气将如箭头94所示在涡轮压缩机92中被压缩。压缩后的进气将如箭头96所示流入后冷器换热器88中。燃烧空气进气将如箭头98所示在被引入内燃机52之前在后冷器88中与冷却剂进行热交换。
一种可供选择的机油冷却器100可以设在冷却剂回路中。冷却剂将与其进行热交换以便在冷却剂如箭头102所示再次进入内燃机52之前更进一步提高温度。也可以利用一台泵104循环现有公知技术的系统中的冷却剂。
在低温冷却器80和散热器62中的热交换可以通过一个风扇或多个风扇70的速度来控制到一定程度。因而，一个速度控制器106被连接在风扇70上。该速度控制器106则由一台处理机108操纵。处理机设计成使风扇处于相应由温度传感器100测得的环境温度及相应于由虚线112所示的内燃机负载的最佳速度上运行。例如在环境温度下降时风扇速度可以下降。在内燃机处于低功率水平工作时风扇速度也可以降低。
应该明确，液体冷却剂系统的温度以及热量的抑制都能通过风扇速度以及由阀门58及箭头68所示的散热器旁路的冷却剂的流量来控制。
用图4表示本发明50的冷却系统的工作图。如箭头64所示排出内燃机的冷却剂，从而其一部分流入散热器62。一控制器60将允许冷却剂的一部分如箭头68所示从散热器旁边流过。流到散热器62旁路中的冷却剂将排入返回管路84中从而回到内燃机中。
同时，穿过散热器的冷却剂将通过一由控制器76操纵的流体控制阀门78。从散热器排出的一部分液体冷却剂将如箭头82所示流入低温冷却器80，低温冷却器热交换器降低了液体冷却剂引入涡轮增压系统的后冷器88之前的温度。
还可以从图4中了解到如箭头72所示由风扇所吹出的空气将用在散热器和低温冷却器两者上。
虽然本发明已结合附图进行了描述，但应明白，不是所示的及所建议的其它的或更进一步的改进也可能处于本发明的精神及范围之内。
权利要求
1.一种废气涡轮机增压的内燃机的冷却系统，带有一热交换散热器装置、从所述内燃机中吸收热量的液体冷却剂，抽吸所述冷却剂通过所述冷却系统的泵装置、吹动空气与所述散热器装置进行热交换的风扇装置，以及提高燃烧空气进气密度的涡轮压缩机装置，其中该冷却系统包括将从所述内燃机排出的一部分液体冷却剂导入所述散热器装置，而将一部分所述冷却剂在从所述内燃机排出后根据所述液体冷却剂的温度导入所述散热器旁路的温控阀门装置；通过将所述液体冷却剂与来自所述风扇装置的所吹的空气进行热交换以降低液体冷却剂温度的液体低温冷却热交换器装置；流量控制阀装置，将从所述散热器装置中排出的一部分液体冷却剂导至所述液体低温冷却热交换器装置，并将剩余的液体冷却剂导至内燃机；通过将所述燃烧空气进气与来自低温冷却器热交换装置的液体冷却剂进行热交换来降低来自所述涡轮压缩机装置排出的燃烧空气进气温度的后冷器热交换装置；根据环境空气温度和所述内燃机的负载来控制所述风扇速度的风扇速度控制装置。
2.如权利要求1所述的废气涡轮增压内燃机的冷却系统，其特征在于它包括通过让液体冷却剂在引入所述内燃机之前与机油进行热交换来降低所述液体冷却剂温度的机油冷却器热交换装置。
3.如权利要求1所述的废气涡轮增压内燃机的冷却系统，其特征在于其中所述的温控阀门装置包括检测从所述内燃机中排出的液体冷却剂温度的液体冷却剂温度传感器装置和恒温的控制阀门装置。
4.如权利要求3所述的废气涡轮增压内燃机的冷却系统，其特征在于其中所推荐的内燃机工作温度为基准温度，并且如果冷却剂温度低于所述基准温度时，所述恒温控制阀门装置将减少通过所述散热器的冷却剂流量，而如果冷却剂温度高于所述基准温度时则会增加通过散热器装置的冷却剂流量。
5.如权利要求1所述的废气涡轮增压内燃机的冷却系统，其特征在于其中所述的流量控制阀门装置包括一个检测液体冷却剂流量的传感器和与所述流量控制装置相连的一个信号装置以控制流入低温冷却器装置的部分冷却剂。
6.如权利要求1所述的废气涡轮增压内燃机的冷却系统，其特征在于其中所述的风扇速度控制装置包括环境空气温度传感器装置、微处理机装置以及内燃机负载传感器装置。
7.一种控制废气涡轮增压内燃机的温度、增进燃烧的方法，该内燃机包括热交换散热器装置、从所述内燃机中吸收热量的冷却剂、泵送冷却剂通过所述冷却系统的泵装置，将吹来的空气与所述散热器装置进行热交换的风扇装置以及提高燃烧空气进气密度的涡轮增压装置，该方法包括将从内燃机排出的一部分液体冷却剂导至所述散热器装置与从风扇吹来的空气进热交换，而引导另一部分通过旁路绕过散热器装置，该部分根据从内燃机排出后的所述液体冷却剂温度来确定;将从所述散热器装置排出的一部分冷却剂导至低温冷却器热交换装置与来自风扇装置的空气进行热交换以降低所述液体冷却剂的温度，而将剩余的液体冷却剂导至内燃机;将从所述低温冷却器热交换装置排出的液体冷却剂与燃烧空气进气进行热交换以降低所述燃烧空气进气的温度;根据环境空气温度和内燃机负载控制所述风扇装置的速度。
全文摘要
一种废气涡轮增压内燃机的受控冷却系统，它具有一热交换散热器、从内燃机中吸收热量的冷却剂、一台让冷却剂在系统中循环的泵、一个吹动空气与内燃机散热器中冷却剂进行热交换的风扇和一个对进气空气用冷却剂进行后冷的散热器。
文档编号F01P7/04GK1080018SQ9211308
公开日1993年12月29日 申请日期1992年10月17日 优先权日1991年10月18日
发明者L·E·麦塔加特 申请人:塔奇斯顿有限公司