用于冷却废气和增压空气的布置

摘要

本发明涉及一种用于冷却带有涡轮增压器的汽车中的循环废气(AG)和增压空气(LL)的布置(A)，包括至少一个用于废气流的热交换器和至少一个用于增压空气流的热交换器。至少一个用于废气流的热交换器和至少一个用于增压空气流的热交换器形成一个共同的低温冷却回路(NK)的一部分。本发明还涉及一种运转行这种布置(A)的方法。

权利要求

1.用于冷却带有涡轮增压器的汽车中的再循环废气（AG）和增压空气（LL）的布置（A），包括用于再循环废气的热交换器和用于增压空气流的热交换器，其特征在于，用于再循环废气的第一热交换器与发动机并联到主冷却回路（HK）上；至少一个用于再循环废气的第二热交换器和一个用于增压空气流的热交换器分别为一个共用的低温冷却回路（NK）的一部分，并且在增压空气流的热交换器（LLK）的冷却液出口布置着一个用于调节流过用于再循环废气的第二热交换器和流过用于增压空气流的热交换器的冷却液流量的节流元件，所述节流元件具有一个可膨胀元件。

2.根据权利要求1所述的布置，其特征在于，用于再循环废气的第二热交换器和用于增压空气流的热交换器在低温冷却回路（NK）中并联。

3.根据权利要求1或2所述的布置，其特征在于，低温冷却回路（NK）中布置着一个泵（ZWP）。

4.根据权利要求3所述的布置，其特征在于，所述泵（ZWP）是可调节的或可开关的。

5.根据权利要求3所述的布置，其特征在于，所述泵（ZWP）布置在低温冷却回路（NK）的分支点之前。

6.根据权利要求1或2所述的布置，其特征在于，风冷的低温冷却液冷却器（NKK）是低温冷却回路（NK）的一部分。

7.根据权利要求6所述的布置，其特征在于，节流元件是一个可调节的节流阀（DV）。

8.对再循环废气和增压空气进行冷却的方法，包括用于冷却带有涡轮增压器的汽车中的再循环废气（AG）和增压空气（LL）的布置，该布置包括至少一个用于再循环废气的热交换器和至少一个用于增压空气的热交换器，其特征在于，用于再循环废气的第一热交换器与发动机并联到主冷却回路（HK）上，构成主冷却回路的一部分；至少一个用于再循环废气的第二热交换器和用于增压空气流的热交换器分别为一个共用的低温冷却液回路（NK）的一部分，所述共用的低温冷却回路（NK）中的冷却液用于冷却再循环废气（AG）和增压空气（LL）；并且在增压空气流的热交换器（LLK）的冷却液出口布置着一个用于调节流过用于再循环废气的第二热交换器和流过用于增压空气流的热交换器的冷却液流量的节流元件。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在低发动机负载和转速以及中等发动机负载和转速的情况下，低温冷却液回路中超过50％的冷却液输送到用于再循环废气的第二热交换器（AGK）。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在高发动机负载和转速的情况下，低温冷却液回路中超过50％的冷却液输送到用于增压空气的热交换器（LLK）。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在全负载范围内，低温冷却液回路中超过50％的冷却液输送到用于增压空气的热交换器（LLK）。

说明书

用于冷却废气和增压空气的布置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于冷却带有涡轮增压器的汽车中的废气和增压空气的布置，以及一种对废气和增压空气进行冷却的方法。

背景技术

[0002] 按照现有技术，为了提高发动机的功率，采用了对空气进行压缩的涡轮增压器。但是，空气(后面被称为压缩空气)在涡轮增压器中被压缩后变热，温度升高到100℃以上。为了减少空气的这种加热，采用了空气冷却器，它布置在冷却模块的前部，用于对增压空气进行冷却。在这一过程中，增压空气穿过一个被周围空气穿流的热交换器，从而被冷却。这样，增压空气可被冷却到一个比周围空气温度高大约15-50K的温度。在部分负荷时，冷却可以几乎达到周围环境温度，但是随着运行，再循环的废气以150到200℃的温度离开废气再循环冷却器。这样，特别是在高废气再循环率的情况下，在吸管中会产生相对很高的混合温度。其原因在于，热的发动机冷却液被用作废气冷却器的循环冷却介质，这样，即使废气冷却器的交流换热系数很高，要将废气冷却到100℃以下也是不可能的。

[0003] 已公开的DE 103 51 546建议，为了降低再循环废气的高温，应增加一个废气再循环冷却器，它可由低温冷却液或周围空气冷却，并接在第一个由发动机冷却液冷却的废气冷却器之后。在废气和增压空气混合后，由于再循环废气流由发动机冷却液冷却，所以温度无法下降到足够低的水平，从而对柴油机的排放和消耗产生不利影响。

[0004] 如果为废气流增加一个由低温冷却液或周围空气冷却的冷却器，那么这种布置的制造成本就会明显增加。

[0005] 如果在废气和增压空气混合后，气流穿过一个冷却器，那么这种布置的成本就会降低，但是在这个改型中却存在着由废气流中的颗粒所造成的污染问题，在要达到所期望的传热效率的情况下，这个问题无法解决。

[0006] 在图3中是一个按照现有技术、包括直接的增压空气冷却的布置，图4中是一个按照现有技术、包括间接的增压空气冷却的布置。

发明内容

[0007] 本发明的目的是改进前面所提及的布置，以尽可能低的成本使再循环废气和增压空气的混合气体的冷却得到优化。

[0008] 这一目的由具有以下特征的布置实现。

[0009] 按照本发明，用于冷却带有涡轮增压器的汽车中的循环废气和增压空气的布置，设有至少一个用于废气的热交换器和至少一个用于增压空气的热交换器，其中，至少一个用于废气的热交换器和至少一个用于增压空气的热交换器是一个共同的低温冷却回路的一部分。

[0010] 这两个热交换器优选地在低温冷却回路中并联，其中，冷却液按照需求分配，也就是说，在低发动机负载或转速的情况下，冷却液尤其是穿流废气冷却器，而在高发动机负载或转速的情况下，冷却液尤其是穿流增压空气冷却器。在发动机负载/转速达到最大的情况下，冷却液优选地仅穿流增压空气冷却器。

[0011] 低温冷却回路中布置着一个泵，用来循环冷却液，在这里，它是一个可开关的、必要时为可调节的泵。

[0012] 泵优选地布置在低温冷却回路的分支点之前，这样，可以将冷却液以优化的方式供应到低温冷却回路的两个分支中。

[0013] 为了调节低温冷却回路中的冷却液流，在低温冷却回路上的两个并联区域中，优选地在其中的一个之中布置一个节流元件，优选为节流阀。它优选地布置在增压空气冷却器之后的冷却液出口的位置，因为来自增压空气冷却器的冷却液在出口的温度与发动机的负载有关，这样，就可以进行方便的、与温度有关的调节，优选地通过一个可膨胀元件进行调节。

附图说明

[0014] 下面通过附图和实施例及其变型对本发明进行详细说明。其中，[0015] 图1是按照本发明实施例、用于冷却汽车废气和增压空气的布置的示意图，[0016] 图2是在增压空气冷却器和废气冷却器中所散发的热量与发动机负载之间关系的曲线示意图，其中，传统布置情况下的最大冷却效率与根据本发明的布置进行了比较，[0017] 图3中是根据现有技术的、包括直接增压空气冷却的布置，

[0018] 图4中是根据现有技术的、包括间接增压空气冷却的布置。

具体实施方式

[0019] 在包括(废气)涡轮增压器ATL的汽车中，一种用于冷却废气AG和增压空气LL的布置A具有一个主冷却回路HK和一个副冷却回路NK。本发明将在后面对它们进行详细说明。

[0020] 涡轮增压器ATL从周围环境中吸入新鲜空气FL(在图1中用箭头表示)，新鲜空气被压缩后在增压空气冷却器LLK中冷却，然后被送往发动机M。经过压缩、冷却的增压空气LL与由废气再循环系统AGR回收并被废气冷却器AGK冷却的废气AG混合后一同被送往发动机M，其中，废气流在离开发动机M后被按照需要分流、回收并与增压空气LL混合或排出(由图1中的箭头表示)。

[0021] 发动机由在主冷却回路HK中的冷却液冷却，上述冷却液通过一个主水泵HWP循环。根据穿流经过发动机M后的温度，冷却液在一个节温器(Thermostaten)T的调节下，流过一个受到风扇L支持的风冷主冷却回路HKK或者通过一个发动机旁路MB绕开这个回路再流回到泵HWP。

[0022] 增压空气LL及废气AG由在低温冷却回路NK中循环的冷却液冷却，上述冷却液通过一个可开关的副水泵ZWP循环。紧接在泵ZWP之后设置了一个分支单元，在这种情况下，一条流路通过废气冷却器AGK，而第二条流路则通过增压空气冷却器LLK和一个在它之后用于调节冷却液分布的温控节流阀DV。两个冷却液流随后汇合，并穿过一个从气流方向看布置在主冷却液冷却器HKK之前并与之平行的低温冷却液冷却器NKK，再次到达泵ZWP。

[0023] 如图2所示，随着发动机负载的加大，增压空气冷却器LLK中冷却需求，即散发的热量也随之上升，而废气冷却器AGK的冷却需求则在发动机负载的中间区域达到最大，并且随着发动机负载逐渐加大又降低到大约为零，这样就得出一个总的冷却需求，这个需求一直上升直到达到大约50％的发动机负载，然后保持在近似最大值的程度。

[0024] 由于增压空气冷却器LLK的冷却液出口处的冷却液温度与发动机负载相关，因此，节流阀DV(这里是一种可膨胀元件)以简单、低成本的方式使冷却液流尽可能优化地分配到两个冷却器AGK和LLK上，这样，在发动机负载从低到中等以及转速从低到中等的范围内，主要是废气冷却器AGK被穿流，而在全负载和高转速的范围内，主要是增压空气冷却器LLK被穿流，从而使再循环的废气AG和增压空气LL的混合温度非常接近可能达到的最低温度。

[0025] 按照一个可选的实施形式，节流元件布置在废气再循环系统AGR中或者位于增压空气管路上的另一个位置。在这个形式中，举例来说，分别通过一个传感器测量在废气冷却器AGK和增压空气冷却器LLK出口的冷却液温度，然后通过一个相应定义的逻辑电路对节流元件进行控制。

[0026] 另外，可以用一个可调节的副冷却液泵来代替按照本实施例所设置的可开关的副冷却液泵ZWP。这使冷却液的流量能更精确地适应实际需求，但是，一个可调节的泵以及与之相应的控制系统的成本会高于一个简易泵的成本。

[0027] 作为第三个变型，在低温冷却回路中的热交换器可以采用串联布置，但是，这将会使冷却液在进入到布置在后段的第二热交换器时，被第一热交换器的热负荷预加热，而与热交换器的并联布置相比，这会使混合气体的温度升高。在这种情况下，举例来说，可以在第一个热交换器上设置一个优选由节流元件调节的冷却液旁路。

[0028] 按照本发明，分别从一个涡轮增压器的角度看，废气再循环可以在增压器空气管路系统或废气管路系统的高压侧或低压侧进行。

[0029] 图5中是本发明的一个实施例，在这个实施例中，废气在废气涡轮增压器1的高压侧进行再循环。新鲜空气2被废气涡轮增压器1的泵5吸入并压缩。在这一过程中产生的热量在增压空气冷却器3中散发，这样，增压空气在冷却状态下通过增压空气管6输送到发动机4。发动机4的废气7通过废气管8从发动机4排出，并驱动废气涡轮增压器1的涡轮9。

[0030] 至少在发动机4的数个运行状态中，废气7的一部分通过废气再循环管10输送到增压空气管6之中的增压空气中。为了对废气进行两级的再循环冷却，在废气再循环管10中有两个废气冷却器11、12，它们可被一个旁通管13绕流。例如，在发动机4的加热阶段，需要减少对再循环的废气的冷却，这样，在这种情况下，阀14，优选为旁通阀，将再循环的废气引入到旁通管13中。按照一个优选的实施形式，阀14是一个三通阀，它还调节再循环的废气量。

[0031] 用于冷却发动机4的主冷却回路15被一种冷却液穿流，这个冷却液通过主冷却液泵16循环，并被主冷却液冷却器17冷却，其中，主冷却液冷却器17可以通过优选为节温器的阀18被旁通管19绕流。

[0032] 用于冷却增压空气冷却器3的低温冷却回路20被一种冷却液穿流，这个冷却液通过副冷却液泵21循环，并被低温冷却液冷却器22冷却，其中，低温冷却器22和主冷却液冷却器17先后被冷却空气23穿流，该空气在数个运行状态下被风扇24吸入。

[0033] 两级废气再循环冷却的第一级由废气冷却器11形成，它与发动机4并联到主冷却回路15上，用于将热量从再循环的废气传递到主冷却回路15中的冷却液上。

[0034] 两级废气再循环冷却的第二级由废气冷却器12形成，它与增压空气冷却器3并联到低温冷却回路20上，用于将热量从再循环的废气传递到低温冷却回路20中的冷却液上。这样就可以实现对再循环废气的有效冷却。

[0035] 与图1相似，可调节的节流阀可以布置在废气冷却器12或增压空气冷却器3之后。在图示的实施例中，节流阀是一个三通阀27，它要么只允许来自废气冷却器12的冷却液流过，要么只允许来自增压空气冷却器3的冷却液流过，要么根据冷却液温度、特别是通过可膨胀元件优选地对两个冷却液的流量比进行无级调节。在另外的实施例中，在至少一个热交换器之后用一个固定的节流元件代替或增加一个固定的节流元件，这个元件也可以取消，例如，当由废气冷却器12引起的冷却液侧的压降与由增压空气冷却器3引起的冷却液侧的压降处于规定的比例关系时。在这种情况下，上述流量比可以被调节到一个适当的值。

[0036] 图6中是本发明的一个实施例，在这个实施例中，废气在废气涡轮增压器101的低压侧进行再循环。至少在发动机104的数个运行状态中，新鲜空气102与再循环废气混合，并被废气涡轮增压器101的泵105吸入并压缩。在这一过程中产生的热量在增压空气冷却器103中散发到冷却液上，这样，增压空气在冷却状态下通过增压空气管106输送到发动机104。发动机104的废气107通过废气管108从发动机104排出，并驱动废气涡轮增压器
101的涡轮109。

[0037] 至少在发动机104的数个运行状态中，废气107的一部分借助废气再循环阀125并通过废气再循环管110与吸入空气102混合。为了对废气进行两级的再循环冷却，在废气再循环管110中有两个废气冷却器111、112。在高压侧设置有一个旁通管113，借助旁通阀126，在没有特别冷却的情况下废气的一部分通过这个旁通管输送到增压空气管106中。例如，在发动机104的加热阶段，需要减少对再循环的废气的冷却，这样，在这种情况下，旁通阀126将再循环的废气引入到增压空气管106中。在这里，废气在废气温度高于低压侧的高压侧进行再循环，从而使发动机104在相关的运行状态中尽可能少地损失热量。

[0038] 用于冷却发动机104的主冷却回路115被一个冷却液穿流，这个冷却液通过主冷却液泵116循环，并被主冷却液冷却器117冷却，其中，主冷却液冷却器117通过优选为节温器的阀118被旁通管119绕流。

[0039] 用于冷却增压空气冷却器103的低温冷却回路120被一个冷却液穿流，这个冷却液通过副冷却液泵121循环，并被低温冷却液冷却器122冷却，其中，低温冷却器122和主冷却液冷却器117先后被冷却空气123穿流，这个空气在数个运行状态下又被风扇124吸入。

[0040] 两级废气再循环冷却的第一级由废气冷却器111形成，它与发动机104并联到主冷却回路115上，用于将热量从再循环的废气传递到主冷却回路115中的冷却液上。

[0041] 两级废气再循环冷却的第二级由废气冷却器112形成，它与增压空气冷却器103并联到低温冷却回路120上，用于将热量从再循环的废气传递到低温冷却回路120中的冷却液上。这样就可以实现对再循环废气的有效冷却。

[0042] 与图1相似，可调节的节流阀可以布置在废气冷却器112或增压空气冷却器103之后。在图示的实施例中，节流阀是一个三通阀127，它要么只允许来自废气冷却器112的冷却液流过，要么只允许来自增压空气冷却器103的冷却液流过，要么根据冷却液温度、特别是通过可膨胀元件优选地对两个冷却液的流量比进行无级调节。在另外的实施例中，在至少一个热交换器之后用一个固定的节流元件代替或增加一个固定的节流元件，这个元件也可以取消，例如，当由废气冷却器112引起的冷却液侧的压降与由增压空气冷却器103引起的冷却液侧的压降处于规定的比例关系时。在这种情况下，上述流量比可以被调节到一个适当的值。

[0043] 附图标记

[0044] A 用于冷却再循环废气和增压空气的布置 AG 废气[0045] AGK 废气冷却器 AGR废气再循环[0046] ATL 废气涡轮增压器 DV 节流阀[0047] FL 新鲜空气 HK 主冷却回路[0048] HKK 主冷却液冷却器 HWP主水泵[0049] L 风扇 LL 增压空气[0050] LLK 增压空气冷却器 M 发动机[0051] MB 发动机旁路 NK 低温冷却回路[0052] NKK 低温冷却液冷却器 T 节温器[0053] ZWP 副冷却液泵