本发明涉及一种如权利要求1的前序部分中讨论的内燃发动机的增压空气冷却器的清洁方法和一种如权利要求10的前序部分中讨论的内燃发动机。
背景技术：
现在，经济和环境这两方面都引导内燃发动机的用户需要具有尽可能低的比燃料消耗率的发动机。这种需求已经导致使用与正常吸气式发动机相比增加发动机气缸中空气的充入的设备。第一台这样的设备通常称为增压器，其主要任务是增加空气的压力或密度，即，压缩进入发动机气缸的空气。主要有两种增压器。第一种是涡轮增压器，通常称为涡轮，其是一种这样的单元：在同一轴上具有涡轮机叶轮和压缩机叶轮，使得发动机的排气借助涡轮机叶轮驱动压缩机叶轮，压缩机叶轮将空气压缩到气缸中。第二种是机械驱动式增压器，即，空气压缩机，其直接或借助带、齿轮或链条间接联接到发动机曲轴。罗茨鼓风机是机械驱动式增压器的良好示例。增压器能够大大提高内燃发动机的比燃烧消耗率，但持续追求更低的燃料消耗率和排放已经导致使用增加空气充入的第二台设备。这种设备通常称为中间冷却器，即，用于在空气进入发动机气缸之前冷却由增压器压缩的空气的装置。换言之，进气口温度的下降向发动机提供更密实的进气充入，并且允许每个发动机循环燃烧更多的空气和燃料，这增加发动机的输出。
有两种中间冷却器或者说此后所称的增压空气冷却器(或cac)，用于增压式内燃发动机，以通过借助冷却增大进气充入密度来提高它们的体积效率。第一种是气冷式热交换装置，其中，热压缩空气借助外部环境空气而冷却。环境空气的使用使增压空气冷却器结构简单，但也具有一些缺点。首先，实际发动机增压与环境空气的温度成正比，即，外部温度越高，增压越小，反之亦然。第二，发动机的定位，例如，在船用装置中，需要大量管道，以使外部空气通向增压空气冷却器。为了避免上述缺点，第二种增压空气冷却器是液冷式热交换装置，其中，布置专用冷却液体回路，以与增压空气冷却器结合使用。冷却液体回路包括用于保持冷却液体的温度大致恒定而与环境空气温度无关的装置，借此，到气缸的空气充入根据外部温度而变化。从而，发动机的性能特性相同，而与发动机的地理位置无关。使用发动机冷却液体作为用于增压空气的冷却液体也是通常做法。从而，增压空气冷却结构仅需要一个热交换装置和一些管路来正常工作，这是因为用于发动机冷却剂的冷却液体回路已经包括一个或更多个热交换装置和恒温器。
然而，非常清楚的是，通过使用温度是大约90至100摄氏度(℃)的发动机冷却液体，增压空气温度无法降低到100+℃的水平。例如，如果增压空气压力是4-4.5巴，则增压空气压缩后的温度是大约170-190℃，借此温度可能下降大约60-70℃。为了能够降低增压空气温度，经常布置另一个冷却液体回路，所谓的低温(lt)冷却液体回路。在这种情况下，以上讨论的采用热发动机冷却液体的冷却液体回路称为高温(ht)冷却液体回路。低温冷却液体回路包括另一个液冷式热交换装置，借助该装置，增压空气的温度可以优选地降低到尽可能低的值，即，接近其露点，露点理所当然取决于空气的湿度。热交换到这种低温需要在低温冷却液体回路中使用专用热交换结构，其中，例如，外部空气或水(来自海洋、湖泊或河流)用作冷却介质。
现有技术中公知的是，目的为保持增压空气以及增压空气冷却器的热交换面的温度高于增压空气的露点，以防止水凝结在增压空气冷却器的热交换面上。如果增压空气温度降低到低于露点，则水从增压空气凝结。作为在增压空气冷却器的热交换面上产生凝结物的示例，可以提出以下内容。在35℃的环境空气温度和80％的相对湿度下，空气中水的含量是0.029kg水/1kg干燥空气。如果这些条件下的空气歧管压力(增压空气接收器压力)是2.5巴(＝3.5巴绝对值)，则露点将是55℃。如果空气歧管中的空气温度仅是45℃，则空气可以仅含有0.018kg水/1kg干燥空气。差的0.011kg/kg(0.029-0.018)将表现为凝结水。
凝结水易于造成增压空气系统和进气阀这两者中的腐蚀，并且在最坏的情况下，造成发动机损坏。水的凝结可以通过防止产生凝结物而避免，即，通过遵循增压空气的压力、湿度和温度并控制冷却液体的温度和/或体积流量到这样的水平：增压空气冷却器的热交换面保持在高于露点的温度，不发生凝结。然而，如果由于某种原因形成凝结物，则与其相关的附加问题可以通过使增压空气冷却器布置有用于从冷却器排掉凝结物的装置而避免。
例如，us-a1-2014290630讨论了在压缩机旁通阀动作期间从增压空气冷却器排掉凝结物而提供的方法和系统。在一个示例中，发动机控制器可以响应于潜在压缩机喘振条件而打开增压空气冷却器中的放泄阀。打开放泄阀可以进一步基于压缩机旁通阀动作期间增压空气冷却器中的凝结物量和压缩机出口处需要降低的压力。
要求周期性维修增压空气冷却器的问题与保持增压空气冷却器的热交换面干净，使得不降低热交换面的热交换能力相关。尽管有压缩机上游的吸口空气过滤器，内燃发动机的进气总是含有小颗粒，小颗粒往往逐渐附着到它们接触的所有热交换面。小颗粒可以是已经穿过吸口过滤器的细沙、灰尘、排气颗粒等。
现有技术中对该问题的解决方案是手动清洁热交换面，以使用超声或布置喷嘴，借助喷嘴，清洁液的射流可以或多或少地对着热交换面自动喷射。这种清洁方式必须结合发动机的普通维修或在发动机以低负荷运转时周期性执行。
热交换能力的降低实际上意味着需要提高冷却液体的循环，并且多少更难以控制增压空气温度。
技术实现要素：
由此，本发明的目的是通过提供在运转发动机的同时清洁冷却器的热交换面的方法，在内燃发动机的增压空气冷却器领域改进现有技术。
本发明的另一个更详细的目的是提出一种自动清洁增压空气冷却器的热交换面的方法。
本发明的以上和其他目的中的至少一些目的通过涡轮增压式内燃发动机的增压空气冷却器的清洁方法来实现，该发动机包括：
至少一个气缸，
至少一个气缸盖，
排气歧管，其与所述至少一个气缸盖关联地布置，
增压空气接收器，其与所述至少一个气缸盖关联地布置，
至少一个涡轮增压器，其具有连接到所述排气歧管的涡轮机和连接到所述增压空气接收器的压缩机，
高温(ht-)增压空气冷却器和低温(lt-)增压空气冷却器，它们布置在所述压缩机与所述增压空气接收器之间，所述增压空气冷却器具有热交换面，
所述lt增压空气冷却器是lt冷却液体回路的一部分，除了所述lt增压空气冷却器之外，lt冷却液体回路至少包括中央冷却器和循环泵，
控制单元，该控制单元关于增压空气的露点控制所述增压空气的温度，所述控制单元接收关于所述增压空气的温度、压力和湿度的信息，
所述方法包括以下步骤：
通过降低所述lt增压空气冷却器的所述热交换面的温度至低于所述增压空气的露点以允许水凝结在所述热交换面上，从所述lt增压空气冷却器的所述热交换面周期性冲洗灰尘，
使水凝结。
本发明的其他特性特征从本发明的其他方面和优选实施方式的以下描述而变得显而易见。
通过应用本发明，获得以下优点中的至少一些：
增压空气冷却器的热交换面保持得比之前更干净，借此增压空气冷却器的操作的可控性比之前更精准，并且降低泵送冷却液体穿过增压空气冷却器的需要。
附图说明
下文中，通过参照附图，更详细地讨论现有技术和本发明，在附图中：
图1示意性地例示了在涡轮增压器压缩机与发动机之间具有两个增压空气冷却器的现有技术涡轮增压式内燃发动机，
图2示意性地例示了与具有两个增压空气冷却器的涡轮增压式内燃发动机有关的冷却回路的第一优选实施方式，
图3示意性地例示了与具有两个增压空气冷却器的涡轮增压式内燃发动机有关的冷却回路的第二优选实施方式，以及
图4示意性地例示了根据本发明的第三优选实施方式的涡轮增压式内燃发动机，即，在涡轮增压器压缩机与发动机之间具有两个增压空气冷却器和捕雾器的发动机。
具体实施方式
图1讨论了现有技术的内燃发动机10，其包括：具有至少一个气缸和至少一个气缸盖的气缸体，并且该气缸体具有至少一个涡轮增压器12，该涡轮增压器具有轴14、涡轮机16和压缩机18；以及在压缩机18与发动机10之间的中间冷却器结构20。涡轮增压器12的涡轮机16与发动机10的气缸盖处的排气歧管22连通，并且压缩机18与发动机10的气缸盖处的增压空气接收器24连通。中间冷却器结构20包括设置有热交换面的两个增压空气冷却器，即，具有ht热交换面的高温(ht)增压空气冷却器26和具有lt热交换面的低温(lt)增压空气冷却器28，增压空气冷却器被布置为使得离开压缩机18的增压空气首先被引入到ht增压空气冷却器26中，随后到lt增压空气冷却器28中。ht增压空气冷却器和lt增压空气冷却器分别是ht冷却液体回路30和lt冷却液体回路32的一部分。
图2示意性地例示了可以应用于本发明的方法的内燃发动机10的这种冷却液体系统的第一优选实施方式。如结合图1讨论的，冷却液体系统包括高温(ht)冷却液体回路30和低温(lt)冷却液体回路32。ht增压空气冷却器26的入口与发动机10的冷却液体通道串联连接，使得其从发动机10接收冷却液体。
发动机10的ht冷却液体回路30包括数量根据冷却液体的温度而变化的部件。在所有其可能的变体中，ht冷却液体回路30包括ht液体循环泵34’和与其并联布置的可选备用泵34”、发动机的气缸盖和气缸体中的冷却通道36、ht增压空气冷却器26和回流通路。循环泵34’可以电驱动或液压驱动，或者其可以是与发动机制成一体的泵，即，借助齿轮、链条或带机械连接到发动机曲轴。可选备用泵34”被液压驱动或电驱动。ht冷却液体回路30具有一些基本操作或运转模式。在发动机和冷却液体变暖的同时，除了ht液体循环泵34’或可选备用泵34”之外，第一个模式包括发动机10的冷却液体通道36和ht增压空气冷却器26、预热泵38和预热器40(用流或电操作)。在发动机设置有与发动机制成一体的循环泵并且不使发动机运转而暖机的情况下，备用泵34”用于使液体循环。这种短ht冷却液体回路30的运转模式用于通过预热冷却液体，加速冷却液体和发动机的变暖。在第二运转模式下，即，在冷却液体已经达到预定温度(大约60℃)的同时，三通阀42开始打开，并且允许从发动机10和ht增压空气冷却器26收集的冷却液体的一部分绕过预热器40向下流到循环泵34’或备用泵34”。在第三运转模式下，在冷却液体已经达到某一预定温度(例如，大约91℃)的同时，即，发动机的运转温度，三通阀42开始引导冷却液体从发动机10和ht增压空气冷却器26朝向两个可选流道流动，在可选流道中，冷却液体借助从冷却液体回收热的热交换器44，或者借助对冷却液体进行冷却的中央冷却器46，例如，借助环境空气或来自海洋、湖泊或河流的水来冷却。在热交换器44之后，冷却液体可以被布置为借助三通阀48和旁路管道66绕过中央冷却器46，三通阀48和旁路管道66可以朝向循环泵34’引导冷却液体的一部分或全部，以将其泵送回到发动机10的冷却通道36。中央冷却器46被布置为在三通阀50的帮助下将冷却液体冷却到期望温度(例如，大约38℃)。三通阀50用于通过选择从哪里以及允许多少液体穿过阀50，来控制冷却液体的温度。由此，一方面从中央冷却器46收集的且另一方面从旁路管道66收集的冷却液体流的平衡借助三通阀50调节。换言之，三通阀50可以从中央冷却器46和旁路管道66中的一者或两者接收冷却液体。从而，需要的冷却液体越多，从中央冷却器46取得的冷却液体越多，反之亦然。
在该实施方式中，除了lt增压空气冷却器28、lt再循环泵52’和可选lt备用泵52”之外，lt冷却液体回路32包括三通阀54、润滑油冷却器56(可选)和中央冷却器46。有时，还有齿轮油冷却器(未示出)布置在同一冷却液体回路中。另外，lt冷却液体回路32包括控制单元58或计算机，计算机连接到指示增压空气接收器24中增压空气的温度和压力的温度传感器(或发送器)60和压力传感器(或发送器)62以及指示增压空气的湿度的传感器(或发送器)64。控制单元58可以是自足式独立装置，但其还可以形成发动机的普通控制结构的一部分。
lt冷却液体回路32正常运行，使得来自中央冷却器46的冷却液体借助lt循环泵52’或lt备用泵52”朝向lt增压空气冷却器28和三通阀54这两者泵送。三通阀54从控制单元58接收其控制信号或命令，控制单元58为了使增压空气温度保持在高于增压空气的露点的期望温度，控制lt冷却液体流过lt增压空气冷却器28的流动。换言之，如果应当增加增压空气温度(例如，以避免水的凝结)，则允许更多的冷却液体绕过lt增压空气冷却器28经由三通阀54(即，从循环泵52’或备用泵52”直接流到三通阀54)朝向中央冷却器46返回。在相反情况下，即，当应当降低增压空气温度时，三通阀54允许更多的冷却液体流过lt增压空气冷却器28。由此，增压空气温度通过使lt冷却液体的一部分绕过低负荷的增压空气冷却器28来控制。由此，控制单元58基于其从增压空气的压力、温度和湿度传感器/发送器接收的信息，向lt增压空气冷却器28的出口侧上设置的三通阀54发送命令。凭借该结构，增压空气温度可以保持在期望和恒定水平，而与发动机负荷或lt液体温度的变化无关，由此最小化凝结水量或完全防止例如在热带气候条件中形成凝结水(根据控制单元中布置的安全或保险界限)。
原则上，现有技术中已知所有上面讨论的仪器、控制和回路。还已知且很好记载的是，控制增压空气温度的最先进方式考虑增压空气湿度，使得增压空气温度以及lt增压空气冷却器的热交换面的温度可以保持在刚好高于露点。换言之，一方面，为了最大发动机效率，现有技术的控制系统的状态的目的在于保持增压空气温度尽可能低，而另一方面，保持lt增压空气冷却器的热交换面的温度在足以防止水在增压空气冷却器的热交换面上从增压空气凝结的高水平。
然而，因为增压空气冷却器的热交换面的污染是明显问题，其显示热交换能力降低、需要增加泵送lt冷却液体、或者需要增加维修(与其他维修需要相比)，所以已经寻找到一种在发动机的普通使用期间保持增压空气冷却器的热交换面干净的方式。本发明中考虑的清洁或冲洗热交换面的新方式使用凝结物作为清洁介质。然而，其决不意味着增压空气或增压空气冷却器的热交换面的温度会始终保持低于露点，而只是周期性的。大量测试已经显示如果增压空气冷却器的热交换面在大多数时间都保持干燥且允许以预定间隔变湿，则大大降低腐蚀的风险。
本发明的基本理念是允许水凝结在lt增压空气冷却器的热交换面上，凝结的程度为：水膜沿着热交换面向下流，并且冲洗附着到热交换面的灰尘颗粒，使得灰尘从增压空气冷却器与凝结水一起排出。这种功能与增压空气冷却器的热交换面上水的偶然凝结相反，其例如在以下情况通常发生：当增压空气的湿度意外变化，使得露点上升高于盛行增压空气温度或增压空气冷却器的热交换面的温度，导致增压空气冷却器的热交换面仅变潮湿，这仅促进灰尘颗粒附着在热交换面上。换言之，根据本发明的第一优选实施方式，凝结受控制单元58控制，控制单元58被构造为向三通阀54周期性发送命令，以节流从循环泵52’到中央冷却器46的直接连通，使得冷却液体从中央冷却器46和循环泵52’的流动被迫经过lt增压空气冷却器28，使得lt增压空气冷却器的热交换面的温度暂时下降至少几度，低于增压空气的露点，以便允许水凝结在热交换面上。自然地，热交换面的温度与露点之间的差越大，水从湿空气流的凝结越有效。根据本发明的另一个优选实施方式，控制单元58向三通阀54发送打开三通阀54的命令，使得所有lt冷却介质流经lt增压空气冷却器28，借此lt增压空气冷却器中的凝结处于最大程度。
图3示意性地例示了可以应用于本发明的方法的内燃发动机10的这种冷却液体系统的第二优选实施方式。对于大多数部件，冷却回路30和32类似于结合图2讨论的第一实施方式。区别仅在于控制单元58在lt增压空气冷却器28之后不向三通阀发送控制命令(如不需要)，而是根据本发明的第二优选实施方式，被配置为向中央冷却器46下游的三通阀50或向循环泵52’、52”周期性发送命令。换言之，如更早提到的，控制单元遵循增压空气的温度(传感器/发送器60)、压力(传感器/发送器62)和湿度(传感器/发送器64)，但现在通过调节从中央冷却器46流经循环泵52’到lt增压空气冷却器28的冷却液体的温度或体积流量，来控制lt增压空气冷却器28的操作。
冷却液体的温度控制可以以单独或组合的至少三种不同方式执行。简单方式是通过根据增压空气的温度改变三通阀50的设定来维持增压空气的温度为期望温度。换言之，如果应当降低增压空气温度，则控制单元58向三通阀50发送命令，以节流经由中央冷却器旁路管道66的流动并允许来自中央冷却器46的更多已冷却液体进入通向循环泵52’的管道68。在相反情况下，命令三通阀50沿相反方向改变流动平衡，即，减少已冷却液体从中央冷却器46的流动并增加从旁路管道66的流动。当在本发明的冲洗阶段应用本实施方式时，控制单元可以命令三通阀50打开从中央冷却器46到管道68的直接连通，即，防止任何冷却液体经由管道66绕过中央冷却器46。从而，冷却液体与借助中央冷却器46得到的一样冷。
控制冷却液体的温度的另一个稍更复杂的方式是使用传感器/发送器70，其测量三通阀50的冷却液体的温度。温度传感器/发送器70在本发明的冲洗阶段应用本实施方式时也可以使用。可以对控制单元58进行编程，以在遵循传感器/发送器70的冷却液体温度时，识别温度未低到足以进行有效冲洗的情况。在这种情况下，控制单元可以向中央冷却器46发送命令，以考虑使用另一个热交换器(图3中与主热交换器并联示出)，借此，离开中央冷却器46的冷却液体的温度可以仍然降低。
控制冷却液体的温度的第三种方式是使用测量增压空气的温度的传感器/发送器60。温度传感器/发送器60在本发明的冲洗阶段应用本实施方式时也可以使用。可以对控制单元58进行编程，以在遵循传感器/发送器60的增压空气温度时，识别温度未低到足以进行有效冲洗的情况。在这种情况下，控制单元58可以向循环泵52’、52”发送命令，以增加冷却液体从中央冷却器46到lt冷却器28的体积流量。
图4示意性地例示了根据本发明的第三优选实施方式的涡轮增压式内燃发动机，即，在发动机10的涡轮增压器压缩机18与增压空气接收器24之间具有两个增压空气冷却器26、28和捕雾器72的发动机10。换言之，本发明的内燃发动机10在ht增压空气冷却器28与增压空气接收器24之间设置有捕雾器，即，分滴器72。捕雾器72的目的是在lt增压空气冷却器32的清洁步骤之后捕捉所有的水滴，使得水滴不由增压空气携带到发动机10。凝结水经由排出阀74从捕雾器72自动排掉。凝结水的排出可以基于捕雾器罐中的水平面，或者排出可以在每个或每隔一个或每隔两个(仅是列举一些示例性选项)清洁阶段之后执行。
包括船舶中的船用发动机和用于陆地发电的发动机这两者的各种环境中执行的实验已经显示每操作200-500小时用凝结物冲洗2-20分钟，优选地，5-10分钟足以维持增压空气冷却器的热交换能力在可接受的良好水平。换言之，大多数时间控制单元58遵循增压空气的露点，并且维持增压空气温度和增压空气冷却器的热交换面的温度稍高于露点，并且仅一小部分时间，引导增压空气温度和增压空气冷却器的热交换面的温度低于露点。优选地，但不必须地，以高发动机负荷执行重凝结阶段，这是因为在这种情况下，潮湿空气的体积流量和速度更高，更多水可以从空气凝结，这导致更有效地冲洗lt增压空气冷却器面和更有效地从lt增压空气冷却器去除凝结水到捕雾器。
对于讨论单个直列式发动机的上述示例性实施方式，本发明可以自然地应用于若干发动机，直列式发动机和v型发动机这两者。例如，可以布置ht和lt冷却回路这两者，以采用中央冷却器或所有发动机共用热回收。换言之，用于所有发动机的冷却液体从中央冷却器取得，并且分到平行排列的发动机中。同样情况适用于热回收，即，来自热回收的冷却液体从交换器取得，并且分到平行排列的发动机中。
鉴于上述，还应当理解的是，冷却液体系统包括多个其他阀，其仅一部分示出在附图中。以类似方式，冷却液体系统可以包括可能或可能不对本发明的运转具有影响的其他设备。然而，附图需要被理解为使用本发明的环境的示例性例示。本发明的描述专注于冷却液体系统的使发明起作用所需的那些元件。