本發明涉及內燃機控制，具體涉及一種基于缸內溫度實時反饋的發動機壓燃-點燃模式切換主動冷卻系統及控制方法。
背景技術：
1、近年來，發動機壓燃技術憑借其高燃油經濟性和低排放的優勢，成為發動機技術發展的重要方向。然而，無論是在壓燃與點燃模式切換過程，還是在固定燃燒模式下，發動機熱管理都面臨嚴峻挑戰。
2、當發動機在壓燃(ci)與點燃(si)模式間切換時，缸內燃燒方式的改變會導致熱負荷發生驟變，這種劇烈的溫度波動極易引發爆震現象，造成發動機部件的異常磨損，同時還會致使燃燒過程不穩定，嚴重影響發動機的動力輸出和使用壽命。在固定燃燒模式下，隨著發動機負荷的變化，缸套、缸蓋和活塞等不同部位的溫度變化速率存在差異，傳統冷卻系統采用固定流量或基于發動機整體溫度的粗放式冷卻策略，響應速度相對滯后，無法針對模式切換瞬態或不同負荷工況下產生的高溫區域進行精準的冷卻調控。當缸內熱負荷突變時，傳統冷卻系統無法及時調整冷卻強度，導致局部過熱問題無法得到有效解決，進一步加劇了爆震、磨損等風險。
3、現有的部分技術方案嘗試對冷卻系統進行改進。us20180209305a1提出通過電動水泵調節冷卻液流量，意圖實現對發動機冷卻強度的控制。然而，該方案僅依賴預設程序或發動機整體參數來調節冷卻液流量，未結合缸內實時溫度反饋，更無法針對缸內不同區域的溫度梯度進行監測與分析，無法根據各區域的實際溫度變化進行針對性調節，難以滿足壓燃與點燃切換過程中對高溫區域精準冷卻的需求，也無法適應固定燃燒模式下不同負荷工況的冷卻要求。現需一套完整的技術方案來解決發動機熱管理面臨的缸內燃燒方式改變致熱負荷驟變引發爆震、異常磨損、燃燒不穩定、以及定點火模式下傳統冷卻系統響應滯后、無法精準冷卻調控的問題。
技術實現思路
1、根據現有技術存在的問題，本發明提出了的一種基于缸內溫度實時反饋的主動冷卻系統及控制方法。所述主動冷卻系統可使發動機在定壓燃、定點燃和壓燃切換點燃三種燃燒模式下實現自適應冷卻調節。通過實時監測缸套、缸蓋和活塞等部位的溫度，通過計算溫度梯度的方法，能夠精準預測峰值溫度，根據溫升速率還可以有效預測峰值溫度出現的時刻。基于峰值預測溫度大小以及出現時刻，系統可實時確定冷卻模式并提前開啟。此外，定點燃點火模式高負荷工況下，本系統還能與點火系統聯動，根據實時溫度情況延遲點火，進一步優化發動機的燃燒過程和熱管理效果。本發明的實時監測、預測調控、分區調節和改變流動方向等技術，有效彌補了現有技術的不足，為提升發動機在全工況下的穩定性和可靠性提供了全新的解決方案。
2、一種基于缸內溫度實時反饋的主動冷卻系統，包括多缸發動機、控制模塊、傳感模塊、冷卻模塊和點火模塊；所述控制模塊分別與傳感模塊、冷卻模塊和點火模塊電連接；其中，所述傳感模塊作為輸入端向控制模塊實時輸入溫度信號，點火模塊和冷卻模塊作為輸出端執行來自控制模塊的指令；
3、其中，所述多缸發動機包括缸蓋、缸套和活塞；
4、所述傳感模塊包括缸蓋溫度傳感器、缸套溫度傳感器和活塞溫度傳感器；所述缸蓋內安裝有缸蓋溫度傳感器；缸套的缸壁上安裝有缸套溫度傳感器；活塞內嵌安裝有活塞溫度傳感器；
5、所述點火模塊包括火花塞，各火花塞分別安裝在發動機缸蓋上；
6、所述冷卻模塊包括通過管路連接的換熱器、缸蓋冷卻流道可逆水泵、缸套冷卻流道可逆水泵、活塞冷卻流道可逆水泵、缸蓋冷卻流道電控三通閥、缸套冷卻流道電控四通閥、活塞冷卻流道電控三通閥、缸蓋冷卻流路、缸套冷卻流路和活塞冷卻流路；所述缸蓋冷卻流路橫向流經各缸蓋，所述缸套冷卻流路橫向流經各缸套換熱壁面，所述活塞冷卻流路對稱橫向流經各活塞；而且所述缸蓋冷卻流路的兩端通過管路分別連通缸蓋冷卻流道電控三通閥和缸套冷卻流路；所述缸套冷卻流路的兩端通過管路分別連通缸套冷卻流道電控四通閥、缸蓋冷卻流路和活塞冷卻流路；所述活塞冷卻流路的兩端通過管路匯總后分別連通缸套冷卻流路和活塞冷卻流道電控三通閥。
7、所述控制模塊用于接收傳感模塊的溫度信號，并根據接收的溫度信號計算缸蓋、缸套和活塞的實時平均溫度，進而預測各部位的最高溫度，根據獲得的預測最高缸溫與預設的溫度臨界值比對，從而啟動相應的各種冷卻模式；或是根據平均溫度的差值判斷局部溫度，調整相應缸蓋/活塞處水泵的流量；所述冷卻模式包括一級冷卻模式、二級冷卻模式、三級冷卻模式；其中所述一級冷卻模式適于發動機處于定壓燃低負荷工況，所述二級冷卻模式適于發動機處于定壓燃高負荷工況，所述三級冷卻模式適用于發動機燃燒模式切換和定點燃模式工況。
8、進一步的，所述一級冷卻模式的流路包括：冷卻水經缸套冷卻流道電控四通閥、缸套冷卻流道可逆水泵后進入缸套冷卻流路，冷卻水從缸套一端進入，橫向流動后另一端流出，然后冷卻水分為兩路，一路經缸蓋冷卻流道、缸蓋冷卻流道電控三通閥后回到缸套冷卻流道電控四通閥；另一路經活塞冷卻流路進入各活塞，然后匯總至活塞冷卻流道電控三通閥后回到缸套冷卻流道電控四通閥，從而完成一次冷卻水循環；
9、所述二級冷卻模式的流路包括：冷卻水流經換熱器、缸套冷卻流道電控四通閥、缸套冷卻流道可逆水泵后進入缸套冷卻流路，冷卻水缸套一端進入，橫向流動后另一端流出，然后冷卻水分為兩路，一路經缸蓋冷卻流道、缸蓋冷卻流道電控三通閥、缸套冷卻流道電控四通閥后回到換熱器；另一路經活塞冷卻流路進入各活塞，然后匯總至活塞冷卻流道電控三通閥、缸套冷卻流道電控四通閥后回到換熱器，從而完成一次冷卻水循環；
10、所述三級冷卻模式的流路包括：冷卻水分兩路從換熱器流出，一路經缸蓋冷卻流道可逆水泵、缸蓋冷卻流道電控三通閥、缸蓋冷卻流路后進入缸套冷卻流路；另一路經活塞冷卻流道可逆水泵、活塞冷卻流道電控三通閥、活塞冷卻流路后進入缸套冷卻流路；兩路冷卻水流經缸套冷卻流路，經缸套冷卻流道可逆水泵和所述電控四通閥回到所述換熱器內，從而完成一次冷卻水循環。
11、進一步的，所述缸蓋冷卻流路包括依次連通的缸蓋右側冷卻水口、缸蓋冷卻空間和缸蓋左側冷卻水口，所述缸蓋左側冷卻水口和缸蓋右側冷卻水口分別位于缸蓋相對的側壁上，缸蓋冷卻空間為缸蓋內部的空隙；所述缸套冷卻流路包括依次連通的缸套左側冷卻水口、缸套冷卻空間、缸套右側上方冷卻水口、缸套右側下方冷卻水口；缸套右側上方冷卻水口、缸套右側下方冷卻水口和缸套左側冷卻水口分別位于所述缸套相對的側壁上，缸套冷卻空間為缸套內的空隙，用于使冷卻水流經缸套換熱壁面；所述活塞冷卻流路包括活塞冷卻水流道、活塞冷卻水第一支路和活塞冷卻水第二支路，所述活塞冷卻水流道為開設在各燃燒室的活塞內的流道；且在所述活塞冷卻水流道相對的位置分別設置有活塞冷卻水流道左側冷卻水口和活塞冷卻水流道右側冷卻水口；所述活塞冷卻水流道左側冷卻水口一端連通活塞冷卻水流道，另一端連通活塞冷卻水第二支路，所述活塞冷卻水第二支路匯總冷卻水后，所述活塞冷卻水第二支路的另一端連通活塞冷卻流道電控三通閥；所述活塞冷卻水流道右側冷卻水口一端連通活塞冷卻水流道，另一端連通活塞冷卻水第一支路，所述活塞冷卻水第一支路匯總冷卻水后，另一端連通缸套冷卻流路。
12、進一步的，所述缸蓋溫度傳感器、缸套溫度傳感器和活塞溫度傳感器為無源無線溫度傳感器。無源無線溫度傳感器作為輸入端與所述控制模塊無線電信號連接，所述冷卻模塊里的缸蓋冷卻流道可逆水泵、缸套冷卻流道可逆水泵、活塞冷卻流道可逆水泵、缸蓋冷卻流道電控三通閥、缸套冷卻流道電控四通閥、活塞冷卻流道電控三通閥作為控制模塊的輸出信號接入端。
13、進一步的，所述活塞內部設有機械加工的所述活塞冷卻水流道，所述活塞冷卻水流道表面加工處理成微肋表面，且肋片沿著流道呈螺旋狀，活塞下部對稱向流道開螺旋孔，分別通過管路連接活塞冷卻水第一支路和活塞冷卻水第二支路。各活塞的水路呈現并聯關系。活塞采用水冷方式，水的比熱容高于機油，在高熱負荷換熱時需要大量的循環冷卻工質，采用高比熱容的水冷方式可以有效減少水泵做功。
14、所述缸套一側開螺旋孔與缸套冷卻流道可逆水泵通過水管螺紋連接，另一側上下分別設有一個螺旋孔。所述缸蓋兩側都設有一個螺旋接孔，分別是缸蓋右側冷卻水口和缸蓋左側冷卻水口。
15、所述點火模塊包括多個火花塞和多個線圈，多個火花塞分別安裝在發動機缸蓋上。
16、一級冷卻模式采用低流量的小循環模式，一級小循環換熱強度不大，適用于發動機定壓燃點火模式下的中低負荷工況，即可以有效換熱，又可以避免換熱過強，發動機失火。此時所述換熱器不參與工作，冷卻水從缸套冷卻流道電控四通閥流入缸套冷卻流道可逆水泵，缸套冷卻流道可逆水泵開啟正向模式。所述缸套冷卻流道可逆水泵將冷卻水輸送至缸套，冷卻水充滿缸套冷卻空間參與缸套換熱并通過缸套另一側的上下兩個螺旋孔流出。缸蓋冷卻流路內的冷卻水流動時參與發動機缸蓋換熱。所述缸蓋冷卻流道電控三通閥連接的缸蓋冷卻流道可逆水泵不參與換熱工作。冷卻水通過活塞冷卻水第一支路同步進入各活塞冷卻水流道，參與活塞換熱工作；在冷卻水完成活塞換熱工作后，通過另一組支路匯總于活塞冷卻水第二支路。
17、二級冷卻模式采用稍大流量的大循環冷卻模式，此時換熱器參與發動機換熱工作。冷卻水首先從所述換熱器出發，通過缸套冷卻流道電控四通閥進入缸套冷卻流道可逆水泵，此時缸套冷卻流道可逆水泵開啟正向模式，在可逆水泵的推動下冷卻水從換熱器被輸送至發動機缸套。二級冷卻較一級冷卻增加了換熱器，適用于發動機定壓燃模式下的中高負荷，有了換熱器的加入，發動機冷卻系統可以大大提高換熱效率。
18、三級冷卻模式采用大流量逆向大循環冷卻模式，在發動機熱負荷急劇增加時，發動機需要快速且高效率的換熱模式，此時發動機缸蓋和發動機活塞溫度急劇增加且溫度要遠高于發動機缸套的溫度，此時采用逆向循環，冷卻水優先冷卻高溫壁面。
19、冷卻水首先從換熱器流出分為兩部分，其中一部分進入缸蓋冷卻流路，另一部分進入活塞冷卻流路，兩路冷卻水匯入缸套冷卻流路，完成發動機缸蓋和發動機活塞換熱工作的兩部分冷卻水在所述發動機缸套內的冷卻空間進行匯合，共同參與發動機缸套的換熱工作。在完成后回至換熱器，升溫后的冷卻水在換熱器內流動參與換熱。三級冷卻具有大流量高效率的換熱特點，適用于發動機超稀薄壓燃模式切換至當量點燃模式工況，逆向循環冷卻可以有效瞬時降低局部熱負荷較高的區域，為發動機切換燃燒模式穩定且安全運行提供了保障。
20、本發明的第二個方面在于公開一種基于缸內溫度實時反饋的主動冷卻系統的控制方法，包括：
21、步驟一：設置四個溫度臨界值，包括定壓燃模式下低負荷臨界值a、中負荷臨界值b和高負荷切換至點火模式臨界值c和定點燃模式下高負荷臨界值d；其中a>b>c>d；
22、缸蓋溫度傳感器、缸套溫度傳感器和活塞溫度傳感器實時傳送溫度信號；并根據接收的溫度信號計算缸蓋、缸套和活塞的實時平均溫度；
23、步驟二：利用步驟一獲得的實時平均溫度計算缸蓋、缸套和活塞的實時溫度梯度預測局部最高溫度，預測平均缸內最高溫度，并預測間隔最后一次輸入瞬時局部溫度后缸內平均最高溫度為t，即為預測最高缸溫；
24、步驟三：比較預測最高缸溫t與預設的四個臨界值：
25、當t<a時，在預測最高缸溫出現的時刻前25ms開啟一級冷卻模式，調整缸套冷卻流道電控四通閥、缸蓋冷卻流道電控三通閥、活塞冷卻流道電控三通閥的流量，冷卻30％流量；否則，繼續下一步判斷；
26、當a≤t<b時，在預測最高缸溫出現的時刻前25ms開啟一級冷卻模式，調整缸套冷卻流道電控四通閥、缸蓋冷卻流道電控三通閥、活塞冷卻流道電控三通閥的流量，冷卻60％流量；否則，繼續下一步判斷；
27、當b≤t<c時，在預測最高缸溫出現的時刻前25ms開啟二級冷卻模式，調整缸套冷卻流道電控四通閥、缸蓋冷卻流道電控三通閥、活塞冷卻流道電控三通閥的流量，冷卻60％流量；否則，繼續下一步判斷；
28、當c≤t<d時，在預測最高缸溫出現的時刻前25ms開啟三級冷卻模式，調整缸套冷卻流道電控四通閥、缸蓋冷卻流道電控三通閥、活塞冷卻流道電控三通閥的流量，冷卻60％流量；否則，繼續下一步判斷；
29、當d≤t時，在預測最高缸溫出現的時刻前25ms開啟三級冷卻模式，調整缸套冷卻流道電控四通閥、缸蓋冷卻流道電控三通閥、活塞冷卻流道電控三通閥的流量，冷卻80％流量，并向點火模塊輸入延遲點火信號。
30、本發明的第三個方面在于公開一種基于缸內溫度實時反饋的主動冷卻系統的控制方法，所述控制模塊根據局部熱負荷偏差進行針對性調節，具體步驟如下：
31、步驟一：缸蓋溫度傳感器、缸套溫度傳感器和活塞溫度傳感器向控制模塊輸入實時溫度信號，根據接收的溫度信號計算缸蓋、缸套和活塞的局部瞬時平均溫度，進而獲得局部瞬時溫度差δt12i和δt23i；其中δt12i表示瞬時缸蓋平均溫度與瞬時缸套平均溫度t2i的差值，δt23i表示瞬時活塞平均溫度與瞬時缸套平均溫度的差值；預設兩個局部瞬時溫差區間(m，n)和(p，q)，其中δt12i對應溫度區間(m，n),δt23i對應溫度區間(p，q)；
32、步驟二：判斷差值所在區間，相對應調節局部冷卻水流量：
33、當δt12i≥n時，說明所述缸蓋溫度過高，調節缸蓋冷卻流道可逆水泵的流量，使缸蓋冷卻水流路的冷卻水增加10％流量；
34、當δt12i≤m時，說明所述缸蓋溫度不高，調節缸蓋冷卻流道可逆水泵的流量，使缸蓋冷卻水流路的冷卻水減少10％流量；
35、當δt23i≥q時，說明活塞溫度過高，調節活塞冷卻流道可逆水泵的流量，使所述活塞冷卻流路的冷卻水增加10％流量；
36、當δt23i≤p時，說明活塞溫度不高，調節活塞冷卻流道可逆水泵的流量，使所述活塞冷卻流路的冷卻水減少10％流量。
37、本發明的有益效果在于：
38、可以根據發動機的實時溫度反饋進行冷卻模式的瞬態切換，三級冷卻模式可以有效與發動機不同點火模式不同工況下的冷卻需求相耦合。
39、能夠基于實時溫度監控，有效預測最高缸內溫度，提前開啟相對應的冷卻策略，可以實現發動機冷卻系統高靈敏度的即時調控。
40、能夠基于發動機的實時局部熱負荷偏差進行局部冷卻水流量的相應調節，可以有解決缸內熱負荷不均勻的問題，為發動機可以高效且安全地運轉提供可靠保障。