调节通过废气再循环冷却器的流来维持利于减少沉淀聚集的气流速度的制作方法

专利名称：调节通过废气再循环冷却器的流来维持利于减少沉淀聚集的气流速度的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机应用中的废气再循环回路。
背景技术：
废气再循环(EGR)回路作为内燃机中调节燃烧反应的一种方法在本领域内是公 知的。这样的EGR回路从排气系统中移除一部分废气流。排气系统将废气流形式的燃烧副 产物从发动机通过各种处理设备传输并且通过排气管排到车辆外。EGR回路引导一部分废 气流回到输入流，以重新进入发动机气缸内的燃烧室。在这样的应用中，在和燃烧室内的燃 料空气充量混合时，废气流作为一种惰气，从而改变了室内燃烧的性质。与使用EGR相关的 效果，如NOx排放的减少，在本领域是公知的。EGR回路公知用于许多不同发动机类型和结 构中，例如柴油和汽油发动机。燃烧，是燃料空气充量在燃烧室内被点燃和用来做功的过程，其很大程度上依赖 于燃烧室内存在的条件。各种性能例如燃烧室内温度的变化会对引起的燃烧造成不利影 响。引导入燃烧室的EGR流的温度对燃烧室内的整体温度有影响。由于需要控制这些温 度，在EGR回路中通过使用包含热交换设备的EGR冷却器来调节EGR流的温度的方法是公 知的。热交换设备可以采用很多形式。一种公知的热交换设备是气_液式热交换器，其 中气流通过由热交换器内的壁限定的多个气流通路，且其中液体流通过由热交换器内的壁 限定的多个液体流通路。在热交换器内用来冷却EGR流的一种公知液体是发动机冷却剂， 其通常与发动机冷却系统连通；然而，应当理解，许多不同的液体，或者作为在车辆中存在 的液体回路的一部分，或者作为EGR冷却器使用的专用回路，可以用于热交换器。另一种公 知的热交换设备是气-气式热交换器，其中第一气流通过由热交换器内的壁限定的多个气 流通路，且其中第二气流通过由热交换器内的壁限定的多个第二气流通路。从车辆外被引 导通过热交换器的气流通常被用作为冷却气流，但是应当理解，许多不同气体，或者作为在 车辆中存在的液体回路的一部分，或者作为EGR冷却器使用的专用回路，可以用于热交换 器。另外，多级EGR冷却器是公知的，其中EGR流通过多个串联的热交换器，第一热交换器冷 却EGR流到某个中等的温度，且第二热交换器冷却EGR流到某更低的温度。可选地或者额外 地，热交换器可以被并联使用，其中EGR流被引导在一条通道或者其他通道之间，每个通道 包括单个热交换器或者多个串联的热交换器。在这种多级EGR冷却器中，可以使用不同类 型的热交换器或者不同的冷却媒介。同样，在某些情况下，EGR冷却器可以实际上被用来将 热量传递给来自另一媒介的EGR流再传递给EGR流，例如在发动机暖机情况下。限定EGR流 的气流通道的热交换器内的壁和限定第二流的流通道的热交换器内的壁通常是相同的材 料片，所述流和该材料片的相对侧接触。通过使用这样的设计，在壁的任意一侧上流动的两 种不同物质的流可以使热通过分立的材料片从具有较高温度的流传递到具有较低温度的 流。热交换器的设计，包括热交换器内的壁的设计，热交换器中壁的材料或者涂层的选择，为增加热交换器内表面积的通道内散热片的使用和设计，和其他考虑因素在本领域中是公 知的并在此不再讨论。另外，公知的是热交换器具有各种各样的结构，例如包括平行流、叉 流、和逆流，且热交换器的许多内部设计是公知的，例如其中液体流可以在单一通道中通过 热交换器，或者使用隔件使液体在多个通道中通过热交换器。尽管在此描述且例举了热交 换器的示例性形式，但热交换器可以有很多形式和替代的实施例，且在此描述的方法不意 于被限制到所描述的特定实施例。对于本发明目的，为了影响热交换器的有效热传递，EGR 冷却器中使用的热交换器的设计需要气流通过被设计成使表面积最大化的气流通道，通过 该通道热量可以在不同媒介流之间传递。EGR流，如前所述的为了控制燃烧室内的燃烧从排气系统流出的废气流，包含燃烧 的副产物。颗粒物质(PM)和其他燃烧副产物随着废气流行进通过排气系统。通过将EGR 回路接进排气系统使得EGR回路暴露给这些副产物。如前所述，热交换器设计包括制造狭 窄且被细分的通道以便使从热气体到冷却剂的热量传递最大化。但是，具有大的表面积的 狭窄通道会作为燃烧副产物的过滤器，从而在通道内的表面上聚集颗粒沉淀物。热交换器 内的这种沉淀物会对热交换器有许多不利的影响，包括但不局限于腐蚀、增加流阻力、流阻 滞、热传递能力降低、和振动噪声(NVH)。减少在EGR冷却器内沉淀物聚集的方法会提高热交换器的性能和减小热交换器 维修问题的频率。

发明内容
机动车的热交换器处理包括燃烧废气的气流。通过借助于减少热交换器总气流横 截面而局部增加气流速度来维持热交换器内的最小气流速度，减小在热交换器内的燃烧副 产物沉淀聚集。


现在将参考附图，以例子方式，来描述一个或多个实施方式，在附图中图1描述内燃机和根据本发明构造的控制系统的示意图；图2描述根据本发明的利用包含EGR冷却器的EGR回路的发动机的示意图；图3描述根据本发明的公知EGR冷却器的截面图；图4图示出根据本发明的用在EGR冷却器内的公知热交换器的立体图；图5是根据本发明的作为废气速度的函数的在暴露于废气的设备内产生的沉积 的图形表示；图6描述根据本发明的作用在气流上的喷嘴的示意图；图7图示出根据本发明的利用流控制门的热交换器的立体图；图8描述根据本发明的在通风组件内利用流控制门的热交换器的示意图；图9描述根据本发明的利用没有热交换的锥形流通道的热交换器的示意图；图10描述根据本发明的利用存在热交换的锥形流通道的热交换器的示意图；图11描述根据本发明的利用没有热交换的锥形气流通道和流控制门的热交换器 的示意图；以及图12描述根据本发明的使用EGR回路的发动机的示意图，该EGR回路包含能够完全封锁EGR流的流控制门，因此不需要EGR阀。
具体实施例方式现在参考附图，其中图示只是为了示出特定示例性实施例，且不是为了对其作出 限制，图1示出了内燃发动机10和根据本发明实施例构造的控制系统25的示意图。所示 的实施例作为总体控制方案的一部分被应用，以运行示例性多气缸、火花点火、直喷式、汽 油四冲程内燃发动机。但是，如本领域普通技术人员所理解的，在此描述的方法可以用于许 多且各种各样的发动机构造中，且图1描述的示例性的发动机设计只是为了图示的目的。示例性的发动机10包括铸造金属的发动机机体和发动机缸盖27，其中发动机机 体内形成有多个气缸，已经示出气缸中一个。每个气缸包括封闭端式气缸，其内嵌入有可 往复移动的活塞11。可变体积的燃烧室20在每个气缸内形成，且由气缸壁、可移动活塞 11和缸盖27限定。发动机机体优选地包括冷却剂通道29，发动机冷却剂通过该冷却剂通 道29。操作用于监测冷却剂流体温度的冷却剂温度传感器37位于合适位置处，并且提供 参数信号输入给控制系统25用来控制发动机。发动机优选地包括包含有外部废气再循环 (“EGR”)阀和进气空气节气门(未示出)的公知系统。每个可移动活塞11包含根据公知活塞形成方法所设计的设备，并包括顶部和主 体，所述主体与活塞在内运行的气缸大体上相符。活塞具有暴露于燃烧室内的顶部或者冠 部区域。每个活塞经由销34和连接杆33连接至曲轴35。曲轴35在靠近发动机机体的底 部部分的主轴承区域处可旋转地附接至发动机机体，以便曲轴可以绕着由每个气缸限定的 纵向轴线垂直的轴线旋转。曲轴传感器31被置于合适的地方，可操作以产生由控制器25可 用的信号，以测量曲柄角，且该信号是可转换的以测量可用在各种控制方案中的曲轴转动、 速度和加速度。在发动机的运转期间，由于活塞连接到曲轴35、曲轴35的旋转以及燃烧过 程，每个活塞11在气缸内往复上下运动。曲轴的旋转作用影响燃烧期间施加在每个活塞上 的线性力转化成曲轴的角转矩输出，其可以被传送到其他设备，例如车辆动力传动系统。发动机缸盖27包括具有流向燃烧室20的一个或者多个进气口 17和一个或者多 个排气口 19的铸造金属设备。进气口 17给燃烧室20提供空气。燃烧后的(点燃的)气 体从燃烧室20经由排气口 19流出。通过每个进气口的空气流由一个或者多个进气阀21 的致动来控制。通过每个排气口的燃烧气流由一个或者多个排气阀23的致动来控制。进气阀21和排气阀23均具有包含暴露于燃烧室的顶部的头部。每个阀21，23均 具有连接至阀致动设备的柄。描述为60的阀致动设备可操作成控制每个进气阀21的开和 关，且第二阀致动设备70可操作成控制每个排气阀23的开和关。每个阀致动设备60，70 均包括信号连接至控制系统25且操作成共同地或单独地控制每个阀开和关的正时、持续 时间和大小的设备。示例性发动机的第一实施例包括具有可变升程控制(“VLC”)和可变 凸轮相位(“VCP”)的双顶置凸轮系统。VCP设备操作成控制每个进气阀和每个排气阀的 开或关相对于曲轴的旋转位置的正时，且使每个阀打开固定的曲柄角持续时间。示例性的 VCP设备包括公知的凸轮相位器。示例性的VLC设备操作成将阀升程的大小控制到两个位 置中的一个一个位置是对于120-150曲柄角度的打开持续时间到3-5mm升程，另一个位置 是对于220-260曲柄角度的打开持续时间到9-12mm升程。示例性的VLC设备包括公知的 两级升程凸轮。各阀致动设备可以提供同样的功能以达到同样的效果。阀致动设备优选地根据预定的控制方案由控制系统25来控制。包括例如全柔性的电或电液压设备的可替代 的可变阀致动设备可同样被使用且既具有独立开和关相位控制以及在系统限制内本质上 无限的阀升程变化的进一步优点。这里描述了控制阀的开和关的控制方案的具体方面。本 领域普通技术人员可以理解，发动机阀和阀致动系统可以有很多形式，且描述的示例性发 动机结构只是为了图示的目的。在此描述的方法绝非意在被限制到在此描述的特定示例性 结构。空气通过进气歧管通路50进入进气口 17，进气歧管通路接收通过公知的空气计 量设备和节流装置(未示出)的过滤空气。废气从排气口 19流到排气歧管42，排气歧管 42包括废气传感器40，该废气传感器40操作成监测废气馈送流的构成，以及确定与其相关 联的参数。废气传感器40可以包括操作成提供废气馈送流的参数值包括空气/燃料比或 废气构成(例如N0x、C0、HC等)的测量值的任何一些公知的传感设备。系统可以包括用来 测试燃烧压力的气缸内传感器、非侵入式压力传感器、或推断确定的压力测定设备(例如， 通过曲轴加速度)。上述传感器和计量设备均为控制系统25提供作为参数输入的信号。控 制系统可以利用这些参数输入来确定燃烧性能测量值。控制系统25优选地包括可操作以提供发动机10和其他系统的协调系统控制的整 体控制结构的子集。在整体操作中，控制系统25操作成合成操作员输入、环境条件、发动机 工作参数、以及燃烧性能测量值，并执行算法来控制各种致动器以达到控制参数包括燃料 经济性、排放、性能和操纵性能的参数的目标。控制系统25操作地连接至多个设备，通过该 多个设备操作员通常控制或指挥发动机的操作。示例性操作员输入包括加速器踏板、制动 器踏板、变速器选档器、和当车辆采用发动机时的车辆速度巡航控制。控制系统可通过局域 网(“LAN”)总线(未示出)与其他控制器、传感器、和致动器连通，所述总线优选地允许各 个控制器之间的控制参数和命令的结构化交流。控制系统25可操作地连接至发动机10，且运行来获得来自传感器的参量数据，且 在合适的接口 25上控制发动机10的各种致动器。控制系统25基于操作员输入接收发动 机转矩命令，并产生期望的转矩输出。使用前述传感器由控制系统25检测出的示例性发动 机操作参数包括发动机冷却剂温度、曲轴旋转速度(“RPM”)和位置、歧管绝对压力、环境空 气流和温度和环境空气压力。燃烧性能测量值一般包括测得的和推断的燃烧参数，尤其包 括空气/燃料比、峰值燃烧压力的位置。由控制系统25控制的致动器包括燃料喷射器12 ；VCP/VLC阀致动设备60，70 ； 可操作地连接至点火模式以控制火花停留和正时的火花塞14 ；废气再循环(EGR)阀(未示 出)；和，电子节气门控制模块(未示出)和喷水装置16。燃料喷射器12优选地操作成将 燃料直接注入进每个燃烧室20。示例性的直接喷射燃料喷射器的具体细节是公知的，在这 里不详述。控制系统25利用火花塞14来加强示例性发动机的在发动机速度和负载工作范 围部分的点火正时控制。当示例性发动机在自动点火模式下运作时，发动机不使用通电的 火花塞。在包括例如冷启动的特定条件下、在接近低负荷极限的低负荷工作条件下使用火 花点火来补充自动点火模式和预防积聚已经被证实是理想的。同样，在自动点火模式的高 负荷运行极限时、在节流或者非节流火花点火操作时的高速/高负荷工作条件，使用火花 点火已经被证实是优选的。控制系统25优选包括通用数字计算机，该计算机一般包括微处理器或者中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程序只读存储器(EPROM)、高速 时钟、模拟数字转换(A/D)和数字模拟转换(D/A)电路、输入/输出电路和设备(I/O)和适 当的信号调整与缓冲电路。每个控制器都有一套控制算法，包括储存在ROM中并执行以提 供每个计算机各自功能的驻留程序指令和标定。发动机控制的算法一般在预定循环周期被执行以便每个算法都在每个循环周期 至少被执行一次。通过使用预定的标定，存储在非易失性存储设备中的算法被中央处理机 执行且可操作成检测来自传感设备的输入并且执行控制和诊断程序来控制发动机的操作。 循环周期一般以规律间隔执行，例如在发动机操作正在进行期间的每3. 125,6. 25,12. 5、25 和100毫秒。可选的，可以响应于事件或者中断请求的发生来执行算法。如前所述，EGR回路被使用在各种各样的发动机类型和发动机设计中。图1描述 了能使用EGR回路的示例性发动机。用来给发动机10供能的燃料空气混合物可包括汽油 或者汽油混合体，但是混合物可能还包括其他可变的燃料类型，例如乙醇或乙醇混合体如 普遍熟知的燃料E85。公知的是不同的发动机构造利用如柴油燃料或柴油混合体的其他燃 料和使用EGR回路。描述的方法不依赖于所用燃料的特定类型且不意于被限制到在此描述 的实施例。图2示意性地示出了根据本发明的使用EGR回路的示例性发动机结构。描述的发 动机10包括输出轴75、排气系统80、进气歧管85和EGR回路90。发动机10接收通过进气 歧管85的燃烧所需的燃料空气混合物中的至少空气部分、在发动机10中的燃烧室内执行 燃烧过程、为输出轴75提供转矩、排放通过排气系统80离开发动机10的废气流。EGR回路 90可连通地附接至排气系统80且描述成包括EGR阀94和EGR冷却器97。由控制系统25 来致动EGR阀94。在特定工作条件下致动EGR阀的各种控制方法在本领域是公知的且在此 不会详细描述。当EGR阀94被控制在关闭位置时，EGR阀94阻止来自排气系统80的任何 废气流、来自燃烧过程的压力梯度下的气流进入EGR回路90。当EGR阀94被控制在打开或 者开启位置时，EGR阀94打开，然后EGR回路90可以利用废气流的压力和速度来引导废气 流的一部分进入EGR回路作为EGR流。在一些实施例中，EGR阀94能够被部分打开，从而调 节分流入EGR流的废气的量。EGR流通过EGR回路90流到进气歧管85，在这里它和燃料空 气混合物中至少空气部分结合以便获得如前所述地通过使用EGR所赋予的燃烧控制特性。 如前所述，在发动机10内的燃烧过程对例如燃烧期间燃烧室内的温度的条件敏感。从高温 废气流中带来的EGR流能够将燃烧室内的温度升高至不期望的水平。所以，公知的是使用 EGR冷却器97将从EGR流中的热消除，从而控制所形成的最终进入燃烧室的EGR流的温度。各种降低热交换器内气流温度的方法是公知的。使用气-气式热交换器来将热量 从一种气流传递到另一种气流。使用气_液式热交换器来将热量从一种气体传递到一种液 体。如上所述，可以使用不同的气体或液体媒介来将热量传递给气流或者将热量从气流中 转走。在处理气流的任意热交换器中，气流通过气流通道进入热交换器，经历与其他媒介进 行热传递，且伴随着由热传递导致的温度改变而离开热交换器。利用发动机冷却剂来冷却 发动机各个部分的发动机是公知的。EGR冷却器97的示例性结构在图2中被描述为气-液 式热交换器，其中高温度的EGR流通过EGR冷却器97，将热传递给以发动机冷却剂体流形式 的液体媒介，随后EGR流作为降低温度后的EGR流离开EGR冷却器97。EGR冷却器97的一 些公知的示例性实施例包括与控制系统25连通的发动机冷却剂控制设备，该发动机冷却剂控制设备能控制进入EGR冷却器97的发动机冷却剂的流和量，从而控制从EGR流传递的 热的量以及控制EGR流温度的降低。在一些操作条件和配置中，能够关掉发动机冷却剂体 流从而使EGR流在最高温度下被传送到燃烧室。图3是依据本发明的示例性气_液式热交换器的示意图。热交换器和其部件可以 由多种材料制造。在废气流内表现的高温影响热交换器内的与高温气体形成接触的材料的 选择。另外，废气中存在的腐蚀性燃烧副产物也影响所用材料的选择。由于不锈钢的耐高 温和抗腐蚀性，不锈钢是一种用于废气部件的公知材料。在到达热交换器的温度稍微更低 且腐蚀力减轻的某些其他设计中可以使用其他材料如铝。热交换器的其他示例性设计使用 塑料或其他合成材料，例如，来构成集管部分或者连接孔，其中禁止直接暴露于更高温度气 流。公知热交换器包括各种涂层来保护热交换器的结构或者赋予其他有益的性质。前面描 述的材料仅作为例子给出。在具体热交换器中的材料和涂层的选择在本领域是公知的，本 发明的热交换器的材料和结构不意于限制于在此描述的特定示例性实施例。回到图3，描述的示例性的气-液式热交换器100包括气体入口段110、气体出口 段120、冷却剂孔125、气流管130束、端板145和热交换器壳140。如上所述，处理气流的任 意热交换器包括气流通道。在本实施例中，气流通道采取管130的形式。热交换器壳140环 绕管130束且和端板145密封来形成液体流容器150。端板145包括设计成接纳、固定、以 及密封到每个管130的开口。管130被设置成使得间隔160使管相互分开且和热交换器壳 140分开。冷却剂通过第一冷却孔125进入液体流容器150且围绕并通过间隔160且通过 第二冷却剂孔125流出液体流容器。同样的，气流通过气体入口段110进入热交换器100， 流过气流管130，且通过气体出口段120流出热交换器。因为气流管130与在外面的更冷的 液体冷却剂流以及在里面的更热的气流直接接触，所以热量能够通过管130的壁传递，从 而冷却气流并且加热液体流。以这种方式，热交换器100能使热气流冷却。图4是包括按照本发明的示例性管结构的气_液式热交换器的立体图。热交换器 100包括热交换器壳140和附接到任一端的端板145 (第二端板未示出)。管130被两端板 145保持在适当的位置，且平行于由热交换壳140产生的更大的气缸。描述的管的横截面是 圆形的。但是，本领域普通技术人员应当理解管可以使用各种横截面形状。另外，管可是空 心的，带有与管的外部具有相同形状的纵向延伸管的腔，或者管可以使用更复杂的形状来 增加流过管的气体与之接触的表面积。可以构思多种管的设计，且本发明不意于局限于在 此描述的示例性实施例。液体冷却剂流进入第一孔125，绕管130流经热交换器，且通过第 二孔125流出热交换器。气流通过管130进入热交换器，通过管，且流出热交换器。热交换 器100描述为圆柱形状，然而本领域普通技术人员应当理解热交换器100能够以许多种形 状使用，且本发明不意于局限于在此描述的示例性实施例。同样能理解的，热交换器能够可 替换的被设置以致冷却媒介可以被制造为流经管，以及被冷却的气流可以被引导成通过围 绕包括冷却媒介的管的气流通道。各种热交换器的设计是可以想到的，且本发明不意于局 限于在此描述的示例性实施例。EGR冷却器的示例性实施例使用热交换器来冷却EGR流，以为EGR流进入燃烧室做 准备。如前所述，EGR流，作为废气流的分流部分，包含PM和燃烧过程的其他污染物副产物。 这种副产物降低了 EGR冷却器的效果且降低了 EGR冷却器的有效寿命。留在热交换器的暴 露于气流的表面上的PM沉积物充当绝缘层，从而降低了在流媒介之间的特定温度差下通过所述表面的热量。累积于气流通道的壁上的沉淀物同样降低气流通道的有效横截面，从 而降低了热交换器上特定压力差下流过气流通道的气流。PM和其他污染物包括未燃尽的碳 氢化合物、其他腐蚀性物质和水。尤其在发动机厢和EGR流中存在高温时，气流通道内的沉 淀物促进EGR冷却器的腐蚀和其他恶化。测试已经显示暴露于废气流的热交换器(如EGR冷却器)的沉积物形成或者积聚 的速率主要取决于热交换器内的气流的速度。在EGR回路和相关联已知的EGR冷却器内的 气流速度可以根据许多因素来改变。例如，排气系统内的废气流的压力和速度可以依据发 动机运转来改变，从而影响EGR阀处可获得的废气的供给且因此影响形成的EGR流的压力 和速度。另外，如前面提到，一些示例性EGR阀能够部分打开，从而调节与排气系统内可用 废气流相关的EGR流。图5通过曲线示出了根据本发明的作为气流速度函数的示例性积聚 速率。如曲线所示，如果能够维持相对高的最小EGR流速度，EGR冷却器积聚可以被最小化， 从而降低EGR冷却器内的沉积和避免之前描述的相关问题。通过调节通过EGR冷却器的EGR流来维持EGR流速度在阈值水平之上可以将EGR 冷却器的积聚最小化。如本领域内普通技术人员能理解的，在一定气流行程长度上的气流 速度由该长度的横截面积决定。通过抑制(收缩)横截面，移动通过带有受抑制横截面的 长度的气流的流速会增加。图6示出了根据本发明的示例性喷嘴设计的剖面图，其中气流 行进通过的横截面在喷嘴长度上被抑制。通过喷嘴400的横截面的平均气体速度由所示的 箭头长度来表示。由于随着壁的收敛喷嘴的横截面变小，所以在所有其他变量保持不变的 情况下所述截面处的气流速度增加。通过抑制或减小移动通过EGR冷却器的EGR流的横截 面，可以提高EGR冷却器内的EGR流的速度。所以，通过抑制或调节EGR冷却器内可用的横 截面，可以调节EGR流以维持最低EGR流速度。应当注意的是，关于通过截面的任何气流， 抑制截面导致更大的流动阻力，从而降低气流的整体流率(每单位时间的质量)。在抑制通 过EGR冷却器的流的背景下，和非受抑制的EGR冷却器相比EGR流率的降低必须被补偿以 为燃烧室提供期望的EGR流率。减小通过热交换器例如EGR冷却器的总的气流横截面的一种示例性方法可以通 过降低可供EGR流流过的气流通道数目来实现。图7示出了根据本发明的示例性冷却器的 立体图。描述的EGR冷却器200包括流控制门210和门致动模块220。流控制门210可操 作成通过门致动模块220由控制系统25按照指令来单独打开或者关闭。依赖在设备内使 用的热交换器的具体设计，流控制门210可以被直接附接至热交换器的相应气流通道，从 而阻塞或者允许EGR流流过单独的气流通道。可替代地，流控制门210可直接对应于一组 气流通道；例如，单独的门可以覆盖六个一组的管，作为组渐进地打开或者关闭管。可替代 地，流控制门210可以是分立的壳或者EGR冷却器面盖的一部分，每个门的开口覆盖热交换 器面的一部分。这样的结构必须仍然以步或二元(binary)的方式打开和关闭气体通道，以 避免带有较低EGR流速度的部分地打开的气流通道。在分立的壳或者EGR冷却器面盖保持 流控制门210的情况下，尤其是如果门与气流通道或管的开口分开，则可以使用垫圈设备 来防止EGR流在较低速度下扩散到热交换器的不直接对应于门开口的部分。可以想到联合 EGR冷却器使用的控制门210的许多实施例，且本发明不意于局限于在此描述的示例性实 施例。控制门210使用本领域公知的密封方法来防止EGR流流经关闭的门或者从预期的气 流通道流到非预期的气流通道。另外，门、垫圈设备和暴露于气流的任何其他部件必须由能够经受气流的温度和腐蚀力的材料构成，如前面与热交换器相关的描述。门致动模块220 描述为单独的单元，其带有用于每个单独流控制门210的控制手段。门致动模块220和所 述模块用来控制各种流控制门的特定方法可以有很多形式。例如，门致动模块220可以使 用带有附接至齿轮组或凸轮设备的输出轴的单个电机。这些齿轮组和凸轮设备在本领域是 公知的且可以将单个旋转输入转化成增量的门移动。可选地，门控制模块220可以包括附 接至连接每个门的单个电致动器的控制模块，控制模块向每个致动器发送控制电信号来实 现打开和关闭指令。可选地，门控制模块220可以包括附接至每个门的单个电致动器以接 收直接来自控制系统25的命令。可以想到致动流控制门210的控制方法的许多实施例，本 发明不意于局限于在此描述的示例性实施例。通过关闭流控制门210的一部分，EGR流可 以被限制在EGR冷却器内的部分气流通道内，从而减少在热交换器内EGR流通过的横截面 并且增加EGR冷却器内EGR流的由此形成的速度。所示的流控制门的结构示出了多个门，每个门覆盖热交换器的一部分，且所有门 一起能够关闭整个热交换器。关于EGR回路，应当注意，对于具有特定EGR回路工作要求的 某些EGR冷却器来说，简单地使用一个门或者多个门来关闭热交换器的一部分就足够了， 例如使用一个门来关闭热交换器的三分之一且用另一个门来关闭热交换器的另一个四分 之一。对于特定的车辆要求来说，通过建模、实验、测试、或分析所确定的这种结构足以在没 有能够切断到热交换器的整个气流的门的情况下确保在整个发动机和车辆操作的范围上 的EGR冷却器内的最小EGR流速度。图8示出了根据本发明的另一示例性EGR冷却器的剖面图。描述的EGR冷却器 300包括热交换器310和通风组件320。热交换器310有多个管315。通风组件320包括流 控制门330和流引导器340。在这个示例性的实施例中，流控制门330包括带有固定轴线 的单板式门(panel door)且被描述带有三个示例性门位置A、B和C。门位置A对应于完 全打开的门位置，从而允许EGR流通过整个热交换器310。门位置B对应于完全关闭的门 位置，从而限制EGR流整体地通过热交换器310。本领域普通技术人员可以理解，具有能使 EGR冷却器完全被关闭的(多个)流控制门的任何实施例都可以被用作EGR阀的备用或者 代替。门位置C对应于部分打开的门位置，从而限制EGR流通过热交换器310的一部分且 允许EGR流流过热交换器310其余部分。通风组件320和任何门机构包括本领域公知的密 封策略来引导气流且阻止大量的气流通过非期望的流通道。这种密封方法同样使用在通风 组件320和热交换器310之间的接口处，从而阻止任何EGR流泄露通过气流预期通过的气 流通道。控制气流的门设计在本领域是公知的，且可以有多种形式，包括但不限于板式门、 蝶形门以及筒形门。另外，流控制门330能够被实现和单个门相同的EGR流控制性能的一 对门或者多个门代替。虽然(多个)控制门的示例性实施例已经被描述，但是可以想到多 个构造且本发明不意于局限于在此描述的特定示例性实施例。通过关闭热交换器310的气 流通道的一部分，EGR流能够被限制在EGR冷却器内的气流通道的一部分内，从而减少在热 交换器内的EGR流流过的横截面并且增加由此形成的EGR冷却器内的EGR流的速度。无论所使用的控制门设计如何，确定(多个)控制门状态的控制方法必须包括在 EGR冷却器内的预期EGR流速度的测量。估算在EGR冷却器内的EGR流速度的一种示例性 方法是通过监测发动机直接或通过推论来监测排气系统，且使用废气流的状态配合EGR阀 的状态通过查找表或通过使用算法的处理器来推出EGR流速度。估算EGR冷却器内的EGR流速度的另一种示例性方法是通过气流计来监测通过EGR回路的某截面的EGR流率。气流 计在本领域是公知的且在此将不做详细描述。一旦确定出EGR气流，EGR冷却器内的EGR 流速度能够通过查找表或通过使用算法的处理器来估算。估算EGR冷却器内的EGR流速度 的多种方法是可以想到的，且本发明不意于局限于在此描述的特定示例性实施例。一旦确 定出的EGR冷却器内的EGR流速度被估算或推论，可将该数值与基于积聚率所选择的最小 阈值EGR流速度进行比较。如果确定出的EGR流速度低于最小阈值EGR流速度，则启动门 控制来减小在EGR冷却器内使用的热交换器的横截面。如果确定出的EGR流速度比最小阈 值EGR流速度高出一个增量或者高于最大阈值EGR流速度，则启动门控制来增加在EGR冷 却器内使用的热交换器的横截面。最小阈值EGR流速度的值、最大阈值EGR流速度的值、或 者其他操作变量的值可以通过建模或者足以准确地预测车辆、发动机以及EGR操作的其他 技术来实验性地、经验地、预测地获得。以上方法描述了利用流控制门来逐渐阻止通过热交换器的一部分的流从而使热 交换器内的积聚最少化。另外，在示例性实施例中描述的流控制门使用在热交换器前方或 上游的门来阻止气流。然而，本领域普通技术人员能够理解，阻止气流的多种方法是公知 的。例如，可将滑板逐渐移动或转移到热交换器前方来将热交换器的部分与气流阻断。另 外，门或其他设备可以阻止流离开热交换器的后方或下游出口部分，使用已被阻止的管内 的背压来阻止气体进入管。阻止气体流过热交换器的一部分的许多可替代的方法是可以想 到的，且本发明不意于局限于在此描述的示例性实施例。对于给定气流当通过行程的气流速率(每单位时间的质量)保持恒定时，气流内 的气体密度的变化能够改变气流通过行程的速度。例如，如果气流包含1千克/秒的空气 以100摄氏度通过入口进入管并且气体在管的长度上冷却到20摄氏度，那么在所有其他因 素不变的情况下在出口处1千克占用的体积将小于其在入口处占用的体积。同样，流过EGR 冷却器并经历了温度降低的EGR流在EGR冷却器的出口处的密度大于其在入口处的密度。 因此，在EGR冷却器入口处成功避免过多积聚的EGR流展示的速度通过气流通道的长度可 降低至更有可能过多积聚的EGR流速度。以上描述的方法，即通过维持EGR冷却器内最小的 气流速率来防止EGR冷却器内积聚，可以通过调节气流通道的几何形状来抑制流过其中的 气流来实现。以这种方式，设计成在EGR冷却器入口处提供最小EGR流速度的EGR回路将 不会因对EGR流的冷却影响而经受在EGR冷却器的出口处的积聚。图9示出了根据本发明 的示范性热交换器结构，其包括横截面逐渐减小的管且在没有来自气流的热传递的情况下 运行。所描述的热交换器500显示具有锥形或喷嘴式设计的管。示出的示例性热交换器的 管包括相对宽的入口 510以及相对窄的出口 520。考虑到在热交换器的长度上期望的EGR 流密度的改变，可以为每个具体应用设计由此形成的通过管的锥形。可选的，利用管来传输 冷却媒介的热交换器能够类似的利用锥形气流通道。形成锥形或喷嘴式设计的多种热交换 器结构可以被想到，且本发明不意于限于在此描述的特定示例性实施例。如上所述，图9示出了根据本发明的包括横截面逐渐减小的管且在没有来自气流 的热传递情况下运行的示例性热交换器结构。因为没有热传递发生，所以气流的温度以及 由此导致的气流密度维持不变。结果，如由描绘的箭头长度表示的通过热交换器的气流的 各部分的平均流速在通过热交换器的长度上增加。流速的这种增加与从图7中描述的示例 性喷嘴所可能预期的结果一致。然而，一旦热交换器被操作成移除来自气流的热量，则通过热交换器的长度的气流温度降低。该温度降低导致如上所述的气流密度的增加。图10示 出了根据本发明的包括横截面逐渐减小的管且在具有来自气流的热传递的情况下运行的 示例性热交换器结构。图9中示出的热交换器500以及相关联的管同样在图10中图示。 由于如上所述的锥形管使气流的流速增加，所以如上所述的所形成的来自气流冷却的速度 降低和相应的气流密度的增加基本上被抵消。因此，通过热交换器的气流的各部分的平均 流速度，如由描绘的箭头长度所表示，在通过热交换器的长度上基本维持不变。需要注意的 是，热传递中涉及的许多变量，包括气流性质、冷却剂流性质、以及热交换器的状态，将改变 并且影响在热交换器内的多个位置产生的流速度。因此，取决于操作条件，流速度在热交换 器内不同的位置处会趋于不同；然而，热交换器的锥形设计大大的降低了由于气流密度的 增加引起的平均流速通过热交换器的长度的可变性。应用到EGR冷却器，用于具体热交换 器的锥度可以通过建模或者足以准确预测EGR操作的各种技术实验性地、经验地、预测地 获得。图10中示出的锥形管描述了导致在管的整个长度上一致或几乎一致的气流速度 的气流。如本领域普通技术人员将理解的，在管内的不同的速度形态对于积聚以外的原因 来说会是有利的。另外，测试已经表明较低的温度同样会导致积聚增加，因此，会是有益的 是在热交换器内包括额外的锥形，从而进一步增加气流冷却时的气流速度来补偿温度影 响。流过管的气体的具体速度形态能够由在管内利用的锥形的数量来控制，并且通过计算 或估算在热交换器的最小锥形部分处的气体的气流速度并将这些气流速度与避免积聚所 需的最小气流速度进行比较，这种设计可以利用如在此的方法中所述的最小气流速度。热交换器内气流通道的锥形可以单独减少在EGR冷却器内燃烧副产物的累积。根 据具体的发动机和EGR回路设计，EGR冷却器内的EGR流速度能够在不使用流控制门的情况 下维持最小阈值EGR流速度，且锥形气流通道的使用能够作为独立的改进来减少积聚。然 而，如上所述的流控制门能够与如上所述的锥形热交换器设计一起在最小阈值EGR流速度 在发动机工作范围内不能得到维持的设计中使用。另外，本领域普通技术人员将能够理解， 结合流控制门来使用锥形管设计允许使用较低的最小阈值的EGR流速度来启动流控制门， 因为锥形气流通道通过补偿降低的EGR流密度而增加在特定EGR冷却器中经历的最小部分 平均EGR流速度。图11示出了根据本发明的使用流控制门的示例性实施例以及包括横截 面逐渐减小的管且在具有来自气流的热传递的情况下运行的示例性热交换器结构。所描述 的热交换器600包括具有相对宽的入口 610和相对窄的出口 620的管。另外，描述的热交 换器600包括流控制门630和635。如图11中描绘的，根据在热交换器中预期的气流以及 所选择的控制方法，可以使用不同尺寸的门。用于EGR回路，使用流控制门和锥形管，通过 启动控制门能够在改变EGR流速率时维持最小的EGR流速度，且可以补偿由热交换器引起 的气体密度的改变，在相同的热交换器中获得两者的有益结果。如前所述，热交换器应用的特定实施例包括利用串行的热交换器、并联的多个热 交换器、或者其组合。维持最小气流速度来最小化积聚的前述方法能够用于串行的热交换 器设计。串行的热交换器可能或可能不是相似的类型以及结构。描述了使用流控制门来阻 止可用于气流的气流通道或管的一部分以及使气流成锥形来引起密度改变的上述方法能 够如上所述通过维持在热交换器之间气流横截面设计以及通过封闭或密封来避免气体流 过不期望的通道来用于串行热交换器。例如，如果不具有锥形管，而具有受控来关闭特定门的某个门结构的第一热交换器，引起总开放管横截面积为100cm2，则然后被密封至第一热 交换器的开放管的第二热交换器的管应该具有不超过IOOcm2的总横截面积来维持最小气 流速度。类似的，如果第一热交换器具有设计成考虑气流的密度变化的锥形管，如上所述使 管的长度上的总开放管横截面成锥形，则密封至第一热交换器的开放管的第二热交换器的 管应该将总开放管横截面保持在类似设计的锥形率。在以上例子中的任何一个中，具有不 同数量以及尺寸的管或气流通道的热交换器能够被连接，因此作为这些例子利用在此描述 的方法，但是本领域普通技术人员将理解，在接近壁的横截面的气流速度不同于横截面中 心的气流速度，因此到或来自较小管或气流通道中的转移将需要调整因素来补偿与和壁的 较大相互作用的影响相关联的气流损失。这个调整因素可以通过建模或者足以准确预测在 热交换器中的气流速度的其他技术实验地、经验地、预测地获得。如上所述，一定不允许在 热交换器之间的气流泄露到不期望的气流通道，其中气流速度会下降并且积聚会产生。可 以在热交换器之间使用密封或垫圈来维持期望的气流通道。可选的，热交换器能够被设计 成配合在一起，使得来自一个热交换器的管被设计成匹配另一热交换器中的相应开口。可 选的，热交换器可以是整体式设计，具有通过相同热交换器的不同媒介流。通过利用一致的 整个管横截面的策略，利用流控制门或锥形气流通道或管的方法可以在串行的热交换器中 被使用以将热交换器内的积聚最小化。如上所述，可以使用(多个)流控制门来取代EGR阀的功能。图12示意性地示出 了根据本发明的使用EGR回路的示例性发动机结构。描述的发动机10包括排气系统80、 进气歧管85、以及EGR回路90。EGR回路90可连通的附接到排气系统80且被描述为包括 EGR冷却器97以及流控制门98。流控制门98基于如上所述的EGR控制方法以及EGR流速 度考虑被启动。先前实施例中描述的EGR阀不再是必须的。当流控制门98被控制到关闭 位置，其阻止来自排气系统80的任何废气流流进EGR回路90。虽然流控制门不像图1中 描述的EGR阀那样位于EGR回路的入口处，但是本领域普通技术人员将理解，关闭流控制门 98将在EGR回路90的上游部分内产生背压，具有和关闭的EGR阀相同的作用。本发明已经描述了某些优选实施例以及其中的修改。在阅读并理解说明书时，可 进行进一步的修改和变化。因此，本发明不意于局限于作为实现本发明的最佳方式公开的 具体实施例，而是本发明将包括所有落入所附权利要求范围的所有实施例。
权利要求
一种减少机动车的热交换器内燃烧副产物的沉淀累积的方法，其中所述热交换器通过维持所述热交换器内的最小气流速度来处理包括废气的气流，所述方法包括减少热交换器总气流横截面来局部地增加气流速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减少在废气再循环冷却器内进行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减少包括选择性地阻塞总热交换器横 截面的一部分，从而允许气流仅流过所述热交换器未被阻塞的部分。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述选择性地阻塞包括操作非常靠近所述热交换器的多个流控制门，其中每个所述流控制门在关闭时阻塞所 述热交换器的不同部分；以及基于所述估算的气流速率控制所述流控制门，其中所述控制所述流控制门包括监测所述热交换器内的气流速度；以及如果所述气流速度小于第一预设气流速度，则关闭所述流控制门中的至少一个。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述估算的气流速率控制所述流控制 门还包括如果所述气流速度大于第二预设气流速度，则打开所述流控制门中的至少一个。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述操作非常靠近所述热交换器的多个流 控制门包括将所述流控制门直接地连接至所述热交换器。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述操作非常靠近所述热交换器的多个流 控制门包括使用垫圈设备将所述流控制门连接至所述热交换器的面，所述密封设备操作 以将被选择性阻塞的所述部分与所述热交换器的其余部分分开。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述减少热交换器总气流横截面还包括提 供在气流方向具有逐渐减小的横截面积的气流通道。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述选择性阻塞包括操作非常靠近所述热交换器的通风组件，其中所述通风组件包括至少一个流控制门和 内部通道，从而选择性地引导所述气流远离被选择性阻塞的所述部分；确定在所述热交换器中的所述气流的气流速度；以及通过借助于气流速度比第一预设气流速度小时连接所述流控制门来逐渐关闭至少一 个所述内部通道，控制所述流控制门。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制所述流控制门还包括通过气流 速度比第二预设气流速度大时连接所述流控制门来打开所述内部通道中的至少一个。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述减少热交换器总气流横截面还包括提 供在气流方向具有逐渐减小的横截面积的气流通道。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减少热交换器总气流横截面还包括提 供在气流方向具有逐渐减小的横截面积的气流通道。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，基于在所述热交换器内热传递的平均速 率所述逐渐减小的横截面积影响通过所述气流通道的基本一致的平均气流速度。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，基于在所述热交换器内热传递的最大速 率所述逐渐减小的横截面积影响通过所述气流通道的基本一致的平均气流速度。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，基于在所述热交换器内热传递的平均速 率所述逐渐减小的横截面积影响通过所述气流通道的加速的平均气流速度。
16.一种减少机动车的热交换器内燃烧副产物的沉淀累积的装置，其中所述热交换器 处理包括废气的气流，所述装置包括在所述热交换器内的多个气流通道；流控制门，其非常靠近所述热交换器操作并且选择性阻塞所述热交换器的一部分，使 得以基本上二元的方式阻止流流过所述部分；以及用于控制所述流控制门的致动器。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括多个流控制门，每个所述流控制门 非常靠近所述热交换器操作并且选择性阻塞所述热交换器的相应部分，使得以基本上二元 的方式逐渐阻止流流过每个相应部分。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述气流通道包括具有在气流方向逐渐 减小的横截面的锥形气流通道。
19.一种减少机动车的热交换器内燃烧副产物的沉淀累积的装置，其中所述热交换器 处理包括废气的气流，所述装置包括所述热交换器包括多个气流通道，其中所述气流通道包括具有在气流方向逐渐减小的 横截面的锥形气流通道。
全文摘要
机动车的热交换器处理包括燃烧废气的气流。通过借助于减少热交换器总气流横截面以局部地增加气流速度来维持热交换器内的最小气流速度，减少在热交换器内燃烧副产物的沉淀累积。
文档编号F28D7/00GK101978155SQ200980109961
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月4日 优先权日2008年3月20日
发明者A·克纳夫尔, P·G·赛姆科维奇 申请人:通用汽车环球科技运作公司