CN102149907A - 用于控制冷却液体的流速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制内燃发动机中的冷却液体的流速的方法，该发动机包括壳体和水泵。利用对蓄积的功率的计算(E)来估算与该壳体中的最热点相对应的材料温度，该蓄积的功率是通过当冷却液体运动时与恢复到该冷却液体中的能量相对应的恢复能量积分(P_eau(t))来计算的。

Description

用于控制冷却液体的流速的方法

技术领域

本发明涉及在机动车辆的内燃发动机中控制水泵的领域。本发明具体涉及一种用于控制冷却液体的流速的方法，该冷却液体通过机动车辆的内燃发动机中的水泵进行循环。

背景技术

这样的机动车辆包括机械或电动水泵。

水泵的任务是将速度能量转换为压力能量。由于涡轮处的涡壳的渐进式截面，流体的速度减小并且压力增大。

如图1中所示，机械水泵包括容纳在发动机的壳体M9中的体部M8、轴M2、同轴地安装该轴上的涡轮M1及带轮M3、动态密封件M4以及滚动轴承M5。

发动机的体部M8从三个侧面界定一蓄存器M6。(蓄存器的)最后一个侧面由滚动轴承M5界定。

带轮M3、滚动轴承M5、密封件M4以及涡轮M1是沿着轴M2顺次定位的。带轮M3、滚动轴承M5以及密封件M4的一部分布置在称为干侧的第一部分中。涡轮M1以及密封件M4的另一部分布置在与冷却液体相接触的第二部分中。

带轮M3被发动机驱动而旋转。该旋转运动通过轴M2传递到涡轮M1上。滚动轴承M5使得能确保该旋转运动伴随着良好水平的引导以及低的磨损。密封件M4确保干侧部分和与冷却液体相接触的部分之间的密封。该密封件M4包括两个环。第一环固定并且连接到体部M8上。第二环可以旋转并且连接到轴M2上。

为了限制密封件M4的温度，允许冷却液体通过密封件M4有小的漏泄。该漏泄被蓄存器M6接收，在该蓄存器中该液体通过接触空气而凝固。

在装备有机械式水泵的发动机中，冷却液体通过发动机来循环。因此，一旦发动机旋转，该冷却液体就循环并且冷却该发动机。

然而，在一些情况中，尤其是在起动时和/或当环境温度低时，希望该水泵是未被起动的。事实上，只要发动机的温度未超出给定的临界温度-超出该临界温度则存在发动机运行异常的风险，就不需要对其进行冷却。

而且，发动机的温度越高，润滑油的粘度就越低，这可减少摩擦并因此减少发动机的消耗(损耗)。

如图2中所示，电动水泵包括体部E8、轴E2、同轴并且联结地安装在该轴上的涡轮E1、两个轴承E4以及磁体E6。体部E8中容纳有线圈E5，该线圈相对于磁体E6固定。

所述轴承设置在磁体E6的两侧。涡轮E1处于体部E8外面。

在电动水泵的情况下，旋转运动不是通过热力发动机而是由电动机来传递的。当线圈被供电时，由此产生的磁场通过磁体E6使轴E2转动。

干侧部分和与冷却液体相接触的部分之间的密封由静态密封组件E3提供。

机械水泵中的滚动轴承M5在电动水泵中由两个总体上由碳制成的轴承E4替代，这两个轴承浸没在冷却液体中并且因此可以自然冷却。不存在漏泄。

文献JP2005-256642说明了一种方法，该方法包括以下步骤：检测冷却液体的温度thw；在所检测的冷却液体的温度的基础上借助于thw/Pb查询表确定相应的基本输出Pb；估算发动机的温度Tm；计算发动机的温度与冷却液体的温度之间的差值(Ts＝Tm-Tf)；借助于Ts/V查询表确定校正系数V；最后使用该校正系数V来修正将送入电动水泵的基础输出Pb。

文献JP2000-303841说明了一种允许控制电动水泵的方法，该方法使用：发动机的水套中的冷却液体的温度与第一阈值之间的比较；发动机的散热器中的冷却液体的温度与第二、第三及第四阈值之间的比较。

这两种推荐的解决方案使用了温度传感器，所述温度传感器应当具备鲁棒性，因为它们被用于热的环境(约100℃的水温)中，如果不具备鲁棒性就存在所检测的温度有误差的风险。因此这些解决方案成本很高。

目前，将会有利的是利用现今可获得的在内燃发动机的众多型号上已经存在的装置。

已经提出了此类解决方案。

文献US2003/0113213说明了一种方法，其中确定发动机内存在的冷却液体的温度并将其与参考温度相比较，或者将从起动时起喷入发动机中的燃料的量与燃料的一参考量进行比较。这些比较使之可能通过电动水泵来控制冷却液体的循环。

然而，使用喷射的燃料的量来确定开启电动水泵的时刻不是可靠的解决方案。因为燃料的量不是直接与发动机中的最热点的温度(正是这个温度确定电动水泵何时需要运行)相联系的，该最热点的温度取决于许多参数，这些参数包括发动机的效率、燃烧空气混合物、燃料品质等。

文献DE 10248552说明了一种方法，其中当以下值中的至少一个超出对应的阈值时就指示开启电动水泵：冷却液体的温度；所进入的空气的温度；加热功率；以及运行的持续时间。

同样，如果发动机的速度超出速度阈值并且同时车辆的速度超出速度阈值，就将电动水泵开启。

然而，这种方法的缺点之一是在确定的运行持续时间结束时水泵才被开启。这就是说，不管环境温度如何，一旦发动机已经运转了比该运行持续时间更长的时间，冷却液体就进行循环，即使在特定条件下不冷却对于发动机将更经济-因为这台发动机仍是冷的-时也是如此。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种用于控制冷却液体的流速(流量，流率)的方法，该冷却液体用于大多数内燃发动机中已经存在的设备。

为此，本发明提出一种用于控制内燃发动机中的冷却液体的流速的方法，该内燃发动机包括壳体以及水泵，其特征在于，估算对应于该壳体中的最热点的材料温度，该估算是利用对蓄积(积累，储存)的能量(énergie)的计算而实现的，所述蓄积的能量是通过当冷却液体运动时与恢复(释放，放出)到该冷却液体中的功率(能量，puissance)相对应的恢复功率的积分来计算的。

根据本发明的方法的一个优点是它允许更精确地估算内燃发动机的温度，并因此使水泵的运行更经济。

其它非限制性和可选的特征是：

-该方法包括以下步骤，这些步骤包括利用(从其开始)发动机速度(转速，工况)和发动机功率确定恢复功率；

-该方法包括以下步骤，这些步骤包括利用恢复功率和发动机状态来确定对冷却液体的流速的决定(判定)；

-所述包括确定对冷却液体的流速的决定的步骤包括以下子步骤：当发动机的状态与该发动机的起动相对应时，将第一能量阈值初始化；只要蓄积的能量低于该第一能量阈值，就利用蓄积的功率反复地(重复地，迭代地)计算蓄积的能量；一旦蓄积的能量达到或超出该第一能量阈值就停止对蓄积的能量的计算；

-对冷却液体的流速的决定如下进行：只要蓄积的能量低于该第一能量阈值，冷却液体就不进行循环；而一旦该蓄积的能量达到或超出该第一能量阈值，冷却液体就进行循环；

-所述包括确定对冷却液体的流速的决定的步骤进一步包括，当发动机的状态与发动机的起动相对应时，将比该第一能量阈值低的一第二中间能量阈值初始化的子步骤；

-对冷却液体的流速的决定如下进行：只要蓄积的能量低于第二中间能量阈值，该冷却液体就不进行循环；一旦蓄积的能量达到或超出该第二中间能量阈值并且只要它低于第一能量阈值，该冷却液体就以第一流速进行循环；一旦蓄积的能量达到或超出该第一能量阈值，该冷却液体就以比第一流速高的第二流速进行循环；

-该方法包括第一安全模式，该第一安全模式包括一旦与该发动机中的冷却液体温度相对应的液体温度达到或超出温度阈值，就至少以一预先确定的第三流速来循环该冷却液体；

-该方法进一步包括第二安全模式，该第二安全模式包括在从发动机起动时算起的预定时间已经过去之后(在该预定时间结束时)，至少以一预先确定的第四流速来循环该冷却液体；

-该第一能量阈值以及-如有必要-该第二中间能量阈值的初始化是根据发动机起动时该发动机中的冷却液体的温度的变化来进行的；并且

-利用蓄积的能量估算材料温度是使用一蓄积的能量/材料温度的查询表来进行的；并且，该蓄积的能量/材料温度的查询表是通过预定旋转速度的学习程序(apprentissage)并且当蓄积的功率稳定时得到的。

本发明还提出一种用于控制冷却液体的流速的系统，该系统实施如上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该系统包括：

-壳体温度传感器；

-确定单元，该确定单元用于利用发动机速度以及发动机扭矩来确定蓄积的功率；以及

-决定单元，该决定单元根据蓄积的能量(的变化)来确定冷却液体的流速。

附图说明

通过阅读下面的详细说明，本发明的其它特征、目的和优点将变得清楚，所述详细说明参照附图作为非限制性示例给出，在附图中：

-图1是机械水泵的示意图；

-图2是电动水泵的示意图；

-图3是用于确定所蓄积的功率的单元的示意图；

-图4是示出根据本发明的决定单元的第一实施方案的流程图；

-图5是示出根据本发明的决定单元的第二实施方案的流程图；

-图6是用于监测冷却液体的温度的单元的示意图；以及

-图7是根据本发明的方法的一个示例性实施方案的示意图。

具体实施方式

如已经说明的，构成发动机的材料越热，发动机润滑油的粘度就越低。这导致减少摩擦并且因此导致减少燃料消耗。

然而，发动机的材料不得超出一临界温度。超出该临界温度，发动机就不再是可靠的，并且可能发生大的发动机损坏。

但是，取决于室温，在起动之前，发动机的材料的温度(以下称为“材料温度”)可能在该临界温度之下。

在从起动到材料温度超过临界温度的时刻为止的时间段中，因此有利的是不对发动机进行冷却。

这就是在特定情况下使装配有电动水泵的发动机的冷却回路中的冷却液体延迟循环是有益的原因。

为了确定需要使冷却液体循环的时刻，必须要确定发动机的材料温度。所考虑的发动机的材料温度应当是该发动机的一个点的温度T_max，该点是最热的点P1。

优选地，该点P1位于排气装置/排气阀桥处。

然而，该温度T_max的获取在成本和可靠性方面是不利的。因此，根据本发明，这个温度T_max是利用发动机中蓄积的能量的量来确定的。

当电动水泵运行时，所蓄积的能量恢复到冷却液体中。如果该冷却液体未循环，则所述量的能量被传输到发动机的材料上，导致该材料升温。

将起动时的材料温度考虑在内，因此所蓄积的能量的量是材料温度的可靠的代表。此外，使用蓄积的能量/材料温度查询表进行该温度的估算。

所蓄积的能量的量由以下关系表达：

其中t0是周期开始的时刻，t1是考虑所蓄积的能量的时刻；P_eau是在使冷却液体循环时恢复到该冷却液体中的功率，如果冷却液体未循环则恢复到发动机的材料中；N(t)是在时刻t下发动机的速度；PME(t)是在时刻t下的有效发动机功率。

所述能量的量是通过一用以确定所蓄积的能量的确定单元来确定的，该确定单元工作方式如下。

利用热量/水查询表来确定功率P_eau，该查询表是以双输入表(发动机的速度和有效发动机功率)的形式来表达的。

该表是通过试验预先确定的，其中功率P_eau是针对该表中的每个对(N(t)；PME(t))进行测量的。

然后将能量E与一能量阈值E_seuil进行比较，该能量阈值取决于起动时的材料温度，该材料温度假设等于发动机中的冷却液体的温度。

该能量阈值E_seuil是在发动机试验过程中在稳定的速度下基于恒定的发动机功率和速度点确定的。使冷却液体的流速为零，从发动机开始运行时起直至达到临界温度时获取的数据通过计算积分(该积分为E并且由于稳定的速度而得以简化)来确定能量阈值E_seuil。

使用一决定单元来确定水泵的运行模式。

只要能量E低于能量阈值E_seuil，就不开启电动水泵。

因此，该电动水泵具有至少两种运行模式。

在第一运行模式中，当E＜E_seuil时，不开启水泵，并且因此冷却液体不循环。

在与E＞E_seuil相对应的第二运行模式中，使泵运行，并使其旋转速度与发动机的使用这些条件相联系。

在本发明的另一实施方案中，像低于能量阈值E_seuil的第二能量阈值E_int一样添加一中间运行模式。因此，泵具有三种运行模式。

在一种变型中，该第二阈值是与使用冷却回路的一部分的临界温度相对应的中间能量阈值。

在另一种变型中，添加该第二阈值以便允许通过水泵以与发动机的使用条件无关的方式使冷却液体循环。例如，这是令人希望的，以便减少由于冷却液体不循环而由传感器输送的液体温度信息的延迟的冲击。

这种中间运行模式对应于这样的冷却液体的流速，该流速低于或等于第二运行模式的冷却液体的流速。

作为第一和第二实施方案的变型，添加有时间阈值，该时间阈值对应于这样的使用持续时间，即，超过该使用持续时间就使冷却液体循环。这是通过监测冷却液体的温度的监测单元确定的。

作为第一和第二实施方案的另一变型，可以添加冷却液体的温度的阈值。如果发动机中的未循环的冷却液体的温度超出该阈值，就使该冷却液体循环。

作为另一种变型，可以将时间阈值和温度阈值同时添加到第一和/或第二实施方案中。

下面参照图3至6说明作为示例给出的这些单元各自的具体实施方式。

蓄积的功率P_eau(t)通过确定单元3来计算，该确定单元利用发动机速度的测量值N(t)和发动机扭矩的测量值CMI(t)来确定所蓄积的能量。乘数32乘以这些测量的值，并且根据以下公式在输出端给出有效发动机功率PME(t)：

$\mathrm{PME}\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\Π}}{60}\·\mathrm{CMI}\left(t\right)\·N\left(t\right)$

然后将有效发动机功率PME(t)和发动机速度N(t)作为输入发送到热量/水查询表31，该查询表作为输出给出所蓄积的功率。

图4是一逻辑图，其中示出根据第一实施方案的用于控制冷却液体的流速的方法，其中决定单元4具有两种运行模式。

在第一步骤S1中，将所蓄积的功率和能量阈值的值初始化。初始的蓄积功率是零，而能量阈值取决于冷却液体的初始温度，也就是起动时刻的温度。该能量阈值是利用一具有输入变量(冷却液体的初始温度)的表确定的。

只要发动机未被起动，该方法就保持在第一步骤。如果发动机被起动了，则在步骤S2中计算模块计算蓄积的能量E(t)。该计算以规则的间隔dt反复进行。因此，在时刻t所蓄积的能量是：

E(t)＝E(t-dt)+P_eau(t).dt

在每次重复该计算之前，比较模块将蓄积的能量的值与在步骤S1中确定的能量阈值相比较(Q1)。

如果蓄积的能量低于能量阈值，则将该计算重复进行。

如果蓄积的能量高于能量阈值，则该计算不再重复，并且在步骤S3中开启水泵。

图5是一逻辑图，其中示出该方法的第二实施方案，其中决定单元4’具有三种运行模式。

在第一步骤S1’中，将蓄积的功率P_eau、第一能量阈值E_seuil以及第二中间能量阈值E_int初始化。只要发动机未被起动，该方法就保持在第一步骤S1’。

起动之后，在与步骤S2相同的第二步骤S2’中，计算模块计算所蓄积的能量。

一中间水平比较模块将蓄积的能量E(t)与第二中间能量阈值E_int相比较(Q2’)。

如果蓄积的能量E(t)低于第二中间能量阈值E_int，则在步骤S2’中重复进行计算。否则，一比较模块将蓄积的能量E(t)与第一能量阈值E_seuil相比较(Q1’)。

如果蓄积的能量E(t)低于第一能量阈值E_seuil，则在步骤S4’中执行中间运行模式。

如果蓄积的能量E(t)高于第一能量阈值E_seuil，则在步骤S3’中执行第二中间运行模式并且停止计算蓄积的能量E(t)。

最后，冷却液体中的对流损失有助于增大冷却液体温度并且-根据回路的布置-建立温差环流(热虹吸)。因此有可能使用关于冷却剂温度的阈值T_seuil，以便将冷却液体的温度的增量考虑在内。

关于从起动时起的持续时间的另一阈值也是有可能的。

关于冷却剂温度的阈值和从起动时起的持续时间的阈值是作为安全阈值的一种替代方案，也就是说，无论决定单元4和4’所采取的决定如何，如果达到/已经达到和/或超出冷却液体的温度阈值和/或关于从起动时起的持续时间的阈值，则使冷却液体循环。

图6是示出监测单元6运行的简图，该监测单元监测冷却液体的温度以使之有可能将因对流损失而导致的冷却液体温度的增加考虑在内。该模块包括比较器61，该比较器将冷却液体的温度T_eau与阈值T_seuil相比较。该冷却液体的温度通过用于这种类型的常规温度传感器来测量。该比较器的输出连接到一开关62上，该开关允许从一标称控制模式M_n切换到一安全模式M_s，在监测单元6的输出处产生一安全设置点S_p，该设置点确定泵在安全模式下运行的速度。

该标称控制模式与由决定单元4、4’所确定的运行模式相对应。该安全模式对应于预先确定的默认运行模式。

例如，对于安全模式，相关联的默认运行模式对应于一阈值旋转速度W_seuil，例如最大可能流速的85％。切换到安全模式的条件是T_eau≥T_seuil。

下面参照图7说明实施上述三个单元的一个说明性和非限制性的示例性实施方案。

在该实施方案中，输入的数据是：

-冷却液体的温度T_eau；

-发动机的旋转速度N(t)；

-发动机扭矩CMI(t)；以及

-发动机的运转/静止状态Et_m。

输出的数据是用于控制冷却液体的流速的设置点，在此以脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)的形式来表达。这也就意味着耗费在高状态下的时间在产生方波信号的周期中确定了冷却液体的流速。

用于确定所蓄积的能量的单元3接收作为输入的发动机旋转速度N(t)以及发动机扭矩CMI(t)，并且在输出端返回功率P_eau(t)。

决定单元4、4’接收作为输入的功率P_eau(t)以及发动机的状态Et_m(起动或未起动)，并在输出端返回关于发动机中的冷却液体的流速的决定De。

冷却液体温度监测单元6接收作为输入的冷却剂温度的测量值。它在输出端返回关于冷却液体的流速的决定，该流速是由决定单元4、4’确定的流速或者是对应于安全模式的安全流速。

所述单元4(或4’)以及6的输出被发送到一流速确定单元7的输入端，该流速确定单元根据这些信息并且根据发动机速度N(t)来确定待设置到位的冷却液体的流速Q_l。

作为一种变型，可以增加用于监测自起动时起的持续时间(所经过的时间)的监测单元8，包括关于时间的积分器并且返回从起动时起的持续时间Δt。该单元8的输出被发送到流速确定单元7上。

根据本发明的方法不限制在用于控制设有电动水泵的发动机中的冷却液体流速。该方法可以有利地用于确定开动一可断开的水泵的阈值，该水泵可以是电磁的、气动的、使用摩擦轮的或者与阀相关联的。

这种方法的一个优点是它不借助于传感器，这不同于在大多数装配有机械水泵的发动机中已经存在的情况。

这种方法的另一优点是用于实施它的必要的信息可以在发动机(扭矩、速度、温度)的管理系统中获得。

Claims (13)

1.一种用于控制内燃发动机中的冷却液体的流速的方法，该内燃发动机包括壳体以及水泵，其特征在于，利用对蓄积的能量(E)的计算来估算与该壳体中的最热点相对应的材料温度，该蓄积的能量是通过当冷却液体运动时与恢复到该冷却液体中的功率相对应的恢复功率(P_eau(t))的积分来计算的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

-利用发动机速度(N(t))以及发动机的功率(PME(t))确定该恢复功率(P_eau(t))。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：

-利用该恢复功率(P_eau(t))以及发动机的状态(Et_m)确定一关于冷却液体的流速的决定(De)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，确定关于冷却液体的流速的决定(De)的步骤包括以下子步骤：

-当发动机的状态(Et_m)对应于该发动机的起动时，使一第一能量阈值(E_seuil)初始化；

-只要蓄积的能量(E)低于该第一能量阈值(E_seuil)，就利用该蓄积的功率反复地计算蓄积的能量；以及

-一旦蓄积的能量(E)达到或超出该第一能量阈值(E_seuil)，就停止计算蓄积的能量(E)。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，关于冷却液体的流速的决定(De)为：

-只要蓄积的能量(E)低于第一能量阈值(E_seuil)，该冷却液体就不进行循环；以及

-一旦蓄积的能量(E)达到或超出第一能量阈值(E_seuil)，该冷却液体就进行循环。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，确定关于冷却液体的流速的决定(De)的步骤进一步包括以下子步骤：

-当发动机的状态(Et_m)与该发动机的起动相对应时，将一低于该第一能量阈值(E_seuil)的第二中间能量阈值(E_int)初始化。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，关于冷却液体的流速的决定(De)为：

-只要蓄积的能量(E)低于该第二中间能量阈值(E_int)，该冷却液体就不进行循环；

-一旦蓄积的能量(E)达到或超出该第二中间能量阈值(E_int)并且只要该蓄积的能量低于该第一能量阈值(E_seuil)，该冷却液体就以第一流速进行循环；以及

-一旦蓄积的能量(E)达到或超出该第一能量阈值(E_seuil)，该冷却液体就以比该第一流速高的第二流速进行循环。

8.如权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括一第一安全模式，该第一安全模式在于，一旦与发动机中的冷却液体的温度相对应的液体温度(T_eau)达到或超出一温度阈值(T_seuil)，就使该冷却液体至少以预定的第三流速进行循环。

9.如权利要求3至8中任一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括一第二安全模式，该第二安全模式在于，在从发动机起动时算起的预定时间已经过去之后，使冷却液体至少以预定的第四流速进行循环。

10.如权利要求3至9中任一项所述的方法，其特征在于，根据发动机起动的时刻该发动机中的冷却液体的温度的变化来进行该第一能量阈值(E_seuil)以及，在必要时，该第二中间能量阈值(E_int)的初始化。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，利用蓄积的能量估算材料温度是借助于一蓄积的能量/材料温度的查询表来实现的；以及，该蓄积的能量/材料温度查询表是通过预定旋转速度的学习程序并且当蓄积的功率稳定时得到的。

12.一种用于控制冷却液体的流速的系统，用于实施如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该系统包括：

-壳体温度传感器；

-确定单元(3)，该确定单元用于利用发动机速度(N(t))以及发动机扭矩(CMI(t))来确定蓄积的功率；以及

-决定单元(4，4’)，该决定单元根据蓄积的能量(E)的变化来确定冷却液体的流速。

13.一种机动车辆，包括如权利要求12所述的系统并且用于实施如权利要求1至11中任一项所述的方法。

Images