CN103422967A - 具有冷却剂回路的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有冷却剂回路的内燃机。提供了用于内燃机中的冷却剂回路的各种***和方法。在一个实例中，确定冷却剂温度，以及如果冷却剂温度超过第一阈值温度，以打开程度朝打开位置调节流量元件，打开程度基于冷却剂温度、汽缸盖温度和最大冷却剂温度中的一个或多个确定，以及如果汽缸盖温度超过第二阈值温度，以关闭程度朝关闭位置调节流量元件，关闭程度基于冷却剂温度和汽缸盖温度中的一个或多个确定。该方法可以进一步包括，如果冷却剂温度下降至第一阈值温度以下，以该关闭程度朝该关闭位置调节流量元件。

Description

具有冷却剂回路的内燃机

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年5月14日提交的德国专利申请102012208015.5的优先权，其整个内容通过引用并入本文，用于所有目的。

技术领域

本公开涉及具有冷却剂回路的内燃机和操作该内燃机的方法。

背景技术

内燃机包括配置为降低发动机各个部分的温度和将热负荷维持在可接受限度内的冷却装置。一些发动机例如包括包围汽缸孔的冷却剂套，其配置为将热转移到流体，因而将热从发动机移除。该冷却装置可以是空气类冷却装置或液体类冷却装置。因为某些类型的发动机可能遇到高热负荷，例如增压发动机，所以液体类冷却由于其散热能力可以被使用。

在一些方法中，内燃机包括多个冷却剂管，冷却剂通过冷却剂管可以流入和流出发动机的区域（例如，汽缸盖和/或汽缸体）。冷却剂管可以显示复杂的结构。在提供空气类冷却装置的方法中，从发动机提取的热传导至汽缸盖和/或汽缸体的表面。

发明内容

本文发明人已经认识到这些方法的几个问题。首先，冷却剂管的复杂结构可能减弱汽缸盖和/或汽缸体的结构和机械强度，尤其在存在高的机械负荷和热负荷的情况下。第二，在提取的热传导至汽缸盖和/或汽缸体表面的空气类冷却装置中，冷却装置的复杂性和热传导通过的距离增加。进一步，在空气类冷却装置中，冷却可能受到车辆速度和空气质量流量的限制，这又限制了可耗散的热的量。在该情况中，散热可能不充分，并且在一些情况中，可能在发动机散热之前需要对冷却剂进行冷却。

提供了包括具有冷却剂回路的内燃机的***和操作该内燃机的方法。

在一个实例中，确定冷却剂温度。如果冷却剂温度超过第一阈值温度，以打开程度朝打开位置调节流量元件，打开程度基于冷却剂温度、汽缸盖温度和最大冷却剂温度中的一个或多个确定。如果汽缸盖温度超过第二阈值温度，以关闭程度朝关闭位置调节流量元件，关闭程度基于冷却剂温度和汽缸盖温度中的一个或多个确定。该方法可以进一步包括，如果冷却剂温度下降至第一阈值温度以下，以该关闭程度朝着该关闭位置调节流量元件。

用这种方式，可以响应于操作条件进行冷却回路的控制。

当单独地或结合附图时，根据下面的具体实施方式将容易了解本说明的以上优势和其他优势以及特征。

应当理解，提供以上发明内容是为了以简化形式介绍在具体实施方式中进一步描述的概念选择。其不是为了明确要求保护主题的关键或必要特征，本主题的范围仅仅所附权利要求限定。而且，要求保护的主题不限于解决上述或在本公开任何部分所述的任何缺点的执行方式。

附图说明

图1示出包括冷却剂回路的发动机的方框图。

图2示出图解用于操作图1的冷却剂回路的方法的流程图。

具体实施方式

在内燃机中，提供冷却装置以降低发动机的温度和将热负荷维持在可接受限度内。这些发动机可以包括空气类冷却装置或液体类冷却装置。因为某些类型的发动机可能遇到高热负荷，例如增压发动机，所以液体类冷却由于其散热能力可被使用。然而，在一些方法中，一系列复杂的冷却剂管可能布置在发动机内，减弱了其结构。进一步，可能期望调节通过冷却剂从发动机提取的热的量。

各种***和方法提供用于内燃机中的冷却剂回路。在一个实例中，确定冷却剂温度。如果冷却剂温度超过第一阈值温度，以打开程度朝打开位置调节流量元件，打开程度基于冷却剂温度、汽缸盖温度和最大冷却剂温度中的一个或多个确定。如果汽缸盖温度超过第二阈值温度，以关闭程度朝关闭位置调节流量元件，关闭程度基于冷却剂温度和汽缸盖温度中的一个或多个确定。该方法可以进一步包括，如果冷却剂温度下降至第一阈值温度以下，以关闭程度朝着关闭位置调节流量元件。图1示出包括冷却剂回路的发动机的方框图；图2示出图解用于操作图1的冷却剂回路的方法的流程图。

图1示出流体连接至内燃机102的冷却剂回路100的示意图。发动机102可以例如是柴油发动机、火花点火汽油发动机、或混合动力内燃机，并且可以被包括在汽车的推进***中。发动机102可以包含多个汽缸（例如，四个），并且可以由包括控制器104的控制***和来自车辆操作人员的输入操作。控制器104可以包括逻辑子***104A（例如，微处理器），其配置为执行存储在存储子***104B（例如，ROM）上的指令。每个汽缸（未示出）可以包括位于其中的活塞（未示出）。活塞可以连接至曲轴（未示出），使得活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。曲轴可以经中间传输***（未示出）连接至车辆的至少一个驱动轮。

汽缸可以通过进气道（未示出）从进气歧管（未示出）接收进入的空气，以及可通过排气道（未示出）排出燃烧后气体。进气歧管和排气歧管可以通过各自的进气门和排气门（未示出）选择性地与每个汽缸连通。在一些实施方式中，汽缸可以包括两个或多个进气门和/或两个或多个排气门。

燃料喷射器（未示出）可以直接连接至每个汽缸，用于将燃料直接喷射到其中。喷射可以与从控制器104接收的信号的脉宽成比例。用这种方式，燃料喷射器提供所谓的直接喷射燃料到汽缸。例如，燃料喷射器可以安装在汽缸侧面或汽缸顶部。燃料可以通过燃料***（未示出）输送至燃料喷射器，燃料***包括燃料箱、燃料泵和燃料轨。在一些实施方式中，汽缸可以可选地或额外地包括燃料喷射器，其布置在提供所谓的燃料进气道喷射到每个汽缸上游的进气端口的结构中的进气歧管中。

如图所示，发动机102包括连接至位于下方的汽缸体108的汽缸盖106，汽缸体和汽缸盖一起可以构成多个汽缸（未示出）。汽缸盖106可以通过各种合适的方法（例如，螺栓连接）连接至汽缸体108，或在其他实施方式中，汽缸盖和汽缸体可以整体形成为单个单元。汽缸盖106和/或汽缸体108可以包含一个或多个冷却剂套（未示出），其配置为将热从发动机102的附近区域移除和将热转移到其中流动的冷却剂。冷却剂套可以基本包围发动机102中的每个汽缸，并且可以互相流体连通，以便冷却剂可以传输通过多个冷却剂套。可选地，可以放置相接整体的冷却剂套以作为一个单元基本包围汽缸。相似地，分离的冷却剂套可以单独布置于汽缸盖106和汽缸体108中，或遍及汽缸盖和汽缸体延伸的一个或多个冷却剂套可以包围汽缸。

可以通过布置在发动机102第一端的进给管线110为冷却剂套提供冷却剂，并且冷却剂套可以通过在与第一端相对的发动机第二端的排放管线112排出加热的冷却剂。进给管线110和排放管线112可以分别与冷却剂套进口和冷却剂套出口流体连通，使得冷却剂流过冷却剂套。将理解的是，尽管进给管线110和排放管线112都示为放置在发动机102外部的分立流体通道，但是进给管线和排放管线可以改为集成到冷却剂套中——例如管线可以与汽缸盖106整体形成，或管线可以分别形成在冷却剂进口外壳和冷却剂出口外壳中。而且，各种合适类型的冷却剂可以流过进给管线110和排放管线112以及冷却剂套，包括水、一种或多种合适的化学冷却剂、或其组合。因此，发动机102可以是液体冷却的。

冷却剂可以从冷却剂存储器114供给，并且流过冷却剂回路100后回到冷却剂存储器114，冷却剂存储器114可以是任何合适的罐、容器、或能够承受通常的冷却剂压力和温度的其他存储器。冷却剂可以由布置在进给管线110中的泵116从冷却剂存储器114中抽吸，从而促进冷却剂通过冷却剂回路100的供给和循环。泵116可以是能够提供冷却剂回路100中的足够冷却剂压力的任何合适的泵。

布置在泵116和冷却剂流入的发动机102的进口侧之间并且在进给管线110中的是旁路管线118，冷却剂流过发动机102利用该旁路管线可以绕过。特别地，旁路管线118可以起到短路管线的作用，根据需要可以利用该短路管线引导冷却剂越过汽缸盖106，例如在冷却剂过热（例如超过临界阈值）的事件中。旁路管线118包括流量元件120，通过控制器104可以电启动该流量元件以控制流过发动机102和/或通过旁路管线118绕过发动机的冷却剂的量。如果例如冷却剂温度超过阈值，可以在朝打开位置的方向打开或调节流量元件120。用这种方式，可以减少或消除通过发动机102、汽缸盖106和其冷却剂套的冷却剂流动，以便冷却剂套与冷却剂回路100至少部分地分离。如果调节流量元件120以致发动机102中的冷却剂流动完全绕过，没有进一步的热从发动机提取并且转移到过热的冷却剂，并且停止了汽缸盖106的冷却。进一步，由于绕过汽缸盖106，可以降低冷却剂回路100中的流动阻力，允许泵116增加其冷却剂供给。也可以增加通过以下进一步详细描述的热交换器的冷却剂通过量。流量元件120可以是配置为控制通过冷却剂回路100和旁路管线118的冷却剂流动的多种合适设备中的一种，并且可以被液压、气动、机械或磁启动。下面参看图2中所示的程序200进一步详细描述流量元件120的操作。

旁路管线118进一步包括布置在流量元件120上游的通风管线122，其可以包括配置为解除冷却剂中的压力和促进从发动机102充分传热到冷却剂的通风设备124。通过通风管线122的冷却剂流动可以由流量元件123控制。通风设备124可以是脱气设备，例如气液分离膜。由通风设备124提取的气体可以排到大气中，或送至发动机102中的其他区域，用于进一步的处理和/或使用。

旁路管线118在下游和发动机102的出气侧处连接排放管线112。此处，可以布置和配置传感器126以感测流过排放管线112的冷却剂的温度。传感器126的输出可以发送到控制器104，以便可以基于冷却剂温度并因此适合于操作条件进行流量元件120和旁路管线118的控制。传感器126可以是配置为检测冷却剂温度的各种合适类型。将理解的是，在其他实施方式中，冷却剂温度可以基于例如动态热和/或用于确定在发动机102中燃料燃烧期间生成的反应热的动力学模型估计。估计冷却剂温度而不是包括专用传感器例如传感器126可以降低发动机102的成本和复杂性，但是可能降低温度测量的精确性并因此降低依赖冷却剂温度控制冷却剂回路100的精确性。

如所示，传感器126位于汽缸盖106的下游和接近发动机102的出口端。在该位置，流过发动机102的冷却剂将经历流过发动机后的温度显著变化——因此正是在该位置可以测量冷却剂回路100中的最大冷却剂温度。因为可以测量最大冷却剂温度，所以可以任选地操作冷却剂回路100，以便当冷却剂温度超过（或降低至低于）阈值时控制器104可以采取合适的和立即的动作（例如，通过启动流量元件120）。用这种方式，可以避免发动机102和/或冷却剂过热。

在可选的实施方式中，配置为检测冷却剂温度的传感器可以放置在其他位置，因为可以转换在沿着冷却剂回路100的一个位置测量的温度，估计在另一个位置的温度。例如，传感器126可以改为布置在汽缸盖106的进口侧，将传感器126的输出馈送到控制器104，以估计在冷却剂回路100的其他区域处的冷却剂温度。可选地或另外地，汽缸盖传感器128可以布置在汽缸盖106中，其输出可被馈送到控制器104，并在操作冷却剂回路100、旁路管线118和流量元件120时加以考虑。因此，当汽缸盖温度超过阈值时，控制器105可以采用合适的和立即的动作（例如，通过启动流量元件120），避免在一些情况中的汽缸106过热。如下面参考图2进一步详细描述的，包括传感器126和128二者对于汽缸盖106达到需要冷却的临界温度的事件，可以促进合适动作，这相比于冷却过热冷却剂可以采取更高的优先级。在这种情况中，可以在关闭位置的方向调节流量元件120，以增加通过汽缸盖106的冷却剂通过量。

继续图1，加热管线130放置在排放管线112下游的冷却剂回路100中，并且包括配置为通过加热设备134传输至少一部分冷却剂的流量元件132。加热设备134可以从流过其中的冷却剂中提取热，并且将热提供给布置了发动机102和冷却剂回路100的车辆的乘客舱。加热设备134可以是例如加热器核心或热交换器。

冷却剂回路100最后包括布置在加热管线130下游和冷却剂存储器114上游的热交换器136。在指示为返回管线138的冷却剂回路100的一部分中热交换器136在进口侧接收冷却剂、提取冷却剂的热并在出口侧排出冷却的冷却剂。热交换器136可以是各种合适类型，包括但不限于，液体与空气热交换器或液体与液体热交换器，并且可以将提取的热排出到大气中或发动机102的其他区域。在热交换器136是液体与空气热交换器的实施方式中，可以提供高动力风扇马达140，以使风扇叶轮（未示出）旋转。用这种方式，可以提供充分大质量流量的空气给热交换器136，帮助在所有发动机运转状态中的传热，特别是在车辆静止或低速运转中的传热。风扇马达140可以通过例如电运转，以及对于不同的负载或旋转速度以连续可变的方式进行控制。例如，风扇马达140可以通过控制器104控制。

在从流过热交换器136的冷却剂中提取热之后，经冷却的冷却剂可以排出到冷却剂存储器114中。用这种方式，可以形成完整的冷却剂回路。将理解的是，冷却剂回路100的许多变型是可能的。例如，在一些实施方式中，加热管线130可以与热交换器13形成整体。进一步，在不偏离本公开范围的情况下，可以改变各个管线和传感器的位置和布置。

现在转向图2，示出用于操作图1的冷却剂回路100的方法200。例如，方法200可以存储于存储子***104B上并且由控制器104的逻辑子***104A执行。在方法200的202，确定发动机102是否处于冷启动之后的暖机阶段（例如，操作的初始阶段）。如果确定发动机102处于冷启动之后的暖机阶段（是），方法200进行到204，在步骤204流量元件120完全打开。该动作可以最小化发动机102燃烧的燃料，例如通过加速加热发动机102和流过其中的发动机油降低摩擦损耗。在发动机102的暖机阶段期间快速加热发动机油引起发动机油粘度的相应快速降低，这导致摩擦和摩擦损耗降低，特别是在被供给油的轴承（例如曲轴轴承）中。通过快速加热发动机102本身可以有助于快速加热发动机油，借助于在暖机阶段从发动机提取尽可能少的热又有助于快速加热发动机102本身。在这方面，在冷启动之后发动机102的暖机阶段是有利于从发动机提取尽可能少的热的运转模式的实例。

如果确定发动机102未处于冷启动之后的暖机阶段（否），方法200进行到206，在206任选地对于专用冷却剂温度传感器（例如传感器126）未布置在接近发动机102的出口端的实施方式，估计冷却剂温度。如上所述，冷却剂温度可以基于布置在发动机102的进口侧或在汽缸盖温度传感器128上的冷却剂进口传感器进行估计。

在208，确定冷却剂温度是否超过阈值温度。如果冷却剂温度未超过阈值温度（否），方法200进行到218。如果冷却剂温度超过阈值温度（是），方法进行到210，在210任选地确定冷却剂温度是否超过阈值温度经过阈值持续时间。如果不满足该条件（否），方法200进行到218。如果满足该条件（是），方法200进行到212，在212朝打开位置移动流量元件120。如果冷却剂温度只是暂时超过阈值温度，并且然后再次下降或在阈值周围波动而未超过合理启动流量元件的阈值，对于打开流量元件120引入额外的阈值持续时间条件可以避免过度频繁切换，特别是避免旁路管线118的开放。

在212，流量元件120朝打开位置移动。基于包括冷却剂温度、汽缸盖温度和最大冷却剂温度、如以上所述确定的参数的一个或多个参数，流量元件120可以被置于完全关闭位置、完全打开位置和它们之间的任何位置程度。因此，流量元件120可以是连续可调节的，尽管在其他实施方式中，流量元件可以是能够完全打开状态和完全关闭状态的两级阀门。方法200可以同样适用于这种实施方式。

在214，停用加热管线130（例如，通过关闭流量元件132绕过）。因此，可以降低冷却剂回路100中的流动阻力，使得泵116传输更多的冷却剂，由此也增加通过热交换器136的冷却剂通过量。

在216，停用通风管线122（例如，通过关闭流量元件123绕过）。因此，可以进一步降低冷却剂回路中的流动阻力，使得泵116传输更多的冷却剂，由此进一步增加通过热交换器136的冷却剂通过量。

在218，确定汽缸盖温度（例如由传感器128测定）是否超过阈值温度。如果汽缸盖温度的确超过阈值温度（是），方法200进行到222，在222流量元件120朝关闭位置移动。如果相反汽缸盖温度未超过阈值温度（否），方法200进行到220，在220确定冷却剂温度是否超过阈值温度，该阈值温度与上述的其他阈值温度可以不同。如果不满足该条件（否），方法200结束。如果满足该条件（是），方法200进行到221，在221任选地确定冷却剂温度是否超过阈值温度经过阈值持续时间，如上所述，这可以防止过度切换。如果不满足该条件（否），方法200结束。如果满足该条件（是），方法200进行到222。

在222，流量元件120朝完全关闭位置移动，其中基于冷却剂温度和汽缸盖温度中的一个或多个确定关闭程度。随后方法200结束。

以这种方式，可以响应于发动机102的各种运转条件进行冷却剂回路100的操作。发动机102可以被合适地冷却，或在其他情况中可以促进发动机102的加热。进一步，可以基于运转条件选择性地控制冷却剂回路100中冷却剂的冷却。而且，可以合适地优先化和处理汽缸盖106和冷却剂回路100中冷却剂的冷却。然而将理解的是，步骤208和步骤218的顺序可以反过来，以及在一些实施方式中，同时进行。

注意，本文包括的实例控制和估计方法可以与各种发动机和/或车辆***结构一起使用。本文描述的具体方法可以代表许多处理策略中的一种或多种，例如事件驱动的、中断驱动的、多任务处理、多线程处理等等。因此，阐述的各种动作、操作、或功能可以按照所阐明顺序执行、并行执行、或在一些情况中省略。同样地，实现本文所描述的实例实施方式的特征和优势不一定需要该处理顺序，但是为了便于阐明和描述提供该处理顺序。取决于使用的具体策略，可以重复执行一个或多个所阐明动作或功能。进一步，所描述的动作可以通过图表示编程入发动机控制***的计算机可读存储介质中的代码。

将理解的是，本文中公开的结构和方法本质上是示例性的，不应当在限制性意义上考虑这些具体实施方式，因为各种变化是可能的。例如，以上技术可以应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸、和其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种***和结构以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

权利要求具体地指出了认为是新颖的和非显而易见的一些组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等价物。这些权利要求应当理解为包括一个或多个这样的元件，既不需要也不排除两个或多个元件。通过修改目前权利要求或通过在该申请或相关申请中提供新的权利要求可以要求保护所公开特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合。这些权利要求，不管范围比原始权利要求宽、窄、相等或不同，也被认为包括在本公开的主题内。

一个实例实施方式包括液体冷却的内燃机，其包括：汽缸盖，其形成多个汽缸；冷却剂回路，其配置为给汽缸盖提供冷却剂；旁路管线，其包括配置为控制流过旁路管线的冷却剂液位的流量元件；和控制器，其包括：逻辑子***；和包括存储在其上的指令的存储子***，逻辑子***可执行所述指令，以便：

确定冷却剂温度；

如果冷却剂温度超过第一阈值温度，以打开程度朝打开位置调节流量元件，打开程度基于冷却剂温度、汽缸盖温度和最大冷却剂温度的一个或多个确定；

如果汽缸盖温度超过第二阈值温度，以关闭程度朝关闭位置调节流量元件，关闭程度基于冷却剂温度和汽缸盖温度中的一个或多个确定；和

如果冷却剂温度下降至第一阈值温度以下，以关闭程度朝关闭位置调节流量元件。

Claims (10)

1.一种***，包括：

汽缸盖，其形成多个汽缸；和

冷却剂回路，其包括：

冷却剂套，其包围所述多个汽缸；

进给管线，其流体连接至所述冷却剂套并且配置为提供冷却剂给所述冷却剂套；

排放管线，其流体连接至所述冷却剂套并且配置为将冷却剂排出到配置为从所述冷却剂中提取热的热交换器；和

旁路管线，其在所述汽缸盖上游从所述进给管线分支并且在所述汽缸盖下游与所述排放管线再连接，所述旁路管线包括配置为控制冷却剂流动通过所述旁路管线的流量元件。

2.根据权利要求1所述的***，其中所述流量元件是可连续调节的。

3.根据权利要求1所述的***，其中所述流量元件是以两级方式可调节的。

4.根据权利要求1所述的***，其中所述流量元件通过发动机控制器启动。

5.根据权利要求1所述的***，其中所述流量元件作为冷却剂温度的函数进行控制，其中如果所述冷却剂温度超过阈值温度，则通过控制***朝打开位置调节所述流量元件。

6.根据权利要求1所述的***，进一步包括配置为从冷却剂存储器提供冷却剂给所述冷却剂回路的泵。

7.一种方法，包括：

确定冷却剂温度；

如果所述冷却剂温度超过第一阈值温度，以打开程度朝打开位置调节流量元件，所述打开程度基于所述冷却剂温度、汽缸盖温度和最大冷却剂温度中的一个或多个确定；和

如果所述汽缸盖温度超过第二阈值温度，以关闭程度朝关闭位置调节流量元件，所述关闭程度基于所述冷却剂温度和所述汽缸盖温度中的一个或多个确定。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括，如果所述冷却剂温度下降至所述第一阈值温度以下，以所述关闭程度朝所述关闭位置调节所述流量元件。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括，如果所述冷却剂温度超过所述第一阈值温度，停用加热管线。

10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括，如果所述冷却剂温度超过所述第一阈值温度，停用通风管线。

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