內燃發動機的潤滑系統和潤滑方法

2023-06-15 10:25:36 7

專利名稱：內燃發動機的潤滑系統和潤滑方法
技術領域：
本發明涉及用於內燃發動機的潤滑系統和用於潤滑內燃發動機的方法。
背景技術：
這種典型內燃發動機效率非常高,這引起對發動機的預熱的減弱(impairment)。由於增加發動機的內部摩擦，因此冷發動機機油引起燃料消耗的增加。採用了無數方法來更快地預熱發動機機油。通常的方法是利用化學蓄熱器。由於處在2-3kW範圍的合適的化 學蓄熱器的低加熱性能，將可用的熱全部傳輸給發動機需要幾分鐘。傳輸熱能的時間必須儘可能短，以便在發動機的冷啟動之後直接實現節省燃料的顯著優點。而且，通過發動機的冷卻劑迴路是必需的，以便將蓄熱器的能量傳輸給發動機。DE3344484AUDE2927680A1和EP2103789A1公開了用於預熱發動機並且具有蓄熱器和用於冷卻劑的附加迴路的系統。DE102005052632A1公開了用機油蓄熱器預熱發動機的設備。在發動機運行期間高溫機油儲存在機油蓄熱器中。該機油蓄熱器是非常隔熱的，結果甚至在比較長的時間機油仍然能夠基本保持其溫度。在發動機冷啟動的情況下，來自機油蓄熱器高溫機油首先用於潤滑並加熱發動機。但是利用機油蓄熱器需要高結構費用，降低發動機效率。

發明內容
本發明人已經認識到用上述方法的問題並且已經研製了一種至少部分地解決這些問題的系統。根據本發明的實施例，一種內燃發動機的潤滑系統包括潤滑劑迴路；用於冷卻潤滑劑的散熱器；設置在發動機上遊用於預熱潤滑劑的蓄熱器，該蓄熱器與散熱器並聯；以及用於在散熱器和蓄熱器之間切換潤滑劑迴路的閥。根據本發明，加熱在潤滑劑迴路中直接發生；不需要附加的冷卻劑迴路。因此能夠實現所謂的「無流策略」，這使得更大程度的節省燃料成為可能。潤滑劑以直接且被當做目標的方式被加熱，結果即使在冷啟動之後發動機也以低摩擦運行，因此具有低消耗。散熱器和蓄熱器通過用於切換的閥的並聯連接在結構上簡單並且在運行期間效率高。由於潤滑系統的結構簡單和並且僅僅需要閥和蓄熱器，根據本發明的潤滑系統還能夠通過在現有發動機中改裝得到。當單獨或結合附圖閱讀具體實施方式
時，將更容易明白本發明的上述優點和其他優點以及特徵。應當理解提供上面的概述以便以簡單的形式引入選擇的構思，這種構思在詳細描述中進一步描述。這並不意味著指出了要求保護的主題的關鍵或本質特徵，所要求保護的主題的範圍由所附權利要求唯一地限定。而且，所要求保護的主題不限於解決上面或在本公開任何部分指出的任何缺點的實施方式。


圖I示出具有根據本發明的潤滑系統的發動機的方框迴路圖。圖2是示出根據本發明一個實施例的控制機油溫度的方法的流程圖。
具體實施例方式本發明提供一種發動機潤滑迴路，其中，在冷發動機溫度狀況期間，潤滑劑被引導通過蓄熱器，以便加熱潤滑劑，並且因此加熱發動機。一旦潤滑劑和/或發動機達到閾值溫度之後，該潤滑劑被引導通過散熱器以防止潤滑劑和發動機過熱。以這種方式，潤滑劑能被快速加熱以在冷啟動狀況下改進燃料經濟性。潤滑劑可以是機油。由於機油與冷卻劑相比具有低熱容量，因此與冷卻劑相比，機油以相同的排出性能能夠實現的較高的溫度上升。機油的溫度上升導致發動機內的摩擦大大減小。在潤滑劑迴路中可以設置在泵，用於運送潤滑劑。潤滑劑可以藉助於泵被運送通過該潤滑劑迴路，這改進機油和發動機的溫度行為。蓄熱器可以是化學蓄熱器。化學蓄熱器是低維護性的，並且在合理的蓄熱器容量的情況下，在熱輸出和輸入過程中具有令人滿意的性能。潤滑劑迴路在正常模式中可以通過或繞過散熱器並且在預熱模式中通過或繞過蓄熱器。在正常模式中，也就是說，當機油和/或發動機已經達到其運行溫度和/或當蓄熱器已經輸出其可用能量給機油時，該機油被散熱器冷卻。在預熱模式中，例如在冷啟動之後或當機油和/或發動機還沒有達到其運行溫度時，機油被蓄熱器加熱。蓄熱器可以以這樣的方式設置在潤滑劑迴路中，即使得蓄熱器在正常模式中用潤滑劑充能(charge)。在發動機達到其運行溫度之後，蓄熱器被潤滑劑充能，以便在重複的冷啟動的情況下能夠為它再一次輸出熱。由於與冷卻劑相比機油的溫度較高，蓄熱器的充能效率更聞。散熱器的冷卻性能可以基本上等於蓄熱器的充能容量。結果，在暖熱工況期間機油溫度不受蓄熱器的充能的影響。蓄熱器可以直接設置在發動機的上遊。因此也對於諸如機油的具有低熱容量的潤滑劑來說也保障了經加熱的潤滑劑進入發動機，結果即使在冷啟動之後發動機中的摩擦也減小。根據本發明的實施例，內燃發動機包括如上所述的潤滑系統。該內燃發動機具有與所述的潤滑系統同樣的優點和改進之處(refinement)。根據本發明的另一個實施例，用於潤滑具有潤滑劑迴路的內燃發動機的方法包括在預熱模式中沿著蓄熱器循環潤滑劑；將潤滑劑迴路切換到正常模式；在正常模式中沿著與蓄熱器並聯的散熱器循環潤滑劑。
根據本發明，在潤滑劑和/或發動機尚未達到運行溫度(例如，冷啟動之後)的預熱模式中，散熱器就像被橋接一樣並且潤滑劑通過或沿著蓄熱器循環，結果機油被直接並快速加熱。即使在剛剛冷啟動之後發動機內的摩擦也因此能夠以簡單的方式減小。在正常模式中蓄熱器能夠被充能。在發動機達到其運行溫度之後，蓄熱器可以用潤滑劑充能，以便在重複的冷啟動的情況下能夠再一次輸出熱。這使得系統整體效率提高。當蓄熱器輸出可用能量時和/或當潤滑劑和/或發動機已經達到其運行溫度時能夠切換到正常模式。當一個或兩個條件被滿足時，高效的預熱模式結束並且然後切換到效率更高的正常模式。圖I示意地示出內燃發動機1，其具有布置 成發動機組3的四個汽缸2。潤滑系統5具有潤滑劑迴路6，潤滑劑(在這個例子中是機油)循環通過該潤滑劑迴路。機油在進口點7進入發動機，從進口點7機油藉助於主機油道8運動到汽缸2。在一個實施例中，機油可以從機油道8轉到一個或多個活塞冷卻噴嘴17，冷卻噴嘴17可以被控制器或單向閥致動，以向活塞的底側提供機油，以便冷卻該活塞。藉此提供給汽缸，機油通過發動機I進入油底殼4。機油泵9輸送機油通過離開發動機I的管路10。管路10通向散熱器11，在散熱器11中機油被冷卻。機油沿著發動機I的方向經由連接於進口點7的另一個管路12返回。閥13設置在散熱器11上遊的管路10中。通向蓄熱器15的支管路14從閥13分支。蓄熱器15例如是具有例如2-3kW加熱性能的化學蓄熱器。蓄熱器15的排放管路16連接於管路12。蓄熱器15設置在緊靠發動機I的附近。具體說，排放管路16位於緊靠進口點7的附近。排放管路16也可以直接通向進口點7，也就是說，排放管路16和管路12好像是並聯進入發動機。蓄熱器15並聯於散熱器11，閥13控制潤滑劑迴路6運行通過散熱器11還是通過蓄熱器15。潤滑系統5包括散熱器11、蓄熱器15、閥13和潤滑劑迴路6。該潤滑劑迴路6可被分配給相對於發動機的外部部件，例如至少管路10的一部分、另一個管路12、分支管路14和排放管路16。還能夠以這樣的方式限定潤滑劑迴路，即相對於發動的內部部件(例如主機油道8、油底殼4和機油泵9)也是潤滑劑迴路6的構成部分。而且，潤滑系統5可以是發動機I的構成部分。現在將說明潤滑系統5的運行模式。發動機I冷啟動之後，也就是說，當機油和/或發動機I是冷的時候，也就是說低於運行溫度並且蓄熱器充有能量時，閥13將機油的循環切換到蓄熱器15。機油冷卻器11在這個預熱模式中被橋接/繞過。例如由發動機I的控制器112控制閥13。冷機油通過蓄熱器15或沿著蓄熱器15循環，這可以是蓄熱器15的構造的結果。然後被加熱的機油經由排放管路16離開蓄熱器15並進入發動機I。在發動機I中它經由主機油道8流到由機油潤滑的汽缸2。由於機油與冷卻劑相比熱容量低並且蓄熱器15直接設置在發動機I上，或者換句話說，直接設置在主機油道8的前面，機油以相當高的升高的溫度進入發動機1，這導致摩擦大大減小。通過這種結構,冷機油可以被升溫例如大約25°C。表述「直接在發動機上」可以被定義為從蓄熱器15到進口點7或到主機油道8的路徑如此之短，以至於從蓄熱器15出來的被加熱的機油沒有被冷卻或只是不明顯地冷卻。如果為了減少或防止機油的熱損失，排放管路16和/或至少一部分管路12是隔熱的，則蓄熱器15的實際空間設置可以相應地遠一些。流動通過發動機I的機油被收集在油底殼4中並且從油底殼4再一次被機油泵9輸送到發動機I的外面。在閥13，機油再一次循環通過蓄熱器15回到發動機I。這種預熱模式持續到機油和/或發動機I達到其運行溫度和/或蓄熱器15已經輸出了其可用的能量。然後轉變到正常模式。為此，閥13將潤滑劑迴路6切換到機油冷卻器11。已經達到其運行溫度的機油然後被散熱器11冷卻，以便因此防止機油和發動機I過熱。
在正常模式期間，被冷啟動排空的蓄熱器15用現在已經被加熱的機油充能。這能夠以多種方式進行。首先，閥13能夠再一次移動到用於預熱模式的位置，結果加熱的機油循環通過蓄熱器15並且在這個過程中給後者充能。在蓄熱器15被完全充能之後，冷卻劑迴路6藉助於閥13再一次切換到散熱器11。在蓄熱器15的充能期間，其通過冷卻機油起到機油冷卻器11的功能。閥13還能夠呈現一部分機油循環通過散熱器11而另一部機油循環通過蓄熱器15的位置。管路12或一部分管路12也能夠繞過蓄熱器15或通過它，以這種方式，被加熱的機油輸出熱給蓄熱器15，以便給它充能。理想地，蓄熱器的充能容量被設計為使得它相當於機油冷卻器的冷卻性能。以這種方式，用閥13切換潤滑劑迴路對發動機的機油溫度沒有影響。在蓄熱器15被充能之後，潤滑系統5保持在正常模式中。用於給蓄熱器15充能的時間是正常模式中的特殊情況，此時在一些情況下閥13能夠呈現預熱模式的位置。在發動機I被關掉並且已經再一次啟動之後，測量機油溫度，以便確定潤滑系統5是否能夠在正常模式中直接開始。如果是機油和/或發動機I具有其運行溫度或高於該溫度的溫度的情況，則就是這種情況。如果機油和/或發動機I的運行溫度低於運行溫度或另外定義的溫度閾值並且蓄熱器充有可利用能量，則潤滑系統15設置成預熱模式。在一些實施例中，閥13可以是三通閥。因此它可以具有在機油到達發動機I之前直接通過蓄熱器15的第一位置，並且它可以具有在機油達到發動機I之前直接通過散熱器11的第二位置。閥13可以具有機油從泵9到發動機I而不通過散熱器11或蓄熱器15的第三位置。因此，在第三位置機油被阻止到達散熱器11和蓄熱器15 二者。閥13可以根據各種發動機運行參數被控制到第三位置。例如，如果蓄熱器並沒有充有熱量並且發動機處於冷啟動狀況，則機油可以直接被引導到發動機，以加快發動機升溫。蓄熱器的溫度例如可以由該蓄熱器內的傳感器確定。在圖I中控制器112示為常規的微型計算機，包括微處理器單元(CPU) 102、輸入/輸出埠(I/O) 104、只讀存儲器(ROM) 106、隨機存儲器(RAM) 108、保活存儲器(LAM)IlO以及常規的數據總線。控制器112可以包括能執行一個或多個子程序的指令。控制器112被示出接受來自連接於發動機I的傳感器的各種信號，例如來自一個或多個溫度(例如發動機溫度、機油溫度)傳感器的輸入，以及在圖I中未示出的其他傳感器(例如，指示蓄熱器15的充能容量的傳感器、和/或指示發動機I的一個或多個汽缸爆震的爆震傳感器)。示範性傳感器包括檢測發動機冷卻劑溫度(ECT)的溫度傳感器、連接於發動機加速踏板用於檢測加速器位置的位置傳感器、連接於發動機進氣歧管用於測量發動機歧管壓力(MAP)的壓力傳感器、用霍爾效應傳感器檢測曲軸位置的發動機位置傳感器、測量進入發動機的空氣品質的傳感器(例如熱線氣流計)、以及測量節氣門位置的傳感器。還可以感測大氣壓力以用於控制器112處理。在本發明的優選方面，曲軸每轉一圈，發動機位置傳感器就可以產生預定量的等距離脈衝，由此可以確定發動機的轉速(RPM)。控制器112還可以輸出各種信號給諸如閥13的發動機的各種致動器。圖I還所示渦輪增壓器18。該渦輪增壓器18具有連接於發動機的排氣道19的渦輪機。來自排氣通道的排氣可以在渦輪機內膨脹，使渦輪機旋轉。渦輪機經由軸連接於渦輪增壓器18的壓縮機，因此壓縮機旋轉並且起作用以壓縮經由進氣道20通向發動機的進氣。以這種方式，被壓縮的空氣可被提供給汽缸以增壓發動機並增加功率輸出。圖2示出根據本發明的實施例用於控制機油溫度的方法200的流程圖。方法200可以根據儲存在控制器112的存儲器中的指令開始。在202，方法200包括確定發動機運行參數。發動機運行參數可以包括發動機機油溫度、發動機溫度、發動機是否起動轉動、發動機轉速等。在204，方法200包括判斷發動機機油溫度是否低於預定的冷閾值。該冷閾值可以是合適的閾值，例如已預熱的發動機的溫度，在該閾值之下機油粘稠性增加，這導致燃料 經濟性降低。機油溫度可以由發動機機油系統中的傳感器確定，或者可以由發動機溫度確定，無論發動機是不是冷啟動狀況等。如果確定發動機機油溫度不低於冷閾值(例如在204回答為「否」)，方法200進行到208，這在下面更加詳細地描述。如果發動機溫度低於冷閾值，方法200進行到206，以判斷蓄熱器是否被充能。蓄熱器，例如蓄熱器15可以用來自己被加熱的發動機機油的熱量充能，例如來自前面發動機運行。但是，如果發動機已經關閉達到閾值時間，例如一天、兩天等，蓄熱器可能開始冷卻下來，並且因此不能夠為機油供給用來加熱發動機的熱。這可以基於自蓄熱器的上一次再充能起的時間由蓄熱器的溫度等確定。如果確定蓄熱器被充能，方法200進行到208以將閥控制到第一位置，從而經由蓄熱器15將機油泵送給發動機。該閥可以是在第一位置將機油引導給蓄熱器15並且在第二位置將機油引導到散熱器11的閥13。當閥在第一位置時，從油槽泵送的機油在達到發動機之前將被引導到蓄熱器。因此，儲存在蓄熱器中的熱可以傳輸給機油以加熱該機油。但是如果確定蓄熱器並沒有充有熱能，則方法200進行到210，以將閥控制到第三位置，從將機油直接泵送給發電機而不經過蓄熱器或散熱器。以這種方式，機油可以直接被發動機快速加熱。208和210都進行到212，在212判斷機油是否處於或高於冷閾值。如果機油不處於或高於冷閾值，也就是如果機油仍然低於冷閾值，則方法200返回到208以繼續將機油經由蓄熱器泵送到發動機。如果機油已經達到閾值，則不指示額外的加熱。因此在214，閥被控制在第二位置以泵送機油通過散熱器。以這種方式，機油可以被冷卻，以防止機油和發動機過熱。在216，判斷蓄熱器是否未充能。如果機油已被泵送通過蓄熱器，它可能已經用盡儲存的熱，使蓄熱器低於充能閾值，因此被加熱的機油可以被引導通過蓄熱器返回以用熱量對其進行充能。如果蓄熱器不是未充能，也就是說如果它充有足夠的熱量，則方法200返回。如果蓄熱器未充能，則閥被控制返回到第一位置，以便在218給蓄熱器再充能。如果確定蓄熱器未充有充足的熱量，則當閥設置在第一位置時它可以被已加熱的發動機機油加熱。如果蓄熱器的溫度下降至低於閾值，或如果蓄熱器最近被用於加熱機油(例如在冷發動機啟動期間)，則可以進行上述操作。
在220，如果指示，則蓄熱器的再充能可以被中斷。再充能可以根據各種工況而中斷。例如，在222，如果發動機溫度高於熱閾值，則由於與散熱器相比蓄熱器可能不足以冷卻機油，因此替代地，機油可以被泵送通過散熱器。熱閾值可以是高於冷閾值的閾值。熱閾值可以是高於該溫度就可能損壞發動機的溫度。冷機油可以從散熱器泵送到發動機的活塞冷卻噴嘴，從而例如冷卻汽缸。在另一個例子中，在224，如果檢測到發動機爆震，則再充能可以被中斷。發動機爆震可以用發動機的一個或多個爆震傳感器檢測。如果爆震被檢測到，發動機可需要被冷卻以消除爆震。如果在達到發動機之前機油被引導到蓄熱器，它可能是沒有冷卻到足以防止爆震。因此，再充能可以被中斷以便機油能夠經由散熱器冷卻。在一些實施例中，蓄熱器的再充能可以基於發動機是否增壓來中斷。例如，如果增壓超過閾值，則再充能可以被中斷以能夠充分冷卻發動機。然後方法200返回。因此，圖2的方法200提供一種發動機方法，包括在第一狀況期間，泵送機油通過蓄熱器到達發動機的活塞冷卻噴嘴；在第二狀況期間，繞過蓄熱器，泵送機油通過散熱器到達發動機的活塞冷卻噴嘴；並且通過將發動機機機油泵送通過蓄熱器來給蓄熱器周期性地 再充能；並且響應工況，中斷再充能。該方法包括其中第一狀況包括機油溫度低於閾值，並且其中第二狀況包括機油溫度處於或高於該閾值。該方法還包括其中中斷再充能還包括繞過蓄熱器，泵送機油通過散熱器到達活塞冷卻噴嘴。該方法包括其中工況包括發動機溫度高於熱閾值。該方法還包括其中工況包括發動機爆震。該方法還包括在第三狀況期間，直接將機油泵送到活塞冷卻噴嘴，並且其中第三狀況包括蓄熱器低於充能閾值。應當明白，這裡所公開的結構和方法在性質上是示範性的，並且這些具體的實施例不被認為是限制性的，因為許多變化是可能的。例如，上述技術可以用於V-6、1-4、1-6、V-12、對置4缸以及其他發動機類型。本發明的主題包括這裡公開的各種系統和結構、以及其他特徵、功能和/或性質的所有新穎的和非顯而易見的組合和子組合。權利要求具體指出被認為新穎和非顯而易見的某些組合和子組合。這些權利要求可能「一個」元件或「第一」元件或其等同物。這種權利要求應當理解為包括一個或多個這種元件組合，既不要求也不排斥兩個或更多這種元件。所公開特徵、功能、元件和/或性質的其他組合和子組合可以通過對這些權利要求的修改或通過在這個申請或相關申請中提出新權利要求來主張。這些權利要求，無論其範圍比原來的權利要求更寬、更窄、等同或不同，也都被認為包括在本發明的主題內。
權利要求
1.一種內燃發動機的潤滑系統，包括 潤滑劑迴路； 用於冷卻所述潤滑劑的散熱器； 設置在發動機上遊用於加熱所述潤滑劑的蓄熱器，所述蓄熱器與所述散熱器並聯，以及 用於在所述散熱器和所述蓄熱器之間切換所述潤滑劑迴路的閥。
2.根據權利要求I所述的潤滑系統，其中所述潤滑劑是機油。
3.根據權利要求I所述的潤滑系統，還包括設置在所述潤滑劑迴路中的泵，用於運送潤滑劑。
4.根據權利要求I所述的潤滑系統，其中所述蓄熱器是化學蓄熱器。
5.根據權利要求I所述的潤滑系統，其中所述潤滑劑迴路在正常模式中通過所述散熱器，而在加熱模式中通過所述蓄熱器。
6.根據權利要求5所述的潤滑系統，其中所述蓄熱器以使得所述蓄熱器在所述正常模式中由所述潤滑劑充能的方式設置在所述潤滑劑迴路中。
7.根據權利要求6所述的潤滑系統，其中所述散熱器的散熱性能基本等於所述蓄熱器的充能容量。
8.根據權利要求I所述的潤滑系統，其中所述蓄熱器直接設置在發動機的上遊。
9.一種內燃發動機，其具有根據權利要求I所述的潤滑系統。
10.一種用於潤滑具有潤滑劑迴路的內燃發動機的方法，包括 在加熱模式中沿著蓄熱器循環潤滑劑； 切換所述潤滑劑迴路到正常模式；以及 在所述正常模式中沿著與蓄熱器並聯的散熱器循環潤滑劑。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述蓄熱器在所述正常模式中被充能。
12.根據權利要求10所述的方法，其中當蓄熱器具有輸出可用能量時切換到所述正常模式。
13.根據權利要求10所述的方法，其中當潤滑劑達到運行溫度時切換到所述正常模式。
14.一種發動機方法,包括 在第一狀況期間泵送機油通過蓄熱器到達所述發動機的活塞冷卻噴嘴； 在第二狀況期間 繞過所述蓄熱器，泵送機油通過散熱器將到達所述活塞冷卻噴嘴，並且 通過泵送發動機機油通過所述蓄熱器來對所述蓄熱器周期性地再充能；以及 響應於工況，中斷所述再充能。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述第一狀況包括機油溫度低於冷閾值，並且其中第二狀況包括機油溫度處於或高於所述冷閾值。
16.根據權利要求14所述的方法，其中中斷所述再充能還包括泵送機油通過所述散熱器到達所述活塞冷卻噴嘴，並繞過所述蓄熱器。
17.根據權利要求14所述的方法，其中所述工況包括發動機溫度高於熱閾值。
18.根據權利要求14所述的方法，其中所述工況包括發動機爆震。
19.根據權利要求14所述的方法，還包括在第三狀況期間直接將機油泵送到所述活塞冷卻噴嘴。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述第三狀況包括所述蓄熱器低於充能閾值。
全文摘要
本發明公開一種用於內燃發動機的潤滑系統的實施例。在一個示例中，用於內燃發動機的潤滑系統包括潤滑劑迴路，用於冷卻潤滑劑的散熱器，設置在發動機上遊用於加熱潤滑劑的蓄熱器，該蓄熱器與散熱器並聯，以及用於在該散熱器和蓄熱器之間切換潤滑劑迴路的閥。以這種方式，在發動機冷啟動狀況期間機油可以被快速加熱。
文檔編號F01M5/00GK102678224SQ20121006657
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月14日 優先權日2011年3月14日
發明者H·G·奎科斯, J·梅林 申請人:福特環球技術公司