СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОМ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ
COOLANT FLOW RATE CONTROL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области управления водяными насосами двигателя внутреннего сгорания моторного транспортного средства. В частности, изобретение касается способа управления расходом охлаждающей жидкости, циркуляцию которой обеспечивает водяной насос, в двигателе внутреннего сгорания моторного транспортного средства.
Уровень техники
Такое моторное транспортное средство содержит водяной насос, который может быть механическим или электрическим.
Водяной насос выполняет функцию преобразования энергии скорости в энергию давления. Благодаря изменяющемуся сечению завитка на уровне турбины, скорость жидкости уменьшается, и давление увеличивается.
Как показано на фиг.1, механический водяной насос содержит корпус М8, установленный в картере М9 двигателя, ось М2, на которой коаксиально установлены турбина M1, шкив М3, динамическая уплотнительная прокладка М4 и подшипники качения М5.
Корпус М8 двигателя ограничивает с трех сторон резервуар М6. Последняя сторона ограничена подшипниками качения М5.
Вдоль оси М2 последовательно расположены шкив М3, подшипники М5 качения, уплотнительная прокладка М4 и, наконец, турбина M1. Шкив М3, подшипники М5 и часть уплотнительной прокладки М4 расположены в так называемой первой сухой части. Турбина M1 и другая часть уплотнительной прокладки М4 расположены во второй части, входящей в контакт с охлаждающей жидкостью.
Шкив М3 приводится во вращение двигателем. Движение вращения передается на турбину M1 через ось М2. Подшипники качения М5 обеспечивают движение вращения с хорошим уровнем направления и с пониженным износом. Уплотнительная прокладка М4 обеспечивает герметичность между сухой частью и частью, входящей в контакт с охлаждающей жидкостью. Эта прокладка М4 содержит два кольца. Первое кольцо является неподвижным и соединено с корпусом М8. Второе кольцо вращается и соединено с осью М2.
Для ограничения температуры прокладки М4 допускают небольшую утечку охлаждающей жидкости через прокладку М4. Эта жидкость попадает в резервуар М6 и затвердевает при контакте с воздухом.
В двигателе, оборудованном механическим водяным насосом, циркуляцию охлаждающей жидкости обеспечивает двигатель. Таким образом, при вращении двигателя охлаждающая жидкость циркулирует и охлаждает двигатель.
Однако в некоторых случаях, в частности, во время запуска и/или при низкой окружающей температуре желательно отключать водяной насос. Действительно, пока температура двигателя не превышает заданную критическую температуру, сверх которой работа двигателя может быть нарушена, необходимости в его охлаждении нет.
С другой стороны, чем выше температура двигателя, тем ниже вязкость масла, что уменьшает трения и, следовательно, расход двигателя.
Как показано на фиг.2, электрический водяной насос содержит корпус Е8, ось Е2, на которой коаксиально и неподвижно установлены турбина Е1, два опорных подшипника Е4 и магнит Е6. В корпусе Е8 находится неподвижная обмотка Е5 напротив магнита Е6.
Опорные подшипники расположены по обе стороны от магнита Е6. Турбина Е1 находится за пределами корпуса Е8.
В случае электрического водяного насоса движение вращения передается не тепловым двигателем, а электрическим двигателем. При подаче питания на обмотку создаваемое при этом магнитное поле приводит во вращение ось Е2 при помощи магнита Е6.
Герметичность между сухой частью и частью, входящей в контакт с охлаждающей жидкостью, обеспечивается комплектом статической прокладки Е3.
Подшипники М5 качения механического водяного насоса заменены в электрическом водяном насосе двумя опорными подшипниками Е4, как правило, выполненными из углерода и погруженными в охлаждающую жидкость, то есть охлаждаемыми естественным путем. В данном случае утечки не происходит.
В документе JP2005-256642 описан способ, содержащий следующие этапы:
измеряют температуру thw охлаждающей жидкости; на основании измеренной температуры охлаждающей жидкости определяют соответствующий базовый выход Pb при помощи таблицы соответствия thw/Pb; производят оценку температуры двигателя Tm; вычисляют разность (Ts=Tm-Tf) между температурой двигателя и температурой охлаждающей жидкости; при помощи таблицы соответствия Ts/V определяют поправку V; эта поправка V позволяет скорректировать значение базового выхода Pb для передачи на электрический водяной насос.
В документе JP2000-303841 описан способ, позволяющий управлять электрическим водяным насосом посредством: сравнения между температурой охлаждающей жидкости в водяной рубашке двигателя и первым порогом; сравнений между температурой охлаждающей жидкости в нагревательном радиаторе двигателя и вторым, третьим и четвертым порогами.
В этих двух предложенных решениях используют температурные датчики, которые должны быть надежными, так как они работают в горячей окружающей среде (температура воды порядка 100°С), иначе определение температуры может происходить с ошибками. Поэтому данные решения являются дорогими.
С другой стороны, предпочтительно использовать оборудование, уже существующее на современных многочисленных моделях двигателей внутреннего сгорания.
Такие решения уже были предложены.
В документе US 2003/0113213 описан способ, в котором либо определяют температуру охлаждающей жидкости, присутствующей в двигателе, и сравнивают ее с заданной температурой, либо количество топлива, впрыскиваемое в двигатель с начала запуска, сравнивают с заданным количеством топлива. Эти сравнения позволяют управлять циркуляцией охлаждающей жидкости, обеспечиваемой при помощи электрического водяного насоса.
Вместе с тем, использование количества впрыскиваемого топлива для определения моментов активации электрического водяного насоса не является надежным решением. Действительно, количество топлива не связано напрямую с температурой самой горячей точки в двигателе (эта температура позволяет определить момент, когда необходимо включать электрический водяной насос), поскольку температура этой точки зависит от многих параметров, в том числе от производительности двигателя, от смеси топлива и воздуха, от качества топлива и т.д.
В документе DE 10248552 описан способ, в котором электрический водяной насос приводят в действие, когда, по меньшей мере, одно из следующих значений превышает соответствующий порог: температура охлаждающей жидкости; температура входящего воздуха; мощность нагрева; и продолжительность работы.
Электрический водяной насос включают также, если режим двигателя превышает пороговый режим и одновременно, если скорость транспортного средства превышает пороговую скорость.
Однако одним из недостатков этого способа является то, что водяной насос включают по истечении определенного времени работы. То есть, независимо от окружающей температуры, охлаждающая жидкость начинает циркулировать после истечения этого времени работы, хотя в некоторых условиях было бы более экономичным не производить охлаждение двигателя, поскольку он еще является холодным.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение призвано предложить способ управления расходом охлаждающей жидкости с использованием оборудования, уже присутствующего в большинстве двигателей внутреннего сгорания.
В этой связи объектом настоящего изобретения является способ управления расходом охлаждающей жидкости в двигателе внутреннего сгорания, содержащем картер и водяной насос, отличающийся тем, что производят оценку температуры материала, соответствующей наиболее горячей точке картера, на основании вычисления накопленной энергии, вычисляемой при помощи интеграла возвращаемой мощности, соответствующей мощности, сообщаемой охлаждающей жидкости, если охлаждающую жидкость приводят в движение.
Преимуществом способа в соответствии с настоящим изобретением является то, что он позволяет производить более точную оценку температуры двигателя внутреннего сгорания, за счет чего работа водяного насоса становится более экономичной.
Другими не ограничительными и факультативными отличительными признаками являются:
- способ содержит этапы, на которых возвращаемую мощность определяют на основании режима двигателя и мощности двигателя;
- способ содержит этапы, на котором определяют решение о расходе охлаждающей жидкости на основании возвращаемой мощности и состояния двигателя;
- этап определения решения о расходе охлаждающей жидкости содержит следующие подэтапы: инициализация первой пороговой энергии, когда состояние двигателя соответствует запуску двигателя; итеративное вычисление накапливаемой энергии, пока накопленная энергия остается ниже первого порогового значения энергии, на основании накопленной энергии; и прекращение вычисления накапливаемой энергии, как только накопленная энергия достигает или переходит первое пороговое значение энергии;
- принятие решения о расходе охлаждающей жидкости осуществляют таким образом, что: охлаждающую жидкость не приводят в состояние циркуляции, пока накопленная энергия находится ниже первого порогового значения энергии; и охлаждающую жидкость приводят в состояние циркуляции, как только накопленная энергия достигает или переходит первое пороговое значение энергии;
- этап определения решения о расходе охлаждающей жидкости дополнительно содержит подэтап инициализации второй промежуточной пороговой энергии, меньшей первой пороговой энергии, когда состояние двигателя соответствует запуску двигателя;
- принятие решения о расходе охлаждающей жидкости осуществляют таким образом, что: охлаждающую жидкость не приводят в состояние циркуляции, пока накопленная энергия находится ниже второго промежуточного порогового значения энергии; охлаждающую жидкость приводят в состояние циркуляции с первым расходом, как только накопленная энергия достигает или переходит второе промежуточное пороговое значение энергии и пока она остается ниже первого порогового значения энергии; и охлаждающую жидкость приводят в состояние циркуляции со вторым расходом, превышающим первый расход, как только накопленная энергия достигает или переходит первое пороговое значение энергии;
- способ содержит первый режим безопасности, на котором охлаждающую жидкость приводят в состояние циркуляции, по меньшем мере, с заранее определенным третьим расходом, как только температура жидкости, соответствующая температуре охлаждающей жидкости в двигателе, достигает или переходит пороговую температуру;
- способ содержит второй режим безопасности, на котором охлаждающую жидкость приводят в состояние циркуляции, по меньшей мере, с заранее определенным четвертым расходом по истечении заранее определенного времени после запуска двигателя;
- инициализацию первой пороговой энергии и, в случае необходимости второй промежуточной пороговой энергии осуществляют в зависимости от температуры охлаждающей жидкости в двигателе в момент его запуска; и
- оценку температуры материала на основании накопленной энергии осуществляют при помощи таблицы соответствия накопленная энергия/ температура материала; и эту таблицу соответствия накопленная энергия/ температура материала получают путем обкатки в определенном режиме вращения и когда накапливаемая мощность является стабильной.
Объектом изобретения является также система для управления расходом охлаждающей жидкости, в которой применяют способ по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что содержит:
- датчик температуры картера;
- блок определения накопленной энергии на основании режима двигателя и крутящего момента; и
- блок принятия решения, определяющий расход охлаждающей жидкости в зависимости от накопленной энергии.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид механического водяного насоса;
фиг.2 - схематичный вид электрического водяного насос;
фиг.3 - схематичный вид блока определения накопленной энергии;
фиг.4 - блок-схема реализации первого варианта блока принятия решения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - блок-схема реализации второго варианта блока принятия решения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 - схематичный вид блока отслеживания температуры охлаждающей жидкости;
фиг.7 - схема примера реализации способа в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Как было указано ранее, чем выше температура материала, из которого изготовлен двигатель, тем ниже вязкость моторного масла. Это приводит к уменьшению трений и, следовательно, к снижению расхода.
Вместе с тем, материал двигателя не должен нагреваться сверх критической температуры. При превышении этой критической температуры надежность работы двигателя снижается, и это может привести к серьезному повреждению двигателя.
Однако, в зависимости от окружающей температуры, температура материала двигателя (называемая в дальнейшем температурой материала) может перед запуском не доходить до критической температуры.
В течение времени от запуска до момента, когда температура материала превышает критическую температуру, предпочтительно не производить охлаждение двигателя.
Поэтому в некоторых случаях использования предпочтительно задерживать начало циркуляции охлаждающей жидкости в контуре охлаждения двигателя, оборудованного электрическим водяным насосом.
max
Для того чтобы узнать момент, в который следует начать циркуляцию охлаждающей жидкости, необходимо определить температуру материала двигателя. Учитываемой температурой материала двигателя должна быть температура T точки двигателя, которая является наиболее горячей точкой Р1.
Предпочтительно эта точка Р1 находится на уровне промежуточного мостика между выпускными клапанами.
max
max
Однако измерение этой температуры T является дорогим и не отличается надежностью. Потому, согласно изобретению, эту температуру T определяют на основании количества энергии, накопленной в двигателе.
Во время работы электрического водяного насоса это количество накопленной энергии сообщается охлаждающей жидкости. В отсутствие циркуляции охлаждающей жидкости это количество энергии передается на материал двигателя, что приводит к его нагреву.
Таким образом, это количество накопленной энергии является точным отражением температуры материала с учетом температуры материала во время запуска. Оценку этой температуры осуществляют при помощи таблицы соответствия «накопленная энергия/ температура материала».
Это количество накопленной энергии выражают следующим образом:
0
1
eau
где t является моментом начала цикла, и t - моментом, в который учитывают накопленную энергию; P является мощностью, сообщаемой охлаждающей жидкости, когда она циркулирует, и материалу в отсутствие циркуляции; (N(t) является режимом двигателя в момент t; и PME(t) является эффективной мощностью двигателя в момент t.
Это количество энергии определяют при помощи блока определения накапливаемой энергии, который работает следующим образом.
eau
Мощность P определяют при помощи таблицы соответствия калории/вода, представленной в виде таблицы с двумя входными данными (режим двигателя и эффективная мощность двигателя).
eau
Эту таблицу определяют заранее в ходе испытания, при котором мощность P измеряют для каждой пары (N(t); PME(t)) таблицы.
seuil
Затем энергию Е сравнивают с пороговой энергией E, которая зависит от температуры материала во время запуска, которую принимают равной температуре охлаждающей жидкости в двигателе.
seuil
seuil
Эту пороговую энергию E определяют во время испытания на режиме, установившемся на определенной точке режима и постоянной мощности двигателя. При нулевом расходе охлаждающей жидкости измерение с начала запуска двигателя до достижения критической температуры позволяет через вычисление интеграла (дающего Е и упрощенного за счет установившегося режима) определить пороговую энергию E.
Блок принятия решения определяет режим работы водяного насоса.
seuil
Пока энергия Е остается ниже пороговой энергии E, электрический водяной насос не включают.
Таким образом, электрический водяной насос имеет, по меньшей мере, два режима работы.
seuil
В первом режиме работы, когда Е<E, насос не включают, и, следовательно, охлаждающая жидкость не циркулирует.
seuil
Во втором режиме работы, соответствующем Е>E, насос включают, и его режим вращения связан с условиями использования двигателя.
int
seuil
В другом варианте выполнения изобретения добавляют промежуточный режим работы, а также второй порог энергии E, меньший пороговой энергии E. Таким образом, насос имеет три режима работы.
В версии выполнения вторым порогом является промежуточная пороговая энергия, соответствующая критической температуре использования устройства контура охлаждения.
В другой версии добавляют второй порог для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости от водяного насоса, не связанной с условиями использования двигателя. Например, его применяют для компенсации задержки в поступлении информации о температуре жидкости от датчика, связанной с отсутствием циркуляции охлаждающей жидкости.
Промежуточный режим работы соответствует расходу охлаждающей жидкости, меньшему или равному расходу жидкости во втором режиме работы.
В версии первого и второго вариантов выполнения добавляют временной порог, соответствующий продолжительности использования, сверх которой охлаждающую жидкость приводят в состояние циркуляции. Эту функцию выполняет блок отслеживания температуры охлаждающей жидкости.
Еще в одной версии первого и второго вариантов выполнения можно добавить порог для температуры охлаждающей жидкости. Если температура охлаждающей жидкости, находящейся в двигателе, но не циркулирующей, превышает этот порог, охлаждающую жидкость приводят в состояние циркуляции.
В еще одной версии в первый и/или второй варианты выполнения можно добавить одновременно временной порог и порог температуры охлаждающей жидкости.
Далее со ссылками на фиг.3-6 следует описание представленных в качестве примеров частных вариантов выполнения каждого из блоков.
eau
Накопленную мощность P(t) вычисляет блок 3 определения накопленной энергии на основании измерения режима двигателя N(t) и измерения крутящего момента CMI(t). Блок 32 перемножения умножает значения этих измерений и выдает на свое выходе эффективную мощность двигателя PME(t), согласно формуле:
После этого эффективная мощность двигателя PME(t) и режим двигателя N(t) поступают на вход таблицы соответствия калории/вода 31, которая выдает на выходе накопленную мощность.
На фиг.4 показана блок-схема способа управления расходом охлаждающей жидкости согласно первому варианту выполнения с двумя режимами работы блока 4 принятия решения.
На первом этапе S1 инициализируют значения накопленной мощности и пороговой энергии. Первоначальная накопленная мощность является нулевой, а первоначальная пороговая энергия зависит от первоначальной температуры охлаждающей жидкости, то есть температуры в момент запуска. Эту пороговую энергию определяют при помощи таблицы с переменной входной данной (первоначальная температура охлаждающей жидкости).
Пока нет запуска двигателя, остаются на первом этапе. При запуске двигателя вычислительный модуль вычисляет накопленную энергию E(t) на этапе S2. Это вычисление повторяется через равномерный интервал dt. Так, накопленная энергия в момент t составляет:
eau
E(t)=E(t-dt)+P(t).dt
Перед каждым возобновлением вычисления сравнительный модуль сравнивает значение накопленной энергии с пороговой энергией, определенной на этапе S1 (Q1).
Если накопленная энергия меньше пороговой энергии, вычисление возобновляют.
Если накопленная энергия больше пороговой энергии, вычисление не возобновляют, и на этапе S3 включают водяной насос.
На фиг.5 показана блок-схема второго варианта выполнения способа с тремя режимами работы блока 4' принятия решения.
eau
seuil
int
На первом этапе S1' инициализируют накопленную мощность P, первую пороговую энергию E и вторую промежуточную пороговую энергию E. Пока двигатель не запущен, способ остается на первом этапе S1'.
После запуска вычислительный модуль вычисляет накопленную энергию на втором этапе S2', идентичном этапу S2.
int
Модуль сравнения промежуточного уровня сравнивает накопленную энергию E(t) с второй промежуточной пороговой энергией E (Q2').
int
seuil
Если накопленная энергия E(t) меньше второй промежуточной пороговой энергии E, вычисление возобновляют на этапе S2'. Если нет, сравнительный модуль сравнивает накопленную энергию E(t) с первой пороговой энергией E (Q1').
seuil
Если накопленная энергия E(t) меньше первой пороговой энергии E, на этапе S4' приводят в действие промежуточный режим работы.
seuil
Если накопленная энергия E(t) больше первой пороговой энергии E, на этапе S3' приводят в действие второй промежуточный режим работы и вычисление накопленной энергии E(t) прекращают.
seuil
Наконец, конвекционные потери в охлаждающей жидкости способствуют повышению температуры охлаждающей жидкости и, в зависимости от конструкции контура, созданию термосифона. Поэтому можно использовать порог температуры жидкости T, чтобы учитывать это повышение температуры охлаждающей жидкости.
Можно также использовать порог истекшего времени с начала запуска.
В варианте пороги температуры жидкости и истекшего времени с начала запуска являются порогами безопасности, то есть, независимо от решения, принимаемого блоком 4, 4' принятия решения, при достижении и/или превышении порога температуры охлаждающей жидкости и/или порога истекшего времени с начала запуска, охлаждающую жидкость приводят в состояние циркуляции.
eau
seuil
n
s
p
На фиг.6 показана схема работы блока 6 отслеживания температуры охлаждающей жидкости, позволяющего учитывать повышение температуры жидкости, связанное с конвекционными потерями. Этот модуль содержат компаратор 61, сравнивающий температуру жидкости T с порогом T. Температуру жидкости измеряет температурный датчик, обычный для этого типа использования. Выход компаратора соединен с переключателем 62, позволяющим переходить от режима номинального управления M к режиму безопасности M, при котором на выходе блока 6 отслеживания получают заданное безопасное значение S, определяющее режим, в котором насос должен работать в режиме безопасности.
Режим номинального управления соответствует режиму работы, определенному блоком 4, 4' принятия решения. Режим безопасности соответствует заранее определенному фиксированному режиму работы.
seuil
eau
seuil
Например, при режиме безопасности связанный с ним фиксированный режим работы соответствует режиму порогового вращения W, например, 85% от максимально возможного расхода. Условием перехода к режиму безопасности является T≥T.
На фиг.7 представлен иллюстративный и не ограничительный пример выполнения с применением описанных выше трех блоков.
В этом примере выполнения входными данными являются:
eau
- температура жидкости T;
- режим вращения двигателя N(t);
- крутящий момент двигателя CMI(t); и
m
- состояние двигателя Et «включен/выключен».
Выходной данной является заданное значение управления расходом охлаждающей жидкости, выраженное в виде широтно-импульсной модуляции ШИМ (или PWM от Pulse Width Modulation на английском языке). То есть, истекшее время в верхнем состоянии во время периода генерированного сигнала прямоугольной формы определяет расход охлаждающей жидкости.
eau
Блок 3 определения накопленной энергии получает на входе режим вращения двигателя N(t) и крутящий момент двигателя CMI(t) и выдает на выходе мощность P(t).
eau
m
Блок 4, 4' принятия решения получает на входе мощность P(t), а также состояние двигателя Et (запуск или нет) и выдает на выходе решение о расходе охлаждающей жидкости для ввода в двигатель De.
Блок 6 отслеживания температуры жидкости получает на входе измерение температуры жидкости. На выходе он выдает решение о расходе охлаждающей жидкости, который является либо расходом, определенным блоком 4, 4' принятия решения, либо расходом безопасности, соответствующим режиму безопасности.
1
Выходные данные блоков 4 (или 4') и 6 поступают на вход блока 7 определения расхода, который определяет расход Q охлаждающей жидкости для ввода в зависимости от этих данных и в зависимости от режима двигателя N(t).
В варианте можно добавить блок 8 отслеживания истекшего времени с начала запуска, содержащий интегратор времени и выдающий время Δt, истекшее с момента запуска. Его выходная данная поступает в блок 7 определения расхода.
Способ в соответствии с настоящим изобретением не ограничивается использованием для управления расходом охлаждающей жидкости в двигателе, оборудованном электрическим водяным насосом; предпочтительно его можно использовать для определения порога приведения в действие водяного насоса с электромагнитным, пневматическим, фрикционным приводом или насоса, связанного с вентилем.
Преимуществом этого способа является возможность использовать только датчики, уже существующие в большинстве двигателей с механическим водяным насосом.
Еще одним преимуществом этого способа является возможность размещения информации, необходимой для применения способа, в сети вычислительного устройства двигателя (крутящий момент, режим, температура).