热管理系统和方法
【专利说明】热管理系统和方法
[0001]本申请是于2011年12月21日提交的专利申请(中国国家申请号为201180065071.4，发明名称“热管理系统和方法”)的分案申请。
技术领域
[0002]本文所公开的主题涉及热管理系统和方法。
【背景技术】
[0003]通常，在内燃机中米用增压空气冷却器(charge air cooler)来在进口增压空气已经过涡轮增压器之后并且进入内燃机的缸之前冷却进口增压空气。进口增压空气被引导经过增压空气冷却器，以降低温度并补偿由于涡轮增压器的压缩而引起的温升。进气增压温度的降低支持使用更致密的进口增压进入内燃机，导致更高的操作效率。进口增压空气温度的降低还减少了预爆炸的可能性。增压空气冷却器还减少或消除了将过量的燃料注射到进口歧管中以冷却进口增压空气的需求，从而减少了燃料消耗。
[0004]在一种方法中，增压空气冷却器包括由平板分离的波纹片层，从而产生一系列翼片。波纹片均匀地分散横跨增压空气冷却器的表面，并形成了笔直且矩形的翼片。分离的热和冷的空气流流经增压空气冷却器，并通过翼片接口将热量从流传递至分离板上，并通过下一组翼片传递到相邻的流体流中。
【发明内容】
[0005]然而，本发明人在本文中已经确定了上述方法带有的问题。例如，由于增压空气冷却器上的翼片的相同的形状和间距，所以在一些条件下，空气流可能被仅引导至增压空气冷却器的表面区域的一部分。如此，在如此的条件下，从空气至增压空气中间冷却器的热传递是有限的。
[0006]在一个实施例中，多级冷却组件包括本体，其形成了空气入口和空气出口。多个外部翼片从本体的外部向外延伸。多个外部翼片根据多个外部翼片相对于本体的外部的位置而在翼片类型、翼片密度、或者翼片类型及翼片密度两方面不同。多级冷却组件还包括空气-冷却剂中间冷却器，其定位在本体的内部并邻近空气入口。
[0007]通过提供根据翼片相对于多级冷却组件的本体的外部的位置而在翼片类型、翼片密度、或者翼片类型及翼片密度两方面不同的翼片，从而在本体上的不同位置产生空气流的压力降，其使空气横跨多级冷却装置的本体均匀地分散流动。因此，冷却空气流与多级冷却组件的表面区域的更大部分相互作用，并且提高了多级冷却组件的排热能力。此外，冷却剂-空气中间冷却器可与横跨多级冷却组件的空气流进行协同控制，从而提高流经多级冷却组件的燃烧空气的温度控制精度。
[0008]该简要描述是为了以简化形式介绍理念选择而提供的，其将在本文中进一步描述。该简要描述并不意图识别所阐明的主题的关键特征或本质特征，而且也不意图用于限制所阐明的主题的范围。此外，所阐明的主题并不限于解决本公开的任何一部分所记载的任何或所有缺点的实施方案。此外，本发明人在本文已认可任何确定的问题和相应方案。
【附图说明】
[0009]通过参照附图阅读非限制性实施例的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中:
图1示意性地显示了热管理系统的一个实施例。
[0010]图2示意性地显示了热管理系统的另一实施例。
[0011]图3示意性地显示了热管理系统的另一实施例。
[0012]图4示意性地显示了热管理系统的另一实施例。
[0013]图5示意性地显示了热管理系统的另一实施例。
[0014]图6-7示意性地显示了多级冷却组件的一个实施例的横截面图。
[0015]图8显示了热管理方法的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0016]本说明书涉及用于内燃机的热管理的组件、系统和方法。更具体而言，本说明书涉及控制经过不同冷却回路的不同流体的流或循环，从而基于不同的操作参数而调整内燃机温度。
[0017]本文使用的流体表示热传递的液体、半液体材料或气体。合适流体的示例包括水、乙二醇、盐溶液、醇、进气、排气和前述两种或多种流体的混合物。在一些实施方案中，可设想更多特殊材料和/或性能影响添加剂，以包括防腐剂、去沫剂、抗沉淀剂、清洁剂、抗凝剂、生物杀灭剂、防漏剂(例如硅酸盐)或定位剂(例如染料)、防冻剂(例如上述乙二醇和酉学)等等。
[0018]在一种实施方案中，热管理系统包括多级冷却组件，其包括用于冷却进气的空气-冷却剂中间冷却器和用于冷却进气的空气-空气热交换器。多级冷却组件的空气-冷却剂中间冷却器与空气-冷却剂散热器流通地联接，从而形成发动机冷却剂冷却回路。热管理系统包括第一风扇和第二风扇，第一风扇可操作以将空气流提供给多级冷却组件和空气-冷却剂散热器，第二风扇可操作以将空气流提供给空气-冷却剂散热器。第一风扇和第二风扇可独立操作，从而在独立于另一风扇的条件下调整由各个风扇提供的空气流。通过提供可独立操作的不同风扇，可分别地调整提供给不同结构或冷却回路的空气流。
[0019]例如，因为第一风扇向多级冷却组件的空气-空气热交换器提供空气流，所以可基于歧管空气温度而调整第一风扇的操作，从而调整空气流。作为另一示例，因为第二风扇向空气-冷却剂散热器提供空气流，所以可基于第二操作参数例如发动机冷却剂温度而调整第二风扇的操作，从而调整空气流。上述实施方案可使不同的流体冷却回路被独立控制。因此，提高了热控制精度。
[0020]在另一实施方案中，内燃机以密勒循环燃烧过程进行操作，其中燃烧行程被减少，从而允许更高的整体缸压力，并导致操作效率的提升。为了补偿由于密勒循环的减少的压缩行程而引起的功率输出的潜在减少，内燃机包括两级涡轮增压器配置，其提高了进入内燃机的缸的增压空气的压力。两级涡轮增压器配置相对于单个涡轮增压器配置或自然吸气配置产生了额外的热量。
[0021]为了恰当地操控由两级涡轮增压器配置所产生的热量，热管理系统包括多级冷却组件，其定位在第一涡轮增压器的压缩机和第二涡轮增压器的压缩机之间。多级冷却组件包括用于冷却进气的空气-冷却剂中间冷却器和用于冷却进气的空气-空气热交换器。空气-空气热交换器定位在第二涡轮增压器的压缩机和发动机缸之间。空气-冷却剂散热器与多级冷却组件的空气-冷却剂中间冷却器流通地联接，从而形成发动机冷却剂冷却回路。
[0022]通过在第一压缩机的出口提供多级冷却组件和在第二压缩机的出口提供空气-空气中间冷却器，从而在由各个涡轮增压器级提高压力的同时冷却进口增压空气。因此，相对于单个空气-空气中间冷却器配置而提高了热管理系统的排热能力。此外，在一些实施方案中，根据操作条件通过调整横跨多级冷却组件的空气-空气热交换器和空气-空气中间冷却器而提供的空气流而控制空气增压温度。此外，通过调整流经多级冷却组件的空气-冷却剂中间冷却器的发动机冷却剂的流速和/或温度而实现额外的空气增压温度控制。调整空气流、冷却剂流(或温度)、或者空气流和冷却剂流(或温度)的能力能够提高进入发动机缸的增压空气的温度控制精度，从而在内燃机的操作范围内提供合适的热管理。
[0023]在另一实施方案中，多级冷却组件包括本体，其形成了空气入口和空气出口。多个外部翼片从本体的外部向外延伸。多个外部翼片根据多个外部翼片相对于本体的外部的位置而不同。例如，多个外部翼片可在翼片类型、翼片密度、或者翼片类型及翼片密度两方面不同。所造成的多个外部翼片的分布在横跨多个外部翼片而移动的空气流中产生了压力降，其使空气流以确定的量分布横跨本体的外部。多级冷却组件还包括空气-冷却剂中间冷却器，其定位在本体的内部并邻近空气入口。
[0024]通过采用不同的外部翼片使流动横跨多级冷却组件的本体的外部的空气分布，从行进经过本体的内部的增压空气中提取的热量被传递横跨更大的本体表面区域。因此，提高了多级冷却组件的排热能力。此外，因为多级冷却组件采用各种流体(例如空气和发动机冷却剂)来冷却增压空气，所以通过流体的调整而实现更高的温度控制精度。
[0025]图1显示了热管理系统100的一个实施例，其可操作以控制内燃机102的流体和构件的温度。发动机102包括多个缸104、进气结构106和排出结构108。在一些实施方案中，热管理系统100和发动机102联接至车辆。例如，车辆可包括机车、海船、矿业拖运卡车、其它越野车(OHV)等等。在一些实施例中，热管理系统100和发动机102是固定的，例如当并入发电设备或发电机中时。在一些实施方案中，发动机102是柴油机。
[0026]进气结构106联接至多个缸104，并限定了经过该处的进气通道。进气(又名进气增压、燃烧空气等等)经过进气通道而传送到多个缸104，以用于燃烧。多个热管理构件定位在进口通道，以控制流经通道的进气的温度和压力。所示的实施方案包括进气门110、空气过滤器112、涡轮增压器116的压缩机114和定位在进气结构106的空气通道的多级冷却组件118。
[0027]进气门110联接至进气结构106。进气门110可操作以基于操作条件而改变燃烧进气温度。具体而言，进气门110可调整到至少第一位置，其将进气通道与发动机舱连接，从而将来自发动机舱的进气提供给进气通道。此外，进气门110可调整至第二位置，其将进气通道与发动机舱的外侧的环境连接，从而将周围环境空气提供给进气通道。通过将进气门110调整至第一位置以提供来自发动机舱的进气，从而提高了燃烧进气温度。通过将进气门110调整至第二位置以提供来自周围环境的进气，从而降低了燃烧进气温度。
[0028]在一些实施方案中，进气门110可在至少第一位置和第二位置之间手动调整。在一些实施方案中，进气门110可在至少第一位置和第二位置之间自动调整。具体而言，控制器124配置为基于操作参数而在第一位置和第二位置之间调整进气门110。例如，控制器124可配置为基于进气温度而调整进气门110。作为一个特殊的示例，在发动机起动条件期间，进气门110被调整至第一位置，以从发动机舱供应更暖的进气来加热发动机102。相应地，一旦已经恰当地加热了发动机，就将进气门110调整至第二位置，从而提供更冷的周围进气以用于燃烧。作为另一示例，控制器可配置为基于周围环境温度而调整进气门110。作为一个特殊的示例，在周围环境温度更低的冬季条件期间，进气门110被调整至第一位置，以提高发动机燃烧空气进气温度。提高的进气温度减少了燃烧进气增压密度，并且减少了发动机缸上的燃烧压力，该发动机缸在低温下可能更倾向于发生性能退化。此外，提高的进气温度有助于融化存在于进气通道的任何冰或雪。
[0029]空气过滤器112在进气门110下游定位在由进气结构106限定的进气通道。空气过滤器112防止磨蚀性的颗粒物质进入多个缸104，并为发动机102保持清洁的燃烧空气。
[0030]涡轮增压器116包括压缩机114和涡轮(未显示)，压缩机114定位在由进气结构106限定的进气通道，并且涡轮定位在排出通道，排出通道联接至发动机102。涡轮联接至压缩机114，使得压缩机被使涡轮旋转的排气驱动。压缩机114提高了从空气过滤器112流动的燃烧空气的压力。通过压缩机114实现的燃烧空气的压力提升提高了进入多个缸104中的燃烧空气的增压密度。此外，提高燃烧空气的压力还提高了燃烧空气的温度。
[0031]多级冷却组件118在压缩机114下游定位在由进气结构106限定的进气通道。多级冷却组件118通过传递至不同的流体中而从燃烧空气中排热。具体而言，多级冷却组件118包括空气-冷却剂中间冷却器120和空气-空气热交换器122，两者组合地对燃烧空气提供排热。在所示的实施方案中，空气-冷却剂中间冷却器120定位在多级冷却组件118的入口附近。进入多级冷却组件118的燃烧空气最初流动横跨空气-冷却剂中间冷却器120的表面，造成热量从燃烧空气传递至流经空气-冷却剂中间冷却器120的发动机冷却剂。燃烧空气继续经过多级冷却组件118而流向空气-空气热交换器122。
[0032]空气-空气热交换器122包括内部翼片，其根据实施方案在翼片类型、翼片密度、或翼片类型及翼片密度两方面根据内部翼片相对于空气-空气热交换器122内部的位置而不同。内部翼片类型和/或密度的不同有助于形成经过空气-空气热交换器122的燃烧空气路径，其使经过内部的燃烧空气分布或平衡成确定量。热量经过内部翼片而直接从燃烧空气排出至大气。此外，空气-空气热交换器122包括外部