CN101403333B - 用于调节内燃机的增压空气温度的方法 - Google Patents

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Abstract

用于调节内燃机的增压空气温度的方法，其中冷却剂流在中间冷却器前依赖于组合特性曲线恒温器阀的位置分为中间冷却器冷却剂流和旁路冷却剂流，其中在中间冷却器后通过中间冷却器冷却剂流及旁路冷却剂流的汇合的份额来确定增压空气冷却器冷却剂流的温度，并且增压空气温度通过增压空气冷却器冷却剂流的温度来确定。该方法的特征在于，计算额定增压空气温度相对于实际增压空气温度的调节偏差，通过增压空气温度调节器从调节偏差中计算额定旁路冷却剂流作为调节参数，通过计算单元从额定旁路冷却剂流中确定用于向组合特性曲线恒温器阀加载负荷的触发信号并且通过触发信号来确定组合特性曲线恒温器阀的位置。

Description

用于调节内燃机的增压空气温度的方法
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于对内燃机的增压空气温度进行调节的方法。
背景技术
从杂志Schiff&Hafen/Kommandobrücke，1990年第1期/，第49和50页中公开了一种内燃机的冷却剂回路。所述冷却剂回路包括具有冷却剂泵的高温回路和从所述高温回路中分支出来的低温回路。在所述低温回路中串联布置了恒温器阀、具有旁通管路的中间冷却器、增压空气冷却器以及润滑油换热器。在从所述高温回路中分支出来的低温回路中的冷却剂流通过所述恒温器阀的位置被分为流经中间冷却器的中间冷却器冷却剂流和旁路冷却剂流。在所述中间冷却器之后，所述两股冷却剂流又汇合并且作为增压空气冷却器冷却剂流输送给所述增压空气冷却器。所述恒温器阀由此通过所述冷却剂流的划分来确定所述增压空气冷却器冷却剂流的温度。所述增压空气冷却器冷却剂流的温度又通过与所述增压空气温度之间的温差来定义从增压空气冷却器中的增压空气中抽去的热量。比如在内燃机全负荷运行时，所述恒温器阀完全打开，使得所述低温回路的全部冷却剂流流经所述中间冷却器并且因此从所述增压空气中抽去尽可能多的热量。在所述内燃机空载运行时，所述恒温器阀完全关闭，由此所述低温回路的全部冷却剂流通过所述旁通管路流动并且从所述增压空气中抽去少量热量。恒温的工作元件比如膨胀材料元件确定所述恒温器阀的开关状态，所述膨胀材料元件随冷却剂流的温度上升而膨胀，由此打开所述恒温器阀，或者该膨胀材料元件随冷却剂流的温度下降而缩短，并且在弹力支持下关闭。受所述恒温器阀的结构的限制，还没有在所有的工作点中对所述增压空气温度进行调节。
从DE 201 22 420 U1中公开了一种能够电加热的恒温器阀，在该恒温器阀上通过加热元件的电触发可以移动恒温的工作元件的特性曲线。比如在冷的内燃机中并且在所要求的负荷大时可以通过所述旁通管路在比通过所述恒温的工作元件给定的时刻早的时刻来影响所述冷却剂流。在接下来的文字说明中，将所述的恒温器阀称为组合特性曲线恒温器阀。用于触发这种组合特性曲线恒温器阀的相应的方法从DE102 23 686 A1中得到公开。其中说明了用工作元件的预控制进行两点调节。但是，关于在上面所说明的冷却剂回路中调节增压空气温度，该方法没有提供实质的改进。
发明内容
因此，本发明的任务是，设计一种用于在前述冷却剂回路中调节增压空气温度的改进的方法。
该任务通过权利要求1所述特征得到解决。在从属权利要求中介绍了改进方案。
对增压空气温度进行调节，方法是计算额定增压空气温度相对于实际增压空气温度的调节偏差，并且通过增压空气温度调节器从所述调节偏差中计算额定旁路冷却剂流作为调节参数。然后通过计算单元从所述额定旁路冷却剂流中确定用于向所述组合特性曲线恒温器阀加载负荷的触发信号。最后通过所述触发信号来确定所述组合特性曲线恒温器阀的位置。在所述计算单元中合并了用于计算额定恒温器位移的第一功能块、用于从所述额定恒温器位移中计算额定电压的第二功能块以及用于将所述额定电压转换为触发信号比如PWM信号的第三功能块。在此通过逆转的恒温器组合特性曲线及校正曲线来计算所述额定电压。
按本发明的方法允许在内燃机的整个工作范围内调节增压空气温度。优点是：通过增压空气温度的降低，在减少的意义上改善有害物质排放。增压空气温度的提升降低了点火压力梯度，由此积极地影响内燃机的负荷及运行平稳性。
通过阻止内燃机及排气管变冷来减少白烟形成及黑烟形成及燃料消耗。此外，所述增压空气温度的调节从现在起不依赖于在中间冷却器中所输入的冷却介质比如海水的温度。
在本发明的一种改进方案中，补充地从预控制值中计算额定旁路冷却剂流作为调节参数。所述预控制值依赖于发动机转速及确定功率的信号比如额定力矩或额定喷射量通过组合特性曲线来确定。
附图说明
在附图中示出了优选的实施例。其中：
图1是系统图解，
图2是用于增压空气调节的调节回路，
图3是计算单元的方框图，
图4是时间图表(图4A到4F)并且
图5是程序流程图。
具体实施方式
图1示出了系统图解。用于对内燃机1进行冷却的冷却回路包括具有冷却剂泵14的高温回路2和低温回路3。所述低温回路3在位置A处从所述高温回路2中分支出来并且在位置B处又汇入所述高温回路2中。通过在所述高温回路2中未示出的节流点来调节所述高温回路2及低温回路3中的冷却剂流。在从所述高温回路2中出来的分支点(位置A)之后的低温回路3中的冷却剂流在附图中标记为冷却剂流4。在所述低温回路3中串联布置了组合特性曲线恒温器阀6、具有旁通管路的中间冷却器5、增压空气冷却器10以及具有旁通管路的润滑油换热器11。所述冷却剂流4依赖于所述组合特性曲线恒温器阀6的位置分为中间冷却器冷却剂流7和/或旁路冷却剂流8。在所述组合特性曲线恒温器阀6完全关闭时，整个冷却剂流4通过所述旁通管路从所述中间冷却器5旁边经过。在所述组合特性曲线恒温器阀6完全打开时，整个冷却剂流4流经所述中间冷却器5。在所述中间冷却器5中，从所述中间冷却器冷却剂流7到海水中进行热传导，由此对所述中间冷却器冷却剂流7进行冷却。通过自己的海水泵13来输入海水。在流经所述中间冷却器5之后又将海水导回。在附图中，用附图标记SW Zu来表示海水输入并且用附图标记SW Ab来表示海水输出。
在位置C上，所述中间冷却器冷却剂流7及旁路冷却剂流8再度汇合。这相当于增压空气冷却器冷却剂流9，其温度通过所述中间冷却器冷却剂流及旁路冷却剂流的体积份额及温度来确定。所述增压空气冷却器冷却剂流9而后流经所述增压空气冷却器10。在该增压空气冷却器10中，从所述增压空气到所述增压空气冷却器冷却剂流9中进行热传导，由此使所述增压空气剧烈冷却。在此通过未示出的废气涡轮增压器的压缩机来输入增压空气。在流经所述增压空气冷却器10之后，所述增压空气被输入内燃机1的燃烧室。在附图中，用LL Zu表示增压空气输入并且用附图标记LL Ab表示增压空气输出。然后，经过加热的增压空气冷却器冷却剂流9流经润滑油换热器11。在该润滑油换热器11中，从润滑剂到所述增压空气冷却器冷却剂流9中进行热传导，由此对润滑剂进行冷却。在附图中，用附图标记L Zu表示润滑剂输入并且用附图标记
Figure 2008101687415100002G2008101687415D0004104128QIETU
L Ab表示润滑剂输出。所述增压空气冷却器冷却剂流9的一部分通过旁通管路从所述润滑油换热器11的旁边流过。在点D处，两股体积流再度汇合并且在点B处馈入所述高温回路2中。
用附图标记12表示电子式发动机控制器(ECU)。通过该电子式发动机控制器来确定所述内燃机1的状态。该电子式发动机控制器12包含微型计算机系统的常见组成部分，比如微处理器、输入/输出组件、缓冲器及存储组件(EEPROM、RAM)。在所述存储组件中，在组合特性曲线/特性曲线中应用对所述内燃机1的运行来说重要的运行数据。所述电子式发动机控制器12通过所述组合特性曲线/特性曲线从输入参数计算输出参数。在图1中示范性地示出了以下输入参数：转速nMOT、由温度传感器15测量的增压空气温度TLL(原始值)、由温度传感器16测量的(高温回路)冷却剂温度TKM以及输入参数EIN。对于所述输入参数EIN比如概括了共轨系统的轨压和由操作者输入的功率要求。作为所述电子式发动机控制器12的输出参数，示出了用于触发所述组合特性曲线恒温器阀6的信号PWM以及参数AUS。所述参数AUS代表其它用于控制和调节内燃机1的调节信号，比如用于喷射开始或喷射结束的调节信号以及用于在共轨系统上触发吸入压力调节阀的信号。
图2示出了用于调节增压空气温度的调节回路。所述调节回路的输入参数是额定增压空气温度TLL(SL)、转速nMOT、确定功率的信号ve、(高温回路)冷却剂温度TKM以及电池电压UB。所述确定功率的信号ve相当于在基于力矩的发动机调节中的额定力矩或者在基于喷射量的发动机调节中的额定喷射量。如果识别出内燃机的停止状态，就不输出触发信号。这意味着，所述组合特性曲线恒温器阀完全关闭。所述调节回路的输出参数相当于所述增压空气温度TLL的原始值。
依赖于所述转速nMOT及所述确定功率的信号ve，作为未示出的3D组合特性曲线的输出参数来计算所述额定增压空气温度TLL(SL)。可选可以设置滤波器。从所述额定增压空气温度TLL(SL)及实际增压空气温度TLL(IST)中，在点A处计算调节偏差dTLL。所述调节偏差dTLL是增压空气温度调节器17的输入参数。所述增压空气温度调节器17优选设计为PI调节器，也可以是PID调节器或者PIDT1调节器。为改进调节动态性，也可以依赖于所述调节偏差dTLL来计算比例系数kp，用于计算p份额：
kp＝kpSTAT+kpDYN     其中：kpDYN＝f(dTLL)
其中kp意味着比例系数，kpSTAT意味着预先给定的静态的比例系数并且kpDYN意味着动态的比例系数。在此通过单元23来计算动态的比例系数kpDYN。
所述增压空气温度调节器17的输出参数S1在点B处可选与预控制值VS相加。其和相当于信号S2。所述预控制值VS通过预控制组合特性曲线18来求得。该预控制组合特性曲线18有两个输入参数：转速nMOT及所述确定功率的信号ve。在点B处的相加代表干扰量重接()并且应该改进调节回路的动态性。如果没有设置预控制，那就将所述增压空气温度调节器17的I-份额向下限制在数值零上。在应用预控制时，将所述增压空气温度调节器17的I-份额向下限制在负的预控制值VS上。向上则依赖于所述转速nMOT将所述增压空气温度调节器17的I-份额限制在以下数值上：
WERT＝(nMOT·VMAX)/nNENN           (公式1)
其中：
nMOT                   当前转速
nNENN                  额定转速
VMAX                   最大的旁路冷却剂流
所述信号S2的数值向下限制在零上并且向上根据公式1来限制。因此上限值相当于所述分配值WERT。这通过限制环节19来进行。所述限制环节19的输出参数代表所述增压空气温度调节回路的调节参数，附图标记SG。它与所述额定旁路冷却剂流相同。所述额定旁路冷却剂流的下限值是零。根据公式1来计算所述上限值，其中WERT相当于上限值。
通过计算单元20依赖于所述转速nMOT、(高温回路)冷却剂温度TKM和电池电压UB将所述调节参数SG转换为触发信号PWM。所述计算单元20在图3中示出并且结合该图3来解释。通过开关SR，要么将所述触发信号PWM(实线)要么将恒定的数值0％(虚线)导送到调节对象21上。所述调节对象21包括所述组合特性曲线恒温器阀6、具有旁通管路的中间冷却器5以及增压空气冷却器10。所述调节对象21的输出参数也就是调节参数相当于所述增压空气温度TLL的原始值。通过布置在反馈回路中的滤波器22，从所述增压空气温度TLL的原始值中计算实际增压空气温度TLL(IST)并且反馈到点A上。由此使所述调节回路闭合。
在此可以对所述调节回路的效用进行如下解释：如果所述实际增压空气温度TLL(IST)小于所述额定增压空气温度TLL(SL)，那就必须提高旁路冷却剂流，以便可以使所述实际增压空气温度TLL(IST)上升。之所以这样，是因为在调节偏差为正时所述调节回路的调节参数SG变大。如果相反所述实际增压空气温度TLL(IST)大于所述额定增压空气温度TLL(SL)，那就必须减少旁路冷却剂流，以便对所述冷却剂及实际增压空气温度TLL(IST)进行冷却。这通过以下方式来实现，即在调节偏差dTLL为负时所述调节回路的调节参数SG减小。
图3示出了所述计算单元20的方框图。所述计算单元20包括用于计算额定恒温器位移sTH(SL)的第一功能块24、用于计算额定电压U(SL)的第二功能块25以及用于将所述额定电压U(SL)转换为触发信号PWM的第三功能块26。通过所述第一功能块24，依赖于所述转速nMOT借助数学函数从所述调节参数SG中计算所述额定恒温器位移sTH(SL)。在一种简单的实施方式中，作为数学函数存放了用于下降的直线的线性方程。通过以下方式来确定所述直线的第一角点，即在额定恒温器位移sTH(SL)最大时，所述组合特性曲线恒温器阀完全打开并且由此额定旁路冷却剂流为零。通过以下方式来确定所述直线的第二角点，即在额定恒温器位移sTH(SL)为零时，所述组合特性曲线恒温器阀完全关闭并且额定旁路冷却剂流最大。所述最大额定旁路冷却剂流依赖于所述转速nMOT。根据公式1来计算所述最大额定旁路冷却剂流，其中WERT相当于所述最大额定旁路冷却剂流。
通过所述第二功能块25将所述额定恒温器位移sTH(SL)换算为额定电压U(SL)。所述组合特性曲线恒温器阀的物理状态如下：如果在确定的冷却剂温度时在该组合特性曲线恒温器阀上加载确定的电压，那就获得确定的恒温器位移(Thermostatweg)。如果冷却剂的温度改变或者加载其它电压，那么也就获得其它的恒温器位移。这种关联可以以3D组合特性曲线的形式来说明：
sTH(SL)＝f(TKW，U(SL))
其中TKW表示冷却剂温度，U(SL)表示额定电压并且sTH(SL)表示额定恒温器位移。为调节所述增压空气温度TLL，必须使该组合特性曲线逆转。由此适用：
U(SL)＝f[TKW，sTH(SL)]
因此依赖于所述冷却剂温度TKM及所述额定恒温器位移sTH(SL)来计算所述额定电压U(SL)。加热元件到所述组合特性曲线恒温器阀的膨胀材料元件中的热量输入依赖于冷却剂的流动速度。因此，如果冷却剂流动较快，那么到所述膨胀材料元件中的热量输入可能更小一些。而冷却剂的流动速度又依赖于转速，因为冷却剂泵(图1:14)由内燃机的曲轴驱动。逆转的恒温器组合特性曲线用附图标记27来表示。由于转速依赖性，在所述逆转的恒温器特性曲线27的后面连接了依赖于转速的校正曲线28。所述第二功能块25的输出参数是额定电压U(SL)。
通过所述第三功能块26，为所述额定电压U(SL)分配用于向所述组合特性曲线恒温器阀加载负荷的触发信号PWM。此外，通过计算单元29依赖于电池电压UB将所述额定电压U(SL)换算为PWM信号的接通持续时间。所述输出参数相当于信号PWM1并且以百分比这个单位进行定义。因为在组合特性曲线恒温器阀中加热元件的电阻依赖于冷却剂的温度并且不得超过电子式发动机控制器中的输出级的最大输出功率，所以所述信号PWM1通过限制环节30依赖于所述电池电压UB及冷却剂温度TKW来限制。在所述限制环节30中，存放了相应的3D组合特性曲线。所述第三功能块26的输出信号是所述触发信号PWM，利用该触发信号PWM来触发所述组合特性曲线恒温器阀。
图4示出了用于同一个过程的时间图表。图4包括分图4A到4F。图4A示出了额定增压空气温度TLL(SL)，图4B示出了实际增压空气温度TLL(IST)，图4C示出了调节参数SG，图4D示出了额定恒温器位移sTH(SL)，图4E示出了额定电压U(SL)并且图4F示出了触发信号PWM，利用该触发信号PWM向所述组合特性曲线恒温器阀加载负荷。在时刻t1，整个系统处于稳定的状态中。在此假设，所述额定增压空气温度TLL(SL)在时刻t2跳跃性地从60℃变化到50℃并且在时刻t4又跳跃性地从50℃变化到60℃。
由于增压空气温度调节而获得以下信号变化曲线：
如果在时刻t2降低所述额定增压空气温度TLL(SL)，那就获得负的调节偏差。所述增压空气温度调节器对此在时间间隔t2/t3中通过以下方式作出反应，即其减少相当于额定旁路冷却剂流的调节参数SG(图4C)。减少的调节参数SG通过所述计算单元20被换算成增加的额定恒温器位移sTH(SL)，参见图4D，被换算成走向与此类似的额定电压U(SL)，参见图4E，以及被换算成在接通持续时间里增加的触发信号PWM(图4F)。由此，沿打开方向向所述组合特性曲线恒温器阀加载负荷，使得旁路冷却剂流下降。相应地，从中间冷却器中流过的中间冷却器冷却剂流则上升。这意味着，冷却功率得到增大。作为结果，获得下降的实际增压空气温度TLL(IST)，该实际增压空气温度TLL(IST)渐近地接近所述额定增压空气温度TLL(SL)。
如果相反在时刻t4提高所述额定增压空气温度，那就获得一个正的调节偏差。因此所述增压空气温度调节器在时间间隔t4/t5中计算一个增加的调节参数SG。通过所述计算单元20为所述增加的调节参数SG分配下降的额定恒温器位移sTH(SL)、走向与此类似的额定电压U(SL)以及在接通持续时间里下降的触发信号PWM。由此沿关闭方向向所述组合特性曲线恒温器阀加载负荷，使得所述旁路冷却剂流增加。相应地，中间冷却器冷却剂流则减少。这意味着，冷却功率下降。作为结果获得上升的实际增压空气温度TLL(IST)，该实际增压空气温度TLL(IST)又渐近地接近所述额定增压空气温度TLL(SL)。
图5示出了程序流程图。在S1中，通过3D组合特性曲线依赖于转速及确定功率的信号比如额定力矩或者额定喷射量来计算额定增压空气温度TLL(SL)。在S2中检测增压空气温度TLL(原始值)并且进行滤波。结果相当于实际增压空气温度TLL(IST)。然后在S3中计算调节偏差dTLL。在S4中，通过增压空气温度调节器依赖于所述调节偏差dTLL来计算输出信号S1。在S5中，通过预控制(图2：18)来计算预控制值VS，并且在S6中将所述两个信号S1及VS的数值相加。其和相当于调节信号SG。在S7中，依赖于转速来限制所述调节信号SG。而后在S8中，通过第一功能块(图3：24)来确定额定恒温器位移sTH(SL)，在S9中通过逆转的恒温器组合特性曲线并且在S10中通过校正曲线来计算额定电压U(SL)。然后从所述额定电压U(SL)中依赖于电池电压UB来计算信号PWM1并且在S12中依赖于电池电压UB及冷却剂温度对该信号PWM1进行限制。输出数值相当于触发信号PWM，最后利用该触发信号向所述组合特性曲线恒温器阀加载负荷。由此结束所述程序流程。
通过对增压空气温度进行调节，归纳起来获得以下优点：
-在减少的意义上改进有害物质排放；
-降低点火压力梯度；
-减少白烟及黑烟产生；
-降低燃料消耗；
-发动机磨损更小；
-增压空气温度不依赖于中间冷却器的冷却剂，比如海水温度。
附图标记列表
1                           内燃机
2                           高温回路
3                           低温回路
4                           冷却剂流(在中间冷却器之前)
5                           中间冷却器
6                           组合特性曲线恒温器阀
7                           中间冷却器冷却剂流
8                           旁路冷却剂流
9                           增压空气冷却器冷却剂流
10                          增压空气冷却器
11                          润滑油换热器
12                          电子式发动机控制器
13                          海水泵
14                          冷却剂泵
15                          温度传感器，增压空气
16                          温度传感器，冷却剂
17                          增压空气温度调节器
18                          预控制组合特性曲线
19                          限制环节
20                          计算单元
21                          调节对象
22                          滤波器
23                          用于计算动态的比例系数kpDYN的单元
24                          第一功能块
25                          第二功能块
26                          第三功能块
27                          逆转的恒温器组合特性曲线
28                          校正曲线
29                          计算单元
30                          限制环节

Claims (10)

1.用于对内燃机(1)的增压空气温度(TLL)进行调节的方法，其中冷却剂流(4)在中间冷却器(5)前依赖于组合特性曲线恒温器阀(6)的位置分为中间冷却器冷却剂流(7)和旁路冷却剂流(8)，其中在所述中间冷却器(5)后通过所述中间冷却器冷却剂流(7)及所述旁路冷却剂流(8)的汇合的份额来确定增压空气冷却器冷却剂流(9)的温度，并且其中所述增压空气温度(TLL)通过所述增压空气冷却器冷却剂流(9)的温度来确定，
其特征在于，
计算额定增压空气温度(TLL(SL))相对于实际增压空气温度(TLL(IST))的调节偏差(dTLL)，通过增压空气温度调节器(17)从所述调节偏差(dTLL)中计算额定旁路冷却剂流作为调节参数(SG)，通过计算单元(20)从所述额定旁路冷却剂流中确定用于向所述组合特性曲线恒温器阀(6)加载负荷的触发信号(PWM)并且通过所述触发信号(PWM)来确定所述组合特性曲线恒温器阀(6)的位置。
2.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，
补充地从预控制值(VS)中计算所述额定旁路冷却剂流作为调节参数(SG)，所述预控制值(VS)依赖于发动机转速(nMOT)及确定功率的信号(ve)通过预控制组合特性曲线(18)来确定。
3.按权利要求2所述的方法，
其特征在于，
将所述增压空气温度调节器(17)的I-份额限制在一个下限值上，该下限值相当于负的预控制值(VS)。
4.按前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
将所述增压空气温度调节器(17)的I-份额限制在一个上限值上，依赖于发动机转速(nMOT)、额定转速(nNENN)和最大旁路冷却剂流(VMAX)来计算该上限值。
5.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，
从静态的比例系数(kpSTAT)和动态的比例系数(kpDYN)中确定所述增压空气温度调节器(17)的P-份额，其中依赖于所述调节偏差(dTLL)来计算所述动态的比例系数(kpDYN)。
6.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，
从额定旁路冷却剂流中计算用于向所述组合特性曲线恒温器阀(6)加载负荷的触发信号(PWM)，方法是在计算单元(20)中通过第一功能块(24)为所述调节参数(SG)分配额定恒温器位移(sTH(SL))，通过第二功能块(25)将所述额定恒温器位移(sTH(SL))转换为额定电压(U(SL))，并且通过第三功能块(26)从所述额定电压(U(SL))中计算触发信号(PWM)。
7.按权利要求6所述的方法，
其特征在于，
通过逆转的恒温器组合特性曲线(27)以及通过校正曲线(28)从额定恒温器位移(sTH(SL))中计算所述额定电压(U(SL))。
8.按权利要求7所述的方法，
其特征在于，
通过计算单元(29)和限制环节(30)从所述额定电压(U(SL))中来确定触发信号(PWM)。
9.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，
随着发动机停止状态的识别将所述触发信号(PWM)设置为零。
10.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，
对所述额定增压空气温度(TLL(SL))进行滤波并且通过滤波器(22)从所述增压空气温度(TLL)中计算实际增压空气温度(TLL(IST))。
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