CN101624928B - 基于物理学的油温模型 - Google Patents

Abstract

基于物理学的油温模型：一种系统，包括输入和热数据处理模块。该输入在发动机启动时接收发动机油的第一油温。该热数据处理模块估算自发动机的活塞到发动机油的第一热传递。该热数据处理模块估算自发动机油到发动机的发动机机体的第二热传递。该热数据处理模块基于第一油温、第一热传递和第二热传递确定发动机油的第二油温。

Description

基于物理学的油温模型

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年11月5日提交的第60/985,527号美国临时申请的优先权，在此以参见的方式引入上述申请的公开内容。

技术领域

本发明涉及内燃机，更具体地，涉及利用基于物理学的模型来估算内燃机的油温。

背景技术

本文所提供的背景技术的目的是总体描述本发明的背景。以此背景技术部分描述的内容为限的本申请发明人的工作，以及背景技术部分描述的在提交本申请时可能不以其他方式构成现有技术的方面，都不能明确地或暗示地被认可为对本发明不利的现有技术。

现参考图1，示出了内燃机的示例性汽缸的横断面视图。曲轴10绕主轴承12旋转。曲轴10与连杆14连接，该连杆将曲轴10的旋转运动转换成活塞16的直线运动。活塞16包括裙部18、一个或多个环20和顶部22。活塞16在发动机机体30内运动。

发动机机体30包括用于发动机冷却剂(此后称冷却剂)的流体通道32。冷却剂在通道32内循环流动并吸收热量。然后，冷却剂循环通过散热器40。冷却剂将热量释放给流过散热器40的空气。曲轴10可浸入容纳在油盘52内的油浴(或油)50内。油50可循环通过油冷却器54。油冷却器54包括自身的散热器，以将热量释放到大气中。可备选地是，油冷却器54可与冷却剂交换热量。在产品开发期间，油50的温度可通过温度传感器(未示出)测量，其可能是可获得的或可能是不可获得的。发明内容

一种系统，包括输入和热数据处理模块。当发动机启动时，该输入接收发动机油的第一油温。该热数据处理模块估算自发动机活塞到发动机油的第一热传递。该热数据处理模块估算自发动机油到发动机的发动机机体的第二热传递。该热数据处理模块基于第一油温和第一热传递和第二热传递确定发动机油的第二油温。

热数据处理模块基于发动机的几何形状估算第一热传递和第二热传递。热数据处理模块使用基于发动机的导热率和传热面积产生的热导值(conductance values)估算第一热传递和第二热传递。

热数据处理模块基于发动机油的粘度和油盘的上部和下部的发动机油的温度之差中的至少一个来估算发动机的油盘中发动机油的循环速率。热数据处理模块基于该速率估算第一热传递和第二热传递。

一种方法，包括：当发动机启动时，接收发动机油的第一油温；估算自发动机活塞到发动机油的第一热传递；估算自发动机油到发动机的发动机机体的第二热传递。该方法进一步包括基于第一油温、第一热传递和第二热传递确定发动机油的第二油温。

该方法进一步包括基于发动机的几何形状估算第一热传递和第二热传递。该方法进一步包括基于发动机的导热率和传热面积产生热导值，并使用这些热导值估算第一热传递和第二热传递。

该方法进一步包括基于所述发动机油的粘度和所述发动机油在所述油盘的上部和下部的温度差中的至少一个来确定所述发动机的油盘中的所述发动机油的循环速率。该方法进一步包括基于所述速率估算所述第一热传递和第二热传递。

一种系统，包括油温模块和热数据处理模块。当发动机启动时，基于发动机的冷却剂的冷却剂温度，油温模块确定发动机油的第一油温。热数据处理模块估算自发动机活塞到发动机油的第一热传递。热数据处理模块估算自发动机油到发动机的发动机机体的第二热传递。热数据处理模块基于第一油温和第一热传递以及第二热传递确定发动机油的第二油温。

油温模块基于在冷却剂温度的基础上所产生的传热系数来确定第一油温。油温模块基于在发动机的油盘周围的气流的基础上所产生的传热系数来确定第一油温。油温模块基于发动机机体和发动机的油盘的对流面积来确定第一油温。油温模块基于发动机的质量和比热来确定第一油温。

油温模块基于冷却剂温度、发动机机体温度和发动机油的温度中的至少一个衰减到环境温度的指数衰减来确定第一油温。自发动机关闭时的第一时间到发动机启动时的第二时间，该指数衰减发生。

该系统进一步包括油冷却器模块，该油冷却器模块估算由油冷却器中的油冷却剂自发动机油吸收的热量。热数据处理模块基于由油冷却剂自发动机油吸收的热量来确定第二油温。

该系统进一步包括转矩估算模块，该估算模块基于第二油温估算发动机的发动机转矩。

一种方法，包括当发动机启动时，基于发动机的冷却剂的冷却剂温度，确定发动机油的第一油温。该方法进一步包括估算自发动机活塞到发动机油的第一热传递和估算自发动机油到发动机的发动机机体的第二热传递。该方法进一步包括基于第一油温、第一热传递和第二热传递确定发动机油的第二油温。

该方法进一步包括基于冷却剂温度产生传热系数，并基于该传热系数确定第一油温。该方法进一步包括基于发动机的油盘周围的气流产生传热系数，并基于该传热系数确定第一油温。该方法进一步包括基于发动机机体和发动机的油盘的对流面积确定第一油温。该方法进一步包括基于发动机的质量和比热确定第一油温。

该方法进一步包括基于冷却剂温度、发动机机体温度和发动机油的温度中的至少一个衰减到环境温度的指数衰减确定第一油温。该方法进一步包括确定自发动机关闭时的第一时间到发动机启动时的第二时间的该指数衰减。

该方法进一步包括估算由油冷却器中的油冷却剂自发动机油吸收的热量，并基于由油冷却剂自发动机油吸收的热量来确定第二油温。

该方法进一步包括基于第二油温估算发动机的发动机转矩。

附图说明

通过具体实施方式和附图，更能全面地理解本发明，其中：

图1描述了内燃机的示例性汽缸的横断面视图；

图2为示例性内燃机的功能模块图；

图3描述了示例性汽缸内的热源和传热面积；

图4描述了根据本发明的用于发动机的热能建模的示例性温度估算点；

图5为运用根据本发明基于物理学的模型的示例性发动机控制模块的功能模块图；

图6为用于图5中发动机控制模块的油温确定模块的功能模块图；

图7为用于图6中油温确定模块的参数计算模块的功能模块图；

图8为用于图6中油温确定模块的热计算模块的功能模块图；

图9为根据本发明的在车辆启动时估算初始油温的示例性方法的流程图；

图10为用于图6中油温确定模块的油冷却器模块的功能模块图；

图11为用于图10中油冷却器模块的示例性冷却器效率模块的功能模块图；

图12为用于图10中油冷却器模块的示例性散热器模块的功能模块图；

图13为用于图10中油冷却器模块的示例性油流量模块的功能模块图；

图14为用于图11中冷却器效率模块的示例性C_min模块的功能模块图；

图15为用于图11中冷却器效率模块的示例性油因子模块的功能模块图；

图16为用于图11中冷却器效率模块的示例性冷却剂因子模块的功能模块图；

图17为用于图12中散热器模块的示例性冷却剂流量模块的功能模块图；以及

图18为用于图12中散热器模块的示例性散热器温度模块的功能模块图。具体实施方式

下面的描述实质上仅仅是示例性的，决不是用来限制本发明、本发明的应用或使用。为了清楚起见，在附图中使用的相同附图标记表示相似部件。如本文所使用的，措词“A、B和C中的至少一个”应解释为使用非排它逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，方法内的步骤可以在不改变本发明原理的情况下以不同的顺序执行。

如本文所使用的，术语模块指特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专有的或成组的)和存储器、组合逻辑电路和/或其它提供所描述功能的适宜部件。

对油温建模可免除使用油温传感器的费用。另外，如本文所公开的那样，对油温建模可提高油温模型的精度。传统的油温模型可能需要大量的标定，其在某些运行区域可能是不准确的，并可能需要重新开发以适应发动机参数的变化(例如汽缸尺寸或油浴面积)。例如，在标定期间，可能会以实验为基础创建回归模型。改变发动机尺寸或增加油冷却器就需要对回归模型进行再标定。

相反，如本文所公开的基于物理学的油温模型可使用发动机设计参数和物理学常数来估算油温。通过改变基于物理学的模型中的适当参数，而无需进行完全的再标定，就可将该基于物理学的模型应用于改动过的发动机。这可显著地减少标定工作量。另外，发动机参数可在设计时得到确定，这就允许基于物理学的模型在标定开始前准备好或差不多准备好。另外，基于物理学的模型可提高油温模型的精度。

在详细讨论之前，对附图作一简单描述。图2示出了可使用基于物理学的模型的发动机的功能模块图。图3图示了典型汽缸内的热源和传热面积。图4图示了用于对发动机的热能进行建模的示例性温度估算点。图5示出了在发动机控制模块中实现的基于物理学的模型的示例。图6、图7和图8描述了用于估算油温的示例性模块。图6为总览。图7计算了用于基于物理学的模型的参数。图8使用了这些参数以确定不同发动机模式中的温度。图9示出了用于在车辆启动时估算油温的示例性方法。图10到图18描述了用于油冷却器的基于物理学的模型的示例性实施例，油冷却器可与基于物理学的油温模型集成。

现在参考图2，示出了发动机系统100的功能模块图。发动机系统100包括发动机102，发动机102基于驾驶员输入模块104燃烧空气/燃料混合物以产生用于车辆的驱动转矩。空气通过节流阀112被吸入进气歧管110。发动机控制模块(ECM)114控制节流阀致动器模块116以调节节流阀112的开放度，从而控制吸入进气歧管110的空气量。

从进气歧管110来的空气被吸入发动机102的汽缸。尽管发动机102可包括多个汽缸，但为了说明的目的，仅示出了单个典型的汽缸118。仅作为实例，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10、12和/或16个汽缸。ECM114可指示汽缸致动器模块120有选择地使一些汽缸停缸，从而提高燃料经济性。

空气通过进气阀122自进气歧管110被吸入典型的汽缸118。ECM114控制燃料喷射系统124所喷射的燃料量。燃料喷射系统124可将燃料喷射到进气歧管110的中心位置，或者将燃料喷射到进气歧管110的多个位置，例如靠近每个汽缸的进气阀。可备选地是，燃料喷射系统124可将燃料直接喷射到汽缸。

所喷射的燃料与空气混合并在汽缸118内产生空气/燃料混合物。汽缸118内的活塞(未示出)压缩该空气/燃料混合物。基于从ECM114接收的信号，火花致动器模块126对汽缸118内的火花塞128通电，使其点燃空气/燃料混合物。点火时机可相对于活塞位置处于被叫作上死点(TDC)的最上端的位置时的时间来具体指定。TDC是空气/燃料混合物被最大程度压缩的那个点。

空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞住下运动，从而驱动旋转曲轴(未示出)。然后活塞开始向上运动，并通过排气阀130将燃烧的副产品排出。燃烧的副产品经排气系统134从车辆中排出。

进气阀122可由进气凸轮轴140控制，而排气阀130可由排气凸轮轴142控制。在一些实施例中，多个进气凸轮轴可控制每个汽缸的多个进气阀，和/或可以控制多列汽缸的进气阀。类似地，多个排气凸轮轴可以控制每个汽缸的多个排气阀，和/或可控制多列汽缸的排气阀。汽缸致动器模块120可通过停止燃料和火花的供应使汽缸停缸。备选地或者另外地，汽缸致动器模块120可通过使汽缸的排气阀和/或进气阀不工作而使汽缸停缸。

进气阀122的开启时间可由进气凸轮相位器148相对于活塞TDC而改变。排气阀130的开启时间可由排气凸轮相位器150相对于活塞TDC而改变。相位致动器模块158基于自ECM114接收的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。

发动机系统100可包括为进气歧管110提供增压空气的增压装置。例如，图2描述了涡轮增压器160。涡轮增压器160由流经排气系统134的废气来提供动力并为进气歧管110提供压缩的增压空气充量。用来产生压缩的增压空气充量的空气可取自进气歧管110。

废气门164可允许废气绕过涡轮增压器160，从而减少涡轮增压器的输出(或压力)。ECM114通过增压致动器模块162控制涡轮增压器160。增压致动器模块162可通过控制废气门164的位置来调节涡轮增压器160的压力。压缩的空气充量通过涡轮增压器160提供给进气歧管110。中间冷却器(未示出)可耗散压缩的空气充量的部分热量。当空气被压缩时，可产生热量，并在接近排气系统134时得到增加。可替代的发动机系统可包括增压器，该增压器为进气歧管110提供压缩空气，并且由曲轴驱动。

发动机系统100可包括多个阀和传感器。例如，发动机系统100可包括有选择地将废气重新引入到进气歧管110的废气再循环(EGR)阀170。发动机系统100可用RPM传感器180测量以转每分钟(RPM)表示的曲轴速度。冷却剂的温度可用冷却剂温度(ECT)传感器182来测量。ECT传感器182可位于发动机102内或者在有冷却剂循环的其它位置，例如在散热器(未示出)中。

进气歧管110内的压力可用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量。在一些实施例中，发动机的真空度也可测量，此处发动机的真空度是大气压和进气歧管110内的压力之间的差。流入进气歧管110的空气质量可用空气质量流量(MAF)传感器186来测量。

节流阀致动器模块116可使用一个或多个节流阀位置传感器(TPS)190来监控节流阀112的位置。吸入发动机系统100的空气的环境温度可用进气温度(IAT)传感器192来测量。ECM114可使用从各传感器接收的信号来控制发动机系统100。

ECM114可与变速器控制模块194通信以协调变速器(未示出)中的换挡。例如，ECM114可在换挡时减少转矩。ECM114可与混合动力控制模块196通信以协调发动机102和电动机198的运转。电动机198也可作为发电机使用，并可用来产生电能以供车辆的电力系统使用。电能可存储在电池(未示出)中。在一些实施例中，可将ECM114、变速器控制模块194和混合动力控制模块196集成为一个或多个模块。

一般地，每个改变发动机参数的系统都可被称作致动器。例如，节流阀致动器模块116可改变叶片的位置，因此即改变了节流阀112的开口面积。因此节流阀致动器模块116可称为节流阀致动器，并且节流阀开口面积也可称为节流阀致动器位置。

类似地，火花致动器模块126可称作火花致动器，并且火花致动器位置可包括火花提前量和/或火花延迟量。其它致动器包括增压致动器模块162、EGR阀170、相位致动器模块158、燃料喷射系统124和汽缸致动器模块120。关于这些致动器的术语“致动器位置”可分别对应于增压、EGR阀开口度、进气和排气凸轮相位器角、空气/燃料比和激活的汽缸数目。

现在参考图3，示出了典型汽缸内热的产生和热的传递。热以多种方式产生。例如，在燃烧室里燃烧内部燃料混合物产生热。燃烧温度可以是空气/燃料比、点火时机、歧管绝对压力和/或发动机速度的函数。燃烧所产生的热传递给周围的内部构件。

热也可以通过摩擦产生(称作摩擦热)。例如，活塞与活塞衬套之间的摩擦产生摩擦热。其它摩擦热源包括油泵、主轴承和凸轮轴。

可以基于发动机RPM和阀门个数估算热的产生。活塞产生的热可与发动机的内径和冲程相关。热在发动机构件和油之间传递。热也在发动机构件之间传递，包括在发动机机体和循环的冷却剂之间传递。此外，热可通过可选的油冷却器从油中带走。热也可以与车速相关的速率从油盘52耗散掉。热也可以与油的粘度相关的速率在油盘52中的油浴50中循环。

现在参考图4，其示出了可在基于物理学的油模型中计算出其温度的示例性节点。节点1表示燃烧产生的热所引起的温度。从节点1到节点2和节点8的虚线分别表示从燃烧气体到活塞顶和活塞衬套的热传递。热传递可通过气体的传热系数(HTC_GAS)来描述。

节点3表示在活塞环处的温度。节点4表示在活塞裙处的温度。节点8、节点9和节点15表示在发动机机体不同点处的温度。节点15在方框而不是在圆圈中示出，这表示节点15与热容相关。类似地，节点U和节点L与热容相关。节点U和节点L分别表示油底壳的上面部分和下面部分。

节点10和节点11表示在发动机冷却通道中不同点处的温度。节点U和节点2、4、9和15之间的热传递可通过油的传热系数(HTC_OIL)来描述。节点11和机罩下面之间的热传递也被示出了，所述机罩下面包括发动机罩下面的空气以及沿车辆的车身底板流动的空气。也示出了在可选的油冷却器和油底壳里的油之间的热传递。

燃烧气体和发动机构件之间的传热系数可从进气气流速率中导出。该热传递所涉及的节点为活塞顶(节点2)和活塞衬套(节点8)。可用来估算传热系数的方程为：htc_GAS＝C₁·(充量)³+C₂·(充量)²+C₃·(充量)+C₄充量＝(空气流量+燃料流量)/汽缸数(千克/秒)

节点1与节点2和节点8之间的热导值可通过以适当的传热面积乘以传热系数得到。面积可按如下方式计算，其中L₁是从活塞顶到第一活塞环的距离：

溅油(节点U)和发动机(节点2、4、9和15)之间的传热系数可基于发动机RPM按如下方式估算：htc_OIL＝220(RPM/5000)²·OilMF其中参量“OilMF”是标定变量，其初始值可设为1.0。如果模型总是预测低油温，则可以提高参量“OilMF”。

溅油和发动机各个零件之间的传热面积按如下方式确定：

A₀₁₂＝π(内径-2·活塞厚度)(活塞高度-活塞顶厚度)A₀₁₃＝π·内径·(T2-T1)A₀₂₁＝(机体高度-衬套长度)(2·机体长度+2·机体宽度)/汽缸数目其中，T2＝衬套长度-冲程-TRPos-头间隙T1＝活塞高度-活塞厚度-冲程/2TRPos＝从活塞顶到第一活塞环顶部的距离

在发动机构件之间的热传递(例如，通过传导)可使用从发动机的几何形状估算出的热导来建模。基于金属的导热率和用于传热的面积可计算出热导值。用于传热的面积可由如下方式确定：

EL59＝活塞高度-TRPos-冲程/2.0其中，术语“TRPos”是从活塞顶到第一活塞环顶部的距离。

该模型可使用四个摩擦热产生项来评估在活塞裙、主轴承、油泵和凸轮轴处的摩擦。在这些位置所产生的摩擦热可按如下方式计算：Q_主轴承＝(0.0000217*RPM²-0.00674*RPM)*VCFQ_凸轮轴＝(0.109*RPM-63)*VCF*(n_iv+n_ev)/4Q_油泵＝(0.0694*RPM-57.5)*VCFQ_活塞裙＝(0.0000263*RPM²+0.0366*RPM)*VCF*内径*冲程¹⁵/0.00228VCF＝-0.000000917*T³+0.000314*T²-0.0416*T+2.88其中术语“VCF”是粘度校正因子，其用来解释摩擦热的产生随油的粘度发生的变化。上述估算是针对单个汽缸的，可乘以汽缸数目以得到总的摩擦热。

油盘52下面的气流从油中带走一些热量。通过油盘52散发的热量可基于车身底板的空气温度和车身底板的传热系数。流过油盘52上方的空气可以是通过缓冲器下方的车身底板的空气和流过散热器的空气的混合物。从散热器来的空气被冷却剂释放的热量加热。

当车辆正在暖机且恒温器关闭时，散热器的热传递几乎为零，因此散热器排出的空气接近环境温度。当恒温器打开且散热器开始排放发动机热量时，从散热器出来的空气相当暖和。因此，在达到恒温器开启温度之前，车身底板的空气温度可大约等于环境温度。

一旦达到恒温器开启温度，车身底板的空气温度用下述方程式估算：作为起始点值，常量C₁的值可选为0.275、常量C₂的值可选为0.0，尽管C₂未必一定为0。

车身底板的热传递的热导可以用如下方程进行建模：G_UH＝C₃·A_PAN·车辆速度+C₄·A_PAN常量C₃和C₄可与油盘表面积成一定比例。仅作为例子，C₃*A_PAN可等于0.098，C₄*A_PAN可等于14.91。对C₃和C₄的选择可强烈地影响油温模型的性能。

在图4中以圆圈示出的节点与热容不相关，并且它们的温度可通过简单的方程确定。这些方程的示例包括： $T_2=\frac{G_1{T}_1+G_5{T}_3+G_{007}{T}_O}{G_1+G_5+G_{007}}$ $T_3=\frac{G_5{T}_2+G_9{T}_5+G_8{T}_4}{G_5+G_9+G_8}$ $T_4=\frac{G_8{T}_3+G_{10}{T}_5+G_{012}{T}_{\mathrm{OU}}+G_{59}{T}_9}{G_8+G_{10}+G_{012}+G_{59}}$

$T_8=\frac{G_4{T}_1+G_{11}{T}_5+G_{017}{T}_C}{G_4+G_{11}+G_{017}}$ $T_9=\frac{G_{59}{T}_4+G_{013}{T}_{\mathrm{OU}}}{G_{59}+G_{013}}$

热导值可通过导热率乘以适当的面积来获得。例如，节点5的热导G₅可通过活塞导热率乘以面积A₅来获得。来自气体和油的热传递的导热率可通过以下方程给出：G₁＝htc_GAS·A₁G₄＝htc_GAS·A₄G₀₀₇＝1.5·htc_OIL·A₇G₀₁₂＝1.5·htc_OIL·A₁₂G₀₁₃＝1.5·htc_OIL·A₁₃G₀₂₁＝4.0·htc_OIL·A₂₁其中htc_GAS是从燃烧气体到活塞衬套的热传递的传热系数，htc_OIL为从溅油来的热传递的传热系数。

以方框示出的三个节点，节点U和L及发动机机体节点15与相当大的热容相关。这些节点的能量平衡通过下列微分方程表示。这些微分方程分别针对油底壳的上部分、油底壳的下部分和发动机机体。 $\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{OU}}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{\left({\mathrm{mC}}_p\right)}_{\mathrm{OU}}}\left[\begin{array}{c}{G}_{007}(T_2-T_{\mathrm{OU}})+G_{012}(T_4-T_{\mathrm{OU}})+\\ G_{013}(T_9-T_{\mathrm{OU}})+G_{021}(T_{15}-T_{\mathrm{OU}})+{\stackrel{\·}{m}}_c{C}_{\mathrm{PO}}(T_{\mathrm{OL}}-T_{\mathrm{OU}})+Q_{\mathrm{TOTAL}}\end{array}\right]$ Q_TOTAL＝N_汽缸(Q_凸轮轴+Q_主轴承+Q_油泵)-Q_冷却器 $\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{OU}}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{\left({\mathrm{mC}}_p\right)}_{\mathrm{OL}}}[{\stackrel{\·}{m}}_c{C}_{\mathrm{PO}}(T_{\mathrm{OU}}-T_{\mathrm{OL}})+G_{\mathrm{UH}}(T_{\mathrm{UH}}-T_{\mathrm{OL}})]$

其中，参量(mC_P)_OU和(mC_P)_OL表示油盘上部分和下部分的热容，并且每个应等于发动机中油的热容的一半。参量(mC_P)_机体是机体的热容。参量

为油盘的下部分和上部分之间的油的混合水平的估算，并为用千克/秒来度量的流速。

用来计算该流速的公式如下： ${\stackrel{\·}{m}}_c{C}_{\mathrm{PO}}={\mathrm{MF}}_{\mathrm{OF}}(0.00000191\·T_{\mathrm{OU}}^4+0.000311\·T_{\mathrm{OU}}^3+0.0202\·T_{\mathrm{OU}}^3+0.633\·T_{\mathrm{OU}}+8.23)$ 其中，因子MF_OF是油流量乘数因子。当环境温度寒冷时，因子MF_OF可为1.0。可减少因子MF_OF直到获得满意的结果。一旦发动机暖机，就可减少因子MF_OF，此时油泵上部分和下部分之间的温差可以忽略不计。因子MF_OF的选择强烈地影响基于物理学的模型的性能。

可基于对油盘下方环境温度的测试数据来调节常量C₁和C₂。可基于油底壳上部分和下部分的温差来调节常量MF_OF。如果温差变高，可减少常量MF_OF。常量MF_OF可在0.01到1.0的范围内。在选择因子MF_OF和常量C₁和C₂后，可调节常量C₃和C₄以匹配测量出的油温。

为了标定车辆，车辆可以冷起动并且在-7℃的环境温度下加速到65mph。在加速期间可将数据记录下来。可分别在25mph、45mph和85mph的稳态速度下记录温度数据。然后可在43℃下重复试验。当发动机用在多个应用中时，仅需对一个应用执行-7℃下的试验。43℃下的试验可为每个应用执行。通过改变常量C₁和C₂可使多个应用适应。

现在参考图5，示出了发动机控制模块114的示例性实施例的功能模块图。发动机控制模块114包括油温模块202。油温模块202包括油温确定模块204和估算有效性确定模块206。油温确定模块204基于众多参数输出油温。所述参数包括发动机中汽缸的数目、当量比(空气/燃料的化学计量比)、感应温度、车辆速度、发动机RPM、发动机空气流量、冷却剂温度、供燃料汽缸的数目、停机时的冷却剂温度、停机时的油温，以及环境温度。另外，基于油温或停机是否有效和环境温度是否有效，油温确定模块204输出油温。

由矫正措施模块220及转矩控制和估算模块230来接收油温。估算有效性确定模块206基于许多因素输出指示油温是否有效的信号。这些因素包括环境温度是否有效、车辆速度的可靠性、空气质量流量传感器的可靠性、歧管绝对压力(MAP)传感器的可靠性、发动机冷却剂温度(ECT)传感器的可靠性、进气温度(IAT)传感器的可靠性和IAT传感器电路的可靠性。

基于油温和油温是否有效，矫正措施模块220确定油温是否在可接受范围内。如果油温超过阈值，矫正措施模块220可减少发动机转矩、可点亮警告指示器、可设置错误代码、和/或可执行其它合适的矫正措施。转矩控制和估算模块230可用油温来估算发动机产生的当前转矩量，以及来确定期望的致动器位置以达到期望的转矩。致动器位置，例如节流阀面积，可随油温的变化而变化。另外，建立在发动机中的转矩储备可依赖油温，发动机中火花自标定值延迟以考虑转矩的快速增加。

现在参考图6，示出了油温确定模块204的示例性实施例的功能模块图。油温确定模块204包括输入转化模块250、参数计算模块252、油冷却器模块254、热计算模块256和输出模块258。

输入转化模块250将输入值的单位转化为用于基于物理学的油温模型的合适单位。输入转化模块250也可缓存和/或过滤不同的输入。输入转化模块250将发动机的汽缸数目、当量比、车辆速度、环境温度、发动机RPM和发动机空气流量输出到参数计算模块252。输入转化模块250也将冷却剂温度、供燃料的汽缸数目、停机时的冷却剂温度和停机时的油温是否有效输出到热计算模块256。

参数计算模块252确定传热系数和摩擦热导值。所述传热系数包括燃烧气体和活塞之间、燃烧气体和活塞衬套之间、油和机体之间、油和活塞顶之间、油和活塞壁之间、油和活塞衬套之间以及油盘和发动机罩下的空气之间的传热系数。所述摩擦热导值包括输出到热计算模块256的主轴承、活塞裙、凸轮以及油泵的摩擦热导值。参数计算模块252将传热系数和摩擦热导值输出到热计算模块256。另外，参数计算模块252将发动机罩下的温度、气体温度和油盘中油的流量值输出到热计算模块256。

热计算模块256从输入转化模块250接收汽缸的数目。当具有油冷却器时，热计算模块256从油冷却器模块254接收油冷却器热导值。热计算模块256将油底壳上部温度和油底壳下部温度输出到输出模块258。热计算模块256也将油底壳上部温度输出到参数计算模块252。输出模块258基于油底壳上部温度和下部温度输出单一的油温。输出模块258基于输出标定进行这种组合。

在一些实施例中，输出标定可指示输出模块258选择油底壳上部温度作为整个油温以供输出。这就可以提供对油温更为保守(更高)的估算以保护发动机构件，例如凸轮轴。在一些实施例中，输出标定可设在0和1之间，这时油温输出是油底壳下部温度和下部温度的混合。

现在参考图7，示出了参数计算模块252的示例性实施例的功能模块图。参数计算模块252包括热传递和油粘度计算模块302。热传递和油粘度计算模块302确定燃烧气体和油的传热系数。另外，热传递和油粘度计算模块302输出油粘度因子和油盘油流量。热传递和油粘度计算模块302基于汽缸数目、当量比、油底壳上部温度、发动机空气流量和发动机RPM来确定这些值。

油溅/发动机机体热传递模块304和摩擦计算模块306接收油粘度因子。面积计算模块308接收汽缸数目并输出燃烧气体和活塞之间、气体和活塞衬套之间、油和机体之间、油和活塞顶之间、油和活塞壁之间以及油和衬套之间各自的传导面积。油溅/发动机机体热传递模块304接收这些面积并输出传热系数。

摩擦计算模块306接收发动机RPM和油粘度因子。摩擦计算模块306输出主轴承、活塞裙、通过的凸轮(through cam)以及油泵的摩擦热导值。发动机罩下面确定模块310接收发动机RPM、车辆速度和环境温度。发动机罩下面确定模块310产生发动机罩下面的温度和油盘和发动机罩下面的空气之间的传热系数。燃烧温度模块312产生燃烧气体温度。在一些实施例中，常量可提供足够的精度。所述常量可为1110℃。

现在参考图8，示出了热计算模块256的示例性实施例的功能模块图。热计算模块256包括初始化模块404。初始化模块404接收冷却剂温度、停机时的冷却剂温度、停机时的油温是否有效和环境温度。

更详细的描述参考图9，初始化模块404确定发动机机体、油底壳上部、油底壳下部的初始温度和初始油温。发动机停机后，发动机机体的温度接近冷却剂温度。另外，冷却剂温度和油温接近环境温度。

发动机机体、油底壳上部和油底壳下部的初始化值分别被选择器模块410、412和414接收。选择器模块410、412和414选择最近接收到的输入。换句话说，启动之后，选择器模块410、412和414选择从初始化模块404接收的值。一旦选择器模块410、412和414接收计算出的或估算出的值，这些新接收的值将被输出。选择器模块410、412和414也能在初始化输入中接收零，这将温度重置到复位值，例如0℃。

图4中用方框标出的节点每个都有它自己的计算模块。与具有热容的节点相关的每个模块可包括求解该节点的微分方程的积分器。

发动机机体的温度由发动机机体模块420确定。油底壳下部的温度由油底壳下部模块422确定。油底壳上部的温度由油底壳上部模块424确定。

图4中以圆圈标出的节点由简单节点模块430确定。简单节点模块430可被分成两组，一组是针对激活的汽缸，另一组是针对停缸的汽缸。该划分可在提供主动燃料管理(AFM)的发动机中进行。在AFM中，当并不需要所有汽缸输出转矩时，部分或所有汽缸停缸以增加燃油经济性。停缸的汽缸不接收燃料，因而没有燃烧气体来产生热。对于被AFM停缸的汽缸，燃烧气体温度可设成冷却剂温度。

简单节点模块430接收油和活塞顶、油和活塞壁、油和衬套、气体和活塞以及气体和衬套之间的传热系数。简单节点模块430也接收冷却剂温度、燃烧气体温度和活塞裙的热导值。另外，简单节点模块430接收来自选择器模块412的油底壳上部温度和来自初始化模块404的初始油温。然后，简单节点模块430将六个节点温度值输出给油底壳上部模块424。

油底壳下部模块422接收油盘油流量值、发动机罩下温度、发动机罩下空气的传热系数、油底壳上部温度和初始化油温。基于这些值和油底壳下部温度的先前值，油底壳下部模块422将油底壳下部温度输出到选择器模块414。

油底壳上部模块424基于多个接收到的输入将油底壳上部温度输出到选择器模块412。所述输入包括油底壳下部温度的先前值、发动机机体温度、油底壳上部温度的先前值、初始化油温、供燃料的汽缸数目、汽缸数目、来自简单节点模块430的简单节点温度、油盘油流量值和从参数计算模块252接收的值。

从参数计算模块252接收的值包括油冷却器、主轴承、凸轮、油泵的热导值，以及油到活塞顶、油到活塞壁、油到衬套、以及油到机体的传热系数。寄存器440存储油底壳上部温度值并从热计算模块256输出油底壳上部温度。

现在参考图9，示出了在确定初始油温时执行的示例性步骤的流程图。这些步骤可由图8中的初始化模块404来执行。在描述该流程图之前，讨论用于估算初始温度的数学模型。

随着发动机的冷却，来自发动机机体的对流降低了冷却剂温度。来自油盘的对流降低了油温。来自油盘和发动机机体的对流可按如下确定：来自油盘的对流＝htc·A_油盘表面·(T_油盘-T_环境)来自机体的对流＝htc·A_机体表面·(T_机体-T_环境)

尽管可使用实际的测量值，发动机机体表面和油盘表面的对流面积可按如下确定：A_机体表面＝2·机体高度·(机体长度+机体宽度)A_油盘表面≈1.5·(机体长度·机体宽度)

当计算温度变化的时间常量时，可使用发动机的比热和质量。质量和比热的乘积可被定义为MC_p。例如，质量乘发动机机体的比热可按如下确定：MCP_机体＝MC_{P机体金属}+MC_{P机体冷却剂}MC_{P机体冷却剂}≈1.4·发动机排量·3660

发动机机体和油的温度变化可建模成衰减到环境温度的指数衰减。示例性温度方程和时间常量如下所示：T_机体＝T_{机体_钥匙关闭}-(T_{机体_钥匙关闭}-T_环境)·(1-exp(-距钥匙关闭的时间/τ_机体))

T_油＝T_{油_钥匙关闭}-(T_{油_钥匙关闭}-T_环境)·(1-exp(-距钥匙关闭的时间/τ_油))

其中htc是发动机罩下的传热系数。

冷却剂温度可用冷却剂传感器来测量。可相当精确地假定，发动机机体温度大约等于冷却剂的温度。发动机机体温度在最后一次钥匙关闭(keyoff)时保存，在最后一次钥匙关闭时发动机被关闭。

在知晓环境气温后，上述的T_机体方程可求解出唯一的未知值τ_机体。因而可从τ_机体、MC_p机体和A_机体决定传热系数htc。然后，获得的htc值可被用来确定τ_油。然后可评估出T_油的表达式，给出当前油温的近似值。

可对上面所确定的htc值进行限定以防止错误的计算。例如，htc的最大值和最小值可由下式确定：Maxhtc≈20W/m²-KMinhtc＝6W/m²-K

再参考图9，在步骤502控制开始，在此测量环境温度。控制继续到步骤504，在此测量冷却剂温度。可假定冷却剂温度和发动机机体的温度近似相等。控制继续到步骤506，在此控制确定测量的冷却剂温度和最后一次钥匙关闭时所测量的冷却剂温度之间的差。控制继续到步骤508，在此对传热系数htc进行求解。控制继续到步骤510，在此可将上限和下限应用到传热系数。控制继续到步骤512，在此基于计算出的传热系数、环境温度和先前的油温确定当前油温。

现在参考图10，示出了油冷却器模块254的示例性实施例的功能模块图。油冷却器模块254包括油流量模块602，油流量模块602接收发动机RPM并将油流量信号输出到冷却器效率模块604。油冷却器模块254也包括散热器模块606，散热器模块606接收发动机RPM、冷却剂温度、发动机空气流量和环境温度。散热器模块606将冷却剂流量信号和出口冷却剂温度输出到冷却器效率模块604。减法模块608从油温中减去出口冷却剂温度。乘法模块610将指示油冷却器是否存在的信号乘以来自冷却器效率模块604的冷却器效率和C_min值。乘法模块610也乘以减法模块608的输出。乘法模块610的输出是油冷却器的热导值。

现在参考图11，示出了冷却器效率模块604的示例性实施例的功能模块图。冷却器效率模块604包括C_min模块620、油因子模块622和冷却剂因子模块624。C_min模块620基于冷却剂流量信号和油流量信号输出C_min值。油因子模块622基于油流量值产生输出。冷却剂因子模块624基于环境温度和散热器出口冷却剂温度产生输出。乘法模块626将油因子模块622的输出乘以冷却剂因子模块624的输出。

现在参考图12，示出了散热器模块606的示例性实施例的功能模块图。散热器模块606包括冷却剂流量模块640和散热器温度模块642。冷却剂流量模块640基于发动机RPM和冷却剂温度产生冷却剂流量值。例如，冷却剂流量模块640可按如下方式产生冷却剂流量值：

散热器温度模块642基于冷却剂流量值、冷却剂温度、发动机空气流量和环境温度输出出口冷却剂温度。

现在参考图13，示出了油流量模块602的示例性实施例的功能模块图。油流量模块602包括第一除法模块660、第二除法模块662、第一乘法模块664和第二乘法模块666。油流量模块602也包括最小值模块668和最大值模块670。油流量模块602按如下方式产生油流量：

第一除法模块660将发动机RPM除以C₁。第二除法模块662将C₃除以C₄。第一乘法模块664将第一除法模块660的输出乘以C₂。最小值模块668输出C₂和第一乘法模块664的输出这两者中的较小值。第二乘法模块666将最小值模块668的输出乘以第二除法模块662的输出。最大值模块670输出第二乘法模块666的输出和常数例如0.0000001这两者中的较大值。

现在参考图14，示出了C_min模块620的示例性实施例的功能模块图。C_min模块620包括第一乘法模块680和第二乘法模块682。第一乘法模块680的输出和第二乘法模块682的输出这两者中的较小值由最小值模块684输出。第一乘法模块680将油流量值乘以油常量。第二乘法模块682将冷却剂流量乘以冷却剂常量。

现在参考图15，示出了油因子模块622的示例性实施例的功能模块图。油因子模块622包括第一乘法模块700、第二乘法模块702、第一加法模块704和第二加法模块706。第一乘法模块700输出油流量值和C₁的乘积。第一加法模块704输出C₂和第一乘法模块700的输出的和。第二乘法模块702输出油流量值和第一加法模块704的输出的乘积。第二加法模块706输出C₃和第二乘法模块702的输出的和。

现在参考图16，示出了冷却剂因子模块624的示例性实施例的功能模块图。冷却剂因子模块624包括第一减法模块720、第二减法模块722和第三减法模块724。第一减法模块720和第二减法模块722分别从恒温器打开时的温度减去环境温度和出口冷却剂温度。除法模块726将第一减法模块720的输出和第二减法模块722的输出相除。第三减法模块从1中减去除法模块726的输出。最小/最大模块728将0.0001的最小极限和1的最大极限应用到第三减法模块724的输出。

现在参考图17，示出了冷却剂流量模块640的示例性实施例的功能模块图。冷却剂流量模块640包括第一乘法模块740和第二乘法模块742。第一乘法模块740将发动机RPM乘以C₁。第一减法模块744从第一乘法模块740的输出中减去C₂。第二减法模块750和第三减法模块752分别从冷却剂温度减去恒温器完全关闭时的温度，和从恒温器完全打开时的温度减去恒温器完全关闭时的温度。除法模块748将第二减法模块750的输出除以第三减法模块752的输出。最小/最大模块746将0.000001的最小极限和1的最大极限应用到除法模块748的输出。第二乘法模块742输出第一减法模块744的输出和最小/最大模块746的输出的乘积。

现在参考图18，示出了散热器温度模块642的示例性实施例的功能模块图。散热器温度模块642包括第一乘法模块760和第二乘法模块762。第一乘法模块760输出发动机空气流量和C₁的乘积。第二乘法模块762输出冷却剂流量值和C₂的乘积。加法模块764输出第一乘法模块760的输出和C₃的和。除法模块766将加法模块764的输出除以第二乘法模块762的输出。减法模块768从冷却剂温度减去除法模块766的输出。最大值模块770输出环境温度和减法模块768的输出这两者中的较大值。

本领域的技术人员可从前面的描述理解到，本发明的广义教导可以用不同的形式实现。因而，尽管本发明包括特定的示例，但本发明的真实范围不应该限于此，因为对于那些研究过附图、说明书和随后的权利要求的所属技术领域的人员而言，本发明的其它变型是显而易见的。

Claims (40)

1.一种基于物理学的油温估算系统，包括：

输入，在发动机启动时接收发动机油的第一油温；以及

热数据处理模块，估算自所述发动机的活塞到所述发动机油的第一热传递，估算自所述发动机油到所述发动机的发动机机体的第二热传递，并且基于所述第一油温和所述第一热传递和所述第二热传递确定所述发动机油的第二油温。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于所述发动机的几何形状估算所述第一热传递和第二热传递。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块利用基于所述发动机的导热率和传热面积所产生的热导值来估算所述第一热传递和第二热传递。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于所述发动机油的粘度和所述发动机油在油盘的上部分和下部分的温度之差中的至少一个，来估算所述发动机的所述油盘内的发动机油的循环速率；以及基于所述速率估算所述第一热传递和第二热传递。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于燃烧气体和所述活塞的传热系数估算自所述燃烧气体到所述活塞的传热速率；以及基于所述传热速率估算所述第一热传递和第二热传递。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于所述发动机的发动机转速、内径和冲程估算因所述活塞的环和衬套之间的摩擦而产生的热；

基于所述发动机油、所述活塞和所述衬套的传热系数估算传递到所述发动机油的热；以及

基于所述传递的热估算所述第一热传递和第二热传递。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于所述发动机的发动机速度和阀门数目，估算由于在泵送所述发动机油的油泵处、在主轴承和所述发动机的曲轴的凸轮处的摩擦所产生的热；以及基于所述产生的热来估算所述第一热传递和第二热传递。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于发动机转速、进气气流速率、车速、所述发动机的冷却剂的冷却剂温度以及空气燃料比，估算所述第一热传递和第二热传递。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于所述发动机油的粘度、所述发动机油的传热系数和所述发动机机体的传热系数中的至少一个，估算自所述发动机油传递到所述发动机机体的热；以及基于所述传递的热估算所述第一热传递和第二热传递。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于所述发动机油的粘度、所述发动机油的传热系数和所述空气的传热系数中的至少一个，估算自所述发动机油传递到所述发动机的油盘周围的空气的热；以及基于所述传递的热估算所述第一热传递和第二热传递。

11.一种基于物理学的油温估算方法，包括：

当发动机启动时，接收发动机油的第一油温；

估算自所述发动机的活塞到所述发动机油的第一热传递；

估算自所述发动机油到所述发动机的发动机机体的第二热传递；以及

基于所述第一油温和所述第一热传递和第二热传递确定所述发动机油的第二油温。

12.如权利要求11所述的方法，还包括基于所述发动机的几何形状估算所述第一热传递和第二热传递。

13.如权利要求11所述的方法，还包括：

基于所述发动机的导热率和传热面积产生热导值；以及

利用所述热导值估算所述第一热传递和第二热传递。

14.如权利要求11所述的方法，还包括：

基于所述发动机油的粘度和所述发动机油在油盘的上部分和下部分的温度之差中的至少一个，确定所述发动机的所述油盘内的所述发动机油的循环速率；以及

基于所述速率估算所述第一热传递和第二热传递。

15.如权利要求11所述的方法，还包括：

基于燃烧气体和所述活塞的传热系数估算自所述燃烧气体到所述活塞的传热速率；以及

通过估算所述传热速率来估算所述第一热传递和第二热传递。

16.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

基于所述发动机的发动机转速、内径和冲程估算因所述活塞的环和衬套之间的摩擦而产生的热；

基于所述发动机油、所述活塞和所述衬套的传热系数估算自所述摩擦传递到所述发动机油的热传递；以及

通过估算所述产生的热和所述传递的热中的至少一个估算所述第一热传递和第二热传递。

17.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

基于所述发动机的发动机转速、内径和冲程，估算由于在泵送所述发动机油的油泵处、在主轴承和所述发动机的曲轴的凸轮处的摩擦所产生的热；以及

通过估算所述产生的热，估算所述第一热传递和第二热传递。

18.如权利要求11所述的方法，还包括基于发动机转速、进气气流速率、车速、所述发动机的冷却剂的冷却剂温度以及空气/燃料比，估算所述第一热传递和第二热传递。

19.如权利要求11所述的方法，还包括：

基于所述发动机油的粘度、所述发动机油的传热系数和所述发动机机体的传热系数中的至少一个，估算自所述发动机油传递到所述发动机机体的热；以及

基于所述传递的热估算所述第一热传递和第二热传递。

20.如权利要求11所述的方法，还包括：

基于所述发动机油的粘度、所述发动机油的传热系数和所述空气的传热系数中的至少一个，估算自所述发动机油传递到所述发动机的油盘周围的空气的热；以及

基于所述传递的热估算所述第一热传递和第二热传递。

21.一种基于物理学的油温估算系统，包括：

油温模块，当发动机启动时，基于所述发动机的冷却剂的冷却剂温度，确定发动机油的第一油温；以及

热数据处理模块，估算自所述发动机的活塞到所述发动机油的第一热传递，估算自所述发动机油到所述发动机的发动机机体的第二热传递，并且基于所述第一油温和所述第一热传递和第二热传递确定所述发动机油的第二油温。

22.如权利要求21所述的系统，其中，所述热数据处理模块基于所述发动机的几何形状估算所述第一热传递和第二热传递。

23.如权利要求21所述的系统，其中，所述油温模块基于以所述冷却剂温度为基础产生的传热系数，确定所述第一油温。

24.如权利要求21所述的系统，其中，所述油温模块基于以所述发动机的油盘周围的气流为基础产生的传热系数，确定所述第一油温。

25.如权利要求21所述的系统，其中，所述油温模块基于所述发动机的发动机机体和油盘的对流面积，确定所述第一油温。

26.如权利要求21所述的系统，其中，所述油温模块基于所述发动机的质量和比热，确定所述第一油温。

27.如权利要求21所述的系统，其中，所述油温模块基于所述冷却剂温度、所述发动机机体温度和所述发动机油的温度中的至少一个衰减到环境温度的指数衰减，确定所述第一油温。

28.如权利要求27所述的系统，其中，自所述发动机关闭时的第一时间到所述发动机启动时的第二时间，所述指数衰减发生。

29.如权利要求21所述的系统，还包括油冷却器模块，估算由油冷却器中的油冷却剂自所述发动机油吸收的热量，其中所述热数据处理模块基于由所述油冷却剂自所述发动机油吸收的所述热量，确定所述第二油温。

30.如权利要求21所述的系统，还包括转矩估算模块，其基于所述第二油温估算所述发动机的发动机转矩。

31.一种基于物理学的油温估算方法，包括：

当发动机启动时，基于所述发动机的冷却剂的冷却剂温度，确定发动机油的第一油温；

估算自所述发动机的活塞到所述发动机油的第一热传递；

估算自所述发动机油到所述发动机的发动机机体的第二热传递；以及

基于所述第一油温及所述第一热传递和第二热传递确定所述发动机油的第二油温。

32.如权利要求31所述的方法，还包括基于所述发动机的几何形状估算所述第一热传递和第二热传递。

33.如权利要求31所述的方法，还包括：

基于所述冷却剂温度产生传热系数；以及

基于所述传热系数确定所述第一油温。

34.如权利要求31所述的方法，还包括：

基于所述发动机的油盘周围的气流产生传热系数；以及

基于所述传热系数确定所述第一油温。

35.如权利要求31所述的方法，还包括基于所述发动机的发动机机体和油盘的对流面积确定所述第一油温。

36.如权利要求31所述的方法，还包括基于所述发动机的质量和比热确定所述第一油温。

37.如权利要求31所述的方法，还包括基于所述冷却剂温度、所述发动机机体的温度和所述发动机油的温度中的至少一个衰减到环境温度的指数衰减，确定所述第一油温。

38.如权利要求37所述的方法，还包括确定自所述发动机关闭时的第一时间到所述发动机启动时的第二时间的所述指数衰减。

39.如权利要求31所述的方法，还包括：

估算由油冷却器中的油冷却剂自所述发动机油吸收的热；以及

基于由所述油冷却剂自所述发动机油吸收的所述热量确定所述第二油温。

40.如权利要求31所述的方法，还包括基于所述第二油温估算所述发动机的发动机转矩。

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