CN109296439A - 控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统 - Google Patents

控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统 Download PDF

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Abstract

公开了用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的技术的示例。在一个示例性实施方式中，方法包括通过处理装置为内燃机的冷却系统的区域计算冷却剂流体的最小区域流量。该方法进一步包括通过处理装置使最小区域流量转换为流量控制阀的期望致动器位置以使流量控制阀将冷却剂流体的最小区域流量提供到冷却系统的区域。该方法进一步包括通过处理装置使流量控制阀从当前致动器位置变化到期望致动器位置。

Description

控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统
引言
本发明总体涉及内燃机，且更具体地涉及控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统。
车辆诸如汽车、卡车、摩托车或任何其他类型的机动车可以配备有内燃机以为车辆提供动力源。来自发动机的动力可包括机械动力(用以使车辆移动)和电力(用以使车辆内的电子系统、泵等运转)。随着内燃机运转，发动机和其相关部件产生热，如果不加控制，这可损坏发动机和其相关部件。
为了降低发动机中的热，冷却系统使冷却剂流体循环穿过发动机内的冷却通道。冷却剂流体吸收发动机的热并且然后当冷却剂流体泵出发动机之外并进入散热器时经由散热器中的热交换器来冷却。因此，冷却剂流体变得更冷并然后循环返回穿过发动机以冷却发动机和其相关部件。
发明内容
在一个示例性实施例中，用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的计算机实现方法包括通过处理装置为内燃机的冷却系统的区域计算冷却剂流体的最小区域流量。该方法进一步包括通过处理装置使最小区域流量转换为流量控制阀的期望致动器位置以使流量控制阀将冷却剂流体的最小区域流量提供到冷却系统的区域。该方法进一步包括通过处理装置使流量控制阀从当前致动器位置变化到期望致动器位置。
在另一示例性实施例中，控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的系统包括存储器(其包括计算机可读指令)和用于执行计算机可读指令(其用于执行方法)的处理装置。在示例中，该方法包括通过处理装置为内燃机的冷却系统的区域计算冷却剂流体的最小区域流量。该方法进一步包括通过处理装置使最小区域流量转换为流量控制阀的期望致动器位置以使流量控制阀将冷却剂流体的最小区域流量提供到冷却系统的区域。该方法进一步包括通过处理装置使流量控制阀从当前致动器位置变化到期望致动器位置。
在又一示例性实施例中，用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的计算机程序产品包括具有随其呈现的程序指令的计算机可读存储介质，其中该计算机可读存储介质不是瞬时信号本身，该程序指令通过处理装置执行以使处理装置执行方法。在示例中，该方法包括通过处理装置为内燃机的冷却系统的区域计算冷却剂流体的最小区域流量。该方法进一步包括通过处理装置使最小区域流量转换为流量控制阀的期望致动器位置以使流量控制阀将冷却剂流体的最小区域流量提供到冷却系统的区域。该方法进一步包括通过处理装置使流量控制阀从当前致动器位置变化到期望致动器位置。
在本发明的一些实施例中，其中为冷却系统的区域计算冷却剂流体的最小区域流量是至少部分地基于该区域的入口处的冷却剂流体温度。在本发明的一些实施例中，其中为冷却系统的区域计算冷却剂流体的最小区域流量是至少部分地基于该区域中的热流。在本发明的一些实施例中，该方法进一步包括至少部分地基于环境压力信息调整最小区域流量。在本发明的一些实施例中，该方法进一步包括确定冷却系统的该区域是发动机头部区域。在本发明的一些实施例中，该方法进一步包括至少部分地基于散热器流量修正流量控制阀的期望致动器位置。在本发明的一些实施例中，将最小区域流量转换为期望致动器位置是至少部分地基于逆流模型。在本发明的一些实施例中，期望致动器位置是流量控制阀的开度的百分比。
当结合附图时，从以下详细描述中，本发明的以上特征和优点以及其他特征和优点将非常显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述，详细描述参看附图，其中：
图1描绘了根据本发明的实施例的车辆发动机，该车辆发动机包括用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的阀控制器；
图2描绘了根据本发明的实施例的用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的方法的流程图；
图3A描绘了根据本发明的实施例的用于确定流量控制阀的估计流量的逆流模型的框图；
图3B描绘了根据本发明的实施例的用于使流量请求转换为流量控制阀的致动器位置的逆流模型的框图；
图4描绘了根据本发明的实施例的用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的方法的流程图；以及
图5描绘了根据本发明的实施例的用于实现本文描述的技术的处理系统的框图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是举例说明，并不旨在限制公开内容、其应用或用途。应该理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部分和特征。如文中使用的术语“模块”是指处理电路，该处理电路可包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或成组)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所描述功能的其他合适的部件。
本文描述的技术方案提供用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统。特别地，本技术调节冷却剂流体流动穿过发动机的区域以防止冷却剂流体在区域内沸腾。为此，区域的冷却剂流体的最小区域流量被计算并转换为冷却系统内的流量控制阀的期望致动器位置。期望致动器位置是将冷却剂流体的最小区域流量提供到冷却系统的特定区域的流量控制阀的位置。然后流量控制阀将致动器位置从当前致动器位置改变至期望致动器位置以提供穿过该区域的冷却剂流体的最小区域流量。
因此，发动机上的热应力被降低，从而防止对发动机或其部件的可能损害或发动机或其部件的故障。现代的发动机已经变得更有效并更燃烧燃料，这导致发动机的操作温度增加。通过控制冷却剂流体的流动，可以使发动机在不包括发动机的硬件完整性的情况下可能以最高温度运转。这增加了发动机和燃料效率，同时防止发动机故障。
图1描绘了根据本发明的实施例的车辆发动机100，该车辆发动机100包括用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机100的冷却系统的阀控制器102。该车辆发动机100包括至少一个主冷却剂泵(“泵”)104、发动机缸体110、发动机头部112、其他部件114(例如，涡轮增压器、废气再循环器等)、主回转阀130、发动机油加热器116、变速器油加热器118、散热器120、流量控制阀(FCV)160，以及缸体回转阀(BRV)162。部件(例如，发动机缸体110、发动机头部112、其他部件114等)中的每一个可以称为车辆发动机100的“区域”。例如，发动机缸体110可以称为发动机缸体区域，发动机头部112可以称为发动机头部区域等。
主回转阀130包括具有第一入口141、第二入口142和出口143的第一阀(或腔室)140。主回转阀130还包括具有入口151、第一出口152和第二出口153的第二阀(或腔室)150。根据本发明的实施例的车辆发动机100的各部件连接和布置为如图1所示，且各部件之间的实线代表部件之间的流体连接，其中箭头代表流体的流动方向。
冷却剂流体通过散热器120冷却并通过泵104泵出散热器并返回到发动机缸体110、发动机头部112和其他部件114(总体地，发动机的“入口”)。通过散热器120冷却的冷却剂流体还可直接泵入主回转阀130的第一入口141。管理散热器120的流出使冷冷却剂与热冷却剂混合以在期望温度时将冷却剂提供到车辆发动机100。
阀控制器102通过打开和关闭(全部或部分)第一阀140和第二阀150来控制冷却剂流体流动穿过车辆发动机100。特别地，阀控制器102可通过第一出口152和第二出口153使第二阀150将流动从发动机缸体110和发动机头部112引入散热器120和/或散热器旁路122。类似地，阀控制器102可通过出口143使第一阀140将流动从第一入口141和/或第二入口142任一引入发动机油加热器116和变速器油加热器118。
第一入口141(还称为“冷入口”)经由泵104从散热器120接收冷却的冷却剂流体。在通过泵104泵送穿过发动机缸体112/发动机头部112和其他部件114之后，第二入口142(还称为“热入口”)接收热冷却剂流体(相对于冷却的冷却剂流体热)。当其穿过发动机缸体110、发动机头部112和/或其他部件时，热冷却剂流体被加热。因此，依据第一阀140的状态，第一阀140可将冷却的冷却剂流体或热的冷却剂流体提供到发动机油加热器116和发动机变速器油加热器118。
为了减少发动机缸体110和发动机头部112中的冷冷却剂流体的流入，流量控制阀(FCV)160可在发动机缸体110/发动机头部112和主回转阀130的第二阀150之间关闭。特别地，FCV 160的入口与发动机缸体110的出口和发动机头部112的出口流体连通(直接和/或间接)，且FCV 160的出口与主回转阀130的第二阀150的入口151流体连通以及与其他部件114的入口流体连通。
当关闭FCV 160时，停止冷却剂流体流入散热器120，如此冷却剂流体不被散热器120冷却。这防止冷却的冷却剂流体循环返回到发动机缸体110/发动机头部112。阀控制器102至少部分地基于主回转阀130的状态变化控制FCV 160以打开和关闭(全部或部分)FCV160。根据一些实施例，FCV 160被部分关闭(例如，关闭25％、关闭50％、关闭80％等)以获得期望流量(例如以维持穿过车辆发动机100的恒定温度或者车辆发动机100的特定区域内的恒定温度)。
在一些情况下，发动机缸体110和发动机头部112可需要不同的冷却剂流体流量。例如，发动机缸体110和发动机头部112均需要最小区域流以避免使冷却剂流体沸腾以及防止每个缸体内的高温，其可导致对其的损伤。因此，BRV 162被引入发动机缸体110的出口和FCV 160的入口之间使得BRV 162与发动机缸体110和FCV 160流体连通。BRV 162通过阀控制器102可控制以提供使冷却剂流体以不同速率流动穿过发动机缸体110和发动机头部112中的每一个的能力。阀控制器102使冷却剂流体流动穿过发动机缸体110和发动机头部112中的每一个的流动请求转化为致动器命令以控制FCV 160和/或BRV 162。这确保冷却剂流体在车辆发动机100的每个区域中的正确流动。
阀控制器102可连续地调节FCV 160和BRV 162以调整冷却剂流体的流动，泵104可将该冷却剂流体提供穿过发动机缸体110和发动机头部112。例如，阀控制器102可为车辆发动机100中的区域计算冷却剂流体的最小区域流量。最小区域流量使车辆发动机100的区域中的每一个用作热交换器同时避免冷却剂沸腾。最小区域流量可以通过阀控制器102转换为FCV 160的期望致动器位置以使FCV 160将最小区域流量提供到车辆发动机100的区域。
继续参照图1，在本发明的实施例中，阀控制器102可以是硬件和程序编制的组合。该程序编制可以是存储在有形存储器上的处理器可执行指令，且该硬件可包括用于执行这些指令的处理装置。因此，系统存储器可存储当通过处理装置执行时实现本文所述的功能的程序指令。其他发动机/模块/控制器还可用于包括本文的其他示例中描述的其他特征和功能。可选地或附加地，阀控制器102可实现为专用硬件，诸如用于执行本文所述技术的一个或多个集成电路、专用集成电路(ASIC)、专用特殊处理器(ASSP)、现场可编程门阵列(FPGA)，或者专用硬件的前述示例的任意组合。
图2描绘了根据本发明的实施例用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机(例如，车辆发动机100)的冷却系统的方法200的流程图。该方法200可以例如通过图1的阀控制器、通过图5的处理系统500(如下描述)或者通过其他合适的处理系统或装置来实现。
在框202处，阀控制器102(例如，处理装置或系统)为车辆发动机100的冷却系统的区域计算冷却剂流体的最小区域流量。根据本发明的实施例，为区域计算最小区域流量是基于在该区域的入口处(例如，用于发动机头部区域的发动机头部112处的入口)测量的冷却剂温度以及至少部分地基于该区域中的热流。该热流表明该特定区域可交换多少热量。
对于发动机缸体110区域，最小区域流量可以根据发动机入口冷却剂温度来计算，而燃烧热流基于发动机转速(RPM)和燃烧的总燃料来计算。对于发动机头部112区域，最小区域流量可以根据发动机入口冷却剂温度来计算，而燃烧热流基于发动机转速(RPM)和燃烧的总燃料来计算。对于低压排气(LPE)区域(其他部件114的一部分)，最小流量可以根据LPE的入口处的入口冷却剂温度和LPE的热流量来计算。对于涡轮压缩机区域(其他部件114的一部分)，最小区域流量可以根据涡轮压缩机的入口处的入口冷却剂温度和涡轮压缩机的热流量来计算。
在框204，阀控制器102将最小区域流量转换为FCV 160的期望致动器位置以使FCV160将冷却剂流体的最小区域流量提供到冷却系统的区域。图3A描绘了根据本发明的实施例用于确定FCV 160的估计流量的逆流模型300的框图。根据本发明的实施例，基于模型的方法(例如，逆流模型300)可以用于基于FCV 160的各致动器位置(304)、主回转阀130的各位置(306)和泵104的各速度(308)来确定估计流量(302)。逆流模型300还可考虑主回转阀130的模式(例如油冷却模式、油加热模式等)(310)。
根据本发明的实施例，估计流量302可以使用以下公式(用于每个区域流量估计的一个)进行计算：
low＝Base@200RPM*(K2*RPM2+K1*RPM)
其中K1和K2是描述泵104的特征和由不同的可能流动共享的常数。RPM代表以每分钟转数计的泵104的转速。Base@2000RPM是三变量结构，当泵104的转速为2000RPM时，其是基于FCV 160的有效面积、散热器120的开口的有效面积和主回转阀130的模式。由此，计算估计流量302。
根据本发明的实施例，逆流模型300可以倒转以产生图3B所描绘的逆流模型320。逆流模型320可以用于将流量请求(例如，最小区域流量)(322)转换为FCV 160的致动器位置(324)。逆流模型320考虑流量请求(322)、泵104的转速(326)、主回转阀130的模式(328)，以及主回转阀130的致动器位置(330)以将流量请求转换为FCV 160的期望致动器位置(324)。
阀控制器102在流动区域操作以将来自区域(例如，发动机头部、发动机缸体、LPE、涡轮增压器、舱式加热器等)的请求从冷却系统的各个阀的致动器解耦。依据流量请求和阀，逆流模型320能够将关于流量的流量请求转换为相应阀的位置，反之亦然。因此，在不具有完整车辆冷却剂回路的情况下，可以校准整个冷却系统。其足够更新逆流模型320。通过在流动区域操作，冷却系统能够实现本文描述的用于每个部件/区域的流动策略。
继续参照图2，在框206，阀控制器102使FCV 160从当前致动器位置改变到期望致动器位置。也就是，阀控制器102将信号发送到FCV160以使FCV将致动器位置改变到期望致动器位置。例如，FCV 160可以是80％开度，且阀控制器102可将信号发送到FCV 160以变化至仅30％开度。
还可包括附加的过程，且应当理解图2中描绘的过程给出了说明且可以添加其他过程或者可以移除、修改或重新布置现有过程，而不脱离本发明的范围和精神。
图4描绘了根据本发明的实施例用于控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的方法400的流程图。该方法400可以例如通过图1的阀控制器、通过图5的处理系统500(如下描述)或者通过其他合适的处理系统或装置来实现。
在框406，基于区域402的入口处的冷却剂流体温度和区域404的热流来计算最小区域流量408。在框410，最小区域流量408补偿环境压力信息412。这通过增加冷却剂流体流动穿过每个区域来降低每个区域之间的冷却剂流体温差而使车辆发动机100在安全状态下在变化高度(具有变化的环境压力)运转。在框416，然后使用逆流模型(例如，图3B的逆流模型320)将环境压力补偿的最小区域流量414转换为FCV 160的期望致动器位置418。
在框420处，如果该区域是发动机头部112的发动机头部区域，则期望致动器位置418可以调整到调整过的期望致动器位置424。如果该区域不是发动机头部区域，则期望致动器位置418被输出到FCV 160以使FCV 160改变到期望致动器位置。然而，如果该区域是发动机头部区域，则基于散热器流量422将期望致动器位置418调整到调整过的期望致动器位置424。
这些技术是通过校正FCV 160和主回转阀130来辅助温度控制以在出现使流向散热器的冷却剂的流量增加的请求时增加穿过车辆发动机100的冷却剂流量。这防止散热器流量饱和。例如，即使主回转阀130比至散热器120的管线开度更大，FCV 160确定允许穿过车辆发动机100(包括散热器120)的冷却剂流体的最大流量。这还通过使更多冷却剂流体流动穿过散热器120来增加散热器120的冷却能力，其具有比车辆发动机100的其他区域更高的热交换效率。这还降低散热器120的温度循环，这可对散热器有害，因为在高制冷需求的情况下，FCV可通过增加车辆发动机100的区域中的热交换来辅助系统。这降低了散热器120上的温度变化。
还可包括附加的过程，且应当理解图4中描绘的过程给出说明且可以添加其他过程或者可以移除、修改或重新布置现有过程，而不脱离本发明的范围和精神。
应当理解，本发明能够与现在已知或今后开发的任何其他类型的计算机环境结合实现。例如，图5示出了用于实现本文所述的技术的处理系统500的框图。在示例中，处理系统500具有一个或多个中央处理单元(处理器)21a、21b、21c等(共同称为或统称为处理器21和/或称为处理装置)。在本发明的各方面，每个处理器21ke可以包括精简指令集计算机(RISC)微处理器。处理器21经由系统总线33耦合到系统存储器(例如随机存取存储器(RAM)24)和各种其他部件。只读存储器(ROM)22耦合到系统总线33并可包括基本输入/输出系统(BIOS)，其控制处理系统500的某些基本功能。
进一步示出的是耦合到系统总线33的输入/输出(I/O)适配器27和网络适配器26。I/O适配器27可以是与硬盘23和/或另一存储驱动器25或任何其他类似的部件通信的小计算机系统接口(SCSI)适配器。I/O适配器27、硬盘23和存储装置25共同称为大容量存储设备34。用于在处理系统500上执行的操作系统40可以存储在大容量存储设备34中。网络适配器26将系统总线33与外部网络36互连在一起，该外部网络使处理系统500与其他这种系统通信。
显示器(例如，显示监视器)35通过显示适配器32连接到系统总线33，该显示适配器可包括图形适配器以提高图形密集应用和视频控制器的性能。在本发明的一个方面，适配器26、27和/32可以连接到一个或多个I/O总线，该一个或多个I/O总线经由中间总线桥(未示出)连接到系统总线33。用于连接外围装置诸如硬盘控制器、网络适配器和图形适配器的适合的I/O总线通常包括公共协议，诸如外围部件互连(PCI)。附加的输入/输出装置示出为经由用户接口适配器28和显示适配器32连接到系统总线33。键盘29、鼠标30和扬声器31可以经由用户接口适配器28互连到系统总线33，该用户接口适配器可包括例如将多个装置适配器集成到单个集成电路的超级I/O芯片。
在本发明的一些方面中，处理系统500包括图形处理单元37。图形处理单元37是专用电子电路，其设计为操纵和改变存储器以加速用于输出到显示器的帧缓冲器中的图像的产生。通常，图形处理单元37在操纵计算机图形和图像处理方面很有效，且具有高度平行的结构，该高度平行的结构使其比用于算法的通用CPU更有效，其中大数据块的处理是平行进行的。
因此，如本文所配置，处理系统500包括处理器21形式的处理能力、包括系统存储器(例如RAM 24)和大容量存储设备34的存储能力、输入装置诸如键盘29和鼠标30，以及包括扬声器31和显示器35的输出能力。在本发明的一些方面中，系统存储器(例如RAM 24)的一部分和大容量存储设备34共同存储操作系统以协调处理系统500中所示的各部件的功能。
本发明的各示例的描述是为了说明的目的被提供的，但是不打算是穷尽性的或者限制于所公开的实施例。在不脱离所描述技术的范围和精神的情况下，许多修改和变型对本领域普通技术人员将是显而易见的。选择本文所用的术语以最佳解释本技术、优于市场中发现的技术的实际应用或技术改进的原理，或者以使本领域其他普通技术人员理解本文公开的技术。
尽管已经参照示例性实施例描述了以上公开内容，但本领域技术人员应当理解，在不偏离其范围的情况下可以做出各种变化并且可以用等价物替换其元件。另外，在不脱离其本质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适于本发明的教导。因此，期望的是，本技术不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的计算机实现方法，所述方法包括：
通过处理装置为所述内燃机的冷却系统的区域计算所述冷却剂流体的最小区域流量；
通过所述处理装置使所述最小区域流量转换为流量控制阀的期望致动器位置以使所述流量控制阀将所述冷却剂流体的所述最小区域流量提供到所述冷却系统的所述区域；以及
通过所述处理装置使所述流量控制阀从当前致动器位置变化到所述期望致动器位置。
2.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中为所述冷却系统的所述区域计算所述冷却剂流体的所述最小区域流量是至少部分地基于所述区域的入口处的冷却剂流体温度。
3.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中为所述冷却系统的所述区域计算所述冷却剂流体的所述最小区域流量是至少部分地基于所述区域中的热流。
4.根据权利要求1所述的计算机实现方法，进一步包括至少部分地基于环境压力信息调整所述最小区域流量。
5.根据权利要求1所述的计算机实现方法，进一步包括确定所述冷却系统的所述区域是发动机头部区域。
6.根据权利要求5所述的计算机实现方法，进一步包括至少部分地基于散热器流量修正所述流量控制阀的所述期望致动器位置。
7.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中将所述最小区域流量转换为期望致动器位置是至少部分地基于逆流模型。
8.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中所述期望致动器位置是所述流量控制阀的开度的百分比。
9.一种控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的系统，所述系统包括：
包括计算机可读指令的存储器；和
用于执行用于实施方法的所述计算机可读指令的处理装置，所述方法包括：
通过所述处理装置为所述内燃机的冷却系统的区域计算所述冷却剂流体的最小区域流量；
通过所述处理装置使所述最小区域流量转换为流量控制阀的期望致动器位置以使所述流量控制阀将所述冷却剂流体的所述最小区域流量提供到所述冷却系统的所述区域；以及
通过所述处理装置使所述流量控制阀从当前致动器位置变化到所述期望致动器位置。
10.一种控制冷却剂流体流动穿过内燃机的冷却系统的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：
具有随其呈现的程序指令的计算机可读存储介质，其中所述计算机可读存储介质不是瞬时信号本身，所述程序指令通过处理装置执行以使所述处理装置执行方法，所述方法包括：
通过所述处理装置为所述内燃机的冷却系统的区域计算所述冷却剂流体的最小区域流量；
通过所述处理装置使所述最小区域流量转换为流量控制阀的期望致动器位置以使所述流量控制阀将所述冷却剂流体的所述最小区域流量提供到所述冷却系统的所述区域；以及
通过所述处理装置使所述流量控制阀从当前致动器位置变化到所述期望致动器位置。
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