提高发动机冷却效果的系统、方法及包含该系统的车辆
技术领域
本发明涉及一种提高发动机冷却效果——尤其是利用增压空气冷却器提高发动机冷却效果的系统、方法及包含该系统的车辆。
背景技术
车辆的发动机利用燃料燃烧产生动力，增压器为发动机提供燃烧需要的压缩空气。发动机需要在一定的机体温度范围内工作，因此需要利用散热器和冷却水为发动机冷却，以便将机体温度控制在一定范围内，从而防止发动机因温度过高出现故障。
增压器压缩空气时产生热量，使压缩空气的温度升高，因此需要利用中冷器对增压空气进行冷却，再用散热器为中冷水进行冷却，防止发动机因增压空气温度高而降低燃烧效率。
传统的发动机冷却系统，在相同海拔下，环境温度越高，发动机冷却回路的散热量越高，发动机散热器冷却余量随之变小或者不够，需要更多更大的散热器。例如，在环境温度25℃时，增压空气冷却回路散热量最高，但随着环境温度升高，增压空气冷却回路的散热量随之降低，中冷水散热器冷却余量随之变大。
传统的增压空气冷却系统，没有对增压空气的主动加热功能，当环境温度极低且增压器转速低时，增压空气的温度也变的极低，导致发动机的燃烧效率降低。
基于此，现有技术仍然有待改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种利用增压空气冷却器提高发动机冷却效果的系统、方法以及采用这种发动机冷却系统的车辆，以解决现有技术的为提升发动机冷却能力、散热器空间占用大而导致的机车设计难度大以及增压空气温度低导致发动机燃烧效率低的技术问题。
一方面，本发明实施例所公开的一种发动机冷却系统，其包含：
与发动机连接的发动机冷却回路；
与增压器连接的增压空气冷却回路；
连接所述发动机冷却回路和所述增压空气冷却回路的连通管路系统，所述连通管路系统包括阀门；以及
控制器，所述控制器配置为根据环境温度而控制所述阀门的开启和关闭。
在本发明的实施例中，所述连通管路系统包括第一连通管路和第二连通管路并且所述阀门包括第一阀门和第二阀门，其中，所述第一阀门设置在所述第一连通管路中并且所述第二阀门设置在所述第二连通管路中。
在本发明的实施例中，所述第一连通管路连接在所述发动机冷却回路的低压侧和所述增压空气冷却回路的高压侧之间并且所述第二连通管路连接在所述发动机冷却回路的高压侧和所述增压空气冷却回路的低压侧之间，所述控制器配置为响应于所述环境温度高于第一阈值而控制所述第一阀门开启，并且响应于所述环境温度低于第二阈值而控制所述第二阀门开启。
在本发明的实施例中，所述增压空气冷却回路包括：
与所述增压器连接的中冷器；
中冷器冷却水入口；以及
中冷器冷却水出口。
在本发明的实施例中，所述发动机冷却回路包括发动机冷却水入口和发动机冷却水出口。
在本发明的实施例中，所述第一阀门设置在所述中冷器冷却水出口和所述发动机冷却水入口之间，并且所述第二阀门设置在所述中冷器冷却水入口和所述发动机冷却水出口之间。
在本发明的实施例中，所述控制器配置为响应于所述环境温度高于第一阈值而控制所述第一阀门开启。
在本发明的实施例中，所述控制器配置为响应于所述环境温度低于第二阈值而控制所述第二阀门开启。
本发明的另一方面，提供一种车辆，其包含根据本发明的实施例的发动机冷却系统。
本发明的再一方面，提供一种发动机冷却方法，其包含：
检测具有增压器的发动机运行时所处的环境温度；
响应于所述环境温度高于第一阈值而控制第一阀门开启；以及
响应于所述环境温度低于第二阈值而控制所述第二阀门开启，
其中，所述第一阀门设置在与所述增压器连接的中冷器的中冷器冷却水出口和所述发动机的发动机冷却水入口之间，并且所述第二阀门设置在所述中冷器的中冷器冷却水入口和所述发动机的发动机冷却水出口之间。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明实施例在环境温度过高或发动机超大负载工况时，通过将发动机冷却回路中温度高的冷却水与增压空气冷却回路中温度低的冷却水发生交换，使发动机冷却回路的水温降低，满足发动机在高温环境下或者超大负载工况下的运用；在环境温度过低且增压器转速低时，通过将发动机冷却回路中温度高的冷却水与增压空气冷却回路中温度低的冷却水发生交换，使增压空气冷却回路的水温升高，进而对温度过低的增压空气进行加热，加热后的增压空气参与发动机燃烧，提高发动机的燃烧效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的实施例的车辆的示意图。
图2为根据本发明的实施例的发动机冷却系统的示意图。
图3为根据本发明的发动机冷却方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
下面的实施例中所涉及的车辆500可以是用于牵引或推送铁路车辆运行的机车，也可以标准的汽油动力车辆、混合动力车辆和/或任何其他类型的车辆，以及还可以是公共汽车、船舶或航空器。
根据本发明的第一方面，提供一种车辆500，该车辆500包括本发明其他部分所述的发动机冷却系统100以及与发动机冷却系统100通信的控制器105，如图1所示。车辆500还可以包括温度传感器110，温度传感器110可以感测环境温度，例如，发动机冷却系统100运行时的环境温度。
控制器105可以是例如电子控制装置，其可以与车辆500的多个部件(例如发动机冷却系统100、温度传感器110等)进行通信，即，接收来自多个部件的测量或算出的数据，并且可以基于收到的数据对车辆500进行控制。在本发明的实施例中，控制器105可以接收来自温度传感器110的温度数据，并且基于该温度数据对发动机冷却系统100进行控制，如本发明其它部分说明的。
根据本发明的第二方面，提供一种发动机冷却系统100，其可以包含：与发动机1连接的发动机冷却回路101；与增压器5连接的增压空气冷却回路102；连接发动机冷却回路101和增压空气冷却回路102的连通管路系统103，连通管路系统103包括阀门104；以及控制器105，控制器105可以配置为根据环境温度而控制阀门104的开启和关闭。
在如图2所示的本发明的实施例中，发动机冷却回路101可以包括水泵2、散热器3以及连接二者并且构成封闭回路的管路4。管路4可以包括发动机冷却水入口106、发动机冷却水出口107，冷却水可以分别通过发动机冷却水入口106和发动机冷却水出口107进入和离开发动机1。水泵2可以设置为处于发动机冷却水入口106和散热器3之间，并且水泵2可以是本领域常用的机械或电动水泵。散热器3可以是本领域常用的发动机散热器。在散热器3和发动机1之间，可以设置有冷却风扇15，该冷却风扇15可以提高流经散热器3的空气流速和流量，以增强散热器3的散热能力。在本发明的一些实施例中，冷却风扇15可以与水泵2同轴驱动，冷却风扇15例如可以用螺钉等工具固定在水泵2的轴前端的皮带轮或凸缘盘上。当发动机1运转时，水泵2开始旋转以提高冷却水压力，从而使得冷却水在例如箭头所示的方向在发动机冷却回路101中循环。循环的冷却水带走由发动机1及其部件(例如发动机缸体、缸套等)产生的热量。
增压空气冷却回路102可以包括中冷器6、水泵8、散热器7以及连接它们的管路9。中冷器6可以与增压器5连接，用于降低经过增压器5增压后的高温空气温度，以降低发动机1的热负荷，提高进气量，进而增加发动机1的功率。管路9可以包括中冷器冷却水入口108和中冷器冷却水出口109，冷却水分别通过中冷器冷却水入口108和中冷器冷却水出口109进入和离开中冷器6。水泵8可以设置为处于中冷器冷却水入口108和散热器7之间，并且水泵8可以是本领域常用的机械或电动水泵。散热器7可以是本领域常用的散热器。在散热器7和中冷器6之间——优选邻近散热器7的位置，可以设置有冷却风扇14，该冷却风扇14可以提高流经散热器7的空气流速和流量，以增强散热器7的散热能力。
增压器5可以设置在发动机1的排气管路中并且可以由从发动机1排出的废气驱动。空气的流动路径如图2中的虚线所示，并且沿箭头的方向流动。具体地，当空气进入增压器5并在其中增压之后，增压的空气进入中冷器6中通过增压空气冷却回路102进行冷却，冷却后的空气进入发动机1中进行燃烧。经过发动机1燃烧后的废气排放到排气管路中并且驱动设置在排气管路中的增压器5。最后废气排出排气管路。
连通管路系统103可以包括第一连通管路10和第二连通管路12，并且阀门104可以包括第一阀门11和第二阀门13，其中，第一阀门11设置在第一连通管路10中并且第二阀门13设置在第二连通管路12中。在图2所示的实施例中，第一阀门11可以设置在中冷器冷却水出口109和发动机冷却水入口106之间，水泵2可以设置在发动机冷却水入口106和第一阀门11之间。第二阀门13可以设置在中冷器冷却水入口108和发动机冷却水出口107之间，水泵8可以设置在中冷器冷却水入口108和第二阀门13之间。
环境温度的变化会对发动机冷却系统100的冷却效果产生影响。以某车型为例，环境温度25℃时其所采用的发动机的散热量为2180kW，此时，增压空气中冷器的散热量为375kW；在环境温度40℃时，发动机的散热量为2230kW，增压空气中冷器的散热量为264kW；在环境温度50℃时，发动机的散热量为2256kW，增压空气中冷器的散热量为206kW。因此，环境温度越高，发动机冷却回路的散热量就越高，发动机散热器冷却余量随之变小或者不够，因而需要更多更大的散热器。然而，更多更大的散热器意味着更大的包装体积以及更多的成本，而且实践中并不能够根据环境温度而实时更换相应体积的散热器。
本发明的发明人发现，在高温时利用增压空气散热器帮助发动机散热是可行的。在本发明的实施例中，温度传感器110可以实时检测发动机冷却系统运行所处的环境温度，并且周期性地将检测到的温度发送至控制器105。控制器105将这些数据保存在其存储器中，并且当环境温度高于某一设定的阈值时(例如高于40℃)时，控制器105控制第一阀门11开启，使得离开中冷器冷却水出口109的温度较低的冷却水通过第一连通管路10流到发动机冷却回路101中，与发动机冷却回路101中温度较高的冷却水发生交换，使得发动机冷却回路101的水温得到降低，从而满足发动机1在高温环境下运行的冷却要求。
在本发明的另外的实施例中，控制器105还可以在例如发动机1的负载较大等其他情况下控制第一阀门11开启，从而使发动机冷却回路101的水温降低，由此满足发动机1在超大负载工况下的运用。
另一方面，当环境温度低时，增压空气的温度也较低，会影响发动机1的燃烧效率。对此，本发明的实施例中，当检测到环境温度低于某一设定的阈值(例如-30℃)时，控制器105可以控制第二阀门13开启，使得从发动机冷却水出口107流出的温度较高的冷却水通过第二连通管路12流到增压空气冷却回路102中，与增压空气冷却回路102中的温度较低的冷却水发生交换，使得增压空气冷却回路102中冷却水的水温升高，进而对温度较低的增压空气进行加热，加热后的增压空气参与发动机燃烧，提高发动机1的燃烧效率。
实施例1
以某车型为例，环境温度25℃时，其增压空气冷却回路散热量最高，其发动机散热器本身只能满足环境温度40℃时的散热量2230kW。随着环境温度的升高，增压空气冷却回路的散热量随之降低。
当环境温度超过40℃时，将发动机冷却回路与增压空气冷却回路之间的连通管路(例如上述第一连通管路10)开启，经过冷却水的交换之后，发动机冷却回路水温降低，可以满足环境温度50℃时的散热量2256kW，使车辆能够在环境温度50℃时正常工作而发动机不发生故障。同时，发动机散热器只需要做到满足环境温度40℃的尺寸，节省了散热器的空间尺寸及成本。
实施例2
以某车型为例，在环境温度-30℃以下时，其发动机怠速时，增压空气的温度只有0℃，即，环境温度和增压空气温度均比较低，并且增压器的转速低。此时，将发动机冷却回路与增压空气冷却回路之间的连通管路(例如上述第二连通管路13)自动开启，经过冷却水的交换之后，增压空气冷却回路的水温上升，达到20℃以上，使发动机的燃烧效率更高。
本领域技术人员应该理解的是，虽然图2中示出了发动机冷却系统100中各个回路和部件的相对布置方式，但附图仅以示意性的方式示出，在本发明构思下的其他布置方式同样包含在本发明的范围内。例如，虽然图中示出了水泵2位于发动机冷却水入口和第一连通管路10与发动机冷却回路101的连接点之间，但是泵2也可以位于该连接点与散热器3之间的位置。
在本发明的另一个实施例中，发动机冷却回路可以包括高压侧和低压侧，并且增压空气冷却回路也可以包括高压侧和低压侧。在此情况下，本发明所述的第一连通管路可以连接在发动机冷却回路的低压侧和增压空气冷却回路的高压侧之间，并且第二连通管路可以连接在发动机冷却回路的高压侧和增压空气冷却回路的低压侧之间。当环境温度高于某一设定阈值时，控制器可以控制第一连通管路的第一阀门开启；当环境温度低于某一设定阈值时，控制器可以控制第二连通管路的第二阀门开启。
发动机冷却回路和增压空气冷却回路可以是两个原本独立的冷却系统，每个冷却系统都由热源(发动机或增压器)、散热器、水泵组成，高温出水管的压力会高于低温进水管的压力。水泵的作用是为冷却水提供压力使冷却水流动起来，但冷却水由于系统阻力压力会逐渐变小，因此冷却水进入水泵前压力较低，经过水泵后压力变大。在本发明的实施例中，第一连通管路10将发动机冷却回路101的泵前节点(即，低压侧)与增压器冷却回路102的泵后节点(即，高压侧)连接起来，第一阀11开启后，冷却水会从高压侧流向低压侧；第二连通管路12将发动机冷却回路101的泵后节点(即，高压侧)与增压器冷却回路102的泵前节点(即，低压侧)连接起来，第二阀13开启后，冷却水会从高压侧流向低压侧。由于两个独立的循环系统的冷却水的体积是守恒的，同样多的低温冷却水进入高温冷却水系统，保证高、低温冷却水系统的水量基本不变。
根据本发明的第三方面，提供一种发动机冷却方法，如图3所示，该方法包含：检测具有增压器的发动机运行时所处的环境温度；响应于所述环境温度高于第一阈值而控制第一阀门开启；以及响应于所述环境温度低于第二阈值而控制所述第二阀门开启。
在本发明的实施例中，第一阀门可以是如上实施例中示出的第一阀门，并且设置在与增压器连接的中冷器的中冷器冷却水出口和发动机的发动机冷却水入口之间，并且第二阀门可以是如上实施例中示出的第二阀门，且该第二阀门可以设置在中冷器的中冷器冷却水入口和发动机的发动机冷却水出口之间。
通过本发明，能够实现在环境温度过高或发动机超大负载工况时，使发动机冷却回路的水温降低，满足发动机在高温环境下或者超大负载工况下的运用；在环境温度过低且增压器转速低时，使增压空气冷却回路的水温升高，进而对温度过低的增压空气进行加热，加热后的增压空气参与发动机燃烧，提高发动机的燃烧效率。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。
