進氣加熱器系統和方法
【專利說明】進氣加熱器系統和方法 發明領域
[0001] 本發明一般而言涉及用于加熱內燃機的進氣的進氣加熱器。
【背景技術】
[0002] 許多內燃機系統利用進氣加熱器系統，以根據內燃機的進氣溫度和運行條件在進 氣與燃料一起燃燒之前對進氣加熱。
[0003] 隨著內燃機系統變得越來越復雜，進氣流到內燃機系統的汽缸所經過的路徑變得 越來越復雜。通常，現有技術的進氣加熱器系統的加熱元件不會在氣流穿過加熱元件行進 時使氣流重定向。由于復雜的氣流和在發動機艙內的制約，空氣加熱器的位置可能并非最 佳，使得空氣的直通流動可能并非所期望的。
[0004] 電動的進氣加熱器系統可操作地聯接到電源，且通到加熱元件的電流是由包含繼 電器的控制器控制的，所述繼電器用于可操作地接通或關斷供向加熱元件的電力。這些電 動加熱器通常會消耗很大的電流。進氣加熱器系統的控制器因此將控制很大的電流，且可 能產生大量的熱。另外，這些控制器通常緊鄰電接頭，所述電接頭將電阻帶入到電路中，使 得帶來了附加的熱量釋放。從控制器移除或減少這一熱量對于避免低熱效率以及消除對控 制器的潛在損壞是重要的。
[0005] 期望減少這些進氣加熱器系統的部件數量和成本。許多內燃機具有由不同公司制 造的各種部件，這些部件隨后被組裝起來。因此，期望簡化整個內燃機系統的組裝。
[0006] 這些進氣加熱器系統通常被安裝至用于比如汽車、拖拉機等車輛或其他機構的內 燃機，所述車輛或機構經受或以其他方式產生顯著數量的振動。因此，期望減少這些振動可 能對將各個部件中的任一個安裝到內燃機或者將進氣加熱器系統的各個部件固定在一起 所造成的影響。
[0007] 這些進氣加熱器系統需要在啟動發動機之前進行預熱，以便允許對用于發動機啟 動的初始進氣進行預熱。當發動機開始轉動時，進氣加熱器系統被關閉，以便具有足夠的電 池電力使啟動馬達能夠轉動發動機。因此，進氣加熱器系統的加熱帶通常被設計為相對較 大，以便在加熱到大約900攝氏度時在加熱帶中保留有足夠的熱量，使得在發動機啟動期 間，所累積的熱量可被傳遞給穿過進氣加熱器系統進入到汽缸內的空氣。
[0008] 這具有三個問題。首先，在一些情況下，對進氣加熱器系統進行預熱可能花費長達 20秒的時間。然而，當人們進入車輛或機器時，他們并不想等待以啟動該裝置。而是，操作者 希望盡可能快地啟動發動機。其次，加熱元件為累積用于發動機啟動的熱量而所需的大量 材料增加了進氣加熱器系統的成本。然而，在發動機運行時，幾乎不再需要熱累積，因為車 輛的電系統不存在阻礙進氣加熱器系統以較高電力運行的電負荷，比如發動機啟動期間使 啟動馬達運行的電負荷。因此，相對于進氣加熱器系統的正常運行所需的尺寸而言，加熱帶 的尺寸過大，僅為了解決發動機啟動問題。第三個問題與較長的預熱時間相關聯。在進行長 時間預熱時，在一些情況下，相當部分的能量(估計大于30% )從加熱帶傳遞到發動機的相 鄰部件，比如傳遞到進氣管外殼或進氣歧管，然后從那里傳遞到圍繞發動機和進氣系統的 發動機艙內的空氣。
[0009] 因此，期望減少在發動機啟動之前對進氣加熱器系統進行預熱所必需的時間量， 以及使加熱帶的尺寸最小化。
【發明內容】
[0010] 在一個實施例中，提供了一種進氣加熱器，所述進氣加熱器提供了改進的氣流導 向能力，例如氣流重定向。所述進氣加熱器包含加熱元件。所述加熱元件包含多個縱向延伸 區段。每一縱向延伸區段具有入口端和出口端且限定了延伸于所述入口端和所述出口端之 間的引導面。所述引導面通常至少部分地面向上游，使得氣流噴在引導面上。所述多個縱向 延伸區段的入口端的組合大體上限定了入口面。所述多個縱向延伸區段的出口端的組合大 體上限定了出口面。所述縱向延伸區段中的每一個的所述引導面的至少所述出口端相對于 所述入口面和所述出口面以非垂直和/或非平行的角度延伸。
[0011] 在一個實施例中，所述加熱元件還包含多個彎曲連接部分。每一連接部分連接了 相鄰的一對所述縱向延伸區段。
[0012] 在一個實施例中，每一彎曲連接部分限定了延伸于所述連接部分的鄰近所述入口 面的頂端與所述連接部分的鄰近所述出口面的底端之間的槽底。所述槽底相對于所述入口 面和所述出口面成非垂直的角度。
[0013] 在更具體的實施例中，所述空氣加熱器包含第一絕緣體和第二絕緣體。所述加熱 元件被安裝在所述第一絕緣體和所述第二絕緣體之間，其中所述縱向延伸區段延伸于所述 第一絕緣體和所述第二絕緣體之間，其中每一彎曲連接部分由所述第一絕緣體或所述第二 絕緣體中的一個支撐或者插入到所述第一絕緣體或所述第二絕緣體中的一個中。
[0014] 在甚至更具體的實施例中，所述第一絕緣體和所述第二絕緣體限定大體上矩形的 容納腔以容納所述彎曲連接部分。所述容納腔相對于所述入口面和所述出口面旋轉一角 度，使得所述矩形腔的四個側面相對于所述入口面和所述出口面以非平行且非垂直的角度 延伸。
[0015] 在一個實施例中，所述矩形的容納腔包含頂側和底側。所述頂側鄰近所述縱向延 伸區段的所述入口端，且所述底側鄰近所述縱向延伸區段的所述出口端。所述頂側彼此平 行但偏置，使得所述頂側并不對準，且所述底側彼此平行但偏置，使得所述底側并不對準。
[0016] 在一個實施例中，所述縱向延伸區段和所述連接部分是由單個連續材料帶形成 的。
[0017] 在一個實施例中，每一彎曲連接部分限定了延伸于所述連接部分的頂端與所述連 接部分的底端之間的槽底。所述槽底相對于所述入口面和所述出口面垂直地延伸。
[0018] 在一個實施例中，所述彎曲連接部分包含一對扭曲區段，所述扭曲區段過渡到對 應的所述縱向延伸區段中。
[0019] 在一個實施例中，所述加熱元件包含第一絕緣體和第二絕緣體。所述加熱元件被 安裝在所述第一絕緣體和所述第二絕緣體之間，其中所述縱向延伸區段延伸于所述第一絕 緣體和所述第二絕緣體之間，每一彎曲連接部分由所述第一絕緣體或所述第二絕緣體中的 一個支撐或者插入到所述第一絕緣體或所述第二絕緣體中的一個中。所述第一絕緣體和所 述第二絕緣體限定用于容納所述彎曲連接部分的大體上矩形的容納腔。所述容納腔被相對 于所述入口面和所述出口面確定方位，使得所述矩形腔的兩個側面垂直于所述入口面和所 述出口面延伸，且所述矩形腔的兩個側面平行于所述入口面和所述出口面延伸。
[0020] 在一個實施例中，提供了一種包含波浪形加熱元件的進氣加熱器。所述波浪形加 熱元件包含由彎曲連接部分連接的多個縱向延伸區段。每一縱向延伸區段具有入口端和出 口端且限定了延伸于所述入口端和所述出口端之間的引導面。每一彎曲部分具有入口端和 出口端以及延伸于所述入口端和所述出口端之間的槽底。所述多個縱向延伸區段的所述入 口端大體上限定了入口面，且所述多個縱向延伸區段的出口端大體上限定了出口面。所述 槽底相對于所述入口面和所述出口面以非垂直且非平行的角度延伸。優選地，所述角度介 于約45度與90度之間，使得任何氣流重定向均介于約0度與45度之間。
[0021] 在另一實施例中，提供了一種包含加熱元件的空氣加熱器。所述加熱元件包含多 個縱向延伸區段。每一縱向延伸區段具有入口端和出口端且限定了延伸于所述入口端所述 出口端之間的引導面。所述多個縱向延伸區段的所述入口端大體上限定了入口面，且所述 多個縱向延伸區段的所述出口端大體上限定了出口面。所述縱向延伸區段中的每一個的所 述引導面在所述入口端和所述出口端之間是彎曲的。
[0022] 在一個實施例中，所述加熱元件還包含多個彎曲連接部分。每一連接部分連接了 相鄰的一對所述縱向延伸區段。在更具體的實施例中，所述縱向延伸區段和所述連接部分 是由單個連續材料帶形成的。
[0023] 在一個實施例中，每一彎曲連接部分限定了延伸于所述連接部分的頂端與所述連 接部分的底端之間的槽底。所述槽底相對于所述入口面和所述出口面垂直地延伸。
[0024] 在一個實施例中，提供了一種形成進氣加熱器的方法。所述方法包含:將加熱元件 材料帶彎曲成通過彎曲連接部分連接的多個縱向延伸區段，所述縱向延伸區段通常是平行 的。所述縱向延伸區段具有入口端和出口端以及延伸于所述入口面和所述出口面之間的引 導面。所述多個縱向延伸區段的所述入口端大體上限定了入口面，且所述多個縱向延伸區 段的所述出口端大體上限定了出口面。所述方法還包含:使所述彎曲的加熱元件材料帶變 形，使得所述縱向延伸區段中的每一個的所述引導面至少在所述引導面的所述出口端處相 對于所述入口面和所述出口面以非垂直的角度延伸。
[0025] 在更具體的實施例中，所述變形步驟發生在所述彎曲步驟之后。
[0026] 在一個實施例中，每一彎曲連接部分限定了延伸于所述連接部分的頂端與所述連 接部分的底端之間的槽底。所述變形步驟包含使所述加熱材料帶彎曲，使得每一彎曲連接 部分的所述槽底相對于所述入口面和所述出口面成非垂直且非平行的角度。
[0027] 在一個實施例中，所述方法還包含:將所述加熱材料帶安裝于一對絕緣體之間，其 中所述彎曲連接部分被設置在矩形腔內。所述矩形腔相對于所述入口面和所述出口面旋轉 一角度，使得所述矩形腔的四個側面相對于所述入口面和所述出口面以非平行且非垂直的 角度延伸。
[0028] 在一個實施例中，每一彎曲連接部分限定了延伸于所述連接部分的頂端與所述連 接部分的底端之間的槽底。所述變形步驟包含使所述加熱材料帶彎曲，使得每一彎曲連接 部分的槽底相對于所述入口面和所述出口面保持垂直。此方法可導致在所述變形步驟期間 僅使所述縱向延伸區段彎曲。
[0029] 在一個實施例中，提供了 一種空氣加熱器組件，所述空氣加熱器組件包含內燃機 部件和空氣加熱器，所述內燃機部件可以是進氣部件。所述進氣部件將進氣流引導至包含 入口和出口的發動機內。所述進氣部件限定了基本上平坦的安裝表面。所述空氣加熱器被 安裝至所述進氣部件。所述空氣加熱器包含具有多個縱向延伸區段的加熱元件。每一縱向 延伸區段具有入口端和出口端且限定了延伸于所述入口端和所述出口端之間的引導面。所 述縱向延伸區段中的每一個的所述引導面相對于所述平坦的安裝表面以非垂直的角度延 伸。
[0030] 在一個實施例中，所述引導面在所述入口端和所述出口端之間是平坦的。
[0031] 在一個實施例中，所述縱向延伸區段中的每一個與所述安裝表面間隔開不同的偏 置距離。在這一實施例中，整個空氣加熱器可以相對于安裝表面成一角度。
[0032] 在一個實施例中，所述多個縱向延伸區段的所述入口端大體上限定了入口面，且 所述多個縱向延伸區段的所述出口端大體上限定了出口面。所述入口面和所述出口面可相 對于所述安裝表面以非平行且非垂直的角度延伸。
[0033] 在一個實施例中，提供了一種進氣加熱器系統。所述系統包含內燃機的發動機部 件，所述發動機部件限定了進氣流路的至少一部分。所述系統包含被可操作地安裝至所述 發動機部件的空氣加熱器，所述空氣加熱器與所述進氣流路的由所述發動機部件限定的所 述部分流體連通。電子控制裝置電聯接至所述空氣加熱器以控制所述空氣加熱器。所述電 子控制裝置被永久性地聯接至所述發動機部件。
[0034]在一個實施例中，所述發動機部件限定了所述電子控制裝置的多個電子部件被永 久地固定于其中的腔。
[0035]在一個實施例中，所述電子控制裝置的所述多個電子部件借助熱粘膠被永久地固 定于所述發動機部件的所述腔內。
[0036]在一個實施例中，所述發動機部件限定了用于電子控制裝置的電子部件的外殼， 其中無法從所述電子控制裝置移除所述電子部件。
[0037] 在一個實施例中，所述發動機部件具有大體上矩形的外周邊，且所述發動機部件 的限定所述電子部件的外殼的一部分延伸于所述矩形的外周邊之外，以便在安裝至發動機 時將所述外殼的下側暴露至圍繞所述發動機部件的周圍空氣。
[0038] 在一個實施例中，所述發動機部件是進氣歧管蓋。
[0039]在一個實施例中，提供了一種用于內燃機的空氣加熱器的控制裝置，所述空氣加 熱器具有加熱元件。所述控制裝置包含被配置成用于接通和關斷供向所述空氣加熱器的電 力的電子控制器。還提供了一種輸出電接觸件，所述輸出電接觸件限定了用于容納連接件 的通孔以將所述空氣加熱器的電引線固定到所述電子控制器。
[0040] 在一個實施例中，所述電子控制器是固態繼電器。
[0041 ]在一個實施例中，所述輸出電接觸件限定了圍繞所述孔、在軸向端部上的鄰接表 面。在一個實施例中，所述連接件是延伸穿過所述孔的螺栓。螺母安裝至所述螺栓且鄰接所 述輸出電接觸件的鄰接表面。
[0042]在一個實施例中，所述電子控制器和所述輸出電接觸件被永久地固定至所述外 殼。
[0043]在一個實施例中，提供了一種用于內燃機的空氣加熱器的控制裝置，所述空氣加 熱器具有加熱元件。所述控制裝置包含被配置成用于接通和關斷供向所述空氣加熱器的電 力的電子控制器，以及包含螺紋螺柱軸的輸出電接觸件，以將所述空氣加熱器的電引線固 定到所述電子控制器。
[0044] 在一個實施例中，所述電子控制器是固態繼電器。
[0045] 在一個實施例中，所述電子控制器包含限定了底部安裝表面的外殼。所述螺柱軸 軸向向外延伸超出所述安裝表面。
[0046] 在一個實施例中，所述輸出電接觸件包含附接至所述螺柱軸的增大的頭部。所述 外殼限定了與所述底部安裝表面相反的頂部表面。所述外殼限定了通孔，所述通孔延伸穿 過所述底部安裝表面和所述頂部表面。所述增大的頭部大于所述通孔。
[0047] 在一個實施例中，所述電子控制器和所述輸出電接觸件被永久地固定至所述外 殼。
[0048] 在另一實施例中，提供了一種用于內燃機的空氣加熱器裝置。所述裝置包含發動 機部件、空氣加熱器、控制器、熱電偶電路和電壓表。所述空氣加熱器具有加熱元件，所述加 熱元件適于加熱穿過其中的用于內燃機的進氣。所述加熱元件被可操作地電聯接至所述發 動機部件。所述發動機部件和所述加熱元件是由不同的導電材料形成的。所述控制器被配 置成控制對所述空氣加熱器的電力供應。所述熱電偶電路具有在第一電接點處聯接到所述 加熱元件的第一引線以及在第二電接點處聯接到所述發動機部件的第二引線。電壓表被配 置成感測所述第一電接點和所述第二電接點之間的電壓差。
[0049] 在一