CN102787901A - 确定发动机中的冷却剂流量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定发动机中的冷却剂流量的系统和方法。具体地，一种系统包括温度确定模块和流量确定模块。该温度确定模块基于从发动机冷却剂温度传感器收到的输入确定发动机冷却剂温度并且基于从发动机材料温度传感器收到的输入确定发动机材料温度。该发动机冷却剂温度是发动机中的冷却剂的温度，该发动机材料温度是发动机机体和气缸盖中的至少一者的温度。该流量确定模块基于发动机冷却剂温度和发动机材料温度选择性地确定经过发动机的冷却剂流量。

Description

确定发动机中的冷却剂流量的系统和方法

技术领域

本发明涉及发动机冷却系统，并且尤其涉及用于确定经过发动机的冷却剂流量的系统和方法。

背景技术

此处的背景资料描述是为了大概介绍本发明的背景。目前署名的发明人的工作，在背景资料章节做了一定程度的描述，还有那些在申请时不可称作现有技术的方面，这些都既不明显又不隐含地认作相对于本发明的现有技术。

通常，发动机水泵是带传动的离心泵，其使冷却剂循环经过发动机以冷却发动机。经由位于泵中心附近的进口接收冷却剂，泵中的叶轮迫使冷却剂离开泵。从散热器接收冷却剂，离开泵的冷却剂在返回散热器之前流过发动机机体和气缸盖。

在传统的水泵中，叶轮总是与带传动的带轮接合。因此，每当发动机开动时，泵就使冷却剂循环经过发动机。相反地，可切换水泵包括离合器，其接合和分离叶轮以相应地接通泵和切断泵。当发动机最开始起动时，可以切断泵以减少发动机暖机所需要的时间并且提高燃料经济性。然而，叶轮可能不按指令分离，因为，例如，离合器卡在接合位置中。

发明内容

一种系统包括温度确定模块和流量确定模块。该温度确定模块基于从发动机冷却剂温度传感器收到的输入确定发动机冷却剂温度并且基于从发动机材料温度传感器收到的输入确定发动机材料温度。该发动机冷却剂温度是发动机中的冷却剂的温度，该发动机材料温度是发动机机体和气缸盖中的至少一者的温度。该流量确定模块基于发动机冷却剂温度和发动机材料温度选择性地确定经过发动机的冷却剂流量。

通过下文提供的详细描述，本发明的更多适用领域将变得显而易见。应当理解，详细描述和特定例子仅仅意图用于说明并且不意图限制发明范围。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种系统，包括：

温度确定模块，其基于从发动机冷却剂温度传感器收到的输入确定发动机冷却剂温度并且基于从发动机材料温度传感器收到的输入确定发动机材料温度，其中，所述发动机冷却剂温度是发动机中的冷却剂的温度，并且，所述发动机材料温度是发动机机体和气缸盖中的至少一者的温度；和

流量确定模块，其基于所述发动机冷却剂温度和所述发动机材料温度选择性地确定经过所述发动机的冷却剂流量。

2. 如方案1所述的系统，其中，所述流量确定模块在与所述发动机流体连通的可切换水泵被指令关闭时确定所述冷却剂流量。

3. 如方案1所述的系统，其中，所述流量确定模块在所述发动机起动且所述发动机材料温度小于预定温度时确定所述冷却剂流量。

4. 如方案1所述的系统，其中，所述流量确定模块在所述发动机的运转时段大于预定时段时确定所述冷却剂流量，其中，所述运转时段开始于所述发动机初始起动的时候。

5. 如方案1所述的系统，其中，所述流量确定模块基于所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度之间的差值确定所述冷却剂流量。

6. 如方案1所述的系统，其中，所述流量确定模块基于所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度在第一时间的第一差值和所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度在第二时间的第二差值确定所述冷却剂流量。

7. 如方案6所述的系统，其中，所述流量确定模块基于在所述第一时间与所述第二时间之间的时段期间输入所述发动机的冷却系统中的能量的量确定所述冷却剂流量。

8. 如方案7所述的系统，进一步地包括能量估计模块，其基于所述发动机的指示功率估计所述输入能量。

9. 如方案7所述的系统，其中，当所述第一差值与所述第二差值之间的第三差值与所述输入能量的比率小于或等于预定值时，所述流量确定模块确定冷却剂流过所述发动机。

10. 如方案9所述的系统，进一步地包括指示器启用模块，其在冷却剂流过所述发动机时触发故障指示灯。

11. 一种方法，包括：

基于从发动机冷却剂温度传感器收到的输入确定发动机冷却剂温度，其中，所述发动机冷却剂温度是发动机中的冷却剂的温度；

基于从发动机材料温度传感器收到的输入确定发动机材料温度，其中，所述发动机材料温度是发动机机体和气缸盖中的至少一者的温度；和

基于发动机冷却剂温度和所述发动机材料温度选择性地确定经过发动机的冷却剂流量。

12. 如方案11所述的方法，进一步地包括，在与所述发动机流体连通的可切换水泵被指令关时确定所述冷却剂流量。

13. 如方案11所述的方法，进一步地包括，在所述发动机起动且所述发动机材料温度小于预定温度时确定所述冷却剂流量。

14. 如方案11所述的方法，进一步地包括，在所述发动机的运转时段大于预定时段时确定所述冷却剂流量，其中，所述运转时段开始于所述发动机初始起动的时候。

15. 如方案11所述的方法，进一步地包括，基于所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度之间的差值确定所述冷却剂流量。

16. 如方案11所述的方法，进一步地包括，基于所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度在第一时间的第一差值和所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度在第二时间的第二差值确定所述冷却剂流量。

17. 如方案16所述的方法，进一步地包括，基于在所述第一时间与所述第二时间之间的时段期间输入所述发动机的冷却系统中的能量的量确定所述冷却剂流量。

18. 如方案17所述的方法，进一步地包括基于所述发动机的指示功率估计所述输入能量。

19. 如方案17所述的方法，进一步地包括，当所述第一差值与所述第二差值之间的第三差值与所述输入能量的比率小于或等于预定值时确定冷却剂流过所述发动机。

20. 如方案19所述的方法，进一步地包括，在冷却剂流过所述发动机时触发故障指示灯。

附图说明

通过详细描述和附图将更完整地理解本发明，其中：

图1是根据本发明原理的示例发动机系统的原理框图；

图2是根据本发明原理的示例控制系统的原理框图；

图3是流程图，说明根据本发明原理的示例控制方法；

图4是曲线图，说明当切断可切换水泵时发动机暖机时段期间的示例发动机温度；和

图5是曲线图，说明当没有切断可切换水泵时发动机暖机时段期间的示例发动机温度。

具体实施方式

下面的描述本质上仅仅是说明性的，并且决不意图限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，图中将使用相同的附图标记表示相似的元件。本文所用的措词"A、B和C中的至少一个"应当解释成意味着使用非专用逻辑"或"的逻辑（A或B或C）。应当理解，方法内的步骤可以以不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。

本文所用的术语"模块"可以指的是、属于或包括专用集成电路（ASIC）；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共用的、专用的或组）；其它的提供所述功能的适当部件；或上述的一些或全部的组合，例如在单片系统中。术语"模块"可以包括存储由处理器执行的代码的存储器（共用的、专用的或组）。

上面所用的术语"代码"可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指的是程序、例行程序、函数、类和/或对象。上面所用的措词"共用的"意味着来自多个模块的一些或全部代码可以使用单个（共用的）处理器来执行。此外，来自多个模块的一些或全部代码可以由单个（共用的）存储器来存储。上面所用的措词"组"意味着来自单个模块的一些或全部代码可以使用一组处理器来执行。例如，处理器的多个芯和/或多个螺纹可以看做是执行发动机。在不同实施中，执行发动机可以在处理器、在多处理器和很多处理器中分组成多个位置，例如并行处理布置中的多个服务器。此外，来自单个模块的一些或全部代码可以使用一组存储器来存储。

本文所述装置和方法可以通过由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序实现。计算机程序包括存储在非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括存储数据。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性例子是非易失性存储器、磁存储器和光存储器。

根据本发明的一种系统和方法测量发动机冷却剂温度（ECT）和发动机材料温度（EMT）并且基于ECT和EMT确定冷却剂是否流入发动机。EMT是制造发动机的材料的温度。虽然发动机是在发动机起动之后暖机的，但是，当冷却剂流入发动机时，ECT和EMT可以以大致相同的速度升高。相反地，当冷却剂没有流入发动机时，EMT可以以比ECT更大的速度升高。因此，可以在没有冷却剂流量传感器的情况下确定冷却剂流量，降低车辆成本。

现在参照图1，给出示例发动机系统100的原理框图。发动机102为车辆产生驱动转矩。虽然把发动机102示为且将论述为火花点火式，但是，发动机102可以是其它适当类型的发动机，例如压缩点火式发动机。经由进气歧管104把空气吸入发动机102中。使用节气门106可以改变进入发动机102的空气流量。一个或多个燃料喷射器例如燃料喷射器110把燃料与空气混合以形成空气/燃料混合物。空气/燃料混合物在发动机102的气缸例如气缸110内燃烧。虽然把发动机102描写成包括单个气缸，但是发动机102可以包括一个以上的气缸。

气缸110包括与曲轴112机械连接的活塞（未示出）。气缸114内的一个燃烧循环可以包括四个阶段：进气阶段、压缩阶段、燃烧阶段和排气阶段。在进气阶段期间，活塞朝着最低位置移动并且把空气吸入气缸110中。在压缩阶段期间，活塞朝着最高位置移动并且压缩气缸110内的空气或空气/燃料混合物。

在燃烧阶段期间，来自火花塞114的火花点燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞回至最低位置，并且活塞驱动曲轴112的旋转。得到的废气经由排气歧管116排出气缸110而完成排气阶段和燃烧循环。发动机102经由曲轴112输出转矩给变速器（未示出）。

发动机102的冷却系统118包括散热器120和水泵122。散热器120冷却流过散热器120的冷却剂，水泵122使冷却剂循环经过发动机102和散热器120。冷却剂从散热器120流向水泵122，从水泵122经进水软管124流向发动机102，并且，从发动机102经出水软管126流回散热器120。

水泵122可以是离心泵，其包括与由连接到曲轴112的传动带（未示出）驱动的带轮接合的叶轮。冷却剂可以经由位于水泵122的中心附近的进口进入水泵122，并且，叶轮可以把冷却剂沿径向向外推到位于水泵122外侧的出口。水泵122可以是可切换水泵，其包括在水泵122切断和接通时相应地使叶轮与带轮分离和接合的离合器。替代地，该水泵可以是电动泵。

发动机控制模块（ECM）128基于从点火开关130和一个或多个传感器收到的输入控制节气门106、燃料喷射器108和火花塞114以及水泵122。点火开关130可以是驾驶员转动或按压以起动发动机102的钥匙或按钮。ECM128可以基于收到的输入触发故障指示灯（MIL）132。当触发时，MIL 132通知驾驶员发动机系统100有故障。例如，如果水泵122是可切换水泵，ECM128可以触发MIL 132以在水泵122卡住的时候通知驾驶员。虽然MIL 132称作灯，但是，MIL 132可以使用除灯以外的媒介例如声音和振动通知驾驶员有故障。

传感器可以包括发动机冷却剂温度（ECT）传感器134、发动机材料温度（EMT）传感器136和曲轴位置（CPS）传感器138。ECT传感器134测量发动机102中的冷却剂的温度。ECT传感器134可以位于发动机102出口附近的冷却剂中。EMT传感器136测量制造发动机102的材料（例如钢）的温度。EMT传感器126可以位于包含在发动机102中的发动机机体或气缸盖的材料中。CPS传感器138测量曲轴112的位置。ECM 128可以基于曲轴112的排量确定发动机102的转速。

现在参照图2，ECM128包括温度确定模块202、能量估计模块204和运转时间确定模块206。温度确定模块202基于从ECT传感器134和EMT传感器136收到的输入确定发动机冷却剂温度和发动机材料温度。温度确定模块202输出发动机冷却剂温度和发动机材料温度。

能量估计模块204估计输入冷却系统118中的能量数量。能量估计模块204可以基于发动机102的指示功率、环境温度和/或车速估计输入能量。能量估计模块204可以基于指示转矩和从CPS传感器138收到的发动机转速确定指示功率。能量估计模块204可以基于进气流量、火花正时、燃料流量和/或发动机转速估计指示功率。能量估计模块204输出该输入能量。

能量估计模块204可以以迭代原则估计输入能量并且把控制回路迭代之间的输入能量相加以获得总输入能量。例如，能量估计模块204可以估计前一迭代与当前迭代之间的输入能量，并且把这些迭代之间的输入能量加到前一总输入能量上以获得当前总输入能量。能量估计模块204可以在发动机起动时开始估计输入能量并且在发动机暖机时段期间继续累计输入能量。控制回路迭代之间的时段可以是1秒。因此，能量估计模块204可以每隔1秒估计输入能量。

运转时间确定模块206确定发动机运转时间。发动机运转时间是发动机102的运转时段，其在发动机102最开始起动时开始并且一直延续到发动机102停止。运转时间确定模块206可以基于从点火开关130收到的输入确定发动机运转时间。例如，运转时间确定模块206可以在驾驶员起动发动机102时开始增加发动机运转时间并且在驾驶员停下发动机102时停止增加发动机运转时间。运转时间输出该模块206输出该发动机运转时间。

泵启用模块208通过命令水泵122开和关相应地启用和停用水泵122。泵启用模块208可以基于发动机材料温度、发动机冷却剂温度、发动机运转时间和/或其它参数例如加热换气空调（HVAC系统）产生的请求启用和停用水泵122。当发动机102最开始起动且发动机材料温度小于预定温度时，泵启用模块208可以停用水泵122。当发动机材料温度大于预定温度时，泵启用模块208可以启用水泵122。

泵启用模块208可以以基本模式操作，在这种模式下，在剩余行程中，水泵122保持启用（例如直到发动机102停止）。替代地，泵启用模块208可以以高级模式操作，在这种模式下，在整个行程中，水泵122是停用和启用的。泵启用模块208输出信号，指示水泵122是启用还是停用。

流量确定模块210基于发动机冷却剂温度和发动机材料温度确定经过发动机102的冷却剂流量。流量确定模块210可以确定冷却剂是否流过发动机102和/或流过发动机102的冷却剂数量。当发动机102起动时，和/或，当发动机运转时间大于预定时段（例如20秒至30秒之间），流量确定模块210可以确定命令水泵122关时的冷却剂流量。该预定时段可以允许冷却剂循环经过发动机102，允许燃烧以加热发动机材料并且允许传感器134、136达到使它们的输出精确的温度。

流量确定模块210可以基于发动机冷却剂温度与发动机材料温度之间的差值的比确定冷却剂流量。这个比可以基于下式确定

（1）                                                

式中，r是比，EMT是当前时间的发动机材料温度，ECT是当前时间的发动机冷却剂温度，EMT₀是前一时间的发动机材料温度，ECT₀是前一时间的发动机冷却剂温度，Energy是输入能量，k是常数。

前一时间可以是发动机102最开始起动时。Energy可以是在前一时间与当前时间之间的时段期间输入冷却系统118中的能量数量。常数k可以是预先确定的，以在冷却剂没有流过发动机102时生成具有恒定数值的比率r。在这方面，比率r可以称为标准化比率。当冷却剂流过发动机102时，比率r可以减小。

流量确定模块210可以在该比率大于预定值时确定冷却剂没有流过发动机102。相反地，流量确定模块210可以在该比率小于或等于该预定值时确定冷却剂流过发动机102。该预定值可以是基于在发动机102暖机且冷却剂流过发动机102的同时的测试期间观测到的最大比率。

流量确定模块210可以在每个控制回路迭代中确定该比率。正如上面论述的，控制回路迭代之间的时段可以是1秒。因此，流量确定模块210可以在经过发动机102的冷却剂流量的变化实际发生时的一秒内识别该变化。流量确定模块210输出信号，指示冷却剂是否流过发动机102。

指示器启用模块212基于冷却剂是否流过发动机102而触发MIL 132。正如上面论述的，当发动机102最开始起动时，泵启用模块208可以停用水泵122。泵启用模块208可以停用水泵122以提高燃料经济性。然而，水泵122可能不按指令切断，因为，例如，卡在使水泵122的叶轮分离的离合器中的碎片。

指示器启用模块212可以在冷却剂流过发动机102时触发MIL 13，指示水泵122卡住了。当触发时，MIL 132提供对水泵122卡住的通告。接下来，可以修理或更换水泵122，由停用水泵122而获得的燃料经济性改善可以重新得到实现。

因此，上述的控制系统在没有冷却剂流量传感器的附加成本的情况下实现对水泵故障的识别。另外，因为该标准化比率是基于物理学的，识别的故障可以直接与冷却剂流量有相互关系。虽然该控制系统可以包括识别水泵控制模块例如泵启用模块208的输出驱动器中的电路故障的一个或多个模块，但是，控制系统还可以识别水泵中的故障。

虽然该控制系统是参照可切换水泵进行描述的，但是，该控制系统可以用来识别常规水泵中的故障。例如，该控制系统可以确定冷却剂流量何时小于预期，指示常规水泵中的故障。另外，该控制系统可以在冷却剂流量小于预期的时候通知驾驶员、降低发动机输出功率和/或停止发动机。

现在参照图3，一种用于确定发动机中的冷却剂流量的方法开始于302。确定发动机中的冷却剂流量可以包括确定冷却剂是否流过发动机和/或确定流过发动机的冷却剂数量。在304，该方法确定是否命令可切换水泵关。如果304为真，该方法继续。如果304为假，该方法继续确定是否命令该可切换水泵关。

在306，该方法确定发动机材料温度是否小于预定温度。该方法可以基于发动机暖机时段期间发动机材料温度的升高确定冷却剂流量。因此，该预定温度可以确保发动机材料温度的升高足以满足冷却剂流量的确定。如果306为真，该方法继续到308。如果306为假，该方法在310结束。

在308，该方法估计输入发动机冷却系统的能量的量。该方法可以基于发动机的指示功率、环境温度和/或车速估计该输入能量。该方法可以基于进气流量、火花正时、燃料流量和/或发动机转速估计该指示功率。

在312，该方法计算发动机材料温度与发动机冷却剂温度之间差值与该输入能量的标准化比率。该方法可以分别在第一和第二时间计算发动机材料温度与发动机冷却剂温度的第一和第二差值。该标准化比率可以是该第一差值与该第二差值之间的第三差值与输入能量自乘标准化常数的幂的比率。

在314，该方法确定该标准化比率是否大于预定值。该预定值可以是基于发动机暖机时段期间在冷却剂流过发动机的同时观测到的最大比率。如果314为真，该方法继续到316。如果314为假，该方法继续到318。在316，该方法增加样本数。在320，该方法确定该样本数是否大于或等于样本数限值（例如200）。如果320为真，该方法在310结束。如果320为假，该方法继续到308。

在318，该方法增加失效数。在322，该方法确定该失效数是否小于失效数限值（例如100）。如果322为真，该方法继续到316。如果322为假，该方法在324指示泵故障。因此，当在样品数大于或等于样品数限值之前失效数大于或等于失效数限值时，该方法指示泵故障。

上述方法可以每个行程执行一次，这个行程可以是驾驶员开动和停止发动机时分别开始和停止的事件。从308到320再回到308的控制回路迭代可以持续一秒。因此，如果样品数限值是200，那么该方法可以在200秒连续地确定发动机中的冷却剂流量。可以调整样品数限值以调整该时段为1分钟与5分钟之间的数值（例如3分钟）。

参照图4，发动机材料温度402和发动机冷却剂温度404对应于没有冷却剂流过发动机时（例如当可切换水泵切断时）的发动机暖机时段。X轴代表时间，Y轴代表温度。发动机暖机时段开始于406，此时，发动机最开始起动，并且在408结束。

因为没有冷却剂流过发动机，发动机材料温度402比发动机冷却剂温度404升高的速度更快。那么，在发动机暖机时段期间，发动机材料温度402与发动机冷却剂温度404之间的差值增大。然而，在发动机暖机时段期间，发动机燃烧产生的能量数量也升高。因此，在整个发动机暖机时段，标准化比率保持恒定数值（例如1）。

参照图5，发动机材料温度502和发动机冷却剂温度504对应于冷却剂流过发动机时（例如当可切换水泵接通或卡住时）的发动机暖机时段。X轴代表时间，Y轴代表温度。发动机暖机时段开始于506，此时，发动机最开始起动，并且在508结束。

因为冷却剂流过发动机，发动机材料温度402和发动机冷却剂温度404升高的速度大致相同。那么，在发动机暖机时段期间，发动机材料温度502与发动机冷却剂温度504之间的差值相对恒定。因为在发动机暖机时段期间发动机燃烧产生的能量数量升高，所以在整个发动机暖机时段，标准化比率减小。

能够以多种形式实施本发明的宽泛教导。因此，尽管本发明包含特定例子，但是本发明的真实范围不应当受此限制，因为本领域技术人员一旦研读附图、说明书和下列权利要求，其它改型将变得显而易见。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

温度确定模块，其基于从发动机冷却剂温度传感器收到的输入确定发动机冷却剂温度并且基于从发动机材料温度传感器收到的输入确定发动机材料温度，其中，所述发动机冷却剂温度是发动机中的冷却剂的温度，并且，所述发动机材料温度是发动机机体和气缸盖中的至少一者的温度；和

流量确定模块，其基于所述发动机冷却剂温度和所述发动机材料温度选择性地确定经过所述发动机的冷却剂流量。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述流量确定模块在与所述发动机流体连通的可切换水泵被指令关闭时确定所述冷却剂流量。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述流量确定模块在所述发动机起动且所述发动机材料温度小于预定温度时确定所述冷却剂流量。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述流量确定模块在所述发动机的运转时段大于预定时段时确定所述冷却剂流量，其中，所述运转时段开始于所述发动机初始起动的时候。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述流量确定模块基于所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度之间的差值确定所述冷却剂流量。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述流量确定模块基于所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度在第一时间的第一差值和所述发动机冷却剂温度与所述发动机材料温度在第二时间的第二差值确定所述冷却剂流量。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述流量确定模块基于在所述第一时间与所述第二时间之间的时段期间输入所述发动机的冷却系统中的能量的量确定所述冷却剂流量。

8.如权利要求7所述的系统，进一步地包括能量估计模块，其基于所述发动机的指示功率估计所述输入能量。

9.如权利要求7所述的系统，其中，当所述第一差值与所述第二差值之间的第三差值与所述输入能量的比率小于或等于预定值时，所述流量确定模块确定冷却剂流过所述发动机。

10.一种方法，包括：

基于从发动机冷却剂温度传感器收到的输入确定发动机冷却剂温度，其中，所述发动机冷却剂温度是发动机中的冷却剂的温度；

基于从发动机材料温度传感器收到的输入确定发动机材料温度，其中，所述发动机材料温度是发动机机体和气缸盖中的至少一者的温度；和

基于发动机冷却剂温度和所述发动机材料温度选择性地确定经过发动机的冷却剂流量。

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