專利名稱：具有由冷卻劑運行的加熱器的液冷式內(nèi)燃發(fā)動機以及用于運行此類內(nèi)燃發(fā)動機的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液冷式內(nèi)燃發(fā)動機，該內(nèi)燃發(fā)動機帶有至少一個汽缸蓋以及-冷卻劑回路，其包括至少一個集成在汽缸蓋中的冷卻劑罩、用于為冷卻劑罩提供冷卻劑的輸入管、用于導出冷卻劑的導出管以及回流管，該回流管從導出管上分岔而出并經(jīng)由一個能夠根據(jù)溫度自行控制的閥門匯入輸入管中，在該回流管中設置有熱交換器，以及-加熱回路，其包括供給管，該供給管從導出管分岔而出并經(jīng)由一個自控閥匯入輸入管中，在該供給管中設置有由冷卻劑運行的加熱器，其中，自控閥具有受冷卻劑沖擊且會因溫度而發(fā)生反應的元件，并且所述回流管會根據(jù)該元件上的冷卻劑溫度T。。。lant, valve的不同而與輸入管相連或分開，與此相反，供給管則不能通過閥門與輸入管分開。此外，本發(fā)明還涉及一種用于運行此類內(nèi)燃發(fā)動機的方法。
背景技術：
上述類型的內(nèi)燃發(fā)動機可被用作例如車輛的驅(qū)動器。原則上，內(nèi)燃發(fā)動機的冷卻器可被設計為氣冷式或液冷式。由于液體具有更高的熱容，因此與氣冷式冷卻器相比，液體冷卻器能夠耗散明顯更多的熱量。發(fā)動機的熱負荷在不斷增加。這一點也歸因于在內(nèi)燃發(fā)動機中不斷增加裝入件 (其目的是使其封裝盡可能緊湊)以及在汽缸蓋或汽缸體中集成越來越多的諸如排氣歧管等部件，從而使得發(fā)動機，亦即內(nèi)燃發(fā)動機的熱負荷增大。因此，在現(xiàn)有技術下，為內(nèi)燃發(fā)動機配備液體冷卻器變得越來越常見。液體冷卻器要求汽缸蓋配備有冷卻劑外罩，也就是說，安裝有用以使冷卻劑流經(jīng)過汽缸蓋的冷卻劑管道。熱量不必像在氣冷式冷卻器中那樣，需首先傳遞到汽缸蓋表面以便散去。熱量在汽缸蓋內(nèi)部即已釋放到冷卻劑中，所述冷卻劑通常是摻有添加劑的水。此外，冷卻劑是利用安置在冷卻劑回路的輸入管中的泵來推動的，因而它是循環(huán)流轉的。釋放到冷卻劑中的熱量通過這種方式從汽缸蓋內(nèi)部經(jīng)由導出管引出；而在汽缸蓋外部，又從冷卻劑中將此熱量帶走(這一點可通過不同方式來實現(xiàn))。像汽缸蓋一樣，汽缸體也可以裝配一個或多個冷卻劑罩。冷卻劑回路通過回流管而變得完備，該回流管從導出管分岔而出并匯入輸入管， 在汽缸蓋中被加熱的冷卻劑通過該回流管回流到冷卻劑輸入端。導出管和輸入管不必是實際意義上的導管，其可以是冷卻劑罩的一部分，也可以被設計為冷卻劑進入殼或冷卻劑排出殼的形式。在回流管中設置有熱交換器，它用來再次將熱量從冷卻劑中帶走。為了在所有運行狀態(tài)下，特別是在車輛靜止及僅以低速行駛的運行狀態(tài)下均能給熱交換器提供足夠大的空氣質(zhì)量流，并在原則上輔助熱交換，新式車輛驅(qū)動裝置的冷卻系統(tǒng)越來越多地裝配了大功率的風扇電機，所述風扇電機驅(qū)動風扇葉輪或者說使風扇葉輪處于旋轉中。風扇電機通常用電來作動力，根據(jù)不同的負荷或轉速，風扇電機優(yōu)選應能夠得到無級控制。冷卻劑可以在流經(jīng)汽缸蓋之后(即在汽缸蓋下游)，及在熱量被進一步利用之后， 才被帶走。在本發(fā)明所涉及的內(nèi)燃發(fā)動機中設置有由冷卻劑運行的加熱器，這種加熱器利用在汽缸蓋中被加熱的冷卻劑來使輸入到車輛駕駛艙中的空氣升溫，同時又使冷卻劑的溫度下降。加熱回路包括從導出管分岔而出而匯入輸入管中的供給管，在該供給管中設置有由冷卻劑運行的加熱器。因此，在汽缸蓋中被加熱的冷卻劑，其熱量不僅會存在于冷卻回路的熱交換器中， 而且還會在流經(jīng)加熱回路時被帶走。因此，加熱回路也可以被稱為小一號的冷卻回路或者說冷卻劑回路。雖然如此，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)，即便兩個回路在局部上利用了相同的管道，如輸入管及導出管，但在概念上其首要功能仍對利用熱交換器冷卻汽缸蓋的冷卻劑回路與用來加熱輸入到內(nèi)部空間中的空氣的加熱回路作了區(qū)分。液體冷卻器的目的及任務并非是在所有運行條件下均為內(nèi)燃發(fā)動機耗散盡可能多的熱量。更確切地說，應力求根據(jù)需要來對液體冷卻器進行控制，除了內(nèi)燃發(fā)動機的滿負荷運行狀態(tài)外，實施控制時還要考慮內(nèi)燃發(fā)動機的此類運行狀態(tài)，即在所述運行狀態(tài)中， 從內(nèi)燃發(fā)動機中帶走較少或者說盡可能少的熱量是有利的。在這種情況下應當考慮的是，原則上需力爭將內(nèi)燃發(fā)動機的燃料消耗降低到最低程度。而且除了改善燃燒，也就是說除了使燃燒更有效率之外，減小摩擦功率也非常重要。 對于后者而言，使機油迅速升溫，特別是在冷啟動之后使機油迅速升溫是合乎目的的。在內(nèi)燃發(fā)動機處于熱機狀態(tài)時快速加熱機油能夠相應快速地降低機油粘度，其結果是減小了摩擦或摩擦功率，特別是在供給有機油的軸承間，如曲軸軸承中的摩擦或摩擦功率。在現(xiàn)有技術中，已公開了數(shù)種以快速加熱機油從而減小摩擦為目標的不同設計方案。對于機油，可以利用例如外部加熱裝置進行主動加熱。但是加熱裝置對于燃料投入而言卻是額外的消耗器，這與降低燃耗的目標是對立的。在其他設計方案中是這樣設計的，即將在運行期間被加熱的機油儲存到隔熱容器中以便在冷啟動時再行使用，在這種情況下，那些在運行期間被加熱的機油并不能在無限長的時間內(nèi)始終保持高溫。根據(jù)另一設計方案， 用來輸送冷卻劑的機油冷卻器在熱機狀態(tài)期間被另作他用，即用來加熱機油，但是，這種設計卻仍要以快速加熱冷卻劑為前提。原則上，通過快速加熱內(nèi)燃發(fā)動機自身也是有利于機油迅速升溫從而減小摩擦功率的，而在內(nèi)燃發(fā)動機熱機狀態(tài)期間盡可能少散去熱量則有助于，即促使內(nèi)燃發(fā)動機自身迅速升溫。就此而言，內(nèi)燃發(fā)動機在冷啟動后的熱機階段是這樣一種運行模式的實例，在此種運行模式下，從內(nèi)燃發(fā)動機內(nèi)盡可能少地帶走熱量，最好不帶走熱量是有利的。為使內(nèi)燃發(fā)動機快速升溫，可對液體冷卻器加以控制，以便在冷啟動之后減少散熱；而對液體冷卻器控制可以通過使用能夠根據(jù)溫度自行控制的閥門來實現(xiàn)，所述閥門在現(xiàn)有技術中常被簡稱為恒溫器。這種自控閥具有受冷卻劑沖擊且會因溫度而發(fā)生反應的元件，在這種情況下，視該元件上的冷卻劑溫度T。。。lant,valre而定，回流管或利用閥門的打開位置與輸入管連接到一起，或利用閥門的關閉位置而與輸入管斷開。加熱回路的供給管與輸入管在中間連接有自控閥的情況下以不斷開的方式連接在一起。為使來自加熱回路的冷卻劑能夠在閥門關閉時沖擊到上述會因溫度而產(chǎn)生反應的元件上，供給管需穿過閥門。在閥門關閉時，例如在冷啟動之后，冷卻劑被阻止流經(jīng)冷卻劑回路及熱交換器，因而將在加熱回路中循環(huán)，此時，加熱回路中的冷卻劑將沖擊閥門上的會因溫度而產(chǎn)生反應的元件。由于閥門關閉，流過汽缸蓋的冷卻劑減少，因此，一方面，通過對流實現(xiàn)的熱傳遞減少了，另一方面，量相對較少而又自由循環(huán)的冷卻劑可被更快地加熱。 由于冷卻劑回路停止運轉，在冷卻器中不會發(fā)生散熱。如果循環(huán)于加熱回路中的冷卻劑在會因溫度而產(chǎn)生反應的元件上的溫度T。。。lant, valve達到或超過一定的界限溫度T。。。lant, valve, therhold,則閥門將打開，而回流管將與輸入管連通。此時，冷卻劑通過閥門從冷卻劑回路流入輸入管中并且與來自加熱回路中的冷卻劑流相混合。流過汽缸蓋的冷卻劑流量增加，從汽缸蓋上被帶走的熱量也因此增多，在這種情況下，冷卻劑的溫度T。。。lant由于混入了來自冷卻劑回路的額外的并且更冷的冷卻劑而下降， 這樣必然會導致冷卻劑與汽缸蓋之間產(chǎn)生更大的溫差。需要注意的是，所述元件受到由兩股在閥門中混合到一起的冷卻劑流形成的總冷卻劑流的沖擊；若溫度降到所述界限溫度之下，則該總冷卻劑流將導致閥門重新關閉。恒溫器在熱機階段通常會進行多次打開和關閉。在內(nèi)燃發(fā)動機冷啟動之后，使加熱回路中的冷卻劑循環(huán)完全停止，也就是說使冷卻劑徹底停止流動，以便中止由于對流而發(fā)生的散熱，這可能是有利的。這樣，冷卻劑將至少在熱機階段開始之時不會流動，而會停止在管道及汽缸蓋的冷卻劑罩中，這樣將進一步加快冷卻劑加熱及內(nèi)燃發(fā)動機升溫過程。這樣的控制將對于機油的加熱將起到額外的促進作用，從而進一步減小摩擦功率。此外，原則上應盡量使對于液體冷卻器的控制實現(xiàn)如下目的，即不僅能夠使在冷啟動之后的熱機階段中循環(huán)的冷卻劑量或者說冷卻劑流量減少，從而加快冷卻劑及機油的升溫，而且還能夠?qū)σ驯患訜嶂吝\行溫度的內(nèi)燃發(fā)動機熱平衡產(chǎn)生影響。上述液體冷卻器的控制方法的第一改進方案是這樣設計的即利用按綜合特性曲線進行調(diào)節(jié)的恒溫器來替代傳統(tǒng)恒溫器；傳統(tǒng)恒溫器的特點在于其開啟溫度是實際的、不可改變的，與它不同的是，按綜合特性曲線進行調(diào)節(jié)的恒溫器的特點在于，可以借助電加熱器使其具備由綜合特性曲線決定的虛擬開啟溫度。因此，上述根據(jù)冷卻劑溫度自行控制的閥門也被由發(fā)動機控制裝置根據(jù)特有綜合特性曲線來進行控制的閥門所代替，這樣，冷卻劑流的大小和由冷卻劑所帶走的熱量以及冷卻劑溫度是可變化的，而且還能夠根據(jù)需要對它們進行調(diào)節(jié)。根據(jù)綜合特生曲線進行調(diào)節(jié)的恒溫器，亦即閥門，同樣具有受冷卻劑沖擊并會因溫度而發(fā)生反應的元件，該元件同樣具有由構件所決定的開啟溫度。但是，會因溫度而產(chǎn)生反應的元件可以利用電力進行加熱，因而恒溫器不僅僅受到在元件上占優(yōu)勢的冷卻劑溫度 T。。。lant控制，而且還受到由發(fā)動機控制的電加熱器或者能量供給的控制。在利用加熱器加熱元件時，從外部為該元件施加虛擬冷卻劑溫度，該虛擬溫度要比在該元件上實際存在的冷卻劑溫度更高。采用按綜合特性曲線進行控制的恒溫器，能夠?qū)⒂蓸嫾鶝Q定的開啟溫度應用在部分負荷運轉狀態(tài)中，以便在這種部分負荷運轉狀態(tài)下使冷卻劑溫度達到95°C至110°C的范圍。在負荷更大的情況下，這種高得不尋常的開啟溫度是不可接受的，因此，在負荷增加時，需要借助電加熱器，也就是說通過引入電能的方式對其加以調(diào)整，使得恒溫器在元件上存在的溫度較低時即已開啟，例如當冷卻劑達到在一般情況下適用于較高負荷的85°C至 95°C范圍內(nèi)的溫度時。具有固定不變的、由構件決定的開啟溫度的自控閥必須能夠在各種負荷狀態(tài)下工作，因此其必須具有設計成適合高負荷條件的開啟溫度，該開啟溫度相對較低，并使得冷卻劑即便在部分負荷運轉狀態(tài)下也會有更低的溫度。為不同的負荷狀態(tài)采用不同的冷卻劑溫度是非常有利的，這是因為，汽缸蓋內(nèi)的熱傳遞并非僅受所流經(jīng)的冷卻劑量的影響，其主要還受構件與冷卻劑之間溫差的影響。在部分負荷運行狀態(tài)下，冷卻劑的溫度越高，則意味著冷卻劑與汽缸蓋之間的溫差越小。由此導致的結果就是，在低負荷及中等負荷運行時，熱量傳遞得不多。這樣就提高了在部分負荷運行狀態(tài)下的效率。由于內(nèi)燃發(fā)動機在冷啟動之后通常運行在部分負荷范圍內(nèi)，因此通過提高冷卻劑溫度，也有利于降低熱機階段中的摩擦功率。作為對按綜合特性曲線調(diào)節(jié)的恒溫器的各種實施例的補充，應當說明的是，在現(xiàn)有技術所公開的各實施例中是這樣設計的，即一旦冷卻器開啟冷卻劑回路，恒溫器就阻止冷卻劑在較小的冷卻劑回路(如加熱回路)中循環(huán)。按綜合特性曲線調(diào)節(jié)的恒溫器成本很高，因而阻礙了其在量產(chǎn)中大量使用。此種恒溫器的另一缺點是控制復雜，這一缺點體現(xiàn)在下述情況中，即在電加熱器失效或出故障時，閥門只有在因溫度而產(chǎn)生反應的元件上的冷卻劑達到相對較高且由構件決定的開啟溫度時才能實現(xiàn)開啟，而在這種情況下，內(nèi)燃發(fā)動機可能要承受過高的熱負荷。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主題同樣是一種內(nèi)燃發(fā)動機，該種內(nèi)燃發(fā)動機的液體冷卻器配備有能夠根據(jù)冷卻劑溫度自行控制的閥門，所述閥門的特點是具有實際的、不可改變的開啟溫度。在上述背景技術下，本發(fā)明的目標是提供一種如本申請所公開的液冷式內(nèi)燃發(fā)動機，該內(nèi)燃發(fā)動機的液體冷卻器被設計為既能對處于熱機階段的內(nèi)燃發(fā)動機的熱平衡，又能對已被加熱的內(nèi)燃發(fā)動機的熱平衡以有利的方式產(chǎn)生影響。本發(fā)明的另一子目標在于闡明一種用于運行所述類型內(nèi)燃發(fā)動機的方法。上述第一子目標是通過這樣一種液冷式內(nèi)燃發(fā)動機實現(xiàn)的，該種內(nèi)燃發(fā)動機具有至少一個汽缸蓋以及-冷卻劑回路，其包括至少一個集成在汽缸蓋中的冷卻劑罩、用于為冷卻劑罩提供冷卻劑的輸入管、用于導出冷卻劑的導出管以及回流管，該回流管從導出管上分岔而出并經(jīng)由能夠根據(jù)溫度自行控制的閥門而匯入輸入管中，該回流管中設置有熱交換器，以及-加熱回路，其包括供給管，該供給管從導出管分岔而出并經(jīng)由自控閥而匯入輸入管中，在該供給管中設置有由冷卻劑運行的加熱器，其中，該自控閥具有受冷卻劑沖擊且因溫度而產(chǎn)生反應的元件，回流管會根據(jù)該元件上的冷卻劑溫度T。。。lant, valve的不同而與輸入管相連或分開，與此相反，供給管則不能通過閥門與輸入管分開。此種內(nèi)燃發(fā)動機的特征在于，
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-在自控閥的上游，在加熱回路的供給管中設置有可由電力操控的隔離件，該隔離件能夠由發(fā)動機控制器根據(jù)冷卻劑的溫度T。。。lant進行控制。根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動機在供給管中具有可由電力操控的隔離件，利用該隔離件既能在熱機階段，又能在熱機階段結束之后對汽缸蓋中的熱傳遞產(chǎn)生影響。在冷啟動之后閉合隔離件，將阻止冷卻劑在加熱回路中循環(huán)。冷卻劑流因此完全停止，這是因為，由于冷卻劑溫度低而且閥門關閉，從而使得冷卻劑尚未開始流經(jīng)起冷卻器作用的熱交換器。通過在冷啟動之后閉合隔離件而使汽缸蓋中的冷卻劑停止流動的這種方式，加快了冷卻劑升溫與內(nèi)燃發(fā)動機加熱的過程。由于在汽缸蓋中被耗散的熱量減少了，因而也使得機油以更快的速度升溫。由此，便降低了摩擦功率，從而對燃料消耗產(chǎn)生了有利的影響。通過對隔離件進行適當控制，即便在熱機階段結束之后，也能對冷卻劑流，亦即冷卻劑流量產(chǎn)生影響，并因而影響冷卻劑溫度及被加熱后的內(nèi)燃發(fā)動機的熱平衡。對于已經(jīng)預熱的內(nèi)燃發(fā)動機而言，通過這種方式，即使(與現(xiàn)有技術相反)采用自控閥而不采用按綜合特性曲線進行調(diào)節(jié)的閥門，也能夠使冷卻劑針對不同的負荷狀態(tài)實現(xiàn)不同的溫度。根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動機能夠提高在部分負荷運行狀態(tài)下的冷卻劑溫度，從而改善其在部分負荷運行狀態(tài)下的效率。為此，隔離件在低負荷及中等負荷狀態(tài)下是以間歇方式開啟的，在這種情況下，開啟與關閉狀態(tài)短促地交替變化。因此，隔離件不是持續(xù)開啟的。開啟狀態(tài)被關閉狀態(tài)所打斷。對于具體如何控制隔離件，特別是如何根據(jù)冷卻劑溫度以間歇的方式有節(jié)奏地開啟隔離件，將結合根據(jù)本發(fā)明的方法進行詳細說明。特別是像這樣的液冷式內(nèi)燃發(fā)動機是有利的，在這種內(nèi)燃發(fā)動機中，隔離件能夠由發(fā)動機控制器根據(jù)冷卻劑回路中的冷卻劑的溫度T。。。lant, circuit來進行控制。實施這種控制，需要將綜合特性曲線存儲到發(fā)動機控制器中。因此，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動機實現(xiàn)了本發(fā)明的第一基本子目標。本發(fā)明所提供的內(nèi)燃發(fā)動機，其液體冷卻器被設計為既能對處于熱機階段的內(nèi)燃發(fā)動機的熱平衡，又能對已被加熱的內(nèi)燃發(fā)動機的熱平衡以有利的方式產(chǎn)生影響。本發(fā)明提出的設計方案也適用于對市場上已有的內(nèi)燃發(fā)動機進行升級。除了冷卻劑回路與加熱回路之外，還可以設計其他回路或熱交換器。在內(nèi)燃發(fā)動機的進氣端通常設置有進氣冷卻器(LadeluftkUhler)。該進氣冷卻器使吸入的新鮮空氣或吸入的新鮮混合氣的溫度降低，并由此使汽缸新鮮充量的密度增加。 通過這種方式，該冷卻器有助于更好地向燃燒室注滿空氣或新鮮混合氣。增壓式內(nèi)燃發(fā)動機一般都裝配有進氣冷卻器。利用進氣冷卻器來冷卻進氣，首先有助提升內(nèi)燃發(fā)動機的功率。燃燒過程所必需的空氣由于冷卻而被壓縮，因此，在每一工作循環(huán)中均能為每個汽缸注入更多的空氣量。由此就能夠增加燃料量，并由此增大中間壓力(Mitteldruck)。此外，現(xiàn)代內(nèi)燃發(fā)動機越來越多地裝配上了廢氣再循環(huán)裝置(AGR)。為了遵守將來的污染物排放限值，特別是氮氧化物排放限值，廢氣再循環(huán)(也就是說將燃燒后的氣體從內(nèi)燃發(fā)動機的排氣端回流到或者說再循環(huán)到進氣端)被看作是具有決定意義的手段。由于氮氧化物的形成不僅需要過量的空氣，而且還需要高溫，因此，降低氮氧化物排放的思路是發(fā)展一種燃燒溫度更低的內(nèi)燃發(fā)動機，而廢氣再循環(huán)恰是降低溫度的一種手段。提高廢氣再循環(huán)率可以顯著減少氮氧化物的排放。在這里，廢氣再循環(huán)率Xact由下式確定=Xagk = mAGE/ (mAGE+mFrischluft)，其中，mA(;K是被回流的廢氣的質(zhì)量，而mMs。hluft則代表被注入且可能被壓縮的新鮮空氣或進氣的質(zhì)量。為達到顯著降低氮氧化物排放量的目的，需要有高的廢氣再循環(huán)率，其大小x-應能在50%至70%之間，即xAeK 50% -70%。為實現(xiàn)這樣的高再循環(huán)率，必須對需要回流的廢氣進行冷卻，也就是說，必須通過冷卻來壓縮廢氣，從而增加再循環(huán)廢氣的密度。因此， 內(nèi)燃發(fā)動機需要裝備附加冷卻裝置以冷卻再循環(huán)廢氣。還可以設置其他冷卻器，用以冷卻例如自動變速箱中的變速器油和/或用來冷卻液壓油，尤其是用來冷卻應用在能夠以液壓方式操控的調(diào)節(jié)裝置中或者用于輔助轉向的液壓油。雖然出于減小摩擦功率的目的而使機油在冷起動之后盡可能快地升溫原則上是有利的，但是已經(jīng)預熱的內(nèi)燃發(fā)動機的機油通常需要冷卻，這是因為機油過熱會導致其過早老化，并會使其潤滑特性變差。為將油溫維持在最大允許水平上，通過機油盤利用熱傳導及自然對流方式來散熱常常是不夠的，因而需設置冷油器，這種冷油器可用來輸送冷卻劑，也就是說，該冷油器使用冷卻劑為機油散熱。另外，用來輸送冷卻劑的冷油器還提供了這種可能性，即在熱機階段利用冷卻劑來加熱機油。內(nèi)燃發(fā)動機的這些實施例，即冷油器與由冷卻劑運行的加熱器并排布置的實施例，以及冷油器與由冷卻劑運行的加熱器先后布置的實施例都是有利的。其他有利的內(nèi)燃發(fā)動機的實施例將結合本公開來進行說明。這樣的內(nèi)燃發(fā)動機實施例是有利的即在內(nèi)燃發(fā)動機中設置有能夠借助測量技術來確定冷卻劑溫度T。。。lant的傳感器。利用傳感器所確定出的冷卻劑溫度作為輸入?yún)?shù)被提供給發(fā)動機控制器。在本發(fā)明中，利用傳感器并通過測量技術來確定冷卻劑溫度T。。。lant是不成問題的，這是因為，與燃燒后的氣體的高溫相比，即便在已經(jīng)預熱的內(nèi)燃發(fā)動機中，冷卻劑的溫度也是適度的。此外，內(nèi)燃發(fā)動機的冷卻回路還提供了多種安裝傳感器的可能方案，也就是說可以將傳感器安裝到多個位置中，而不會影響液體冷卻器的功能性。通過僅利用模擬(其中也采用動態(tài)熱學模型與動力學模型來確定燃燒期間所生成的反應熱)的計算方式來確定冷卻劑溫度，雖然原則上可行，但是從有利于節(jié)約成本的角度看來，卻不是當前確定溫度的優(yōu)選方式，盡管模擬計算并不需要其他部件，特別是不需要傳感器。利用模擬手段所確定的冷卻劑溫度T。。。ling只是一個近似值，它可能會對液體冷卻器的控制質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。為了估計冷卻劑溫度T。。。ling，也可以使用部件溫度，特別是汽缸蓋溫度，這種溫度同樣可以通過例如測量技術來進行探測。根據(jù)這一變例，冷卻劑的溫度可以利用其它溫度間接確定，這在原則上是確定冷卻劑溫度的另一可行方案。若利用傳感器來探測冷卻劑溫度，則這樣的實施例是有利的，即將用于探測冷卻劑溫度的傳感器布置在與冷卻劑回路相隔至少一個汽缸蓋的出口處的相鄰位置上。根據(jù)前述實施例，將傳感器布置在汽缸蓋的下游，直接布置在汽缸蓋的冷卻劑排出口的區(qū)域內(nèi)，這樣能夠確保探測到在冷卻回路的下述位置上的溫度，即在該位置上冷卻劑由于流經(jīng)汽缸蓋并吸收了熱量，因而其溫度已有明顯提升。這是有利的，因為冷卻劑溫度常常被調(diào)節(jié)到或者說應當被調(diào)節(jié)到其最大可允許值上。考慮到前述觀點，尤其優(yōu)選對冷卻回路中冷卻劑達到最大溫度的那一位置的溫度進行測量。出于相同的理由，這樣的變例，即傳感器被布置在冷卻劑回路或冷卻劑罩的最高處附近的變例也是有利的，因為被蒸發(fā)的過熱冷卻劑聚集在回路的最高處，并且優(yōu)選在那里對冷卻回路實施通風。根據(jù)一可選方法變例，用于探測冷卻劑溫度T。。。lant的傳感器也可以被布置在與冷卻劑回路進入至少一個汽缸蓋的入口處附近。此外，冷卻劑的進入溫度也可用于確定，即用于估計在冷卻回路其他位置上的冷卻劑溫度T
coolant°原則上，可以用測量技術探測出某一位置處的溫度并對此溫度進行轉換從而用于確定另一位置上的冷卻劑溫度。從前面的闡述中可知，這樣的內(nèi)燃發(fā)動機實施例是有利的，即用于以測量技術方式來探測冷卻劑回路中冷卻劑溫度T。。。lant的傳感器被設置在至少一個汽缸蓋下游及冷卻劑回路中熱交換器的上游。這樣的內(nèi)燃發(fā)動機實施例是有利的，在這些實施例中設置有通風管，該通風管在隔離件的上游匯入供給管中，而且在其內(nèi)部安置有平衡容器
(Ausgleichsbehaltnis)0事實說明，按前述方式導向或者說連接的通風管在熱機階段是極有好處的。根據(jù)本發(fā)明，將隔離件在冷啟動之后關閉的目的是阻止冷卻劑在加熱回路中循環(huán)，但是，這種做法同時也使通風系統(tǒng)中冷卻劑停止了流動。這樣，就進一步減少了能夠自由循環(huán)且需要在熱機階段加熱的冷卻劑量，確切地說，所減少的量相當于存在于通風回路，特別是存在于平衡容器中的冷卻劑量，該減少量在個別情況下可能有1升到2升。這樣的內(nèi)燃發(fā)動機實施例是有利的，即冷卻劑回路中的熱交換器是輻射器。若熱交換器裝配有風扇，那么即便在車輛停止或車速極慢時，也能確保有足夠大的空氣質(zhì)量流。這樣的內(nèi)燃發(fā)動機實施例是有利的，即在輸入管中安裝有用于推送冷卻劑從而使冷卻劑循環(huán)起來的泵。這樣的內(nèi)燃發(fā)動機實施例是有利的，即會因溫度而產(chǎn)生反應的閥門是蠟質(zhì)元件 (Wachselement) 0本發(fā)明的第二基本子目標，即闡明用于運行根據(jù)前文提到的實施例之一所述的內(nèi)燃發(fā)動機的方法，是通過如下方法實現(xiàn)的根據(jù)冷卻劑的溫度T。。。lant及內(nèi)燃發(fā)動機的負荷 Pnre對可用電力進行操控的隔離件實施控制，所述控制是這樣進行，即在低負荷與中等負荷的情況下，在熱機階段結束后即以間歇方式開啟隔離件。涉及根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動機的說明同樣也適用于根據(jù)本發(fā)明的方法。在熱機階段結束后，利用根據(jù)本發(fā)明的方法能夠影響內(nèi)燃發(fā)動機的熱平衡，亦即汽缸蓋中的熱傳遞。用以確定熱機階段已經(jīng)結束，也就是說用以確定啟動根據(jù)本發(fā)明的方法的首要前提條件已經(jīng)滿足的判斷標準是事先確定的。預先規(guī)定這樣一個最低溫度Tmin是有利的，即只有在冷卻劑達到該最低溫度時，熱機階段才會被視作結束。出于比較的目的，可將該最低溫度儲存在例如發(fā)動機控制器中。作為可選或附加方案，也可以預先規(guī)定一個時間段，亦即最小運轉時長tmin，內(nèi)燃發(fā)動機自啟動或重新啟動起必須至少運轉所述最小運轉時長，也就是說，必須在該最小運轉時長過后， 才可將內(nèi)燃發(fā)動機視作已被預熱。類似地，可以規(guī)定何種負荷被視作低負荷及中等負荷，從而明確限定根據(jù)本發(fā)明的方法所適用的部分負荷區(qū)。部分負荷區(qū)所屬的下限和上限可用百分比形式給出，而滿負荷則適宜用作參照量。確定負荷區(qū)可針對不同的轉速實施多次，或者也可以僅實施一次，此后在必要時用額定負荷作為參考量。負荷區(qū)的確定說明了控制隔離件與負荷Pnre之間的相關性。對隔離件實施恰當控制，亦即使隔離件間歇地開啟，也就是說，使隔離件的開啟始終被關閉中斷，就能夠影響加熱回路的冷卻劑流，并從而影響流經(jīng)汽缸蓋的冷卻劑流量。在部分負荷區(qū)，隔離件不是持續(xù)開啟的，其總是階段性地閉合，這樣，開啟狀態(tài)與關閉狀態(tài)互相交替，從而減小了流經(jīng)汽缸蓋的冷卻劑的平均量。這就使得冷卻劑溫度升高。 關閉隔離件，使得加熱回路中的循環(huán)停止，因而不會有冷卻劑經(jīng)由隔離件或供給管流入汽缸蓋。在閥門仍被關閉，亦即冷卻劑回路仍然關閉時，由于隔離件的關閉，冷卻劑將完全停止流動。根據(jù)本發(fā)明的方法能夠使已被加熱的內(nèi)燃發(fā)動機部分負荷區(qū)中的冷卻劑溫度升高。但是，部件與冷卻劑之間的溫差同樣也與汽缸蓋中的熱傳遞相關。冷卻劑的溫度越高， 則意味著冷卻劑與汽缸蓋之間的溫差越小。因此冷卻劑溫度升高會導致熱傳遞變小，由此改善了內(nèi)燃發(fā)動機在部分負荷運行狀態(tài)時的效率。根據(jù)本發(fā)明的方法尤其在部分負荷運行狀態(tài)下具有改善效率的效果，這一點，如果考慮到剛啟動的內(nèi)燃發(fā)動機由于其進行負荷調(diào)整，因而恰好在部分負荷區(qū)具有相對較差的效率，則顯得特別有利。根據(jù)本發(fā)明的方法還能夠在冷啟動之后關閉隔離件。這時，閥門因冷卻劑溫度低仍然保持關閉。因此在熱機階段，冷卻劑循環(huán)被完全停止。就像前文已多次詳細說明過的那樣，冷卻劑的加熱及內(nèi)燃發(fā)動機的升溫過程得以加快。機油被更快地加熱，使得摩擦功率減小，因而降低了燃料消耗。基于前述理由，根據(jù)本發(fā)明的方法的如下實施例也是有利的，即在內(nèi)燃發(fā)動機冷啟動之后的熱機階段中將隔離件關閉或者使隔離件保持關閉狀態(tài)。這樣的方法變例是有利的，即如果即時負荷Pme超過可預先設定負荷threshold, WOT，則在熱機階段結束后開啟隔離件。在高負荷，尤其是滿負荷時，則力求耗散盡可能多的熱量，以確保避免內(nèi)燃發(fā)動機過熱。對此，起決定作用的是使冷卻劑流量盡可能地大(即便冷卻劑溫度本身已經(jīng)降低)。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，可以在不使用現(xiàn)有技術中所公開的按綜合特性曲線對閥門進行控制的情況下，使冷卻劑在內(nèi)燃發(fā)動機已經(jīng)預熱之后具有不同的溫度以適應內(nèi)燃發(fā)動機的不同負荷狀態(tài)。這樣的方法實施例是有利的，即利用傳感器以測量技術手段來探測冷卻劑溫度T
coolant°而且，如下方法變例也是有利的，即探測冷卻劑回路中的冷卻劑溫度T。。。lant,。_it 是在至少一個汽缸蓋的下游以及熱交換器的上游進行的。對于后兩個方法變例，請參考對根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動機所作的相關說明。這樣的方法實施例是有利的，即根據(jù)冷卻劑回路中的冷卻劑溫度T—。uit及內(nèi)燃發(fā)動機的負荷Pme對可用電力操控的隔離件實施控制。這樣的方法實施例是有利的，即在低負荷及中等負荷的情況下，通過脈寬調(diào)制的方式實現(xiàn)隔離件的間歇性開啟。這樣的方法實施例是有利的，即隔離件的間歇式開啟是循環(huán)地進行的，其中，一個循環(huán)周期包括一個關閉階段和一個開啟階段，其具有恒定的時長。此外，有利的是，循環(huán)開啟的周期可以是不變且一致的，但也可以是可變的。兩者的區(qū)別在于，分配到開啟階段和關閉階段上的周期份額是不同的。一方面，這樣的方法實施例是有利的，即間歇式開啟以固定不變的同一周期來執(zhí)行，這樣，在每一周期中，關閉階段和開啟階段所占的份額都是一樣的。根據(jù)一個特殊實施例，關閉階段和開啟階段一樣大，也就是說一樣長。另一方面，如下方法變例也是有利的，即間歇式開啟以可變周期來執(zhí)行，此時，關閉階段和開啟階段所占的周期份額是變動的。這一變例允許各周期的分配方式有變化，尤其允許周期分配方式根據(jù)實時的冷卻劑溫度T。。。lant進行改變，從而能夠使周期的分配與實時的冷卻劑溫度T。。。lant相適配。在這種情況下，這樣的方法實施例是有利的，即根據(jù)溫差AT。。。lant來確定關閉階段與開啟階段所占的周期份額，所述溫差是實時的冷卻劑溫度T。。。lant與預先設定的標準值
Tcoolant，threshold 之間的差值，在這種情況下ATcooImrt ^coolant, threshold ^coolant如果周期是可變的，則允許增大關閉階段的份額以提高冷卻劑溫度，或增大開啟階段的份額已降低冷卻劑溫度。這樣的方法變例是有利的，即如果實時負荷Pme超過可預先設定負荷threshold, 。。ld，則在熱機階段中開啟隔離件。像上文描述的那樣，為加快機油的加熱過程，雖然應優(yōu)選在內(nèi)燃發(fā)動機冷啟動之后關閉隔離件或使隔離件保持關閉狀態(tài)，但是在運行條件不利，例如在冷啟動之后需要承受不利的高負荷或者功率需求很高時，為保護內(nèi)燃發(fā)動機免受無法修復的損壞，破例在熱機階段中開啟隔離件也是有利的。這樣的方法變例是有利的，即用水作冷卻劑。水中通常要摻入添加劑。與其它冷卻劑相比，水的優(yōu)點在于無毒、易得且成本低廉，此外它還具有極高的熱容，因此，水適用于帶走及散發(fā)很大的熱量，這一般被看作是有利的。這樣的方法變例，即用機油作冷卻劑的變例也是有利的。與用水作冷卻劑相比，用機油作冷卻劑具有如下優(yōu)點機油沒有腐蝕性，相反它甚至還具有防止腐蝕的特性，而且與水相比，機油能夠更容易地與部件，尤其是活動部件發(fā)生接觸，而不至于損害內(nèi)燃發(fā)動機的功能性。此外，機油已經(jīng)被用作進程液體(Prozeiiflussigkeit)而流經(jīng)汽缸蓋及汽缸體，
12以便被提供給不同的消耗器，尤其是被提供給曲軸和凸輪軸。由于機油的熱容比水小，導致其散熱也較少，而這一點在冷啟動之后是有利的。采用機油作冷卻劑的液體冷卻器在熱機階段會加快機油的升溫。在具有至少兩個冷卻劑罩的汽缸蓋中，也可以使用兩種不同的冷卻劑。在這種情況下，汽缸蓋擁有兩個互相獨立的冷卻劑回路，每一冷卻劑各具有至少一個冷卻劑罩，而且分別用來輸送不同的冷卻劑。排出側的冷卻劑罩可用來輸送用作冷卻劑的水，而進入側的冷卻劑罩則可用來輸送用作冷卻劑的機油。


下面參照圖1至3對本發(fā)明進行詳細說明，其中圖1是內(nèi)燃發(fā)動機第一實施例的示意圖；圖2是冷卻劑溫度T。。。lant,。iMUit、隔離件開關狀態(tài)以及車速ν隨時間t變化的曲線圖；圖3是從圖2所示曲線圖中截取的在800至900秒這一時段內(nèi)的曲線圖。標記列表1液冷式內(nèi)燃發(fā)動機2 汽缸蓋3冷卻劑回路4輸入管5 導出管6 回流管7根據(jù)溫度自行控制的閥門7a根據(jù)溫度而發(fā)生反應的元件8熱交換器9加熱回路10供給管11加熱器12 隔離件13發(fā)動機控制器14傳感器15 泵pme瞬時負荷Pffle, threshold,。。ld熱機階段中針對發(fā)動機可預先設定負荷Pffle, threshold, _熱機階段后針對發(fā)動機可預先設定負荷Tcoolant冷卻劑溫度Tcoolant, circuit冷卻劑回路中的冷卻劑溫度Tcoolant,heating加熱回路中的冷卻劑溫度Tcoolant, valve閥門的熱反應元件處的冷卻劑溫度Tcoolant
，threshold 冷卻劑溫度的標準值
A Tcoolant 溫差
Tmin最低溫度
t 時間
tmin最小運轉時長
V 車速
具體實施例方式圖1是內(nèi)燃發(fā)動機1的第一實施例的示意圖。內(nèi)燃發(fā)動機1裝配有液體冷卻器。 冷卻劑回路3包括至少一個集成在汽缸蓋2中的冷卻劑罩、用于為冷卻劑罩提供冷卻劑的輸入管4、用于導出冷卻劑的導出管5以及回流管6，該回流管從導出管5上分岔而出并經(jīng)由能夠根據(jù)溫度自行控制的閥門7匯入輸入管4中，在該回流管中設置有熱交換器8。為了推送冷卻劑設置有安裝在輸入管4中的泵15。自控閥7具有受冷卻劑沖擊并會因溫度而產(chǎn)生反應的元件7a。取決于元件7a上的冷卻劑溫度，回流管6要么與輸入管4相連，要么與輸入管4斷開。在閥門7關閉時，元件7a僅承受來自加熱回路9中的冷卻劑的沖擊。加熱回路9包括供給管10，該供給管從導出管5分岔而出并經(jīng)由自控閥7匯入輸入管4中，而且在其中安裝有加熱器11。對閥門7的開關操作不能將供給管10與輸入管4 分開。兩條管道4、10始終保持連接。在自控閥7的上游，在加熱回路9的供給管10中安裝有隔離件12，該隔離件是由發(fā)動機控制器13根據(jù)冷卻劑溫度T。。。lant來控制的。為了用測量手段探測冷卻劑回路3中的冷卻劑溫度T。。。lant, circiut,在汽缸蓋下游的導出管中安裝有傳感器14，用以將冷卻劑溫度 Tcoolant, circiut作為輸入信號傳輸給發(fā)動機控制器13。圖2是冷卻劑溫度T。。。lant,。iMUit、隔離件開關狀態(tài)以及車速ν隨時間t變化的曲線圖。冷卻劑回路中的冷卻劑溫度T。。。lant, circuit以攝氏度為單位繪制在左側縱坐標上， 而時間t則繪制在橫坐標上。在圖的右邊畫出了隔離件的兩種開關狀態(tài)，因而從圖中就可以看出，隔離件在何時是關閉或打開的，也就是說，隔離件在何時是出于關閉或開啟狀態(tài)的 (見曲線A)。NEDC周期從內(nèi)燃發(fā)動機冷啟動的那一刻開始算起，一個周期包含1180秒，它同時也被用來確定污染物排放量，以便監(jiān)測內(nèi)燃發(fā)動機的污染物排放量是否符合法定污染物排放濃度要求。車速ν隨時間變化t變化的曲線ν(t)可從圖中獲知。冷卻劑溫度T。。。lant在熱機階段是持續(xù)升高的。隔離件在熱機階段是關閉的。若冷卻劑達到預先設定的最小溫度Tmin(在本實施例中大約設為98°C )，則熱機階段被視為結束。在本實施例中，最小溫度Tmin相當于最小運行時間tmin，即470秒。在熱機階段結束后，根據(jù)冷卻劑溫度?。弧獙捎呻娏Σ倏氐母綦x件實施控制， 此時，隔離件間歇地被開啟，也就是說它被交替地開啟與關閉。隔離件的這種間歇開啟是周期性地進行的。周期按照恒定的時間間隔更替，而且每一周期均由關閉階段和開啟階段組成。在圖2示出的方法變例中，上述間歇式開啟是按可變周期進行的，就該可變周期而言，關閉階段與開啟階段各自所占的周期份額是有變化的，確切地說，是根據(jù)實時冷卻劑溫T。。。lant而發(fā)生變化的。此種間歇式開啟的結果是使得冷卻劑在部分負荷區(qū)時具有相對較高的溫度，在本實施例中，該相對較高的溫度與汽缸蓋出口處得溫度相當，即平均約為105°C。圖3是從圖2所示曲線圖中截取的在800至900秒這一時段內(nèi)的曲線圖。該圖僅用于對圖2作補充說明，因此其余的內(nèi)容應參考圖2。從該截取的圖中可以得知，隔離件的周期變化可被設計得很快，從而使隔離件沒有完全到達其關閉位置或開啟位置，而是在達到之前即已發(fā)生方向變化。
權利要求
1.一種液冷式內(nèi)燃發(fā)動機(1)，其具有至少一個汽缸蓋O)以及-冷卻劑回路(3)，其包括至少一個集成在所述汽缸蓋中的冷卻劑罩、用于為冷卻劑罩提供冷卻劑的輸入管G)、用于導出冷卻劑的導出管(5)以及回流管(6)，所述回流管從所述導出管(5)上分岔而出并經(jīng)由能夠根據(jù)溫度自行控制的閥門(7)匯入所述輸入管(4) 中，在所述回流管中設置有熱交換器(8)，以及-加熱回路(9)，其包括供給管(10)，所述供給管從所述導出管( 上分岔而出并經(jīng)由上述自控閥(7)匯入所述輸入管(4)中，在該供給管中設置有由冷卻劑運行的加熱器(11)， 其中，所述自控閥(7)具有受冷卻劑沖擊且會因溫度而產(chǎn)生反應的元件(7a)，所述回流管 (6)會根據(jù)所述元件(7a)上的冷卻劑溫度T。。。lant,valvJ々不同而與所述輸入管相連或分開， 與此相反，所述供給管則不能通過所述閥門(7)與所述輸入管分開，其特征在于，-在所述自控閥(7)的上游，在所述加熱回路(9)的供給管(10)中設置有可由電力操控的隔離件(12)，該隔離件能夠由發(fā)動機控制器(13)根據(jù)冷卻劑溫度T。。。lant進行控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的液冷式內(nèi)燃發(fā)動機(1)，其特征在于，設置有用于以測量技術方式探測冷卻劑溫度T。。。lant的傳感器(14)。
3.根據(jù)權利要求2所述的液冷式內(nèi)燃發(fā)動機(1)，其特征在于，用于以測量技術方式探測所述冷卻劑回路(3)中的冷卻劑溫度T。。。lant的所述傳感器(14)被設置在所述至少一個汽缸蓋( 下游以及所述冷卻劑回路(3)中的熱交換器(8)的上游。
4.根據(jù)前述權利要求之一所述的液冷式內(nèi)燃發(fā)動機(1)，其特征在于，設置有通風管， 所述通風管在所述隔離件(1 的上游匯入到所述供給管(10)中，而且在其內(nèi)部安置有平衡容器。
5.一種用于運行根據(jù)前述權利要求之一所述的液冷式內(nèi)燃發(fā)動機(1)的方法，其特征在于，根據(jù)冷卻劑溫度T。。。lant及內(nèi)燃發(fā)動機的負荷Pme對所述可用電力操控的隔離件(12) 實施控制，所述控制是這樣進行，即在低負荷與中等負荷的情況下，在熱機階段結束后即以間歇方式開啟所述隔離件(12)。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，在所述內(nèi)燃發(fā)動機(1)冷啟動之后的熱機階段中將所述隔離件關閉。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的方法，其特征在于，如果實時負荷Pme超過可預先設定負荷P_thresh。ld,。。ld，則在熱機階段結束之后開啟所述隔離件(12)。
8.根據(jù)權利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，根據(jù)在所述冷卻劑回路C3)中的冷卻劑的溫度T。。。lant及所述內(nèi)燃發(fā)動機(3)的負荷Pnre對所述可用電力操控的隔離件(12) 實施控制。
9.根據(jù)權利要求5至8之一所述的方法，其特征在于，在低負荷及中等負荷的情況下， 通過脈寬調(diào)制的方式實現(xiàn)所述隔離件(12)的間歇性開啟。
10.根據(jù)權利要求5至8之一所述的方法，其特征在于，所述隔離件的間歇式開啟是循環(huán)地進行的，其中，一個循環(huán)周期包括一個關閉階段和一個開啟階段，并且具有恒定的時長。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，所述間歇式開啟以固定不變的同一周期來執(zhí)行，從而使關閉階段和開啟階段在每一周期中所占的份額都是一樣的。
12.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，所述間歇式開啟以可變周期來執(zhí)行，從而使關閉階段和開啟階段所占的周期份額是變化的。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，根據(jù)溫差AT。。。lant來確定關閉階段與開啟階段所占的周期份額，所述溫差乃是實時的冷卻劑溫度T。。。lant與預先設定的標準值1 coolant，threshold 的差值。
14.根據(jù)權利要求5至13之一所述的方法，其特征在于，如果實時負荷Pme超過可預先設定的負荷P_thresh。ld,。。ld，則在熱機階段中開啟所述隔離件(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液冷式內(nèi)燃發(fā)動機(1)，該內(nèi)燃發(fā)動機具有至少一個汽缸蓋(2)；冷卻劑回路(3)；以及加熱回路(9)。此外，本發(fā)明還涉及一種用于運行此類內(nèi)燃發(fā)動機(1)的方法。本發(fā)明提供內(nèi)燃發(fā)動機(1)，其液體冷卻器被設計為既能對處于熱機階段的內(nèi)燃發(fā)動機(1)的熱平衡，又能對已被加熱的內(nèi)燃發(fā)動機(1)的熱平衡以有利的方式產(chǎn)生影響。
文檔編號F01P3/02GK102400768SQ20111020823
公開日2012年4月4日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權日2010年7月23日
發(fā)明者B·平恩, B·舒馬赫, J·梅林, K·霍恩博肯, M·托貝爾格特 申請人:福特環(huán)球技術公司