CN103511056B - 用于具有可变阻力的发动机冷却剂系统的变速泵控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于车辆中的内燃发动机的冷却系统，其包含向在冷却剂环路中与泵耦接的多个传热节点提供冷却剂流的变速冷却剂泵。每个节点基于所述节点的运转状态而产生流率请求。冷却剂环路可配置为多个阻力状态。泵控制器接收流率请求，将每个相应的流量请求映射到将产生相应的泵流率请求的泵流率，选择最大的映射的泵流率，识别冷却剂环路被配置的阻力状态，响应于选择的流率和识别的阻力状态而选择泵速，以及命令泵的运转以产生选择的泵速。

Description

用于具有可变阻力的发动机冷却剂系统的变速泵控制

技术领域

本发明大体涉及控制用于内燃发动机的冷却剂系统的变速泵，并且更具体地涉及最小化使泵运转的能量消耗，同时维持用于冷却剂环路中连接的每个部件的最小所需流量。

背景技术

由于其高运转温度，内燃发动机需要使用冷却系统以便通过散热器驱散热量。冷却剂系统的要求包括冷发动机的快速变暖，从发动机中去除过多的热量，以及向使用所述热量的部件供应热，所述部件如用于车厢变暖的加热器核心或者可以产生电力（例如基于排气或基于歧管）或冷却排气回收（EGR）阀的排气的类型的热量回收装置。

冷却剂泵（往往被称为水泵）通常由内燃发动机的输出机械地驱动。泵的尺寸在传统上被设置为提供足以满足最大要求的泵送能力（即流率）。

为了降低当冷却剂环路中不需要流量或需要低流量时的发动机负荷，考虑到了电动泵。电动泵还由于另外的原因而用于混合油电动力车辆，即因为可能在车辆不使用电池运行且内燃发动机关闭期间需要冷却剂流（例如，用以通过电加热器提供车厢加热或冷却蓄电池或燃料电池）。

电动泵能够以可变速度运转，以便在对冷却剂流的需要降低时降低其能量消耗。然而，用于调节流量的现有冷却剂系统是复杂和昂贵的（例如，通过要求另外的流量控制阀、传感器以及复杂的控制策略）。共同代决的美国专利申请序列号为No.(8323610)的专利申请公开了一项发明，其用于减小电热水器的功率消耗，同时以简单且有效的方式维持用于所有部件的足够的流量。

根据各种因素确定每个特定的传热节点的需要，其中各种因素包括需要被耗散或获得的热量以及冷却剂的温度。根据满足特定需要的冷却剂的流率给出每个节点的结果需求。然而，复杂和昂贵的是直接测量由电动泵输送的流率。相反，典型的电动水泵基于这样的泵速而被控制，该泵速一般高于所需泵速，而且被保证总是满足最小要求。期望的是即使在冷却系统内存在变化的流量条件的情况下也能获得对由冷却剂泵输送的流率的准确控制，以便能够实现更大的能量节省。

发明内容

在本发明的一个方面中，车辆设备包含变速冷却剂泵，其用于通过泵向耦接在冷却剂环路中的多个传热节点提供冷却剂流。每个节点基于节点的运转状态而产生流率请求。冷却剂环路可配置为多个阻力状态。泵控制器接收流率请求，将每个相应的流量请求映射到将产生相应的泵流率请求的泵流率，选择最大的映射的泵流率，识别冷却剂环路被配置的阻力状态，响应于选择的流率和识别的阻力状态而选择泵速，以及命令泵的运转以产生选择的泵速。

附图说明

图1是示出适于油电混合动力车辆的第一实施例的冷却剂环路和相关联的部件的方框图。

图2是示出适于另一油电混合动力车辆的第二实施例的冷却剂环路和相关联的部件的方框图。

图3图示了本发明用于确定使泵运转的最佳流率的一般过程。

图4是示出用于选择使冷却剂泵运转的速度的一个优选方法的流程图。

图5和6图示了映射图的示例，其用于使各种水平的总泵流量与根据冷却剂环路的当前阻力状态确定的必需的泵速相关。

图7是示出本发明的方法如何根据任意特定的冷却剂环路的截然不同的阻力状态而扩展的流程图。

图8是示出了根据本发明的泵控制器的一部分的方框图。

具体实施方式

电动冷却剂泵的主要目的是输送需要的冷却剂流，以满足连接至冷却系统的所有部件（即传热节点）的热交换要求，所述部件包括发动机、例如加热器核心的气候部件（climate components）和例如EGR冷却器的热回收部件。期望的是通过最小化冷却系统的功率消耗来最大化燃料经济性。基于不同部件的瞬时运转参数，每个可以请求对应的冷却剂流率，以便实现期望的热交换。

典型的冷却剂环路存在部件与可用的冷却剂流动路径的互连的多种变化。例如，部件可以各种串联或并联配置连接。此外，可以使用流量阀，其根据部件的需要关闭和打开至冷却剂环路的各区段的冷却剂流。因此，当不期望车厢加热时，加热器核心隔离阀可以阻止冷却剂流到加热器核心。在冷却剂环路内的流的这种重新配置导致流动阻力（restriction）的改变，这反过来改变泵速与正由泵输送的流率之间的关系。本发明涉及通过动态确定冷却剂环路的阻力状态来准确控制泵的流率。

本发明的优势是，不论系统中的部件如何连接或流动阻力在运转期间如何变化，单一方法均可以用于泵控制。为不同车辆设计泵控制时所需要的全部是配置泵速与每个阻力状态的流率之间的适当的映射关系。

现在参照图1，车辆设备10包括发动机11，其可以是例如安装在混合动力电动车辆中的内燃发动机。泵12供应增压的冷却剂经由多个冷却剂管路13循环通过发动机11和各种其他部件。除了发动机11外，其他传热节点包括加热器核心15、辅助加热器16和具有排气再循环（EGR）冷却器17形式的热回收装置。除了当存在对车厢加热的需求时，加热器核心隔离阀14均阻止冷却剂流到加热器核心15。

散热器20经由恒温器21耦接在发动机11与泵12之间的冷却剂环路中。当冷却剂温度低于阈值时，恒温器21堵塞散热器流，使得冷却剂反而沿旁路22行进。散热器20以传统方式耦接至除气系统23。

每个传热节点结合各自的控制器运转。因此，发动机11由发动机控制模块（ECM）25控制。当发动机11关闭时，电子自动温度控制（EATC）控制器26使连接至电池电源（未示出）的气候控制系统运转，以便向客舱供热，该气候控制系统包括加热器核心（HC）15和辅助加热器16。EGR17可以由ECM25控制或由单独的控制器控制。

泵控制器27被耦接至泵12，以便根据依照本发明确定的期望的泵流率命令泵的运转速度。泵控制器27被耦接至ECM25和EATC26，以便接收对应于各种传热节点的流率请求。泵控制器27判断各种请求并以最低的适当速度（即在最低的功耗下的速度）激活泵12，以便满足当前的所有流量请求。发动机冷却剂温度（ECT）传感器18靠近发动机11耦接至冷却剂流，并向泵控制器27提供识别冷却剂的当前温度测量值的信号。必要时，ECT信号还被提供给ECM25、EATC26和其他控制器（未示出）。

响应于车厢加热的需求，EATC26发送信号，以打开常闭的加热器核心隔离阀14。通过阀14的切换改变冷却剂环路呈现的总阻力。因此，即使泵继续以与切换之前相同的速度运转，泵的流率也会改变。

图1表示对应于完全（独立的）混合动力电动车辆的系统。用于插电式混合动力电动车辆的另一类型的系统结构在图2中示出。内燃发动机30具有冷却剂进口31，其被连接至变速泵32的出口。发动机30具有冷却剂出口33，其经由旁路36连接至散热器34和恒温器35。散热器34被连接至除气瓶37，并具有连接至恒温器35的出口。

出口33还被耦接至阀40的一个进口。阀40的出口被连接至辅助泵41的进口，辅助泵41的出口被连接至加热器核心42。电加热器43与加热器核心42串联连接，并且电加热器43的出口被耦接至阀40上的第二进口以及耦接至恒温器35。阀40被配置为在发动机30运转期间提供从发动机出口33通过加热器核心42的流。当发动机30不运转并且客舱中存在加热需求时，阀40被切换为在辅助环路中提供通过辅助泵41、加热器核心42和增补加热器43的流。

EGR45接收来自发动机30的冷却剂并且然后返回至恒温器35的进口。

泵控制器46被耦接至泵32。ECM47和EATC48分别控制发动机和气候控制系统，并在多路复用总线49上将对应的流率请求消息发送给泵控制器46。

泵控制器执行如图3中所示的流量请求判断。在方框50中，接收发动机流量请求，其由发动机控制系统基于发动机满足其当前属性所需要的冷却剂流而产生。在方框51中，确定满足发动机流量请求所必需的泵流率。同样，在方框52中示出了加热器核心流量请求，并且在方框53处确定满足加热器核心流量请求所需要的泵流率。如果热回收装置存在，那么在方框54处接收热回收流量请求，并且在方框55处泵控制器确定满足该请求的泵流量。在存在具有对接收冷却剂的独特需要的其他传热节点的情况下，之后将接收到相似的流率请求，并将确定满足这些请求的相似的总的泵流率。在方框56中，确定最大的泵流率，并且在方框57中，使泵以选择的最大流率运转。

每种独特的车辆设计采用特定布局的冷却剂环路，这产生自水泵的流的特性分布。发动机通常可以接收总流量的100%（即串联在泵与所有其他部件之间），但不是必须这样。典型的冷却剂环路还包括各种并联的分支，例如供应加热器核心的一个分支和供应EGR的一个分支。分支可以包括各自的流量控制阀，其使分支中的冷却剂流能被选择性地打开和关闭。此外，基于发动机冷却剂温度，恒温器选择性地堵塞和不堵塞到散热器的冷却剂流。隔离阀和恒温器的瞬时状态产生冷却剂环路的相应的“阻力状态”，对于所述冷却剂环路的相应的“阻力状态”，任何特定的泵速将产生针对不同的阻力状态的不同的泵流率。

当确定产生每个相应的泵流率请求的总的泵流率时，考虑了冷却剂环路的阻力状态。图4图示了准确控制泵流量的一般方法。在步骤60中，各节点确定其所需的流率，并将其各自的流率请求发送给泵控制器。在步骤61中，泵控制器将每个请求映射到对应的泵流率，其将基于总流量分配到各种部件的方式（如在共同待决的美国申请序列号No.（83236190)的申请中描述的，其被并入本文以供参考）对应于所请求的流率。在步骤62中，选择在步骤61中确定的那些泵流率中的最大的泵流率。在步骤63中，泵控制器识别当前的冷却剂环路的阻力状态。在步骤64中，根据识别的阻力状态选择将产生所述选择的泵流率的泵速，并在步骤65中，命令泵产生选择的速度。

本发明将每个相应的泵流率映射到对应的泵速。这种关系可以在原型系统的运转期间通过测量确定或通过计算机仿真确定。图5示出了对应于第一阻力状态的映射图，而图6示出了对应于第二阻力状态的映射图。每张映射图在第一栏中示出了总的泵流量，而在第二栏中示出了产生所述总的泵流量所需的泵速，其中在阻力状态#1中的泵速的数值被指定为a₁-a₇，而在阻力状态#2中的泵速的数值被指定为b₁–b₇。图5和6中的映射表的分辨率和长度由工程要求确定。基于系统设计和泵性能，提前积累用于所述表的映射数据。在车辆运转期间，泵控制器a）判断部件流量请求以确定满足所有请求的最小的泵流率，b）识别可变的阻力或阻力状态，c）响应于判断的流率和识别的可变阻力而选择泵速，以及d）命令泵的运转以产生选择的泵速。

基于特定的冷却剂环路设备的若干不同的阻力状态，提前限定另外的映射表或等价的公式。

图7示出了本发明的方法如何可适合于可以具有各种不同阻力状态的冷却剂环路。在步骤70中，泵控制器确定满足所有部件的请求的判断的最终流量。然后在步骤71中，识别系统阻力状态。在这个示例中，冷却剂环路具有如图1所示的加热器核心隔离阀。当阀关闭时，冷却剂环路具有默认的阻力状态。在步骤72中，当处于默认状态时，确定传输流量请求所需的泵速（并且该速度用于控制泵）。第二阻力状态对应于被打开的加热器核心隔离阀。在此情况下，在步骤73中，确定传输流量请求所需的泵速。在另一阻力状态可行（例如，阻力状态#3）的情况下，该方法包括另外的步骤，在该步骤中，期望的流率被转换为各自的泵速。

图8示出了用于确定泵速的泵控制器的一部分的一个实施例。第一查找表（LUT）80存储了这样的数据，该数据针对第一阻力状态使期望的泵流率与所需的泵速相关。第二查找表（LUT）81存储了这样的数据，该数据针对第二阻力状态使期望的泵流率与所需的泵速相关。判断的泵流量被耦接至LUT80和81，以产生各自的泵速。加热器核心隔离阀（HCIV）位置信号（例如，由EATC产生的命令信号）被耦接至选择框，该选择框使得与当前的阻力状态（即隔离阀的状态）匹配的泵速作为期望的泵速输出。由于冷却剂温度也可以影响阻力状态，因此冷却剂温度还可以输入到LUT80和81，以识别恒温器的状态。每个查找表因此可以取决于隔离阀的状态和恒温器的状态。

Claims (8)

1.一种车辆设备，其包括：

用于提供冷却剂流的变速冷却剂泵；

在冷却剂环路中与所述泵耦接的多个传热节点，其中每个节点基于所述节点的运转状态产生流率请求，并且其中所述冷却剂环路可配置为多个阻力状态；所述多个阻力状态通过隔离阀和恒温阀的瞬时状态产生；以及

泵控制器，其接收所述流率请求，将每个相应的流率请求映射到将产生相应的泵流率请求的泵流率，选择最大的映射的泵流率，识别所述冷却剂环路被配置的阻力状态，响应于选择的流率和识别的阻力状态而选择泵速，以及命令所述泵的运转以产生所述选择的泵速。

2.根据权利要求1所述的车辆设备，其中所述传热节点中的一个包括与隔离阀串联的加热器核心，所述隔离阀用于选择性地在第一阻力状态下切断到所述加热器核心的冷却剂流并在第二阻力状态下将冷却剂流耦接至所述加热器核心，并且其中所述泵控制器存储用于所述第一阻力状态和第二阻力状态的相应的映射数据，以便使泵流率与泵速相关。

3.根据权利要求2所述的车辆设备，其还包含：

散热器；以及

所述恒温阀，其具有用于将所述散热器选择性地耦接至所述冷却剂环路的打开位置和关闭位置；

其中由所述泵控制器选择的所述泵速进一步取决于所述恒温阀的所述打开位置或关闭位置。

4.根据权利要求1所述的车辆设备，其还包含：

用于检测所述冷却剂环路内的冷却剂温度的温度传感器；

其中所述泵控制器响应于感测的温度与温度阈值的比较而识别所述恒温阀的位置。

5.一种控制由车辆中的冷却剂环路中的变速冷却剂泵提供的冷却剂流率的方法，所述方法包含以下步骤：

基于每个相应的节点的运转状态，将来自多个传热节点中的每个的流率请求发送给泵控制器；

将每个相应的流率请求映射到将产生相应的泵流率请求的泵流率；

选择最大的映射的泵流率；

检测所述冷却剂环路的阻力状态，其中所述阻力状态通过隔离阀和恒温阀的瞬时状态产生；

响应于选择的泵流率和检测到的阻力状态而选择泵速；以及

命令所述泵的运转以产生所述选择的泵速。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述传热节点中的一个包括与隔离阀串联的加热器核心，所述隔离阀用于选择性地在第一阻力状态下切断到所述加热器核心的冷却剂流并在第二阻力状态下将冷却剂流耦接至所述加热器核心；以及

其中泵速的所述选择响应于针对所述第一阻力状态和第二阻力状态的相应的映射数据，以便使泵流率与泵速相关。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述恒温阀选择性地将散热器耦接至所述冷却剂环路，并且其中所述泵速的所述选择进一步取决于所述恒温阀的打开位置或关闭位置。

8.一种车辆设备，其包含：

冷却剂泵；

冷却剂环路，其具有产生相应的流率请求的节点并具有可变阻力；以及

泵控制器，其判断所述请求以确定满足所有所述请求的最小的泵流率，识别通过隔离阀或恒温阀的瞬时状态产生的所述可变阻力，响应于判断的流率和识别的可变阻力而选择泵速，并且命令所述泵的运转以产生选择的泵速。