CN106321220B - 使用前馈法和反馈法控制通过发动机的冷却剂流的方法 - Google Patents

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Abstract

一种根据本公开原理的系统包括传热速率模块、期望流率模块、流率调节模块和泵控制模块。传热速率模块基于汽缸壁温度和测得的冷却剂温度来确定从发动机到流过发动机的冷却剂的传热速率。期望流率模块基于传热速率来确定期望的通过发动机的冷却剂流的速率。流率调节模块基于期望冷却剂温度和测得的冷却剂温度来确定冷却剂流率调节。泵控制模块基于期望冷却剂流率和冷却剂流率调节来控制冷却剂泵，以调节通过发动机的冷却剂流的实际速率。

Description

使用前馈法和反馈法控制通过发动机的冷却剂流的方法
技术领域
本公开涉及内燃机，并且尤其涉及使用前馈法和反馈法控制通过发动机的冷却剂流的系统和方法。
背景技术
此处所提供的背景描述是用于大体呈现本公开环境的目的。目前署名的发明人的工作，就本背景章节以及在提交时可另外不作为现有技术的描述的方面的描述而言，其既不明确也不隐含地承认为本公开的现有技术。
用于发动机的冷却系统通常包括散热器、冷却剂泵、入口管线和出口管线。入口管线从散热器的出口延伸至发动机的入口。出口管线从散热器的入口延伸至发动机的出口。冷却剂泵使冷却剂循环通过入口管线、发动机、出口管线和散热器。在一些情况下，冷却系统包括旁通阀，旁通阀在其处于打开状态时允许冷却剂绕开散热器。
发动机控制系统一般通过调节冷却剂泵的速度来控制通过发动机的冷却剂流。常规发动机控制系统对冷却剂流进行调节，以使期望冷却剂温度与测得的冷却剂温度之间的差最小化。以这种方式控制冷却剂流可以称为反馈法。
在状态稳定情况下，诸如当车辆正在以恒速行进时，仅使用反馈法控制冷却剂流可以是足够的。然而，在瞬态情况下，例如，当汽车正在加速时，仅使用反馈法控制冷却剂流可能无法像所期望的那样快速且精确地调节冷却剂温度。
发明内容
一种根据本公开原理的系统包括传热速率模块、期望流率模块、流率调节模块和泵控制模块。传热速率模块基于汽缸壁温度和测得的冷却剂温度来确定从发动机到流过发动机的冷却剂的传热速率。期望流率模块基于传热速率来确定通过发动机的冷却剂流的期望速率。流率调节模块基于期望冷却剂温度和测得的冷却剂温度确定冷却剂流率调节。泵控制模块基于期望冷却剂流率和冷却剂流率调节来控制冷却剂泵，以调节通过发动机的冷却剂流的实际速率。
本公开的其他适用领域将从具体实施方式、权利要求书和附图中变得显而易见。详细描述和具体实例仅用于说明的目的，并不是为了限制本公开的范围。
附图说明
本公开将从具体实施方式和附图中得以更全面的理解，其中：
图1是根据本公开原理的示例性发动机系统的功能框图；
图2是根据本公开原理的示例性控制系统的功能框图；以及
图3是示出根据本公开原理的示例性控制方法的流程图。
附图中，可以重复使用参考数字来标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
根据本公开的系统和方法使用前馈法和反馈法两者来控制通过发动机的冷却剂流。在反馈法中，该系统和方法基于期望冷却剂温度与测得的冷却剂温度之间的差来确定冷却剂流率调节。在前馈法中，该系统和方法基于从发动机到流过发动机的冷却剂的传热的实际速率来确定期望冷却剂流率。该系统和方法然后控制冷却剂泵的速度，以使实际冷却剂流率与期望冷却剂流率和冷却剂流率调节的总和之间的差最小化。
该系统和方法可以使用数学模型来确定从发动机到流过发动机的冷却剂的传热速率。在一个实例中，该系统和方法基于发动机中的汽缸壁温度以及冷却剂入口温度和冷却剂出口温度的平均值来确定传热速率。该系统和方法还可以基于汽缸壁和冷却剂的物理特性（诸如质量、比热、传热系数和/或表面面积）来确定传热速率。
相对于仅使用反馈法控制冷却剂流，使用前馈法和反馈法两者控制通过发动机的冷却剂流改善了系统响应时间。此外，使用反馈法控制冷却剂流对与前馈法中所用数学模型相关联的任何错误进行了纠正。因此，根据本公开的系统和方法对冷却剂流进行调节，以精确且快速地控制稳态条件和瞬态条件下的冷却剂温度。
现参照图1，发动机系统100包括发动机102，其燃烧空气/燃料混合物而为车辆产生驱动转矩。发动机102所产生的驱动转矩量是基于驾驶员输入103。驾驶员输入103可以基于加速踏板的位置来生成。驾驶员输入103还可以由巡航控制系统生成，该巡航控制系统可以是改变车辆速度以维持预定行车间距的自适应巡航控制系统。
空气通过进气歧管104被吸入发动机102。可以使用节流阀106来改变吸入发动机102的空气量。一个或多个燃料喷射器（诸如燃料喷射器108）将燃料喷射到空气中，以形成空气/燃料混合物。空气/燃料混合物在发动机102的汽缸（诸如汽缸110）内燃烧。尽管发动机102示为包括一个汽缸，但发动机102可以包括一个以上的汽缸。
汽缸110包括机械地连接至曲轴112的活塞（未示出）。汽缸110内的一个燃烧循环可以包括四个阶段：进气阶段、压缩阶段、燃烧阶段和排气阶段。在进气阶段期间，活塞向最低的位置移动并且将空气吸入汽缸110。在压缩阶段期间，活塞向最高的位置移动并且压缩汽缸110内的空气或空气/燃料混合物。
在燃烧阶段期间，火花塞114产生的火花点燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞返向最低的位置，并且活塞驱动曲轴112旋转。在排气阶段期间，废气通过排气歧管116从汽缸110中排出而完成燃烧循环。发动机102经由曲轴112将转矩输出至变速器（未示出）。尽管发动机102被描述为火花点火发动机，但发动机102可以是压缩点火发动机。
用于发动机102的冷却系统118包括散热器120、冷却剂泵122和旁通阀123。散热器120对流过散热器120的冷却剂进行冷却，并且冷却剂泵122使冷却剂循环通过发动机102和散热器120。冷却剂从散热器120流至冷却剂泵122，从冷却剂泵122通过入口管线124流至发动机102，并且从发动机102通过出口管线126流回散热器120。
冷却剂泵122可以是可切换水泵。在一个实例中，冷却剂泵122是包括叶轮和离合器的离心泵，离合器选择性地将叶轮与滑轮接合，滑轮由连接至曲轴112的皮带驱动。当冷却剂泵122被接通和断开时，离合器分别将叶轮与滑轮接合和脱离。冷却剂可以通过位于冷却剂泵122中心附近的入口而进入冷却剂泵122，并且叶轮可以迫使冷却剂径向向外流至位于冷却剂泵122外部的出口。可选地，冷却剂泵122可以是电动泵。
当冷却剂从出口管线126流至入口管线124时，可以打开旁通阀123以允许冷却剂绕开散热器120。旁通阀123可以调节至完全关闭位置、完全打开位置以及部分打开位置（即，完全关闭位置与完全打开位置之间的位置）。当旁通阀123被调节至部分打开位置时，离开发动机102的冷却剂流的一部分经过散热器120，而离开发动机102的冷却剂流的一部分经过旁通阀123。
曲轴位置（CKP）传感器128测量曲轴112的位置，其可以用来确定发动机102的速度。冷却剂入口温度（CIT）传感器130测量进入发动机102的冷却剂温度，其称为冷却剂入口温度。冷却剂出口温度（COT）传感器132测量离开发动机102的冷却剂温度，其称为冷却剂出口温度。CIT传感器130和COT传感器132可分别位于入口管线124和出口管线126内，或位于使冷却剂循环的其他位置，诸如位于发动机102的冷却剂通道（未示出）中和/或散热器120中。
进气歧管104内的压力可以使用歧管绝对压力（MAP）传感器134来测量。在各种实施方案中，可以测量发动机真空，该发动机真空为环境空气压力与进气歧管104内压力之间的差。流入进气歧管104的空气的质量流率可以使用质量流率（MAF）传感器136来测量。在各种实施方案中，MAF传感器136可以位于壳体中，该壳体还包括节流阀106。
节流阀106的位置可以使用一个或多个节流位置传感器（TPS）140来测量。吸入发动机102的空气的环境温度可以使用进气温度（IAT）传感器142来测量。发动机控制模块（ECM）144基于来自传感器的信号来控制节流阀106、燃料喷射器108、火花塞114和冷却剂泵122。
ECM 144输出节流控制信号146，以控制节流阀106的位置。ECM 144输出燃料控制信号148，以控制燃料喷射器108的开启正时和持续时间。ECM 144输出火花控制信号150，以控制火花塞114的点火正时。ECM 144输出泵控制信号152，以控制冷却剂泵122的速度。ECM144输出阀控制信号153，以控制旁通阀123的打开面积。
ECM 144控制冷却剂泵122，以基于流过发动机102的冷却剂的期望速率和冷却剂流率调节来调节流过发动机102的冷却剂的实际速率。ECM 144基于期望冷却剂出口温度与来自COT传感器132的冷却剂出口温度之间的差来确定冷却剂流率调节。ECM 144基于从发动机102到流过发动机102的冷却剂的传热速率来确定期望冷却剂流率。ECM 144基于发动机102中的汽缸壁温度、来自CIT传感器130和COT传感器132的冷却剂入口温度和冷却剂出口温度以及汽缸壁和冷却剂的物理特性来确定传热速率。
现参照图2，ECM 144的示例性实施方案包括确定发动机102的速度的发动机速度模块202。发动机速度模块202可以基于获自CKP传感器128的曲轴位置来确定发动机速度。例如，发动机速度模块202可以基于曲轴完成一次或多次绕转所耗费的时间来计算发动机速度。发动机速度模块202输出发动机速度。
冷却剂温度模块204确定流过发动机102的冷却剂的平均温度。该平均温度是来自CIT传感器130的冷却剂入口温度和来自COT传感器132的冷却剂出口温度的平均值。冷却剂温度模块204输出平均冷却剂温度。
汽缸壁温度模块206基于发动机运行条件来确定发动机102中的汽缸壁温度。发动机运行条件可以包括发动机速度、冷却剂入口温度、冷却剂出口温度、来自MAF传感器136的进气质量流率和/或发动机运行周期。汽缸壁温度模块206可以基于发动机运行条件与汽缸壁温度之间的预定关系来估计汽缸壁温度。该预定关系可体现在查找表和/或等式中。汽缸壁温度模块206输出汽缸壁温度。
发动机吸热模块208确定发动机102所吸收热量的实际变化率。发动机102的部件（例如，汽缸壁）吸收发动机102的汽缸内空气和燃料燃烧所产生的热量。发动机吸热模块208基于汽缸壁温度的变化以及与其相关联的周期来确定该吸热的变化率。例如，发动机吸热模块208可以利用如下的关系式来确定发动机102所吸收热量的变化率：
（1）
其中， eng是发动机102所吸收热量的变化率，mw是汽缸壁的质量，cpw是汽缸壁的比热，∆Tw是汽缸壁温度在周期内的变化，以及∆t是周期。发动机吸热模块208输出发动机102所吸收热量的变化率。
冷却剂吸热模块210确定流过发动机102的冷却剂所吸收热量的实际变化率。冷却剂吸热模块210基于平均冷却剂温度的变化以及与其相关联的周期来确定冷却剂所吸收热量的变化率。例如，冷却剂吸热模块210可以利用如下的关系式来确定冷却剂所吸收热量的变化率：
（2）
其中， c是冷却剂所吸收热量的变化率，mc是冷却剂的质量，cpc是冷却剂的比热，(∆Tc)avg是平均冷却剂温度在周期内的变化，以及 ∆t 是周期。冷却剂吸热模块210输出冷却剂所吸收热量的变化率。
传热速率模块212确定从发动机102到流过发动机102的冷却剂的传热速率。传热速率模块212可以利用如下的关系式来确定该传热速率：
（3）
其中， eng->c是从发动机102到冷却剂的传热速率，以及( rej)des是从发动机102排热的期望速率。
传热速率模块212可以基于输送给发动机102的每个汽缸的空气量（可称为空气每汽缸）来确定期望排热速率。可替代地，传热速率模块212可以基于发动机速度和发动机102的期望转矩输出来确定期望排热速率。传热速率模块212输出从发动机102排热的期望速率。
ECM 144可以将来自MAF传感器136的进气质量流率除以发动机102中的汽缸数量而得到空气每汽缸。ECM 144可以基于驾驶员输入103来确定发动机102的期望转矩输出。在一个实例中，ECM 144存储加速踏板位置到期望转矩的一个或多个映射，并且基于映射中所选择的一个映射来确定发动机102的期望转矩输出。
在各种实施方案中，传热速率模块212可以利用如下的关系式来确定从发动机102到流过发动机102的冷却剂的传热速率。
（4）
其中， eng->c是传热速率，hw是汽缸壁的传热系数，Aw是汽缸壁的表面面积，Tw是汽缸壁温度，以及(Tc)avg是平均冷却剂温度。
在各种实施方案中，传热速率模块212可以利用如下的关系式来确定从发动机102到流过发动机102的冷却剂的传热速率。
（5）
其中， eng->c是传热速率，KHEX,0和KHEX,1是汽缸壁的有效传热系数，是冷却剂的实际质量流率，Tw是汽缸壁温度，以及(Tc)avg是平均冷却剂温度。传热速率模块212可以基于冷却剂泵122的速度来估计冷却剂的实际质量流率。传热速率模块212可以假定冷却剂泵122的速度等于泵控制信号152所指示的指令泵速。传热速率模块212输出从发动机102到流过发动机102的冷却剂的传热速率。
期望流率模块214确定通过发动机102的冷却剂流的期望速率。期望流率模块214可以利用如下的关系式来确定期望冷却剂流率：
（6）
其中 c)des是通过发动机102的冷却剂流的期望质量流率， eng->c是从发动机102到流过发动机102的冷却剂的传热速率，cpc是冷却剂的比热，(Tout)des是期望冷却剂出口温度，以及Tin是来自CIT传感器130的冷却剂入口温度。期望流率模块214输出期望冷却剂流率。
冷却剂温度模块204可以使用发动机转矩和发动机速度到冷却剂出口温度的映射来确定期望冷却剂出口温度。该映射可以预定（例如，校准）成使发动机102的效率最大化。如果获自该映射的期望冷却剂出口温度在预定限制之外，该期望冷却剂出口温度可以被调节成在预定限制之内。该限制可以包括用于在发动机启动时加热发动机102的下限和用于防止发动机过热的上限。
关系式（1）、（2）和（3）可以代入关系式（6）而获得以下关系式：
（7） 。
关系式（4）可以代入关系式（6）而获得以下关系式：
（8） 。
关系式（5）可以代入关系式（6）而获得以下关系式：
（9） 。
冷却剂流的期望质量流率可以用来代替关系式（9）中的冷却剂的实际质量流率，并且该关系式可以重新排列如下以求解冷却剂流的期望质量流率：
（10） 。
流率调节模块216基于期望冷却剂温度与测得的冷却剂温度之间的差来确定冷却剂流率调节。期望冷却剂温度可以是由冷却剂温度模块204确定的期望冷却剂出口温度。测量冷却剂温度可以是来自COT传感器132的冷却剂出口温度。流率调节模块216输出冷却剂流率调节。
泵控制模块218输出泵控制信号152，以控制冷却剂泵122的速度。泵控制模块218可以基于期望冷却剂流率和冷却剂流率调节来控制冷却剂泵122的速度，以调节通过发动机102的冷却剂流的实际速率。在一个实例中，泵控制模块218控制冷却剂泵122的速度，以使实际冷却剂流率与期望冷却剂流率和冷却剂流率调节的总和之间的差最小化。
现参照图3，用于控制通过发动机的冷却剂流的方法在302处开始。在图2所示的ECM 144的示例性实施方案中的模块背景下描述该方法。然而，执行该方法步骤的特定模块可以与以下提及的模块不同，和/或该方法可以脱离图2的模块来实施。
在304处，期望流率模块214确定发动机系统100是否正在以需要的冷却剂模式运行。如果发动机系统100正在以需要的冷却剂模式运行，该方法在306处继续。否则，期望流率模块214继续确定发动机系统100是否正在以需要的冷却剂模式运行。
当ECM 144积极控制通过发动机102的冷却剂流来调节冷却剂的温度时，发动机系统100可正在以需要的冷却剂模式运行。例如，当冷却剂的实际流率大于零时，发动机系统100可正在以需要的冷却剂模式运行。当泵控制信号152所指示的指令泵速大于零时，可以假设冷却剂的实际流率大于零。
在306处，冷却剂温度模块204确定期望冷却剂出口温度。在308处，冷却剂温度模块204确定平均冷却剂温度。在310处，汽缸壁温度模块206估计汽缸壁温度。
在312处，传热速率模块212确定从发动机102到流过发动机102的冷却剂的传热速率。传热速率模块212可以利用关系式（3）、（4）或（5）来确定传热速率。如果使用关系式（3），传热速率模块212可以确定从发动机102排热的期望速率。另外，发动机吸热模块208可以确定发动机102所吸收热量的实际变化率，并且冷却剂吸热模块210可以确定流过发动机102的冷却剂所吸收热量的实际变化率。
在314处，期望流率模块214确定通过发动机102的冷却剂流的期望流率。期望流率模块214可以利用关系式（6）来确定期望冷却剂流率。可替代地，期望流率模块214可以利用关系式（7）、（8）、（9）或（10）来确定期望冷却剂流率。在后一种情况下，传热速率模块212不可以确定传热速率（即，312可以从该方法中省略）。
在316处，流率调节模块216确定冷却剂流率调节。在318处，泵控制模块218基于期望冷却剂流率和冷却剂流率调节来控制冷却剂泵122。在一个实例中，泵控制模块218控制冷却剂泵122的速度，以使实际冷却剂流率与期望冷却剂流率和冷却剂流率调节的总和之间的差最小化。
前面的描述仅是说明性的性质，而决不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可通过各种形式来实施。因此，虽然本公开包括特定的实例，但本公开的真正范围不应这样受限，这是因为其他的改型将在研究附图、说明书和所附权利要求之后变得显而易见。如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应理解为是指使用非排他性逻辑或的逻辑（A或B或C）。应当理解，该方法内的一个或多个步骤可以按照不同顺序（或同时）执行而不改变本公开的原理。
在包括以下定义的本申请中，术语模块可以用术语电路代替。术语模块可以是指以下部件、是以下部件的一部分或包括以下部件：专用集成电路（ASIC）；数字、模拟或混合式模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合式模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享、专用或群组）；存储处理器所执行的代码的存储器（共享、专用或群组）；提供所述功能性的其他合适硬件部件；或上述中的一些或所有的组合（诸如在片上系统中）。
如上所用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指程序、例程、功能、类别和/或对象。术语共享处理器包含执行来自多个模块的一些或所有代码的单个处理器。术语群组处理器包含与附加处理器结合执行来自一个或多个模块的一些或所有代码的处理器。术语共享存储器包含执行来自多个模块的一些或所有代码的单个存储器。术语群组存储器包含与附加存储器结合存储来自一个或多个模块的一些或所有代码的存储器。术语存储器可以是术语计算机可读介质的子集。术语计算机可读介质不包含通过介质传播的瞬时性电和电磁信号，并且因此可以视为是有形且非瞬时性的。非瞬时性有形计算机可读介质的非限制实例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁性存储装置和光学存储装置。
本申请中所描述的设备和方法可以部分或完全地通过由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来实施。计算机程序包括存储在至少一个非瞬时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括和/或依赖于所存储的数据。

Claims (10)

1.一种使用前馈法和反馈法控制通过发动机的冷却剂流的方法，其包括：
基于汽缸壁温度和测得的冷却剂温度来确定从发动机到流过所述发动机的冷却剂的传热速率；
基于所述传热速率来确定期望的通过所述发动机的冷却剂流的速率；
基于期望的冷却剂温度和所述测得的冷却剂温度来确定冷却剂流率调节；以及
基于所述期望的冷却剂流率和所述冷却剂流率调节来控制冷却剂泵，以调节通过所述发动机的冷却剂的实际速率。
2. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括：控制所述冷却剂泵，将所述实际冷却剂流率调节为所述期望冷却剂流率和所述冷却剂流率调节的总和。
3. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括：基于期望的从所述发动机排热的速率减去
所述发动机所吸收热量的变化率，和
流过所述发动机的冷却剂所吸收热量的变化率来确定所述传热速率。
4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括：基于所述发动机的速度以及期望的所述发动机的力矩输出和输送到所述发动机的汽缸的空气量中的至少一者来确定所述期望的从所述发动机排热的速率。
5.如权利要求3所述的方法，其进一步包括：基于以下项的乘积来确定所述发动机所吸收热量的所述变化率：
汽缸壁质量；
汽缸壁比热；
所述发动机的汽缸壁的温度变化；和
与所述汽缸壁温度变化相关联的周期。
6.如权利要求3所述的方法，其进一步包括：基于以下项的乘积来确定流过所述发动机的冷却剂所吸收热量的所述变化率：
冷却剂质量；
冷却剂比热；
所述冷却剂的温度变化；和
与所述冷却剂温度的变化相关联的周期。
7.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：基于以下项的乘积来确定所述传热速率：
所述汽缸壁的传热系数；
所述汽缸壁的表面面积；和
所述汽缸壁温度与所述测得的冷却剂温度之间的差。
8. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括：基于以下项的乘积来确定所述传热速率：
所述汽缸壁的有效传热系数；和
所述汽缸壁温度与所述测得的冷却剂温度之间的差。
9.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：基于发动机工况来估计所述汽缸壁温度。
10. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
基于所述汽缸壁温度以及测得的进入所述发动机的冷却剂的温度与测得的离开所述发动机的冷却剂的温度的平均值来确定所述传热速率；以及
基于所述期望的冷却剂温度和所述测得的离开所述发动机的冷却剂的温度来确定所述冷却剂流速调节。
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