CN112912599A

CN112912599A - 内燃发动机的冷却系统及相关联的控制方法

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Publication number: CN112912599A
Application number: CN201980070537.6A
Authority: CN
Inventors: T·维尼齐亚尼; S·杜波依斯; B·沙尔梅特
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2039-09-16
Also published as: EP3864269B1; WO2020074217A1; EP3864269A1; CN112912599B; FR3086976A1; FR3086976B1; KR20210070354A; KR102651933B1

Abstract

本发明涉及一种内燃发动机(1)的冷却系统(39)，所述内燃发动机包括两个气体循环管线(7，9)，所述冷却系统(39)包括回路(55)和两个热交换器(17，35)，该两个热交换器连接至该两个气体循环管线(7，9)，传热流体通过该回路循环，并且该冷却系统包括：‑热交换区段(37)，该热交换区段用于该热交换器并且具有两个端部，每个端部连接至阀，‑主分支(91)，该主分支连接至这些阀并且用于该发动机；‑旁路分支(83)，该旁路分支连接至这些阀，并且所述冷却系统(39)进一步包括：‑控制器(77)，该控制器能够在正常操作状态与预热状态之间控制这些阀，在该正常操作状态，这些阀允许该传热流体在该主分支和该热交换区段中循环，在该预热状态，这些阀允许该传热流体在该主分支和该旁路分支中循环。本发明还涉及一种用于控制该冷却系统的方法。

Description

内燃发动机的冷却系统及相关联的控制方法

技术领域

本发明总体上涉及内燃发动机的冷却系统领域。

更具体地，本发明涉及一种用于内燃发动机的冷却系统，所述内燃发动机包括两个气体循环管线，所述冷却系统包括回路和两个热交换器，该两个热交换器分别连接至该两个气体循环管线，传热流体在该回路中循环。

本发明还涉及一种用于控制冷却系统的方法。

背景技术

在机动车辆的内燃发动机的冷启动过程中，发动机温度接近环境温度。此环境温度通常不同于发动机的最佳操作温度。

然而，发动机具有最佳操作温度，以减少其燃料消耗及其污染物排放。

内燃发动机通常装备有供给发动机汽缸的新鲜空气进气管线。汽缸中燃烧的气体的一部分随后在排气管线中循环，在该排气管线中去污染之后被释放到大气中。燃烧的气体的另一部分在排气再循环管线中循环并且供给空气汽缸。

离开汽缸后，燃烧的气体的温度达到几百度。

文献US 2011/0139133描述了一种如前面描述的内燃发动机，该内燃发动机还装备有特定的冷却系统。在发动机的冷启动过程中，此“冷却”系统用于使用燃烧的气体所释放的热来加热发动机。

为此，冷却系统包括热交换器，该热交换器使传热流体围绕再循环管线循环，这允许传热流体从燃烧的气体中回收部分热。传热流体随后围绕汽缸循环，并且将回收的部分热提供给汽缸。

在启动时发生的这些热交换允许发动机更快地达到其最佳操作温度。

然而，目的是改善这种冷却系统的性能、尤其是通过减少发动机达到其正确的操作温度所需的时间来改善这种冷却系统的性能。

发明内容

为此，本发明提出一种如在引言中定义的冷却系统，其中回路包括：

-热交换区段，该热交换区段用于该两个热交换器，所述热交换区段具有两个端部，该两个端部各自连接至阀；

-主分支，该主分支连接至该两个阀并且用于该发动机；

-连接至该两个阀的旁路分支，该旁路分支平行于该热交换区段并且从该主分支中分出来；

并且其中，该冷却系统进一步包括：

-控制器，该控制器能够在正常操作状态与预热状态之间控制该两个阀，在该正常操作状态，该两个阀使该传热流体在该主分支和该热交换区段中循环，在该预热状态，该两个阀使该传热流体在该主分支和该旁路分支中循环。

在预热状态，该两个阀允许形成冷却回路，在该冷却回路中，传热流体通过绕过热交换区段而循环，因此与两个热交换器进行热交换。在所述回路中循环的传热流体使发动机冷却，而位于两个热交换器中的流体藉由与在热交换器中循环的气体进行热交换而温度迅速升高。

实际上，燃烧的气体在高温下通过两个气体循环管线中的一个气体循环管线而进入热交换器中的一个热交换器。新鲜的进气在低温下通过两个气体循环管线中的另一气体循环管线而进入另一热交换器。

这两种类型的气体可以藉由在两个交换器中循环的传热流体进行热交换。更具体地，燃烧的气体通过传热流体加热新鲜的进气。

这种热交换具有两个主要优点：通过对在进气管线中循环的新鲜空气进行加热，气体的燃烧趋于最佳，并且允许污染物在源头(燃烧)减少。随着燃烧温度升高，燃烧的气体的去污染更快地开始。

此外，可以确保内燃发动机的整体温度也更快升高，这允许该内燃发动机更快地达到其最佳操作温度。为此，传热流体在预热状态被加热；油回路的润滑剂也可以在预热状态由冷却系统加热。此外，通过升高油回路的温度，润滑剂的粘度减小，这允许减少任何摩擦损失，因而改善内燃发动机的性能。

以下是根据本发明的冷却系统的另外的非限制性的以及有利的特征，这些特征单独地或根据所有技术上可能的组合加以考虑：

-该回路包括短路分支，该短路分支与穿过两个热交换器的热交换区段平行地连接至两个阀。在预热状态，两个阀使传热流体在短路分支和热交换区段中循环。

然后，热交换区段和短路分支形成基本上闭合的流体循环环路。因此，一方面改善了燃烧的气体与传热流体之间的热交换，另一方面改善了传热流体与新鲜气体之间的热交换，并且使传热流体的温度、因此使发动机的温度更快升高。

此外，

-在该短路分支中设置泵。通过允许传热流体在基本上闭合的环路中循环，避免了局部热点的产生。

此外，

-在热交换区段中设置温度探针。

根据热交换区段中存在的传热流体的温度来确定预热阶段的结束。

此外，

-两个热交换器放置在共用外壳中；

-两个热交换器各自包括单独的外壳，并且其中，该两个外壳通过传热装置连接；

-该两个热交换器各自包括传热流体输入端和输出端，这些热交换器中的一个热交换器的输出端连接至这些热交换器中的另一热交换器的输入端；

-该两个热交换器各自包括传热流体输入端和输出端，这些输入端连接至同一输入分支管并且这些输出端连接至同一输出分支管。

本发明还提出一种用于控制冷却系统的方法，该方法在内燃发动机启动时包括以下步骤：

-使用所述温度探针测量该传热流体的温度；

-当测得的温度小于温度阈值时，由控制器以预热状态控制该两个阀；以及

-当测得的温度大于所述温度阈值时，由控制器以正常操作状态控制该两个阀。

以下是根据本发明的用于控制冷却系统的方法的另外的非限制性的和有利的特征，这些特征单独地或根据所有技术上可能的组合加以考虑：

在启动该内燃发动机时，提供以下步骤：

-测量该内燃发动机外部温度/测量装备有该内燃发动机的车辆外部温度；

-当测得的外部温度小于另一个温度阈值时，由控制器以预热状态控制该两个阀；以及

-当测得的外部温度大于所述另一温度阈值时，由该控制器以正常操作状态控制该两个阀。

附图说明

参考通过非限制性示例的方式给出的附图的以下说明，将用于解释本发明的内容以及本发明可以如何产生。

在附图中：

-图1示出了包括根据本发明的冷却系统的内燃发动机的示意图；

-图2示出了用于冷却内燃发动机的系统；

-图3示出了处于预热状态的冷却系统；

-图4示出了处于正常操作状态的冷却系统；

-图5和图6示出了冷却系统的热交换器的替代性实施例的示意图。

具体实施方式

在本说明书中，术语“上游”和“下游”是根据从大气获取新鲜空气的点到将燃烧的气体释放到大气中的气体流动方向来使用的。

相对于各种流体的循环方向来定义布置在发动机中的各种部件的输入和输出。

图1示出了机动车辆的内燃发动机1(以下称为发动机1)。此发动机1包括曲轴箱3，在该情况下，该曲轴箱设置有三个汽缸5。该曲轴箱可以包括更多汽缸，或者也可以包括更少汽缸。发动机1进一步包括汽缸盖(未示出)。

在汽缸5的上游，发动机1包括进气管线7，该进气管线从大气中获取新鲜空气，并且该进气管线通过空气分配器11将该新鲜空气供给到汽缸5。

此进气管线7在空气流动方向上包括：对从大气中获取的新鲜空气进行过滤的空气过滤器13、对由空气过滤器13过滤的新鲜空气进行压缩的主压缩机15、对压缩的该新鲜空气进行冷却的热交换器35、以及允许控制进入空气分配器11的新鲜增压空气流的节流阀本体19。

在汽缸5的输出处，发动机1包括排气歧管21，先前在汽缸5中燃烧的气体出现在该排气歧管中。排气歧管21向排气管线23供给燃烧的气体，并且向燃烧的气体的再循环管线9供给燃烧的气体。

新鲜空气也可以在主压缩机15的上游处与在排气管线23中的去污染元件29的下游获取的燃烧的气体进行混合。所述燃烧的气体称为“低压”气体。

排气管线23在排气流动方向上包括驱动主压缩机15的涡轮机27、以及用于燃烧的气体的去污染元件29(例如，催化转化器)。

用于燃烧的气体的再循环管线9从排气歧管21延伸至空气分配器11。从排气歧管21和在去污染元件29上游获取的燃烧气体被称为“高压燃烧的”气体。

再循环管线9允许回收燃烧的气体中的一部分，以便向发动机1供给燃烧的气体，以便减少污染物向大气中的排放。

此再循环管线9在燃烧的气体的流动方向上包括允许调节燃烧的气体的流量的阀25、以及对燃烧的气体(在这种情况下为“高压燃烧的”气体)进行冷却的另一个热交换器17。

节流阀本体19以及阀25由控制单元(未示出)控制，该控制单元通过执行记录的指令来控制阀的打开，因而调节进气管线7中的和再循环管线9中的气体流量。

优选地，两个交换器17、35彼此相邻布置，以减小包括有两个交换器的冷却回路的体积。

两个热交换器17、35布置在发动机1的外部。

图2示出了用于冷却此内燃发动机1的系统39。

此冷却系统39包括回路55和两个热交换器17、35，传热流体在该回路中循环。

回路55包括主分支91和热交换区段37，该主分支用于发动机1，该热交换区段穿过或用于两个热交换器17、35。

热交换区段37具有两个端部。两个端部各自连接至阀79、81。阀79、81位于两个热交换器17、35的两侧上。

实际上，主分支91包括多个子分支57、59，这些子分支允许回路55所使用的元件被连接。

在这种情况下，热交换器中的一个热交换器17的输入端51通过回路55的主分支91的子分支57连接至阀79，该阀连接至发动机1的输出端。

两个热交换器中的另一个热交换器35的输出端53通过传热流体循环管55的主分支91的另一个子分支59连接至阀81，该阀连接至发动机1的输入端。

最后，根据一个实施例，两个热交换器中的一个热交换器17的输出端63连接至两个热交换器中的另一个热交换器35的输入端65。

因此，两个热交换器17、35串联连接在回路55的热交换区段37中。

两个热交换器17、35各自包括单独的外壳48、49。两个外壳48、49各自划分腔室，回路24、26位于该腔室中用于使传热流体循环。

腔室各自进一步包括连接至两个气体循环管线7、9中的一个管线的管道43、45。

因此，存在于两个热交换器中的一个热交换器17中的传热流体与源自气体再循环管线9的燃烧的气体进行热交换。存在于两个热交换器中的另一个热交换器35中的传热流体与源自新鲜空气进气管线7的新鲜空气进行热交换。

当回路24、26连接在一起时，燃烧的气体、传热流体和新鲜空气可以进行热交换。

在这种情况下，两个回路24、26通过传热装置(例如，热管47)连接。热管47允许在位于热交换器中的一个热交换器17中的传热流体与位于热交换器中的另一个热交换器35中的传热流体之间进行热交换。因此，热管47允许两个回路24、26中的传热流体的温度相匹配。

回路55进一步包括旁路分支83，该旁路分支从主分支91中分出来并且连接至两个阀79、81。更具体地，根据图2和图3所示的实施例，旁路分支83直接连接至阀79，并且通过子分支59连接至阀81。

如图2和图3所示，回路55包括短路分支60，该短路分支连接至两个阀79、81。

在这种情况下，两个阀中的一个阀79是两个热交换器17、35上游的多通道阀，该多通道阀布置在子分支57、旁路分支83、短路分支60和热交换区段37之间的接合处89。阀79控制朝向热交换区段37和朝向旁路分支83循环的传热流体的流量。

在这种情况下，两个阀中的另一个阀81是在两个热交换器17、35下游布置的多通道阀，该多通道阀在热交换区段37、另一子分支59和短路分支60之间的接合处90。另一个阀81控制传热流体在旁路分支60中或在另一子分支59中专有循环的流量。

例如，两个阀79、81是螺线管阀。

冷却系统进一步包括能够控制两个阀79、81的控制器77。

根据一个实施例，控制器77根据传热流体的温度在正常操作状态与预热状态之间控制阀79、81。

为此，温度探针78位于热交换区段37上。温度探针78能够确定位于热交换区段37中的传热流体的温度，并将温度传送到冷却系统39的控制器77。此外，控制器77包括存储器(未示出)，在该存储器中记录了温度阈值Ts1、Ts2，低于温度阈值时，控制器77启动预热状态，高于温度阈值时，控制器77启动正常操作模式。

如图4所示，在正常操作状态，两个阀79、81使传热流体在主分支91和热交换区段37中循环(在图3和图4中，虚线所示的回路部分是传热流体不进行循环的部分)。然后，燃烧的气体和压缩的新鲜空气能够经由两个热交换器17、35进行热交换、尤其是将热传递到传热流体。

如图3所示，在预热状态，两个阀79、81允许传热流体在阀81下游在旁路分支83和主分支91中循环，因而形成能够冷却发动机1的冷却回路。

根据图3所示的实施例，旁路分支83和主分支91共享管道部分59，在预热状态，没有传热流体在该管道部分中循环。实际上，在预热状态，传热流体穿过旁路分支83，以便直接进入主分支91。

在预热状态，阀79、81还将传热流体朝向短路分支60引导。然后，热交换区段37和短路分支60形成基本上闭合的环路，其中，传热流体一方面与燃烧的气体最佳地交换热，另一方面与进气最佳地交换热，因而改善发动机的温度升高。

优选地，在短路分支60中设置泵80，以便使传热流体循环并且避免位于热交换器17、35中的热点或高温点。

现在将参考图3描述对冷却发动机1的系统39进行控制的方法。

在启动此发动机1时，温度探针78测量热交换区段37中的传热流体的温度，并将该温度传送到控制器77。

然后，传热流体的温度通常接近环境温度、特别是在长时间停止之后。在此示例中，温度小于50℃。

温度阈值Ts1对应于发动机1的最佳操作温度。温度阈值Ts1例如在80℃与100℃之间。

因此，测得的温度低于温度阈值Ts1，控制器77以预热状态控制两个阀79、81(图3)。

传热流体的一部分在热交换区段37中、尤其是在两个热交换器17、35中和在短路分支60中被隔离。流体的另一部分被朝向旁路分支83和主分支91引导，以便冷却发动机1。传热流体在冷却回路中的循环方向由箭头FP1指示。传热流体在基本上闭合的环路中的循环方向由箭头FP2指示。

因此，在预热状态，冷却系统39具有两个传热流体循环环路。

第一环路包括主分支91和旁路分支83，该主分支用于使传热流体循环到发动机1/从发动机循环。在第一环路中，传热流体藉由主流体泵(未示出)在箭头FP1(图3)的方向上循环。因此，第一环路在传热流体不穿过热交换器17、35的情况下允许发动机1被冷却。

第二环路包括交换区段37和短路分支60。

有利地，藉由泵80，传热流体在第二环路中在箭头FP2的方向上循环。传热流体在第二环路中的循环允许防止局部热点的产生。传热流体的移动例如允许传热流体的存在于热交换器17中的部分(并且因此比其余的隔离流体更快地加热)在测得的温度大于或等于温度阈值Ts1之前防止状态的改变。

紧接发动机1的这种启动之后，燃烧的气体以已经很高的温度(例如大约300℃)进入热交换器17。

就其本身而言，新鲜空气以比燃烧的气体的温度低的温度(例如大约10℃)进入另一个热交换器35。

因此，燃烧的气体的温度高于新鲜空气的温度和传热流体的温度。

在热交换器17中，传热流体与燃烧的气体进行热交换，因此燃烧的气体将其一部分热提供给传热流体。

这样，所有隔离的传热流体藉由燃烧的气体而被加热。此外，存在于热交换器中的一个热交换器17中的传热流体部分与存在于热交换器中的另一个热交换器35中的传热流体部分之间的热交换藉由热管47而被加速。

隔离的且被加热的传热流体将其一部分热提供给另一个热交换器35。因此，新鲜空气使第一热交换器35加热到例如大约50℃的温度。

通过加热新鲜空气，加速了排气去污染的启动。

在离开热交换器17时，燃烧的气体处于比输入端的温度低的温度，例如大约250℃。

就其本身而言，温度探针78连续地确定热交换区段37中的传热流体的温度。只要测得的温度低于温度阈值Ts1，控制器77就将阀79、81保持在预热状态。

一旦测得的温度超过此阈值，则控制器77以图4所示的正常操作状态控制两个阀79、81。

在正常操作状态，主分支91和热交换区段37形成正常操作环路。然后，设置在短路分支60中的泵80停止。

一旦阀79、81处于正常操作状态，则传热流体在回路55的热交换区段37和主分支91中循环，以便冷却发动机1以及发动机1的各个部件。

在图4中，箭头F指示了在正常操作中传热流体在回路55中的循环方向。

在此操作模式下，燃烧的气体例如以大约700℃的温度进入交换器17。

新鲜空气以例如在180℃与240℃之间的范围内的温度进入另一个热交换器35(由于新鲜空气被压缩机压缩)。

就其本身而言，传热流体例如以100℃的温度进入热交换器17、35(实际上，使用车辆装备的散热器将其保持在相对较低的温度)。

因此，燃烧的气体和新鲜空气将它们的一部分热提供给传热流体，传热流体使两个热交换器17、35加热。

在热交换器17的输出端处，燃烧的气体处于例如大约350℃的温度。在另一个热交换器35的输出端处，新鲜空气处于大约100℃至140℃的温度。

根据图5所示的替代性实施例，两个热交换器17、35并联连接在回路55的主分支上。

因此，热交换器中的一个热交换器17的输入端51和热交换器中的另一个热交换器35的输入端65都连接至热交换区段37的输入分支管67。

热交换器中的一个热交换器17的输出端63和热交换器中的另一个热交换器35的输出端53都连接至热交换区段37的输出分支管69。

热管47允许传热流体的温度在两个回路24、26中匹配。

根据图7所示的另一个替代性实施例，两个热交换器17、35放置在共用外壳50中。共用外壳50划分了单个腔室，在该腔室内定位有用于使共用传热流体22循环至两个热交换器17、35的回路。根据此替代性实施例，由于用于使共用传热流体22循环的回路对于两个热交换器17、35是共用的，因此不需要设置传热装置。

因此，在热交换器17、35的共用回路22内，传热流体与在再循环管线9中循环的燃烧的气体以及在进气管线7中循环的新鲜空气进行热交换。

根据用于控制冷却系统39的方法的另一个实施例，在发动机启动时，在步骤a)过程中，另一个温度探针确定机动车辆的发动机1外部的温度。该另一个温度探针随后将确定的外部温度传输到控制器77。

如果所述确定的外部温度小于另一个温度阈值Ts2，则控制器77以预热模式触发冷却系统39的操作。这将使所述预热模式保持有限的时间段，例如5秒钟。随后，控制器77通过激活两个阀79、81来授权将预热模式切换到正常操作模式。

如果确定的外部温度大于另一温度阈值Ts2，则控制器77仅授权正常操作模式。

默认情况下，控制器77授权正常操作模式。

Claims

1.一种用于内燃发动机(1)的冷却系统(39)，所述内燃发动机(1)包括两个气体循环管线(7，9)，所述冷却系统(39)包括回路(55)和两个热交换器(17，35)，该两个热交换器分别连接至该两个气体循环管线(7，9)，传热流体在该回路中循环，并且该冷却系统包括：

-热交换区段(37)，该热交换区段用于该两个热交换器(17，35)，所述热交换区段(37)具有两个端部，该两个端部各自连接至阀(79，81)；

-主分支(91)，该主分支连接至该两个阀(79，81)并且用于该发动机(1)；

-连接至该两个阀(79，81)的旁路分支(83)，该旁路分支平行于该热交换区段(37)并且从该主分支(91)中分出来；并且

所述冷却系统(39)进一步包括：

-控制器(77)，该控制器能够在正常操作状态与预热状态之间控制该两个阀(79，81)，在该正常操作状态，该两个阀(79，81)使该传热流体在该主分支(91)和该热交换区段(37)中循环，在该预热状态，该两个阀(79，81)使该传热流体在该主分支(91)和该旁路分支(83)中循环。

2.如前一项权利要求所述的冷却系统(39)，其中，该回路(55)包括短路分支(60)，该短路分支连接至该两个阀(79，81)，并且其中，在该预热状态，该两个阀(79，81)使该传热流体在该短路分支(60)中和在该热交换区段(37)中循环。

3.如前述权利要求中任一项所述的冷却系统(39)，其中，在该短路分支(60)中设置泵(80)。

4.如前述权利要求中任一项所述的冷却系统，其中，在该短路分支(60)中设置温度探针(78)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的冷却系统(39)，其中，该两个热交换器(17，35)放置在共用外壳(50)中。

6.如权利要求1至4中任一项所述的冷却系统(39)，其中，该两个热交换器(17，35)各自包括单独的外壳(48，49)，并且其中，该两个外壳(48，49)通过传热装置(47)连接。

7.如前一项权利要求所述的冷却系统(39)，其中，该两个热交换器(17，35)各自包括传热流体输入端(51，65)和输出端(63，53)，这些热交换器中的一个热交换器(17)的输出端(65)连接至这些热交换器中的另一个热交换器(35)的输入端(53)。

8.如权利要求6所述的冷却系统(39)，其中，该两个热交换器(17，35)各自包括传热流体输入端(51，65)和输出端(63，53)，这些输入端(51，65)连接至同一输入分支管(67)并且这些输出端(63，53)连接至同一输出分支管(69)。

9.如前述权利要求中任一项所述的用于控制冷却系统(39)的方法，该方法在启动该内燃发动机(1)时包括以下步骤：

a)使用所述温度探针(78)测量该传热流体的温度；

b)当测得的温度小于温度阈值(Ts1)时，由该控制器(77)以该预热状态控制该两个阀(79，81)；以及

c)当测得的温度大于所述温度阈值(Ts1)时，由该控制器以该正常操作状态控制该两个阀(79，81)。

10.如权利要求1至8中任一项所述的用于控制冷却系统(39)的方法，该方法在启动该内燃发动机(1)时包括以下步骤：

a)测量该内燃发动机(1)外部温度/测量装备有该内燃发动机(1)的车辆外部温度；

b)当测得的外部温度小于另一个温度阈值(Ts2)时，由该控制器(77)以该预热状态控制该两个阀(79，81)；以及

c)当测得的外部温度大于所述另一温度阈值(Ts2)时，由该控制器以该正常操作状态控制该两个阀(79，81)。