CN1880747A - 燃烧室内具有加热装置的内燃机和该加热装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机(1)包括至少一个气缸(2)和电子控制单元(12)，所述气缸(2)提供至少一个用于加热气缸(2)内可变容燃烧室(9)的电热塞(11)，所述电子控制单元依次包含用于估算燃烧室(9)内的电热塞(11)的温度(T_GS)的估算模块(13)和驱动作为估算温度(T_GS)的函数的电热塞(11)的控制模块(15)。

Description

燃烧室内具有加热装置的内燃机和该加热装置的控制方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机，该内燃机的燃烧室里设置加热装置，同时还涉及该加热装置的控制方法。

背景技术

众所周知，内燃机的燃烧室，尤其是柴油机的燃烧室，提供有加热装置，通常称为“电热塞”，其功能是适当地加热燃烧室和这些燃烧室里的工作流体，甚至在不理想的运行条件下，如在燃烧室和/或工作流体的低温条件下，保证燃烧过程具有一定的效率。

内燃机里燃烧过程的最重要工况之一就是内燃机的点火阶段，该工况需要使用电热塞。

在这个阶段，燃烧室温度实际上是低的，即，它低于为获得燃烧过程足够效率所需要的工作温度；因此，提供给电热塞以电压，使后者的温度等于工作条件所要达到的目标温度值。

众所周知，对于内燃机车辆的司机来说，最重要的要求之一是将电热塞的预热时间减至最小，该预热时间相当于内燃机点火阶段电热塞使其温度达到目标温度值所用的时间间隔。

为达到这一目的，用于启动电热塞以减小预热时间的开放回路电子控制系统已在最近一代内燃机中被提出。在内燃机点火阶段，这些电子控制系统特别提高电热塞的供给电压，即，它们将供给电压提高到一个大于正常工作条件下向电热塞提供的标称电压值，为的是使电热塞的温度迅速提高，这样可使预热时间得到减少。

在点火结束阶段，为了使电热塞温度基本上保持为目标温度值，控制系统会使电热塞的供给电压稳定在标称值。

尽管以上讨论的电控系统减少电热塞的预热时间，但其仍有许多缺陷：第一，当电热塞和燃烧室的初始条件不同于设定的控制条件时，过高的电压供给可能会损坏电热塞；实际上，如果点火，不是从“冷”内燃机发生，而是从“热”内燃机发生，即，在温度稍低于工作温度的温度条件下，则供给火花塞的过高电压可以产生高于电热塞能够允许的极高的温度，从而使电热塞遭受不能抵挡的过高热应力的作用。

另一缺陷在于上述开放回路电控系统不能保证，随着一定程度上引起燃烧室温度改变的内燃机工作参数变化，电热塞的温度仍能保持足够的稳定。换句话说，当被控制的温度参数被大量内燃机参数和许多电热塞暴露的环境条件所调节时，通过上述电控系统来完成电热塞温度控制是非常不可靠的。

为减少预热时间，自调整电热塞也已经被提出了，并且还提供了一种内变阻器，其变化作为温度函数的电阻，以引起所生成的热功率的自动调整，从而获得电热塞温度的自动控制。

这些自我调整电热塞的缺点是，它们易受内燃机的不同工作条件下的温度分散度的影响；实际上，当内燃机工作点发生变化时，热交换也发生改变，自我调整电热塞也不能适当的适应它的热功率，因此易受较高温度变化的影响。

EP-1408233公开，控制柴油机电热塞的加热过程包括仿效火花塞在加热过程中的热行为，WO-9506203涉及一种电能驱动加热元件诸如电热塞的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有加热装置的内燃机以及该加热装置的控制方法，该方法使加热装置的预热时间的减少成为可能，同时还确保加热装置的温度在内燃机任何工作条件下都保持非常稳定。

本发明涉及一种内燃机，该内燃机包括至少一个气缸，所述气缸提供有至少一个内部适用于加热气缸可变容燃烧室的加热装置和为使加热装置温度发生变化而驱动加热装置的电子控制单元，该内燃机的特征在于，电子控制单元包括用于估计燃烧室里加热装置温度的估算装置、用于作为估算温度的函数来操作加热装置的控制装置；所述估算装置包括用于计算加热装置的热生成功率的第一计算装置、用于计算燃烧室里的热交换功率的第二计算装置、用于估算作为热生成功率和热交换功率之间差异的函数的加热装置温度的第三计算装置。

本发明还涉及一种内燃机的控制方法，该内燃机包括至少一个气缸，所述气缸提供有至少一个适用于内部加热气缸可变容燃烧室的加热装置，该控制方法包括驱动加热装置以使其温度发生改变的阶段，所述控制方法的特征在于，它包括估算燃烧室里加热装置温度的阶段和驱动作为估算温度函数的加热装置的阶段；估算加热装置温度的阶段包括计算加热装置热生成功率的阶段，计算燃烧室里热交换功率以及估算作为热生成功率与热交换功率之间差异的函数的加热装置温度的阶段。

本发明还涉及一种内燃机的电子控制单元，该内燃机包括至少一个气缸，所述气缸提供有至少一个适用于内部加热气缸可变容燃烧室的加热装置，该控制元件的特征在于它执行所述加热装置的控制方法。

附图说明

下面结合附图对本发明进行说明，这些附图示出本发明不同的非限制的

实施例，其中：

图1是具有本发明加热装置的内燃机的视图；

图2是构成图1所示内燃机部分的电子控制单元的框图；

图3是图2所示内燃机电子控制单元的温度估算模块的框图。

具体实施方式

本发明所基于的原理实质上是执行内燃机可变容燃烧室中加热装置温度的反馈控制(如封闭回路控制)，作为加热装置的温度估算的函数；该估算是利用燃烧室中的热生成功率和热交换功率的能量平衡模型来完成的。

换句话说，本发明是基于以下概念，即以加热装置产生的热能和燃烧室与包含在其中的工作流体之间交换的热能之间的能量平衡为基础估算加热装置的温度，以及驱动作为估算温度与需要在特殊内燃机工作条件下加热装置所要达到的目标温度值之间差异的函数的加热装置。

参照图1所示，附图标记1所示出的是内燃机，优选的是柴油机的整体示图，它包括一系列气缸2(为清楚说明，这里仅示出其中的一个气缸)，对每一个气缸2，为了对其提供输入气流，设有一进气管3与相应的气缸2相连，为获得来自气缸2的废气流，设有排气管4与气缸2相连，同时还设有通过内部流过一种流体(如水流)来冷却内燃机1的冷却装置5，该冷却装置是众所周知的型号，所以这里不再进行详细说明。

每个气缸2与沿气缸2直线方式滑动的活塞6相连接，该活塞通过连接杆8与驱动轴7机械连接。众所周知，气缸2中由活塞6限定的自由空间形成了气缸2内可变容积燃烧室9。

各气缸2还包括一个适合于周期性地将燃料喷入气缸2的喷射器10和至少一个加热装置，在本实施例中，该加热装置由一个适合于加热燃烧室9的电热塞11构成。

此外，如图1和2所示，内燃机1还提供有管理内燃机1运行的电子控制单元12，它特别适于以如下面所要详细说明的控制方法驱动加热燃烧室9的电热塞11。

特别的，电子控制单元12时时估算电热塞11的温度T_GS，并作为估算温度T_GS函数来调整供给电热塞11的电能。

根据图2所示的实施方式，电子控制单元12(图中只示出了对于理解本发明必不可少的部分)包括一种估算模块13，该模块接收一系列内燃机量值和工作参数作为输入，并作为后者的函数，产生指示电热塞11的估算温度T_GS的信号作为输出。由以上所述，应注意到工作参数是通过设置在内燃机多个适当位置的一系列公知的传感器和/或转换器和/或测量装置提供给电子控制单元12的。

另外，电子控制单元12还包括求和回路14，其作为输入，接收指示估算温度TGS的信号和指示与电热塞11需要达到温度相应的目标温度T_GO的信号，其作为输出，提供示出要达到的目标温度T_GO和估算温度T_GS之间差异的误差信号e_T。

电子控制单元12还包括控制模块15，其作为输入，它接收误差信号e_T，并作为后者的函数，产生驱动电热塞11的控制信号S_COM。特别是，控制模决15优选地通过脉冲调幅PWM产生控制信号S_COM。这里，控制信号S_COM包括一系列以电压值Va和特定负载循环为特征的脉冲，以下负载循环值由DCY示出。

控制模块13适于调节控制信号S_COM的负载循环DCY和/或电压值V_a，该信号作为误差信号e_T的函数被提供给电热塞11以供给特定的电能，从而借助该电热塞11可产生相应的热能。

如图3所示，估算模块13包括块16，作为输入，此块接收与控制信号S_COM的电压Va相关的信号、指示由控制模块15产生的控制信号S_COM的负载循环DCY的信号、以及指示电热塞11的电阻R_G的信号。

块16用于处理参数Va、DCY和R_G，从而作为输出在对电热塞11提供控制信号SCOM时，该块提供指示电热塞11所产生的热功率P_TG的信号。这时，块16通过以下关系用于计算热功率P_TG：

PTG＝(V_a ².DCY)/(R_G)

估计模块13还包括计算燃烧室9中的平均温度T_COMB的块17和计算热交换系数hS的块18。

作为输入，块17特别接收指示进气温度T_AIR的信号、指示冷却流体温度T_H2O的信号、指示对应于内燃机1中测定负载的参数LOAD的信号、指示内燃机转数RPM的信号、以及指示内燃机工作状态S_STATE的信号。

这种情况下，指示内燃机工作状态的信号S_STATE可选地包括对应于由燃烧过程引起的内燃机转动的第一工作状态，或对应于内燃机静止的第二工作状态，或者是在缺少燃烧过程时对应于内燃机转动的第三工作状态。更具体地说，第一状态可以是例如内燃机处于由燃烧过程驱动旋转并获得比预定最小转速值(如780RPM)大的转数的状态。内燃机的第二工作状态可以是一种非燃烧状态，其中内燃机是靠转速大约为250RPM的电启动装置(启动马达)驱动的，而第三状态可以是内燃机为静止的以及点火钥匙处于点火状态的状态。

将会理解的是，指示内燃机工作状态的信号S_STATE可以由公知型号的管理模块(未示出)生成，该模块可以时时决定内燃机的工作状态，而指示参数LOAD的信号可由安装在内燃机上以测量其负载(如图1所示)的传感器生成，或者可由电子控制单元12的计算模块(未示出)直接估算。

块17借助储存在电子控制单元12的存储器(未示出)中的一系列函数决定燃烧室9的温度T_COMB，每个函数作为内燃机工作状态S_STATE的一个函数由模块17来选择。包含大量定义温度T_COMB的第一估算函数F_ST1(RPM，LOAD)的数值的第一表格存储在存储器里(未示出)，并与第一内燃机工作状态相关联，这样使得为转速值RPM和负载LOAD的每个结合估算温度T_COMB的相应值成为可能。

此外，包含限定温度T_COMB的第二估算函数F_ST2(T_H2O)的许多数值的第二表格也存储在存储器中(未示出)，并与第二内燃机工作状态相关联，这样就可以为冷却流体温度T_H2O的每个数值估算温度T_COMB的相应值，包含限定温度T_COMB的第三估算函数FST3(T_AIR)的许多数值的第三表格也存储在存储器中，并与内燃机的第三工作状态相关联，这样就可以为进气温度T_AIR的每个值估算相应的温度值T_COMB。

块18接收指示转速RPM的信号作为输入，并借助热交换函数H(RPM)，计算燃烧室的热交换系数hS。在这种情况下，含有许多定义热交换函数H(RPM)的数值的第四表格存储在存储器中(未示出)，这样就可以为内燃机转速RPM的每一数值计算出一个相应热交换系数hS。

此外，估算模块13还包括块19，作为输入，它接收指示热交换系数hS的信号、指示温度T_COMB的信号和指示电热塞11的温度T_GS的信号。可以理解的是，温度T_GS有时存储在存储器中(未示出)，作为输入，块19接收与估算模块13在以前估算过程中所计算的最后温度值T_GS相对应的信号。也可以理解，在电子控制单元12最初设置的过程中，当估算模块13第一次运行时，可能会分配合适的预定值给温度T_GS。

块19处理参数T_GS、T_COMB和hS，以提供指示与燃烧室9中工作流体进行交换的热功率PTS的信号，作为输出。在这种情况下，块19借助于以下关系式来计算热交换功率P_TS：

P_TS＝hS(T_GS-T_COMB)

估算模块13还包括求和回路20，作为输入，它接收对应于热生成功率P_TG信号和指示热交换功率P_TS的信号，作为输出，它提供指示热生成功率P_TG和热交换功率P_TS之间差异ΔP的信号：ΔP＝(P_TG-P_TS)。

最后，估算模块13包括块21，该块21作为输入接收指示热生成功率P_TG与热交换功率P_TS之间差异ΔP的信号，以及指示电热塞11的热容C_tGLOW的信号，其数值是预定好的，该模块对后者进行处理，以作为输出提供指示电热塞11的估算温度T_GS的信号。在这种情况下，块21借助以下关系式来估算出电热塞11的温度T_GS：

$T_{\mathrm{GS}}=\frac{1}{C_{\mathrm{tGLOW}}}\·{\∫}_0^t\mathrm{\ΔP}\·\mathrm{dt}$

其中时间to和t界定出完成电热塞11热生成功率P_TG和燃烧室9里与工作流体(废气)热交换功率P_TS之间的能量平衡的时间间隔。

在电热塞11的控制方法中，电子控制单元12的估算模块13时时估算温度T_GS，它基于上面所讨论的不同内燃机参数和该内燃机的(第一，第二或第三状态)工作状态，控制模块15适当调整控制信号(尤其是负载循环DCY和/或电压Va)，作为指示电热塞11所达到的目标温度T_GO与估算温度T_GS之间差异的误差信号e_T的函数供给电热塞11。

块17在存储器中(未示出)特别用于基于内燃机工作状态S_STATE来识别计算内部温度T_COMB的估算函数。更具体地说，如果工作状态S_STATE符合第一状态，块17利用基于转速RPM和内燃机负载LOAD的第一估算函数F_ST1(RPM，LOAD)来计算内部温度T_COMB；而如果工作状态符合第二或第三状态，块17分别基于流体温度T_H2O和空气温度T_AIR的第二和第三估算函数F_ST2(T_H2O)，F_ST3(T_AIR)来计算内部温度T_COMB。

在这个阶段，块19接收作为输入的对应于参数T_GS、T_COMB和hS的信号，处理这些信号，并作为输出提供热交换功率P_TS，同时块16处理参数Va、DCY和R_G，提供作为输出的指示热生成功率P_TG的信号。在这一点上，当求和回路20完成热生成功率P_TG和热交换功率P_TS之间的减运算后，模块21估算出电热塞11的温度T_GS，然后作为输出以电信号形式提供给求和回路14。

上述内燃机1和上述电热塞11控制方法的优点是能确保在内燃机任何工况下电热塞的温度控制精确稳定，同时确保点火阶段该电热塞的预热时间大大减少。与公知的如上所述执行温度开放回路控制的电控系统形成对照，上述方法执行的是温度的反馈控制，所以点火阶段和正常工况下的内燃机性能得到改善。

上述内燃机和加热装置的控制方法的优点是能够简易、经济地实施，因为其可以基于通常可获得的内燃机尺寸直接对加热装置温度进行闭式回路控制，不需将温度传感器直接安装在加热装置上，而后一方案不仅使工业化更复杂，还要承担非常高的成本风险。

将会理解的是，所述以及所示出的内燃机和加热装置的控制方法可以在不脱离如权利要求所述的本发明范围内进行修改和变化。

Claims (15)

1、一种内燃机(1)，包括至少一个气缸(2)，所述气缸提供有至少一个用于对气缸(2)的可变容燃烧室(9)进行内部加热的加热装置(11)和为使加热装置(11)温度发生变化而驱动该加热装置(11)的电子控制单元(12)，该内燃机(1)的特征在于，电子控制单元(12)包括估算燃烧室(9)中加热装置(11)的温度(T_GS)的估算装置(13)，和作为估算温度(T_GS)的函数来驱动加热装置(11)的控制装置(15)；所述估算装置(13)包括用于计算加热装置(11)产生的热生成功率(P_TG)的第一计算装置(16)、用于计算燃烧室(9)中的热交换功率(P_TS)的第二计算装置(17，18，19)，和用于估算作为热生成功率(P_TG)和热交换功率(P_TS)之间差异的函数的加热装置(11)的温度(T_GS)的第三计算装置(21)。

2、如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第三计算装置(21)通过以下关系式估算加热装置(11)的温度(T_GS)：

$T_{\mathrm{GS}}=\frac{1}{G_{\mathrm{tGLOW}}}\·{\∫}_0^t\mathrm{\ΔP}\·\mathrm{dt}$

其中时间to和t界定出完成能量平衡的时间间隔，ΔP是热生成功率(P_TG)和热交换功率(P_TS)之间的差异，C_tGLOW是加热装置的热容。

3、如权利要求1所述的内燃机，其中控制装置(15)用于产生加热装置(11)的控制信号(S_COM)，该控制信号(S_COM)包括一系列脉冲(PWM)，该内燃机的特征在于，第一计算方法(16)用于计算热生成功率(P_TG)，它是包括控制信号(S_COM)的电压(Va)和/或控制信号(S_COM)脉冲的负载循环(DCY)和/或加热装置(11)的电阻(R_G)的一系列参数的函数。

4、如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第二计算装置(17，18，19)包括计算燃烧室(9)内部温度(T_COMB)的第四计算装置(17)和计算作为燃烧室(9)内部温度(T_COMB)与加热装置(11)估算温度(T_GS)之差的函数的热交换功率(P_TS)的第五计算装置(19)。

5、如权利要求4所述的内燃机，其特征在于，第五计算装置(19)通过以下关系式来计算热交换功率(P_TS)：

P_TS＝hS(T_GS-T_COMB)

其中P_TS是热交换功率，T_GS是估算温度，T_COMB是燃烧室(9)的温度，以及hS是热交换系数。

6、如权利要求4所述的内燃机，其特征在于，第四计算装置(17)用于计算燃烧室(9)的温度T_COMB，在此是将该温度作为一系列内燃机参数(T_AIR，T_H2O，LOAD，RPM)的函数并基于内燃机的工作状态(S_STATE)计算的。

7、如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，控制装置(15)用于产生控制信号(S_COM)，该控制信号是加热装置(11)将要达到的目标温度(T_GO)与估算温度(T_GS)之间差异的函数。

8、一种内燃机(1)的控制方法，该内燃机(1)包括至少一个气缸(2)，所述气缸提供有至少一个用于对加热气缸(2)的可变容燃烧室(9)进行内部加热的加热装置(11)，该控制方法包括驱动加热装置(11)以使其温度发生改变的阶段，所述控制方法其特征在于，它包括估算燃烧室(9)内的加热装置(11)的温度(T_GS)的阶段和作为估算温度(T_GS)函数来驱动加热装置(11)的阶段；估算加热装置(11)温度(T_GS)的阶段包括计算加热装置(11)产生的热生成功率(P_TG)的阶段、计算燃烧室(9)内的热交换功率(P_TS)的阶段、以及估算作为热生成功率(P_TG)与热交换功率(P_TS)之间差异的函数的加热装置(11)的温度(T_GS)的阶段。

9、如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，估算加热装置(11)温度(T_GS)的阶段包括执行以下关系式的阶段：

$T_{\mathrm{GS}}=\frac{1}{C_{\mathrm{tGLOW}}}\·{\∫}_0^t\mathrm{\ΔP}\·\mathrm{dt}$

其中时间to和t界定出完成能量平衡的时间间隔，ΔP是热生成功率(P_TG)和热交换功率(P_TS)之间的差异，C_tGLOW是加热装置的热容。

10、如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，驱动加热装置(11)的阶段包括为加热装置(11)产生控制信号(S_COM)的阶段，所述控制信号(S_COM)包括一系列脉冲(PWM)，该方法特征在于，计算热生成功率(P_TG)阶段包括作为含有控制信号(S_COM)的电压(Va)和/或控制信号(S_COM)的负载循环(DCY)和/或加热装置(11)的电阻(R_G)的一系列参数的函数来计算的热生成功率(P_TG)的阶段。

11、如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，计算热交换功率(P_TS)阶段包括计算燃烧室(9)内部温度(T_COMB)的阶段和计算作为燃烧室(9)内部温度(T_COMB)和加热装置(11)估算温度(T_GS)之间差异的函数的热交换功率(P_TS)的阶段。

12、如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，热交换功率(P_TS)借助以下关系式计算：

P_TS＝hS(T_GS-T_COMB)

其中P_TS是热交换功率，T_GS是估算温度，T_COMB是燃烧室(9)的温度，以及hS是热交换系数。

13、如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，该方法包括计算燃烧室(9)内部温度(T_COMB)的阶段，该计算是将该温度作为一系列内燃机参数(T_AIR，T_H2O，LOAD，RPM)的函数并基于内燃机的工作状态(S_SATE)进行。

14、如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，该方法包括产生作为加热装置(11)将要达到的目标温度(T_GO)与估算温度(T_GS)之间差异的函数的控制信号(S_COM)的阶段。

15、一种内燃机(1)的电子控制单元(12)，该内燃机包括至少一个气缸(2)，所述气缸提供有至少一个用于对加热气缸(2)的可变容燃烧室(9)进行内部加热的加热装置(11)，该控制元件(12)的特征在于，它执行如权利要求8所述的加热装置(11)的控制方法。

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