专利名称：泡核沸腾冷却系统和方法
技术领域：
本发明涉及内燃机系统，尤其涉及冷却剂系统和用于此类系统的方法。
背景技术：
寄生损失的主要来源之一、内燃机内的复杂化和大体积必须处置内燃机工作 产生的废热。通过留意流动通道以及通过该通道的冷却剂的流速和温度企图解决 来自燃烧室周围材料的热通量。通常内燃机为液冷，以便至冷却系统的热通量最 大，尤其是紧邻燃烧室的区域。由于占空因素或元件故障而使冷却系统运行在设 计全之下时，导致在发动机的冷却剂通道中发生失控沸腾状况。这种状态使液体 完全流失至与金属接触并急剧减少冷却系统带走的热通量。当出现失控的，系统 卸压，通常是打开散热器的盖子释放压力并允许更多蒸汽产生。反过来，这对发 动机的内部金属部件的温度具有潜在的灾难性影响。
然而，有一种状态介于正常液体流动状态和失控沸腾之间，这一状态提供了 来自被液态冷却系统冷却部分的最佳热通量。这被称为泡核沸腾，其中产生微小 尺寸的气泡。这允许热通量显著增加，但这种状态充其量是次沸腾与失控或宏观 沸腾之间短暂过渡。
因此，需要一种冷却系统，其有效地保持发动机冷却系统中的泡核沸腾，以 使来自发动机燃烧室的热通量最大。
发明内容
本发明的一种形式是一种用于液冷内燃机的冷却系统。该系统包括至少环 绕内燃机的燃烧室形成的冷却剂通道；热交换装置，其与流体连接至所述通道， 以消散来自至少环绕所述燃烧室的热；泵，其用于通过所述通道和所述热交换器 循环冷却剂，所述冷却剂通道、热交换器和泵被选择以促进至少环绕所述燃烧室 的泡核沸腾；传感器，其用于指示在所述系统内的泡核沸腾的存在；以及响应所 述传感器的装置，该装置用于保持所述系统中的压力在一允许可控泡核沸腾的水 平，以增加来自于至少环绕所述燃烧室的热通量。
本发明的另一种形式是一种包含液冷内燃机的动力系统，该液冷内燃机具有至少一个燃烧室，所述内燃机具有至少环绕所述燃烧室的冷却剂通道；具有内部 流动通道并与冷却剂通道流体连接的热交换装置；泵，其通过所述冷却剂通道和 所述热交换装置循环冷却剂以消除来自至少环绕所述燃烧室的热；所述冷却剂通 道、热交换装置和泵被选择以促进至少环绕所述燃烧室的泡核沸腾；传感器，其 用于指示系统中冷却剂的泡核沸腾的存在；以及响应传感器的装置，该装置用于 保持所述系统中的压力在一允许泡核沸腾的水平，以增加来自于至少环绕所述燃 烧室的热通量。
本发明的还一种形式是一种运行具有至少一个燃烧室的液冷内燃机的方法， 所述方法包括以下步骤至少环绕所述燃烧室循环液态冷却剂，以便所述冷却剂 在泡核沸腾区域内工作；感应至少环绕所述燃烧室的泡核沸腾的存在；和
响应感应的泡核沸腾的压力，保持所述液态冷却剂的压力在一提供最佳泡核 沸腾水平的水平。
图1是本发明实施例所述具有含有冷却系统的内燃机的动力系统的示意图。 具体实施方案
如图1所示，具有内燃机的动力系统10，以参考数字12总体表示所述内燃机。 内燃机12可以是根据燃烧过程的多种类型发动机中的一种，但通常是液冷内燃机 12，该液冷内燃机12具有单元块14和头部16，且它们两者的内部表面暴露给通 过往复活塞提供变化体积的燃烧室，活塞与提供旋转动力输出的输出曲轴连接。 为了易于理解本发明，单元14块和头部16内部部分详情未示出。发动机12具有 排气歧管18，该排气歧管接收燃烧产物并通过排气管道将燃烧产物传送到涡轮增 压器24的涡轮22并最终到达通向外界的排气管道23。涡轮22通过共同轴28驱 动压縮机26。该压縮机26从入口 30接收外界空气并通过吸入管路32传送空气， 通常穿过后冷却器34、管路36和进气歧管38。
发动机12是吸气、消耗燃料的内燃机，其中燃烧碳氢燃料以提供旋转动力输 出。可以适当地使用许多其他的功能，如废气再循环(EGR)和排气后处理。然 而，为了进一步简化讨论本发明这些都未示出。
如前所述的发动机12是液冷内燃机，其中单元块14和头部16内的内部冷却 剂通道带走燃烧过程产生的废热。冷却剂由泵40加压穿过通道42至发动机12，被循环通过适当大小和位置的通道以带走发动机12中的热。泵40通常由发动机 12机械驱动。具有额外热输入的冷却剂穿过管路44至热交换器46以消散热的增 加。常用形式的热交换装置46可以是液体-空气类型的散热器，其中穿管路44的 冷却剂流经多个内部流道(未示出)。在热交换装置46内，外界空气被迫越过通 道的外部，其通常具有额外热交换表面，从而将热带至外界空气。回流管48从热 交换装置46的出口接出并接入泵40的入口。热交换装置46可以有顶部箱(未示 出)，但除此之外，它还有在52处暴露至环境压力的贮液器50和用于补给流体的 盖54。阀56设在由热交换装置46延伸至贮液器50的管路58中。如图中所示， 阔56由ECM 60通过信号线路62电驱动。ECM 60也通过线路64控制泵62，泵 62通过管线64从贮液器50接收冷却剂并通过管线66连接至发动机12，此处所 示连接至头部16。泵62优选是电动的并通过来自从ECM 60延伸的线路68的信 号控制。传感器70通过线路72与ECM 60连接。传感器70优选与发动机12的头 部16连接，以确定与发动机燃烧室最接近的状况。传感器70是能够检测泡核沸 腾的传感器。这可以通过把传感器70制成压力传感器来实现，该压力传感器感应 相对于时差的压差或者说是相对于时间的压力变化率。这可以确定接近泡核沸腾 的状况并能有效地确定该状况是否已经超出泡核沸腾至宏观沸腾或失控情况。另 一种，将提供温度传感器形式的传感器70替代测量，温度传感器感应相对于时差 的温差。这也是将要超出泡核沸腾并进入宏观沸腾状况的指示。还有其他传感器 形式的传感器70可以采用气泡检测器形式，如用于测量相对应某一给定尺寸气泡 的光学传感器或用于测量确定气泡尺寸的超声波传感器。
通过适当考虑发动机的占空因素选择发动机12的组成部件和更具体地在发动 机12内的冷却剂通道以及热交换装置46，以便在区域内与其冷却系统结合的发动 机12运行在泡核沸腾以及促进泡核沸腾的区域。为了使发动机的状况控制在泡核 沸腾相对窄幅波动内，传感器70确定泡核沸腾的存在，并传送信号至ECM 60， ECM60又控制泵62对发动机12内的冷却系统进行加压，以保持泡核沸腾的条件。 泵62不必是高容量泵，因为它在严格的范围内对液体加压，以至短暂驱动足以将 压力提升到适当的水平。通常用于保持泡核沸腾的压力值为3至4巴(bar)。为了 控制压力的上限，阀56响应ECM60通过线路62发送的信号，以释放压力至基本 保持环境压力的贮液器50。阀56最好是电动控制且是快速反应阀，以便保持严格控制发生泡核沸腾的条件。
这样的冷却系统的最终效果是使系统运行温度高达150GC，且由于来自于燃烧 过程的废热的较高的潜在热通量使得发动机外壳更紧凑。
已描述了首选实施例，很明显，在没有脱离本发明从属权利要求所定义的范 围内可以进行各种修改。
权利要求
1、一种液冷内燃机的冷却系统，所述系统包括至少环绕所述发动机的燃烧室形成的冷却剂通道；一热交换装置，其流体连接至所述通道，用以消散来自于至少环绕所述燃烧室的热；一泵，其用于通过所述通道和所述热交换器循环冷却剂，所述冷却剂通道、热交换器和泵被选择以促进至少环绕所述燃烧室的泡核沸腾；一传感器，其用于指示在所述系统内的泡核沸腾的存在，一响应所述传感器的装置，该装置用于保持所述系统中的压力在一允许泡核沸腾的水平，以增加来自于至少环绕所述燃烧室的热通量。
2、 如权利要求1所述的一种冷却系统，其特征在于所述传感器是压力响应 并产生一与压力随时间变化的变化成比例的信号。
3、 如权利要求1所述的一种冷却系统，其特征在于所述的传感器是一温度 传感器，其指示一响应温度随时间变化的变化的信号。
4、 如权利要求1所述的一种冷却系统，其特征在于所述传感器是一气泡检 测器。
5、 如权利要求4所述的一种冷却系统，其特征在于所述传感器选自一光学 传感器和一超声波传感器中的一种。
6、 如权利要求1所述的一种冷却系统，其特征在于所述发动机具有一头部， 该头部的至少一部分与所述发动机燃烧室接触，且所述传感器与所述头部连接以 感应泡核沸腾。
7、 如权利要求1所述的一种冷却系统，其特征在于所述系统内用于保持所 述压力的所述装置是一泵。
8、 如权利要求7所述的一种冷却系统，其特征在于所述发动机具有一头部， 该头部的至少一部分暴露至所述发动机燃烧室，且所述泵与所述头部连接。
9、 如权利要求7所述的一种冷却系统，其特征在于所述泵是电动的。
10、 如权利要求7所述的一种冷却系统，包括一卸压阀，其用于响应所述泡 核沸腾传感器，用于减少压力以保持泡核沸腾。
11、 如权利要求10所述的一种冷却系统，包括一冷却系统贮液器，其中所述 贮液器包含有冷却剂，且所述泵从所述贮液器抽出冷却剂以加压所述系统，所述 卸压阀将加压的冷却剂排放到所述贮液器。
12、 一种动力系统，包括一液冷内燃机，其具有至少一个燃烧室，所述发动机具有环绕所述至少一个燃烧室的冷却剂通道；一热交换装置，其具有内部流动通道，并流体连接至所述冷却剂通道；一泵，其用于通过所述冷却剂通道和所述热交换装置循环冷却剂，以移除来自至少环绕所述燃烧室的热，所述冷却剂通道、热交换装置和第一泵被选择以使至少环绕所述燃烧室发生泡核沸腾；一传感器，其用于指示所述系统中所述冷却剂的泡核沸腾的存在；和 一装置，其响应所述传感器以保持所述系统中压力在一允许泡核沸腾的水平，以增加来自至少环绕所述燃烧室的热通量。
13、 如权利要求12所述的一种动力系统，其特征在于所述传感器是一压力 传感器，其指示压力随时间变化的变化。
14、 如权利要求12所述的一种动力系统，其特征在于所述传感器是一温度 传感器，其指示温度随时间变化的变化。
15、 如权利要求12所述的一种动力系统，其特征在于所述传感器是一气泡 检测器，其选自一光学传感器和一超声波传感器其中的一种。
16、 如权利要求12所述的一种动力系统，其特征在于所述发动机具有一头 部，该头部的至少一部分直接连接至所述燃烧室，且所述传感器连接至所述头部。
17、 如权利要求12所述的一种动力系统，其特征在于所述压力保持装置包 括一泵。
18、 如权利要求17所述的一种动力系统，其特征在于所述泵连接至所述头 部中的冷却通道。
19、 如权利要求17所述的一种动力系统，其特征在于所述泵是电动的。
20、 如权利要求17所述的一种动力系统，包括一卸压阀，其响应所述泡核沸腾传感器以减少压力。
21、 如权利要求20所述的一种动力系统，其特征在于包括一用于装冷却剂的贮液器，所述泵从所述贮液器抽出冷却剂以加压所述冷却系统，所述卸压阀将 液体排放至所述贮液器。
22、 一种运行具有至少一个燃烧室的液冷内燃机的方法，所述方法包括以下步骤至少环绕所述燃烧室循环液态冷却剂，以使所述冷却剂在泡核沸腾区域内工作；感应至少环绕所述燃烧室的泡核沸腾的存在；和通过对感应的泡核沸腾的压力的响应以保持所述液态冷却剂的压力，将所述 冷却剂保持在在一最佳泡核沸腾水平以使来自所述发动机的热通量最大。
23、 如权利要求22所述的一种方法，其特征在于通过光学气泡检测器和超 声波气泡检测器中相对于时差的压差、相对于时差的温差其中的一种感应泡核沸 腾。
24、 如权利要求22所述的一种方法，其特征在于所述液态冷却剂的压力通 过一泵响应所述感应的泡核沸腾的存在以增加冷却剂压力至一最佳水平来保持。
25、 如权利要求24所述的一种方法，包括响应所述感应的泡核沸腾的存在释 放冷却剂压力以降低所述冷却剂压力至一最佳泡核沸腾水平的步骤。
全文摘要
泡核沸腾冷却系统和方法。本发明涉及用于液冷内燃机的冷却系统，选择冷却剂通道和热交换装置作用于在泡核沸腾区域的发动机冷却系统。传感器检测泡核沸腾的存在，以及泵和卸压阀响应传感器在一水平保持冷却系统的压力从而保持最佳泡核沸腾，以增加来自发动机的热通量并减少系统的总尺寸。
文档编号F01P7/16GK101603450SQ20091013599
公开日2009年12月16日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年6月10日
发明者卡尔·T·维克 申请人:迪尔公司