Система двигателя для транспортного средства

Изобретение может быть использовано в устройствах для теплообмена внутри транспортных средств с использованием контуров охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Система (10) двигателя для транспортного средства содержит двигатель (12), турбонагнетатель (20), выполненный с возможностью сжатия всасываемого воздуха (30) перед тем, как всасываемый воздух принимается в двигателе (12). Система (10) двигателя содержит охладитель (40) наддувочного воздуха, функционально расположенный между турбонагнетателем (20) и двигателем (12), и систему (50) охлаждения. Система (50) охлаждения выполнена с возможностью работы в первом режиме для обеспечения первого контура охлаждения для охлаждения двигателя (12) и второго отдельного контура охлаждения для охлаждения воздуха, проходящего через охладитель (40) наддувочного воздуха. Система (50) охлаждения выполнена с возможностью переключения для работы в по меньшей мере втором режиме для обеспечения третьего контура охлаждения, в котором хладагент из двигателя (12) передается в охладитель (40) наддувочного воздуха для нагрева перед рециркуляцией обратно в двигатель (12) для нагрева двигателя. Технический результат заключается в уменьшении времени повышения температур хладагента и моторного масла двигателя. 23 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к устройству для теплообмена внутри транспортного средства. В частности, но не исключительно, изобретение относится к устройству для теплообмена внутри транспортного средства с использованием контуров охлаждения, которые конфигурируемы в зависимости от условий окружающей среды или двигателя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современные транспортные средства типично используют меньшие двигатели и/или двигатели с турбонаддувом, для того чтобы улучшать экономию топлива и выбросы топлива. Однако эти двигатели вырабатывают тепло с меньшей термической потерей, которое дает в результате более худший или более длительный прогрев двигателя. Это приводит к медленным повышениям температур хладагента и моторного масла. Это особенно имеет место при холодных температурах окружающей среды, таких как менее чем 15°C, где комфорт в кабине (и, в условиях ниже нуля, устойчивость сгорания) становится основной причиной озабоченности.

Известно, что следует смягчать эту проблему использованием дополнительных устройств, таких как: нагреватели запальных свечей; электрические калориферы, обогреватели на сжигаемом топливе, клапаны управления хладагентом и усовершенствованное программное обеспечение управления двигателем (например, с использованием запаздывания искрового зажигания). Эти дополнительные устройства могут быть дорогостоящими и работать за счет растрачивания сэкономленного топлива.

Охладитель наддувочного воздуха (CAC) часто используется для охлаждения воздуха после того, как он прошел через турбонагнетатель, но до того, как он поступает в двигатель. Более низкотемпературный воздух вырабатывает более оптимальную мощность во время процесса сгорания внутри двигателя. CAC часто охлаждается водой посредством выделенного и отдельного контура охлаждения, который включает в себя теплообменник воздуха/хладагента; радиатор и электрический водяной насос.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению предложена система двигателя для транспортного средства, содержащая:

двигатель;

турбонагнетатель, выполненный с возможностью сжатия всасываемого воздуха перед тем, как всасываемый воздух принимается в двигателе;

охладитель наддувочного воздуха, функционально расположенный между турбонагнетателем и двигателем; и

систему охлаждения, которая выполнена с возможностью работы в первом режиме для обеспечения первого контура охлаждения для охлаждения двигателя и второго отдельного контура охлаждения для охлаждения воздуха, проходящего через охладитель наддувочного воздуха, при этом

система охлаждения выполнена с возможностью переключения для работы в по меньшей мере втором режиме для обеспечения третьего контура охлаждения, в котором хладагент из двигателя передается в охладитель наддувочного воздуха, для нагрева перед рециркуляцией обратно в двигатель для нагрева двигателя.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой система охлаждения выполнена с возможностью переключения между режимами в зависимости от одного или более из температуры окружающей среды, температуры двигателя и рабочей точки двигателя.

В одном из вариантов осуществления предложена система, содержащая первый датчик температуры для измерения температуры окружающего воздуха, при этом система охлаждения выполнена с возможностью работы в первом режиме, когда температура окружающей среды выше первой заданной температуры, при этом первая заданная температура имеет значение около 15°C.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой система охлаждения выполнена с возможностью переключения во второй режим, когда температура окружающей среды ниже первой заданной температуры.

В одном из вариантов осуществления предложена система, содержащая второй датчик температуры для измерения температуры в двигателе, и при этом система охлаждения выполнена с возможностью переключения для работы в третьем режиме, когда температура двигателя выше второй заданной температуры.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой система охлаждения выполнена с возможностью работы в третьем режиме для обеспечения четвертого контура охлаждения для нагрева воздуха, проходящего через охладитель наддувочного воздуха.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой система охлаждения выполнена с возможностью переключения в третий режим, когда температура окружающей среды ниже третьей заданной температуры, а температура двигателя выше четвертой заданной температуры, при этом третья заданная температура равна первой заданной температуре, и четвертая заданная температура равна второй заданной температуре.

В одном из вариантов осуществления предложена система, содержащая клапанное средство, выполненное с возможностью обеспечения множества контуров охлаждения.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой клапанное средство содержит по меньшей мере один электромагнитный клапан.

В одном из вариантов осуществления предложена система, содержащая контроллер для управления конфигурацией клапана и, тем самым, управления тем, какой режим находится в действии.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой клапанное средство содержит первый клапан, который подает хладагент в охладитель наддувочного воздуха, при этом первый клапан содержит трехходовой клапан.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой первый клапан выполнен с возможностью обеспечения прохождения хладагента, циркулирующего во втором контуре охлаждения, когда система охлаждения находится в первом режиме.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой первый клапан выполнен с возможностью обеспечения прохождения хладагента из двигателя в охладитель наддувочного воздуха, когда система охлаждения находится во втором режиме.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой первый клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения хладагента, циркулирующего во втором контуре охлаждения, когда система охлаждения находится во втором режиме.

В одном из вариантов осуществления предложена система, включающая в себя теплообменное средство для переноса тепла из хладагента.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой теплообменное средство содержит первый теплообменник, предусмотренный в первом контуре охлаждения, и второй теплообменник, предусмотренный во втором контуре охлаждения.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой клапанное средство содержит второй клапан, который принимает хладагент из охладителя наддувочного воздуха, при этом второй клапан содержит трехходовой клапан.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой второй клапан выполнен с возможностью обеспечения прохождения хладагента, циркулирующего во втором контуре охлаждения, когда система охлаждения находится в первом режиме.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой второй клапан выполнен с возможностью обеспечения прохождения хладагента из охладителя наддувочного воздуха в двигатель, когда система охлаждения находится во втором режиме.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой второй клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения хладагента, циркулирующего во втором контуре охлаждения, когда система охлаждения находится во втором режиме.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой второй клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения хладагента во второй теплообменник, когда система охлаждения находится во втором режиме.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой клапанное средство содержит третий клапан для избирательного обеспечения прохождения хладагента из двигателя через теплообменное средство.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой третий клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения хладагента через теплообменное средство, когда система охлаждения находится во втором режиме.

В одном из вариантов осуществления предложена система, в которой клапанное средство выполнено так, чтобы быть идентичным в третьем режиме, конфигурации, используемой во втором режиме.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления изобретения далее будут описаны, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематичный вид системы двигателя, включающей в себя систему охлаждения, которая работает в первом режиме;

фиг.2 - схематичный вид системы двигателя, включающей в себя систему охлаждения, которая работает во втором режиме; и

фиг.3 - схематичный вид системы двигателя, включающей в себя систему охлаждения, которая работает в третьем режиме.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 показывает систему 10 двигателя для транспортного средства. Система 10 включает в себя двигатель 12 внутреннего сгорания. Предусмотрен блок 13 обогревателя, и горячий хладагент двигателя подвергается циркуляции из двигателя 12 через блок 13 обогревателя и обратно в двигатель 12 для отапливания транспортного средства.

Турбонагнетатель 20 имеет турбину 22, которая приводится в движение с возможностью вращения выхлопными газами 14 из двигателя 12. Турбина 22 соединена с валом 24, как и компрессор 26 турбонагнетателя 20, так чтобы компрессор 26 приводился в движение турбиной 22 для сжатия всасываемого воздуха 30.

Сжатие всасываемого воздуха 30 повышает температуру и, таким образом, плотность сжатого воздуха 32 является более низкой. Чтобы преодолеть это, предусмотрен охладитель 40 наддувочного воздуха для охлаждения воздуха 32. Охлажденный воздух 34 затем пропускается в двигатель 12.

Система 10 двигателя включает в себя систему 50 охлаждения. Система 50 охлаждения выполнена с возможностью работы в первом или нормальном режиме, который предусматривает два отдельных контура охлаждения. Фиг.1 показывает этот первый режим.

Первый контур охлаждения охлаждает двигатель 12. Хладагент прокачивается первым насосом 52 по первому трубопроводу 60 в первый теплообменник 54, где тепло переносится из хладагента. Охлажденный хладагент затем возвращается в двигатель 12.

Второй отдельный контур охлаждения охлаждает воздух, проходящий через охладитель 40 наддувочного воздуха. Хладагент прокачивается вторым насосом 56 по второму трубопроводу 62 и через охладитель 40 наддувочного воздуха, где хладагент получает тепло из сжатого воздуха 32. Хладагент продолжает движение во второй теплообменник 58, где тепло переносится из хладагента. Охлажденный хладагент затем возвращается в охладитель 40 наддувочного воздуха.

Система 50 охлаждения включает в себя некоторое количество клапанов. Некоторые из этих клапанов физически соединяют первый и второй контуры, но они в первом режиме выполнены с возможностью сохранять первый и второй контуры в качестве функционально раздельных.

Первый клапан 70 предусмотрен выше по потоку от охладителя 40 наддувочного воздуха и, таким образом, подводит хладагент к охладителю 40 наддувочного воздуха. Первый клапан 70 является трехходовым электромагнитным клапаном, имеющим первый впуск, соединенный со вторым трубопроводом 62. В первом режиме первый клапан 70 позволяет осуществлять прохождение хладагента из первого впуска в выпуск первого клапана 70. Первый клапан 70 также имеет второй впуск, который соединен с первым тройником 80, предусмотренным в первом контуре охлаждения. Однако в первом режиме первый клапан 70 предотвращает прохождение хладагента из второго впуска в выпуск первого клапана 70 (это представлено пунктирной линией на чертежах).

Второй клапан 72 предусмотрен ниже по потоку от охладителя 40 наддувочного воздуха и, таким образом, принимает хладагент из охладителя наддувочного воздуха через впуск, соединенный с третьим трубопроводом 64. Второй клапан 72 также является трехходовым электромагнитным клапаном, и он имеет первый и второй выпуск. Первый выпуск соединен со вторым теплообменником 58, и в первом режиме второй клапан 72 позволяет осуществлять прохождение хладагента, который должен пропускаться во второй теплообменник 58. Второй выпуск соединен со вторым тройником 82, предусмотренным в первом контуре охлаждения. Однако в первом режиме второй клапан 72 предотвращает прохождение хладагента в первый контур.

Третий клапан 74 избирательно позволяет осуществлять прохождение хладагента через первый теплообменник 54. В первом режиме предоставлена возможность этого прохождения.

В действии, когда система 50 охлаждения находится в первом режиме, горячий сжатый воздух 32 пропускается через охладитель 40 наддувочного воздуха, где он охлаждается холодной охлаждающей жидкостью из второго теплообменника 58 перед продолжением движения в двигатель, чтобы использоваться во время сгорания. Хладагент нагревается посредством переноса тепла из сжатого воздуха 32, но это тепло переносится во втором теплообменнике 58.

Одновременно, но отдельно, хладагент, нагретый двигателем 12, подвергается циркуляции через первый теплообменник 54. Четвертый трубопровод 66, который включает в себя первый и второй тройники, также осуществляет циркуляцию хладагента, но без какого бы то ни было значительного переноса тепла во время первого режима.

Система двигателя включает в себя первый датчик температуры (не показан), который измеряет температуру окружающего воздуха вне транспортного средства, и второй датчик температуры (не показанный), который измеряет температуру хладагента в двигателе 12. Эти датчики соединены с контроллером (не показан), который управляет конфигурацией трех клапанов.

Контроллер сконфигурирован программным обеспечением в модуле управления силовой передачей (PCM) транспортного средства. Это предоставляет отдельным контурам возможность соединяться, только когда следует. Контроллер и программное обеспечение позволяют системе охлаждения быть выполненной с возможностью без труда работать в некотором количестве отдельных режимов для оптимизации распределения тепла в двигателе.

Когда температура окружающей среды падает ниже первого заданного значения, такого как 15°C, и температура двигателя относительно холодна (к примеру, когда двигатель не был долго работающим), система охлаждения переключается для работы во втором режиме. Более точно, контроллер переключает клапаны в разные конфигурации. Эта конфигурация показана на фиг.2.

Во втором режиме первый клапан 70 переключается для предотвращения прохождения хладагента из второго трубопровода 62 через первый впуск. Однако предоставлена возможность прохождения хладагента из двигателя через второй впуск.

К тому же во втором режиме второй клапан 72 переключается для предотвращения прохождения хладагента во второй теплообменник 58. Предпочтительнее текучая среда втекает в двигатель 12 через второй тройник 82.

Третий клапан 74 закрывается во втором режиме для предотвращения прохождения хладагента через первый теплообменник 54.

В действии, когда система 50 охлаждения находится во втором режиме, горячий сжатый воздух 32 пропускается через охладитель 40 наддувочного воздуха. Холодный (как определяется вторым датчиком температуры) хладагент также пропускается в охладитель 40 наддувочного воздуха и, таким образом, сжатый воздух 32 охлаждается холодным хладагентом перед продолжением движения в двигатель. Хладагент нагревается посредством переноса тепла из сжатого воздуха 32. Нагретый хладагент возвращается в двигатель 12 благодаря конфигурации второго клапана 72, где тепло служит для нагрева двигателя 12.

Одновременно закрывание третьего клапана 74 устраняет какие бы то ни было потери тепла из двигателя 12, обусловленные прохождением хладагента через первый теплообменник 54.

Система 50 охлаждения также выполнена с возможностью работы в третьем режиме, который может использоваться, когда условия окружающей среды холодны, но двигатель 12 относительно прогрет (например, если он был работающим в течение некоторого времени). Известно, что когда двигатель 12 прогрет, нежелательно, чтобы всасываемый воздух был слишком холодным, так как это дает в результате худшие производительность/устойчивость сгорания. Конфигурации клапанов для третьего режима фактически идентичны таковым для второго режима (и описание повторяться не будет). Однако третий режим выбирается в ответ на разные условия окружающей среды/двигателя, и чтобы добиваться разных рабочих характеристик двигателя. Это показано на фиг.3.

В действии, когда система 50 охлаждения находится в третьем режиме, воздух 30 сжимается, как раньше, компрессором 26 турбонагнетателя 20. Однако сжатый воздух 32 все еще не так горяч, как желательно для горячего двигателя.

Сжатый воздух 32 пропускается через охладитель 40 наддувочного воздуха. Горячий хладагент двигателя также пропускается в охладитель 40 наддувочного воздуха, и поэтому сжатый воздух 32 дополнительно нагревается хладагентом перед продолжением движения в двигатель 12. Хладагент возвращается в двигатель 12 вследствие конфигурации второго клапана 72.

Как во втором режиме, третий клапан 74 закрыт для предотвращения прохождения хладагента через первый теплообменник 54.

Изобретение улучшает прогрев двигателя без необходимости в дорогостоящих дополнительных устройствах. К тому же это достигается без неблагоприятного влияния на экономию топлива транспортного средства при холодных температурах окружающей среды. Система проста для обеспечения и конфигурирования и может работать в различных режимах. Улучшенная экономия топлива получается благодаря повышенной устойчивости сгорания при очень холодных температурах окружающей среды.

Несмотря на то, что выше были описаны конкретные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что отклонения от описанных вариантов осуществления по-прежнему могут подпадать под объем изобретения.

1. Система двигателя для транспортного средства, содержащая:

двигатель;

турбонагнетатель, выполненный с возможностью сжатия всасываемого воздуха перед тем, как всасываемый воздух принимается в двигателе;

охладитель наддувочного воздуха, функционально расположенный между турбонагнетателем и двигателем; и

систему охлаждения, которая выполнена с возможностью работы в первом режиме для обеспечения первого контура охлаждения для охлаждения двигателя и второго отдельного контура охлаждения для охлаждения воздуха, проходящего через охладитель наддувочного воздуха, при этом

система охлаждения выполнена с возможностью переключения для работы в по меньшей мере втором режиме для обеспечения третьего контура охлаждения, в котором хладагент из двигателя передается в охладитель наддувочного воздуха для нагрева перед рециркуляцией обратно в двигатель для нагрева двигателя.

2. Система двигателя по п.1, в которой система охлаждения выполнена с возможностью переключения между режимами в зависимости от одного или более из температуры окружающей среды, температуры двигателя и рабочей точки двигателя.

3. Система двигателя по п.1 или 2, содержащая первый датчик температуры для измерения температуры окружающего воздуха, при этом система охлаждения выполнена с возможностью работы в первом режиме, когда температура окружающей среды выше первой заданной температуры, причем первая заданная температура имеет значение около 15°C.

4. Система двигателя по п.3, в которой система охлаждения выполнена с возможностью переключения во второй режим, когда температура окружающей среды ниже первой заданной температуры.

5. Система двигателя по любому из пп.1, 2 или 4, содержащая второй датчик температуры для измерения температуры в двигателе, при этом система охлаждения выполнена с возможностью переключения для работы в третьем режиме, когда температура двигателя выше второй заданной температуры.

6. Система двигателя по п.5, в которой система охлаждения выполнена с возможностью работы в третьем режиме для обеспечения четвертого контура охлаждения для нагрева воздуха, проходящего через охладитель наддувочного воздуха.

7. Система двигателя по п.5, в которой система охлаждения выполнена с возможностью переключения в третий режим, когда температура окружающей среды ниже третьей заданной температуры, а температура двигателя выше четвертой заданной температуры, при этом третья заданная температура равна первой заданной температуре, а четвертая заданная температура равна второй заданной температуре.

8. Система двигателя по любому из пп.1, 2, 4, 6 или 7, содержащая клапанное средство, выполненное с возможностью обеспечения множества контуров охлаждения.

9. Система двигателя по п.8, в которой клапанное средство содержит по меньшей мере один электромагнитный клапан.

10. Система двигателя по п.9, содержащая контроллер для управления конфигурацией клапана и тем самым управления тем, какой режим находится в действии.

11. Система двигателя по п.9 или 10, в которой клапанное средство содержит первый клапан, который подает хладагент в охладитель наддувочного воздуха, при этом первый клапан содержит трехходовой клапан.

12. Система двигателя по п.11, в которой первый клапан выполнен с возможностью обеспечения прохождения хладагента, циркулирующего во втором контуре охлаждения, когда система охлаждения находится в первом режиме.

13. Система двигателя по п.11, в которой первый клапан выполнен с возможностью обеспечения прохождения хладагента из двигателя в охладитель наддувочного воздуха, когда система охлаждения находится во втором режиме.

14. Система двигателя по п.11, в которой первый клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения хладагента, циркулирующего во втором контуре охлаждения, когда система охлаждения находится во втором режиме.

15. Система двигателя по любому из пп.1, 2, 4, 6, 7, 9, 12, 13 или 14, включающая в себя теплообменное средство для переноса тепла из хладагента.

16. Система двигателя по п.15, в которой теплообменное средство содержит первый теплообменник, предусмотренный в первом контуре охлаждения, и второй теплообменник, предусмотренный во втором контуре охлаждения.

17. Система двигателя по любому из пп.12, 13, 14 или 16, в которой клапанное средство содержит второй клапан, который принимает хладагент из охладителя наддувочного воздуха, при этом второй клапан содержит трехходовой клапан.

18. Система двигателя по п.17, в которой второй клапан выполнен с возможностью обеспечения прохождения хладагента, циркулирующего во втором контуре охлаждения, когда система охлаждения находится в первом режиме.

19. Система двигателя по п.17, в которой второй клапан выполнен с возможностью обеспечения прохождения хладагента из охладителя наддувочного воздуха в двигатель, когда система охлаждения находится во втором режиме.

20. Система двигателя по п.17, в которой второй клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения хладагента, циркулирующего во втором контуре охлаждения, когда система охлаждения находится во втором режиме.

21. Система двигателя по п.17, в которой второй клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения хладагента во второй теплообменник, когда система охлаждения находится во втором режиме.

22. Система двигателя по любому из пп.12, 13, 14, 16, 18, 19, 20, 21, в которой клапанное средство содержит третий клапан для избирательного обеспечения прохождения хладагента из двигателя через теплообменное средство.

23. Система двигателя по п.22, в которой третий клапан выполнен с возможностью предотвращения прохождения хладагента через теплообменное средство, когда система охлаждения находится во втором режиме.

24. Система двигателя по п.5, в которой клапанное средство выполнено так, чтобы быть идентичным в третьем режиме конфигурации, используемой во втором режиме.