本公開涉及內(nèi)燃機,并且尤其涉及使用前饋法和反饋法控制通過發(fā)動機的冷卻劑流的系統(tǒng)和方法。
背景技術:
此處所提供的背景描述是用于大體呈現(xiàn)本公開環(huán)境的目的。目前署名的發(fā)明人的工作,就本背景章節(jié)以及在提交時可另外不作為現(xiàn)有技術的描述的方面的描述而言,其既不明確也不隱含地承認為本公開的現(xiàn)有技術。
用于發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)通常包括散熱器、冷卻劑泵、入口管線和出口管線。入口管線從散熱器的出口延伸至發(fā)動機的入口。出口管線從散熱器的入口延伸至發(fā)動機的出口。冷卻劑泵使冷卻劑循環(huán)通過入口管線、發(fā)動機、出口管線和散熱器。在一些情況下,冷卻系統(tǒng)包括旁通閥,旁通閥在其處于打開狀態(tài)時允許冷卻劑繞開散熱器。
發(fā)動機控制系統(tǒng)一般通過調(diào)節(jié)冷卻劑泵的速度來控制通過發(fā)動機的冷卻劑流。常規(guī)發(fā)動機控制系統(tǒng)對冷卻劑流進行調(diào)節(jié),以使期望冷卻劑溫度與測得的冷卻劑溫度之間的差最小化。以這種方式控制冷卻劑流可以稱為反饋法。
在狀態(tài)穩(wěn)定情況下,諸如當車輛正在以恒速行進時,僅使用反饋法控制冷卻劑流可以是足夠的。然而,在瞬態(tài)情況下,例如,當汽車正在加速時,僅使用反饋法控制冷卻劑流可能無法像所期望的那樣快速且精確地調(diào)節(jié)冷卻劑溫度。
技術實現(xiàn)要素:
一種根據(jù)本公開原理的系統(tǒng)包括傳熱速率模塊、期望流率模塊、流率調(diào)節(jié)模塊和泵控制模塊。傳熱速率模塊基于汽缸壁溫度和測得的冷卻劑溫度來確定從發(fā)動機到流過發(fā)動機的冷卻劑的傳熱速率。期望流率模塊基于傳熱速率來確定通過發(fā)動機的冷卻劑流的期望速率。流率調(diào)節(jié)模塊基于期望冷卻劑溫度和測得的冷卻劑溫度確定冷卻劑流率調(diào)節(jié)。泵控制模塊基于期望冷卻劑流率和冷卻劑流率調(diào)節(jié)來控制冷卻劑泵,以調(diào)節(jié)通過發(fā)動機的冷卻劑流的實際速率。
本公開的其他適用領域?qū)木唧w實施方式、權利要求書和附圖中變得顯而易見。詳細描述和具體實例僅用于說明的目的,并不是為了限制本公開的范圍。
附圖說明
本公開將從具體實施方式和附圖中得以更全面的理解,其中:
圖1是根據(jù)本公開原理的示例性發(fā)動機系統(tǒng)的功能框圖;
圖2是根據(jù)本公開原理的示例性控制系統(tǒng)的功能框圖;以及
圖3是示出根據(jù)本公開原理的示例性控制方法的流程圖。
附圖中,可以重復使用參考數(shù)字來標識相似和/或相同的元件。
具體實施方式
根據(jù)本公開的系統(tǒng)和方法使用前饋法和反饋法兩者來控制通過發(fā)動機的冷卻劑流。在反饋法中,該系統(tǒng)和方法基于期望冷卻劑溫度與測得的冷卻劑溫度之間的差來確定冷卻劑流率調(diào)節(jié)。在前饋法中,該系統(tǒng)和方法基于從發(fā)動機到流過發(fā)動機的冷卻劑的傳熱的實際速率來確定期望冷卻劑流率。該系統(tǒng)和方法然后控制冷卻劑泵的速度,以使實際冷卻劑流率與期望冷卻劑流率和冷卻劑流率調(diào)節(jié)的總和之間的差最小化。
該系統(tǒng)和方法可以使用數(shù)學模型來確定從發(fā)動機到流過發(fā)動機的冷卻劑的傳熱速率。在一個實例中,該系統(tǒng)和方法基于發(fā)動機中的汽缸壁溫度以及冷卻劑入口溫度和冷卻劑出口溫度的平均值來確定傳熱速率。該系統(tǒng)和方法還可以基于汽缸壁和冷卻劑的物理特性(諸如質(zhì)量、比熱、傳熱系數(shù)和/或表面面積)來確定傳熱速率。
相對于僅使用反饋法控制冷卻劑流,使用前饋法和反饋法兩者控制通過發(fā)動機的冷卻劑流改善了系統(tǒng)響應時間。此外,使用反饋法控制冷卻劑流對與前饋法中所用數(shù)學模型相關聯(lián)的任何錯誤進行了糾正。因此,根據(jù)本公開的系統(tǒng)和方法對冷卻劑流進行調(diào)節(jié),以精確且快速地控制穩(wěn)態(tài)條件和瞬態(tài)條件下的冷卻劑溫度。
現(xiàn)參照圖1,發(fā)動機系統(tǒng)100包括發(fā)動機102,其燃燒空氣/燃料混合物而為車輛產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機102所產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩量是基于駕駛員輸入103。駕駛員輸入103可以基于加速踏板的位置來生成。駕駛員輸入103還可以由巡航控制系統(tǒng)生成,該巡航控制系統(tǒng)可以是改變車輛速度以維持預定行車間距的自適應巡航控制系統(tǒng)。
空氣通過進氣歧管104被吸入發(fā)動機102??梢允褂霉?jié)流閥106來改變吸入發(fā)動機102的空氣量。一個或多個燃料噴射器(諸如燃料噴射器108)將燃料噴射到空氣中,以形成空氣/燃料混合物??諝?燃料混合物在發(fā)動機102的汽缸(諸如汽缸110)內(nèi)燃燒。盡管發(fā)動機102示為包括一個汽缸,但發(fā)動機102可以包括一個以上的汽缸。
汽缸110包括機械地連接至曲軸112的活塞(未示出)。汽缸110內(nèi)的一個燃燒循環(huán)可以包括四個階段:進氣階段、壓縮階段、燃燒階段和排氣階段。在進氣階段期間,活塞向最低的位置移動并且將空氣吸入汽缸110。在壓縮階段期間,活塞向最高的位置移動并且壓縮汽缸110內(nèi)的空氣或空氣/燃料混合物。
在燃燒階段期間,火花塞114產(chǎn)生的火花點燃空氣/燃料混合物??諝?燃料混合物的燃燒驅(qū)動活塞返向最低的位置,并且活塞驅(qū)動曲軸112旋轉(zhuǎn)。在排氣階段期間,廢氣通過排氣歧管116從汽缸110中排出而完成燃燒循環(huán)。發(fā)動機102經(jīng)由曲軸112將轉(zhuǎn)矩輸出至變速器(未示出)。盡管發(fā)動機102被描述為火花點火發(fā)動機,但發(fā)動機102可以是壓縮點火發(fā)動機。
用于發(fā)動機102的冷卻系統(tǒng)118包括散熱器120、冷卻劑泵122和旁通閥123。散熱器120對流過散熱器120的冷卻劑進行冷卻,并且冷卻劑泵122使冷卻劑循環(huán)通過發(fā)動機102和散熱器120。冷卻劑從散熱器120流至冷卻劑泵122,從冷卻劑泵122通過入口管線124流至發(fā)動機102,并且從發(fā)動機102通過出口管線126流回散熱器120。
冷卻劑泵122可以是可切換水泵。在一個實例中,冷卻劑泵122是包括葉輪和離合器的離心泵,離合器選擇性地將葉輪與滑輪接合,滑輪由連接至曲軸112的皮帶驅(qū)動。當冷卻劑泵122被接通和斷開時,離合器分別將葉輪與滑輪接合和脫離。冷卻劑可以通過位于冷卻劑泵122中心附近的入口而進入冷卻劑泵122,并且葉輪可以迫使冷卻劑徑向向外流至位于冷卻劑泵122外部的出口??蛇x地,冷卻劑泵122可以是電動泵。
當冷卻劑從出口管線126流至入口管線124時,可以打開旁通閥123以允許冷卻劑繞開散熱器120。旁通閥123可以調(diào)節(jié)至完全關閉位置、完全打開位置以及部分打開位置(即,完全關閉位置與完全打開位置之間的位置)。當旁通閥123被調(diào)節(jié)至部分打開位置時,離開發(fā)動機102的冷卻劑流的一部分經(jīng)過散熱器120,而離開發(fā)動機102的冷卻劑流的一部分經(jīng)過旁通閥123。
曲軸位置(CKP)傳感器128測量曲軸112的位置,其可以用來確定發(fā)動機102的速度。冷卻劑入口溫度(CIT)傳感器130測量進入發(fā)動機102的冷卻劑溫度,其稱為冷卻劑入口溫度。冷卻劑出口溫度(COT)傳感器132測量離開發(fā)動機102的冷卻劑溫度,其稱為冷卻劑出口溫度。CIT傳感器130和COT傳感器132可分別位于入口管線124和出口管線126內(nèi),或位于使冷卻劑循環(huán)的其他位置,諸如位于發(fā)動機102的冷卻劑通道(未示出)中和/或散熱器120中。
進氣歧管104內(nèi)的壓力可以使用歧管絕對壓力(MAP)傳感器134來測量。在各種實施方案中,可以測量發(fā)動機真空,該發(fā)動機真空為環(huán)境空氣壓力與進氣歧管104內(nèi)壓力之間的差。流入進氣歧管104的空氣的質(zhì)量流率可以使用質(zhì)量流率(MAF)傳感器136來測量。在各種實施方案中,MAF傳感器136可以位于殼體中,該殼體還包括節(jié)流閥106。
節(jié)流閥106的位置可以使用一個或多個節(jié)流位置傳感器(TPS)140來測量。吸入發(fā)動機102的空氣的環(huán)境溫度可以使用進氣溫度(IAT)傳感器142來測量。發(fā)動機控制模塊(ECM)144基于來自傳感器的信號來控制節(jié)流閥106、燃料噴射器108、火花塞114和冷卻劑泵122。
ECM 144輸出節(jié)流控制信號146,以控制節(jié)流閥106的位置。ECM 144輸出燃料控制信號148,以控制燃料噴射器108的開啟正時和持續(xù)時間。ECM 144輸出火花控制信號150,以控制火花塞114的點火正時。ECM 144輸出泵控制信號152,以控制冷卻劑泵122的速度。ECM 144輸出閥控制信號153,以控制旁通閥123的打開面積。
ECM 144控制冷卻劑泵122,以基于流過發(fā)動機102的冷卻劑的期望速率和冷卻劑流率調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)流過發(fā)動機102的冷卻劑的實際速率。ECM 144基于期望冷卻劑出口溫度與來自COT傳感器132的冷卻劑出口溫度之間的差來確定冷卻劑流率調(diào)節(jié)。ECM 144基于從發(fā)動機102到流過發(fā)動機102的冷卻劑的傳熱速率來確定期望冷卻劑流率。ECM 144基于發(fā)動機102中的汽缸壁溫度、來自CIT傳感器130和COT傳感器132的冷卻劑入口溫度和冷卻劑出口溫度以及汽缸壁和冷卻劑的物理特性來確定傳熱速率。
現(xiàn)參照圖2,ECM 144的示例性實施方案包括確定發(fā)動機102的速度的發(fā)動機速度模塊202。發(fā)動機速度模塊202可以基于獲自CKP傳感器128的曲軸位置來確定發(fā)動機速度。例如,發(fā)動機速度模塊202可以基于曲軸完成一次或多次繞轉(zhuǎn)所耗費的時間來計算發(fā)動機速度。發(fā)動機速度模塊202輸出發(fā)動機速度。
冷卻劑溫度模塊204確定流過發(fā)動機102的冷卻劑的平均溫度。該平均溫度是來自CIT傳感器130的冷卻劑入口溫度和來自COT傳感器132的冷卻劑出口溫度的平均值。冷卻劑溫度模塊204輸出平均冷卻劑溫度。
汽缸壁溫度模塊206基于發(fā)動機運行條件來確定發(fā)動機102中的汽缸壁溫度。發(fā)動機運行條件可以包括發(fā)動機速度、冷卻劑入口溫度、冷卻劑出口溫度、來自MAF傳感器136的進氣質(zhì)量流率和/或發(fā)動機運行周期。汽缸壁溫度模塊206可以基于發(fā)動機運行條件與汽缸壁溫度之間的預定關系來估計汽缸壁溫度。該預定關系可體現(xiàn)在查找表和/或等式中。汽缸壁溫度模塊206輸出汽缸壁溫度。
發(fā)動機吸熱模塊208確定發(fā)動機102所吸收熱量的實際變化率。發(fā)動機102的部件(例如,汽缸壁)吸收發(fā)動機102的汽缸內(nèi)空氣和燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量。發(fā)動機吸熱模塊208基于汽缸壁溫度的變化以及與其相關聯(lián)的周期來確定該吸熱的變化率。例如,發(fā)動機吸熱模塊208可以利用如下的關系式來確定發(fā)動機102所吸收熱量的變化率:
其中,是發(fā)動機102所吸收熱量的變化率,mw是汽缸壁的質(zhì)量,cpw是汽缸壁的比熱,ΔTw是汽缸壁溫度在周期內(nèi)的變化,以及Δt是周期。發(fā)動機吸熱模塊208輸出發(fā)動機102所吸收熱量的變化率。
冷卻劑吸熱模塊210確定流過發(fā)動機102的冷卻劑所吸收熱量的實際變化率。冷卻劑吸熱模塊210基于平均冷卻劑溫度的變化以及與其相關聯(lián)的周期來確定冷卻劑所吸收熱量的變化率。例如,冷卻劑吸熱模塊210可以利用如下的關系式來確定冷卻劑所吸收熱量的變化率:
其中,是冷卻劑所吸收熱量的變化率,mc是冷卻劑的質(zhì)量,cpc是冷卻劑的比熱,(ΔTc)avg是平均冷卻劑溫度在周期內(nèi)的變化,以及Δt是周期。冷卻劑吸熱模塊210輸出冷卻劑所吸收熱量的變化率。
傳熱速率模塊212確定從發(fā)動機102到流過發(fā)動機102的冷卻劑的傳熱速率。傳熱速率模塊212可以利用如下的關系式來確定該傳熱速率:
其中,是從發(fā)動機102到冷卻劑的傳熱速率,以及是從發(fā)動機102排熱的期望速率。
傳熱速率模塊212可以基于輸送給發(fā)動機102的每個汽缸的空氣量(可稱為空氣每汽缸)來確定期望排熱速率??商娲?,傳熱速率模塊212可以基于發(fā)動機速度和發(fā)動機102的期望轉(zhuǎn)矩輸出來確定期望排熱速率。傳熱速率模塊212輸出從發(fā)動機102排熱的期望速率。
ECM 144可以將來自MAF傳感器136的進氣質(zhì)量流率除以發(fā)動機102中的汽缸數(shù)量而得到空氣每汽缸。ECM 144可以基于駕駛員輸入103來確定發(fā)動機102的期望轉(zhuǎn)矩輸出。在一個實例中,ECM 144存儲加速踏板位置到期望轉(zhuǎn)矩的一個或多個映射,并且基于映射中所選擇的一個映射來確定發(fā)動機102的期望轉(zhuǎn)矩輸出。
在各種實施方案中,傳熱速率模塊212可以利用如下的關系式來確定從發(fā)動機102到流過發(fā)動機102的冷卻劑的傳熱速率。
其中,是傳熱速率,hw是汽缸壁的傳熱系數(shù),Aw是汽缸壁的表面面積,Tw是汽缸壁溫度,以及(Tc)avg是平均冷卻劑溫度。
在各種實施方案中,傳熱速率模塊212可以利用如下的關系式來確定從發(fā)動機102到流過發(fā)動機102的冷卻劑的傳熱速率。
其中,是傳熱速率,KHEX,0和KHEX,1是汽缸壁的有效傳熱系數(shù),是冷卻劑的實際質(zhì)量流率,Tw是汽缸壁溫度,以及(Tc)avg是平均冷卻劑溫度。傳熱速率模塊212可以基于冷卻劑泵122的速度來估計冷卻劑的實際質(zhì)量流率。傳熱速率模塊212可以假定冷卻劑泵122的速度等于泵控制信號152所指示的指令泵速。傳熱速率模塊212輸出從發(fā)動機102到流過發(fā)動機102的冷卻劑的傳熱速率。
期望流率模塊214確定通過發(fā)動機102的冷卻劑流的期望速率。期望流率模塊214可以利用如下的關系式來確定期望冷卻劑流率:
其中是通過發(fā)動機102的冷卻劑流的期望質(zhì)量流率,是從發(fā)動機102到流過發(fā)動機102的冷卻劑的傳熱速率,cpc是冷卻劑的比熱,(Tout)des是期望冷卻劑出口溫度,以及Tin是來自CIT傳感器130的冷卻劑入口溫度。期望流率模塊214輸出期望冷卻劑流率。
冷卻劑溫度模塊204可以使用發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機速度到冷卻劑出口溫度的映射來確定期望冷卻劑出口溫度。該映射可以預定(例如,校準)成使發(fā)動機102的效率最大化。如果獲自該映射的期望冷卻劑出口溫度在預定限制之外,該期望冷卻劑出口溫度可以被調(diào)節(jié)成在預定限制之內(nèi)。該限制可以包括用于在發(fā)動機啟動時加熱發(fā)動機102的下限和用于防止發(fā)動機過熱的上限。
關系式(1)、(2)和(3)可以代入關系式(6)而獲得以下關系式:
關系式(4)可以代入關系式(6)而獲得以下關系式:
關系式(5)可以代入關系式(6)而獲得以下關系式:
冷卻劑流的期望質(zhì)量流率可以用來代替關系式(9)中的冷卻劑的實際質(zhì)量流率并且該關系式可以重新排列如下以求解冷卻劑流的期望質(zhì)量流率:
流率調(diào)節(jié)模塊216基于期望冷卻劑溫度與測得的冷卻劑溫度之間的差來確定冷卻劑流率調(diào)節(jié)。期望冷卻劑溫度可以是由冷卻劑溫度模塊204確定的期望冷卻劑出口溫度。測量冷卻劑溫度可以是來自COT傳感器132的冷卻劑出口溫度。流率調(diào)節(jié)模塊216輸出冷卻劑流率調(diào)節(jié)。
泵控制模塊218輸出泵控制信號152,以控制冷卻劑泵122的速度。泵控制模塊218可以基于期望冷卻劑流率和冷卻劑流率調(diào)節(jié)來控制冷卻劑泵122的速度,以調(diào)節(jié)通過發(fā)動機102的冷卻劑流的實際速率。在一個實例中,泵控制模塊218控制冷卻劑泵122的速度,以使實際冷卻劑流率與期望冷卻劑流率和冷卻劑流率調(diào)節(jié)的總和之間的差最小化。
現(xiàn)參照圖3,用于控制通過發(fā)動機的冷卻劑流的方法在302處開始。在圖2所示的ECM 144的示例性實施方案中的模塊背景下描述該方法。然而,執(zhí)行該方法步驟的特定模塊可以與以下提及的模塊不同,和/或該方法可以脫離圖2的模塊來實施。
在304處,期望流率模塊214確定發(fā)動機系統(tǒng)100是否正在以需要的冷卻劑模式運行。如果發(fā)動機系統(tǒng)100正在以需要的冷卻劑模式運行,該方法在306處繼續(xù)。否則,期望流率模塊214繼續(xù)確定發(fā)動機系統(tǒng)100是否正在以需要的冷卻劑模式運行。
當ECM 144積極控制通過發(fā)動機102的冷卻劑流來調(diào)節(jié)冷卻劑的溫度時,發(fā)動機系統(tǒng)100可正在以需要的冷卻劑模式運行。例如,當冷卻劑的實際流率大于零時,發(fā)動機系統(tǒng)100可正在以需要的冷卻劑模式運行。當泵控制信號152所指示的指令泵速大于零時,可以假設冷卻劑的實際流率大于零。
在306處,冷卻劑溫度模塊204確定期望冷卻劑出口溫度。在308處,冷卻劑溫度模塊204確定平均冷卻劑溫度。在310處,汽缸壁溫度模塊206估計汽缸壁溫度。
在312處,傳熱速率模塊212確定從發(fā)動機102到流過發(fā)動機102的冷卻劑的傳熱速率。傳熱速率模塊212可以利用關系式(3)、(4)或(5)來確定傳熱速率。如果使用關系式(3),傳熱速率模塊212可以確定從發(fā)動機102排熱的期望速率。另外,發(fā)動機吸熱模塊208可以確定發(fā)動機102所吸收熱量的實際變化率,并且冷卻劑吸熱模塊210可以確定流過發(fā)動機102的冷卻劑所吸收熱量的實際變化率。
在314處,期望流率模塊214確定通過發(fā)動機102的冷卻劑流的期望流率。期望流率模塊214可以利用關系式(6)來確定期望冷卻劑流率。可替代地,期望流率模塊214可以利用關系式(7)、(8)、(9)或(10)來確定期望冷卻劑流率。在后一種情況下,傳熱速率模塊212不可以確定傳熱速率(即,312可以從該方法中省略)。
在316處,流率調(diào)節(jié)模塊216確定冷卻劑流率調(diào)節(jié)。在318處,泵控制模塊218基于期望冷卻劑流率和冷卻劑流率調(diào)節(jié)來控制冷卻劑泵122。在一個實例中,泵控制模塊218控制冷卻劑泵122的速度,以使實際冷卻劑流率與期望冷卻劑流率和冷卻劑流率調(diào)節(jié)的總和之間的差最小化。
前面的描述僅是說明性的性質(zhì),而決不旨在限制本公開、其應用或用途。本公開的廣泛教導可通過各種形式來實施。因此,雖然本公開包括特定的實例,但本公開的真正范圍不應這樣受限,這是因為其他的改型將在研究附圖、說明書和所附權利要求之后變得顯而易見。如本文所使用的,短語A、B和C中的至少一個應理解為是指使用非排他性邏輯或的邏輯(A或B或C)。應當理解,該方法內(nèi)的一個或多個步驟可以按照不同順序(或同時)執(zhí)行而不改變本公開的原理。
在包括以下定義的本申請中,術語模塊可以用術語電路代替。術語模塊可以是指以下部件、是以下部件的一部分或包括以下部件:專用集成電路(ASIC);數(shù)字、模擬或混合式模擬/數(shù)字離散電路;數(shù)字、模擬或混合式模擬/數(shù)字集成電路;組合邏輯電路;現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA);執(zhí)行代碼的處理器(共享、專用或群組);存儲處理器所執(zhí)行的代碼的存儲器(共享、專用或群組);提供所述功能性的其他合適硬件部件;或上述中的一些或所有的組合(諸如在片上系統(tǒng)中)。
如上所用的術語代碼可以包括軟件、固件和/或微代碼,并且可以指程序、例程、功能、類別和/或?qū)ο?。術語共享處理器包含執(zhí)行來自多個模塊的一些或所有代碼的單個處理器。術語群組處理器包含與附加處理器結(jié)合執(zhí)行來自一個或多個模塊的一些或所有代碼的處理器。術語共享存儲器包含執(zhí)行來自多個模塊的一些或所有代碼的單個存儲器。術語群組存儲器包含與附加存儲器結(jié)合存儲來自一個或多個模塊的一些或所有代碼的存儲器。術語存儲器可以是術語計算機可讀介質(zhì)的子集。術語計算機可讀介質(zhì)不包含通過介質(zhì)傳播的瞬時性電和電磁信號,并且因此可以視為是有形且非瞬時性的。非瞬時性有形計算機可讀介質(zhì)的非限制實例包括非易失性存儲器、易失性存儲器、磁性存儲裝置和光學存儲裝置。
本申請中所描述的設備和方法可以部分或完全地通過由一個或多個處理器執(zhí)行的一個或多個計算機程序來實施。計算機程序包括存儲在至少一個非瞬時性有形計算機可讀介質(zhì)上的處理器可執(zhí)行指令。計算機程序還可以包括和/或依賴于所存儲的數(shù)據(jù)。