CN107278239A - 用于控制内燃机中的燃料供给和点火的预测壁温度建模 - Google Patents

用于控制内燃机中的燃料供给和点火的预测壁温度建模 Download PDF

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Abstract

当前主题的实施方案包括有助于在工作条件范围内控制燃料喷射和点火正时的系统、方法和技术。例如，可以利用预测的技术来预测燃烧汽缸壁和内部金属温度随时间的变化，从而能评估使所计算的温度中的一个对气流可能产生的影响，以及因此对燃烧产生的影响。所获得的信息可以根据来自稳态条件的预测温度变化来调节燃料流量或点火正时。

Description

用于控制内燃机中的燃料供给和点火的预测壁温度建模
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年1月23日提交的题目为“用于控制内燃机中的燃料供给和点火的预测壁温度建模(Predictive Wall Temperature Modeling for Control of FuelDelivery and Ignition in Internal Combustion Engines)”的美国专利申请第62/107，311号、以及2015年2月17日提交的题目为“用于控制内燃机中的燃料供给和点火的预测壁温度建模(Predictive Wall Temperature Modeling for Control of Fuel Deliveryand Ignition in Internal Combustion Engines)”的美国专利申请第62/117，331号的优先权，所述申请公开的全部内容通过引用的方式结合于此。
技术领域
本发明所描述的主题涉及一种控制用于内燃机操作的燃料供给和点火(火花)正时的系统和方法。
背景技术
在内燃机中，燃料流通常映射于电子燃料喷射(electronic fuel injection，EFI)系统，以在加热的发动机的稳定状态下获得所需的发动机空燃(空气/燃料)比。由发动机控制单元(engine control unit，ECU)使用一系列的表或者“映射”和一系列的编辑器(modifier)，以在贯穿速度和负载的工作范围的周期内确定和控制燃料的喷射。根据从各种用于应当被传递的燃料喷射量以及点火(点火正时)的传感器获取的数据(其可以包括环境压力、环境温度、发动机温度、制冷剂温度、启动特性、电池电压、气流传感器等等)，通常存在有各种编辑器。通常，根据温度传感器的加热映射将处理由冷至热的转换所需的燃料修正。该曲线通常是平滑的并且能够更正由于影响吸入空气的发动机温度而导致的气流差异。温度的改变直接影响空气密度并因此影响用于燃烧的可用氧气量，该用于燃烧的可用氧气量进而影响喷射器期望供应的燃料的最佳量。
发动机温度传感器可以设置在诸如冷却剂的液体中(例如，水或者机油)，或者诸如壁或者进气口的其他结构的金属中。所述传感器在发动机中的物理位置可能与影响气流的位置不一致。虽然这些传感器能够获取稳定状态特性，但是由于用于测量气流的传感器的位置欠佳，因此传感器的位置的温度会导致错误的燃料修正。这种传感器将不能测量影响气流的物理特性，例如在吸入期间与气流接触的金属温度。在工作期间，发动机会在其金属表面中具有热梯度，其区别于稳定状态的温度分布(例如，从冷开始的短暂但快速的加速后)。这将会导致一些表面与由传感器进行测量并且用于确定燃料供给量的均衡状态相比过冷或过热。在金属温度梯度未知的情况下，发动机燃料系统持续地供应固定映射的质量流体。
在一些方法中，在排气中的氧传感器的输出能够用于缓解上面所描述的温度检测问题，但是不是在所有发动机应用中均可以使用氧传感器。此外，需求更准确或者更快速的燃料变化。在这些以及其他环境中，更准确的温度测量或者计算将会很有用。
发明内容
当前的主题的各个方面可以包括一种控制用于内燃机操作的燃料供给和点火(火花)正时的系统和方法。在一个方面，当前主题的方法可以包括确定发动机的汽缸的一部分的热侧温度边界条件和冷侧温度边界条件。此外，该方法可以包括映射所述的汽缸的一部分的热侧温度边界条件，以反映燃烧的热能贡献。此外，该方法可以包括运行有限元热传递模型，以计算在热侧温度边界和冷侧温度边界之间的多个节点中的第一节点的第一温度。该方法可以进一步包括根据计算的所述第一温度，补偿一个或多个发动机工作参数，该补偿导致燃料效率和/或发动机爆震的改变。
在一些变化中，一个或多个如下特征可以可替选地包括在任何可行的组合中。所述热侧可以包括有至少部分地包含在汽缸中的燃烧室。所述冷侧可以包括一个或多个汽缸体，来自燃烧的热消散入所述汽缸体。所述冷侧温度边界条件可以利用直接金属温度传感器和液体温度传感器中的一个或多个来确定。所述第一节点可以沿燃烧室的汽缸壁设置。所述发动机工作参数可以包括点火正时、燃料供给量、节气门位置和冷却剂流量中的一个或多个。所述发动机工作参数可以包括供给至燃烧室的燃料量，该燃料量在第一温度高于稳定状态温度时减少。所述发动机工作参数可以包括点火提前，该点火提前在第一温度低于稳定状态温度时提前。所述发动机工作参数可以包括点火提前，该点火提前在第一温度高于稳定状态温度时延迟。所述有限元模型可以是一维的并且呈放射状设置。所述有限元模型可以使用多种发动机材料。所述有限元模型可以是多维的并且沿着感兴趣的组件设置，并且使用多种发动机材料。
在另一方面，当前的主题可以包括一种发动机，该发动机具有汽缸和发动机控制器，该发动机控制器包括可编程处理器。所述发动机控制器可以配置为执行以下步骤：确定汽缸的一部分的热侧温度边界条件和冷侧温度边界条件并且映射所述的汽缸的一部分的热侧温度边界条件，以反映燃烧的热能贡献。此外，该执行的步骤可以包括：运行有限元热传递模型，以计算在热侧温度边界和冷侧温度边界之间的多个节点中的第一节点的第一温度。此外，该执行的步骤可以包括：根据计算的所述第一温度，补偿一个或多个发动机工作参数，该补偿导致燃料效率和/或发动机爆震的改变。所述发动机可以进一步包括汽缸体，该汽缸体包括冷侧，来自燃烧的热消散入该冷侧。所述发动机可以进一步包括确定所述冷侧温度边界条件的直接金属温度传感器和液体温度传感器中的一个或多个。
本文描述的主题的一个或更多个变形的细节在下面的附图和描述中阐述。本文所述主题的其它特征和优点将体现在说明书和附图中以及权利要求中。
附图说明
这些结合在说明书中并且组成说明书一部分的所附附图示出了所公开的主题的一些方面，并且这些附图与说明书一起并结合所公开的实施方案，用来帮助解释一些技术原理。在这些附图中：
图1示出了一些发动机参数随着时间而变化的图形表现；
图2示出了发动机与控制单元的平面示意图，其虽然没有示出点火控制，但其也能够被控制。
图3示出了与当前主题的一个实施方案相一致的热模型的1D实施方案的示意图；
图4示出了与当前主题的实施方案相一致的计算步骤的示例；
图5示出了并入有图4所示出的计算的计算过程的第一阶段；
图6示出了图5所示出的计算过程的第二阶段；
图7示出了与当前主题的一个实施方案相一致的热模型的准2D/双1D的扩展的实施方案的表示的示意图；
图8A示出了汽缸壁与汽缸壁附近的机油的横截面的示例；
图8B示出了对于图8A所示出的横截面能够生成的1D有限元网格的示例，该1D有限元网能够解决各种温度，该温度包括在截面中示出的汽缸壁的温度和/或任意节点的温度；
图9示出了包括燃料时间和每分钟旋转的热通量查询表的示例；
图10示出了有限差分模型与用户输入的示例；
图11示出了在每个节点(例如在从T1到T9的节点)更新温度的过程的示例；
图12示出了图11中所示出的过程的矩阵形式的示例；
图13示出了展示了随时间变化的预估金属温度、实际金属温度以及机油温度的示例图；以及
图14示出了展示了具有与当前主题的实施方案相一致的一个或多个特征的方法的各个方面的流程图。
根据实际需要，类似的附图标记指代类似的结构、特征或者元件。
具体实施方式
本文描述的主题的一个或更多个变形的细节在下面的附图和描述中阐述。本文所述主题的其它特征和优点将体现在说明书和附图中以及权利要求中。虽然目前已经公开的主题的某些特性可以用来说明与火花点燃的内燃机有关的目的，应该很容易理解的是，这些特性并不是用于限制的目的。当前主题的实施方案的优点尤其在于可以提供可以在工作条件范围内特别是在短暂的工作条件下帮助控制注入的燃料和点火正时的系统、方法、技术等。特别的，各个实施方案利用预测技术来预测燃烧汽缸壁和内部金属温度随时间变化的变化，从而能够评估所计算的温度中的一个对气流可能产生的影响，以及因此对燃烧的影响。根据来自稳态条件下的预测温度变化，所获得的信息可用于调节燃料流量或点火正时。
相比于发动机无限地保持在高负载的情况，正在经受负载快速增加的发动机(例如，车辆加速)将会具有更低的初始金属温度。这些较低的金属温度可能会冷却空气，从而由于吸入更多的空气量而导致比最佳混合更淡。可替选地，相比于稳定状态条件，经历负载快速减少的发动机将会短暂地更热(如果无限地保持在低负载)，从而由于空气的热量(使得吸入空气量低于目标空燃比的最佳量)而使得比最佳混合更浓。这种欠佳的燃料供给会导致燃料经济性的降低和/或排放量的增加。这些影响在燃烧结果对空燃比很敏感的汽油发动机中尤为重要。
图1示出了示意图100，其中示出了内燃机中的负载变化、汽缸壁温度变化和燃料流量变化的三条曲线。曲线所展示的顺序是任意的。虚线102表示在低负载需求和高负载需求之间的沿时间的过渡点。时间的前进由标记为t的x轴107表示。该示出的时间大致上分为第一部分104和第二部分106，分别在过渡点之前和过渡点之后。
图1中最上方的曲线108示出了负载的阶梯变化。因此，对于对应于第一时间部分104的第一部分108a，负载是稳定的并且低于对应于第二时间部分106的第二部分108b的负载，该第二部分108b的负载是稳定的但是较高。
第二曲线110指示汽缸壁温度。实线指示稳定状态温度。因此，对于对应于第一时间部分104的第一部分110a，温度是稳定的并且低于对应于第二时间部分106的第二部分110b的温度，该第二部分110b的温度是稳定的但是较高。虚线110c示出了瞬时负载情况，其中汽缸壁温度朝向稳定状态温度随时间而逐渐地升高。这种上升可能是线性的，也可能是非线性的。
最下方的曲线112指示了所期望的燃料流量。因此对于第一部分112a，燃料流是稳定的并且低于第二部分112b的燃料流，该第二部分112b的燃料流是稳定的但是较高。因此，对于对应于第一时间部分104的第一部分112a，温度是稳定的并且低于对应于第二时间部分106的第二部分112b的温度，该第二部分112b的温度是稳定的但是较高。虚线112c示出了瞬时负载情况，其中燃料流量随时间变化，最终达到稳定状态。这种变化是非线性的，其在负载需求瞬间达到高位后不久具有高于稳定状态流量的峰值，随后非线性地下降到稳定状态流量。
当前主题的实施方案能够允许上面所描述的非线性的期望的燃料流量的供给。
图2示出了内燃机系统200的示意性布局。系统200的汽缸体220示出在平面图中。应当理解的是，发动机在汽缸体中可以具有多于一个的汽缸，但是为了示意性的目的，这里只示出了一个汽缸222。在往复式活塞附近的汽缸220中的最内层的部分是衬垫224，该衬垫可以用钢制成。包围在其周围的是块体226，其可以用铝制成。应当理解的是，在某些应用中，可以将一种或多用不同类型的金属用于衬垫224和/或块体226。所述块体226可以包括多个冷却通道228。为了示意性的目的，图2中示出了四条冷却通道。在燃烧期间，热量可以在燃烧和汽缸体226之间传递，尤其受到在冷却通道228中流动的冷却剂的影响。
所示出的汽缸222被供应有来自节气门232下游的燃料喷射器230的燃料。但是，在一些实施方案中，燃料喷射器可以设置在节气门232的上游或者甚至设置在汽缸222的内部(例如，直喷式发动机)。该节气门232可以由驾驶员控制，以改变供应至燃烧室的空气量。在这种布局中，发动机控制单元(ECU)234示出为接收来自压力传感器236(作为确定负载需求的装置)的输入并且控制燃料喷射器230(以供应所需燃料量)。该ECU 234也可以示出为接收关于发动机转速的数据(来自传感器237)并且接收冷却通道228中的冷却剂温度的数据(来自温度传感器239)。ECU 234也可以接收一个或多个其他输入参数。
爆震可以是内部汽缸壁温度的强函数，内部汽缸壁可以将热量传递给吸入空气(inducted charge)，导致在所需时刻之前会产生不期望的燃料自动点火。这种效应会导致不正常的燃烧和令人不悦的噪音，并且有时会导致硬件故障。为了缓和爆震，在一些系统中使用的调整方法是延迟点火正时，从而降低峰值汽缸温度/压力并且避免不期望的点火。虽然这种测量可以降低发生爆震的可能性，但是这种调整通常会导致较低的动力和/或扭矩。通常，点火正时需要在最坏的燃料/环境/条件情况下设定为由温度得到平衡时的稳定状态测试来确定。但是，驾驶员/乘坐者可能需要扭矩/动力从热或冷的发动机条件中快速启动。例如，从信号灯处启动，在一段时间内快速从较低的发动机温度开始向全功率转变，反之，在加速时快速升挡将使发动机的转速降低到较低的动力状态，并且很可能导致汽缸壁的温度短暂高于稳定状态条件。在这些情况下，已知爆震的趋势，由于点火延迟/提前有关于内部汽缸壁温度，所以如果结合关于当前缸壁温度的信息，则要求或允许的点火延迟/提前可以在满载时适当地实现提前(或延迟)的燃烧要求，从而优化动力/加速度并同时减少爆震的风险。
基于接触的金属温度、接触的时间以及热传递系数(通常为气流的函数)，进气口气流受转移到吸入空气的热量的影响。在靠近进气口(也可能是排气口)附近的金属温度的更准确的理解或者ECU参数将使燃料修正更加准确。因此ECU指示的供应燃料量能够得到优化。一些当前可用的发动机控制系统使用间接地测量(例如，通过在排气流中的宽带或窄带氧(λ)传感器)或者直接地测量(例如，通过歧管气流传感器，如热线风速计或者轴流式风扇)进气气流的传感器。但是，这些系统会很昂贵并因此希望将其排除。即使使用了这些系统，更准确的气流的展现可以使发动机在各种条件下被更加快速地和精确地控制。
为了映射所有可能的瞬态热事件的子集，可以需要进行大量的计算工作，并且会进一步消耗ECU上的内存空间。类似地，在发动机结构的不同位置设置的额外的温度传感器会增加系统的成本。
为了利用当前可用的解决方案解决这些和潜在的其他问题，目前的主题的实施方案提供了这样的系统、方法、和制品等：ECU可以利用来自通常出现在现有的发动机架构中的低成本传感器中的可用数据，提高预测内燃机中的一个或多个发动机壁温度的能力。换句话说，在一些实施方案中，这种预测可以不使用在一些燃烧系统中并不常规出现的额外传感器。当前的主题的一个或多个实施方案可以允许更好的混合物的爆震抗性、所需的燃料和点火正时、以及吸入气流的预测，从而使吸入空气的效率最大化，并且优化发动机内的燃烧，尤其是在瞬时操作期间。这里，如在本文中所提及的，“瞬时(transient)”指的是改变负载或速度要求或瞬时热条件，其中在内部金属温度被调整时(例如，负载和燃烧条件的变化等)，需求和速度保持不变。
与当前主题的实施方案相一致的示例性方法可以使用一个简化的(例如，一维、二维或三维)不稳定的(瞬时的)有限元热传递模型来预测整个发动机的金属温度。一些可以由实施方案预测的可能的理想温度可以包括：一个或多个气门座和/或汽缸盖温度、活塞头温度、进气口壁温度、排气口壁温度等等。
可以认为发动机汽缸壁具有“冷侧”或者“低温侧”和“热侧”。通常，热侧是燃烧室并且冷侧是金属边界(例如，来自燃烧过程的热消散入的汽缸体)。但是，在操作中燃烧侧的温度可能会多次低于“冷”侧的温度，在这种情况下，“热侧”与“冷侧”转换。热和冷的限定是用于对布局的相对理解。冷侧和热侧的参数被用作如下所描述的有限元分析(finiteelement analysis，FEA)计算的边界条件。FEA利用数值技术以找到边界值问题的近似解。在这种情况下，所需的解为随着时间变化的汽缸壁温度，特别是在瞬间负载条件期间。现在将会讨论用于确定该计算的边界条件的可能技术。
可以利用直接金属温度传感器或者液体温度传感器确定冷侧边界条件。在液体传感器的情况中，ECU能够利用所测量的液体冷却剂温度来作为冷却边界条件。液体冷却剂温度可选择地为发动机机油温度和/或水温，例如在冷却流体流入或流出汽缸盖或者发动机体的点处进行测量。利用所获得的测量，冷却剂(例如，机油或者水)流量能够相对于发动机转速进行映射，或者与已知的水泵流量特性曲线比较。以这种方式，冷侧边界条件能够根据所测量的温度而由ECU动态控制。
热侧(例如，燃烧室或者端口侧)边界条件能够确定或者映射为反映贡献于每个独立燃烧的系统的热能量。经由喷射器所需的脉冲周期或者工作周期，每个周期的燃料喷射量的数据对于ECU是可用的。喷射的燃料量可以与释放到汽缸中的热能相关，并且与进入金属边界的燃料的总热能的一部分相关。由于该百分比可以随发动机的工作条件而变化(例如，依据热力学第一定律，当汽缸壁的温度较高时，进入汽缸边界的热量较少)，所以这个百分比通常是未知的。然而，与当前主题的实施方案相一致，进入金属边界的热能的比例可以通过上传查询表或者等式而映射并作为参数输入到ECU。这个查询表的轴可以包括例如负载/速度、脉冲宽度/速度、每次喷射的燃料量/速度等等。可以根据喷射的燃料量和基于其组分的燃料的化学能量(例如，低热值)来计算燃料能量。因此，热通量比例可以为经调整的参数，该经调整的参数被调节为匹配在通过FEA来分析的区域中的某处所测量的温度信息(例如，通过与FEA模型中的一个FEA节点相匹配的汽缸壁位置处嵌入钢或铝的热电偶)。以这种方式，基于使用确定的边界条件的有限元分析，喷射的燃料能量的给定的百分比(例如5％)可以计算为在四冲程或两冲程燃烧周期区间内进入系统的热通量。
上面所描述的计算热侧边界条件的方法在加速期间(例如，在负载需求的瞬间增加期间)可以是有用的。但是，当燃料脉冲宽度被切断以用于减速燃料切断时(也即，在工作期间，没有或者很少的燃料被添加到发动机中)，也会需要“热侧”的边界条件。在这种情况下，由于热从“冷侧”(冷却剂套，或者发动机铸件)传递到“热侧”(汽缸壁，以及进入燃烧室的气体)，所以实际上净热通量是很有可能是负的，因此使用固定比例的燃料能量可能无法提供最优计算。在这种情况下，负的热通量可以应用为发动机转速的函数，在一些实施方案中，通过从已知的条件开始记录与燃料的立即切断相关的冷却率来映射发动机转速。其可以通过物理上位于被分析的区域中的温度传感器(其与FEA模型的热节点中的一个对齐布置)进行映射。这种热通量参数可以具有与燃料能量的百分比不同的单位。例如，热通量参数可以具有这样的单位：焦耳(J)或者假设的转换系数、以及气体或者冷却剂温度(例如，从一个或多个发动机传感器获取的空气温度、机油温度)，使得其具有从热侧边界去除的热量的趋势。
通过简化的FEA模型(例如，如上所述使用设定维度)获得的区域内的特定节点、多个节点、一个或多个单元的一个或多个温度可以被ECU用作发动机温度分布的更精确的估计，从而适用于对各种实际发动机条件的各种参数进行补偿。例如，该模型可以用作用于燃料修正的基本温度轴，或者结合映射的稳定状态燃料量的其他乘数，从而为比稳定状态(如所映射的)更冷的发动机提供额外的燃料，并且减少温度比稳定状态更高的发动机的燃料。此外，点火正时能够在爆震区域进行调整，以通过附近的壁温度而允许燃烧延迟或者燃烧提前。
各个实施方案也可以用于这样的发动机：其处于近似稳定状态，但是其热梯度还没有稳定，所以一些表面的温度高于或低于其真实的稳态温度或者其燃料计划映射的温度。例如，刚刚启动并且快速地移动至恒定负载的冷发动机可以具有相对快的爬升初始壁温度以及相对慢的爬升机油温度最终会达到平衡。可以生成一个增量度量(delta metric)，以用于相对于达到稳定状态时达到的燃料/点火来进行控制系统的燃料/点火修正。可以在瞬时立即计算发动机无限地保持于上述条件时将达到的稳定状态，以量化该增量。
当前的主题的实施方案可以使用来自ECU已知的一些特征发动机负载参数(例如VolEff、燃料脉冲宽度、规范化的歧管压力、气流等等)、以及来自发动机转速传感器(RPM)和冷却剂或金属温度传感器的数据的输入，如图2示意性地示出的。根据对流热传递经由气门座或者汽缸盖而损失的燃料能量(作为速度和负载在稳定状态下的函数)，这些输入可以在ECU 234中与用于热通量的映射(相对于RPM和负载)结合。下面的示例描述了1D有限差分瞬时热模型，但是可替选地，准2D(双1D)或者完全2D或者3D FEA模型能够用于确定温度。例如，在准2D模型中，可以采用“T”型1D网格，其中一维沿着在汽缸内表面之间到冷却剂套的热通量发生的路径(反之亦然)，并且另外的1D维度可以将这些节点中的一个或多个连接至另一个金属特性(例如，进气口壁)。在这种情况下，可以将额外的边界条件分配给空气温度和流量，以增加/减少热网格。气流近似对于ECU是已知的，所以在例如VolEff与RPM映射中可以估计空气的对流系数。此外，在端口壁上蒸发(例如，通过燃料的潜热吸收热量)的喷射燃料的映射部分可以利用蒸发的热量和燃料喷射量来计算。
在另一个示例中，FEA节点网格可以沿着多个路径连接，所述多个路径穿过施加有适当的边界条件的多个发动机组件。例如，利用预测的冷却剂套和汽缸盖之间的温度，节点网格可以穿至气门导管(valve guide)，位于气门杆(valve stem)和气门头(valve head)以下。可以用气体温度(进气和/或排气)的估计或映射、任何燃料蒸发和适当的传热系数映射来估计向气门杆和端口表面传入/传出的热。热接触阻抗可应用于气门导管与气门头、气门导管与气门、以及气门与气门座的接触点，其中在FEA网格中的相邻节点具有适当的热阻。汽缸盖的节点可以用作特定节点网格的端部处的边界条件。对ECU中的壁温度的更详细了解可以校准参数和表格，以更精确地管理燃料和在瞬时过程中的点火供应。
在图3中示出了示例性1D热模型300。在图中可以看到的是汽缸322的四分之一，以及由铝块326的相应部分包围的钢衬324的相应部分，所述铝块326具有示例性的单冷却通道328。从汽缸的热量损失由符号q”表示，并且进入到块体326中的示例性1D热流路径由箭头338表示。在汽缸322的汽缸壁与冷却通道328的冷却剂之间，在ECU中建立感兴趣的表面(例如，钢气门座、铝铸件等)到“冷”边界条件(例如，存在热敏电阻的冷却剂或金属)之间的热路径的材料特性，以估计座温度。可以通过沿着1D网格热流路径测量的温度数据进行模型校准并且映射为与测量的温度匹配。
示例性的模型是有限差分模型(finite difference model)，其将座/汽缸壁(傅立叶数)之间的几何学(例如，长度)和不同材料属性(例如，导热系数)、来自燃料能量映射的热通量的边界条件、以及冷却剂对流的边界条件(例如，毕奥数(Biot numbers)和冷却剂温度)相结合。边界条件在上面进行了讨论。热量损失(或者如果为负则为增加)q”示出为从气门座温度(Tseat)，钢-铝边界温度TSt/Al和铝-冷却剂边界温度(tAl/cool)导出。其他参数包括传热系数h和常数K。图3的最下方的部分示出了热量损失q”，其被计算为一系列的有限差分计算。在一些示例中，更新的座温度可以在边界条件的每次刷新时(例如，每燃烧周期一次)计算。
与当前主题的实施方案相一致的瞬时有限差分方案可以进行时间推进的，并且可以只依赖于知道最后的温度和之间的时间阶梯Δt。对于每个不同的计算，Tnew＝[M]×Told+BC，其中，Told是由之前的差分计算而计算出的温度。图4示出了连续差分计算的扩展400。Tnew表示从T1开始每次计算增加一个的增量。矩阵M由傅立叶数Fo填充，它表示通过钢衬垫224，324和铝块226，326的热传导。如上所示，Fo是根据热扩散系数α、a(时间差)和(热传播通过的钢部分和铝块部分的离散节点距离)计算出来的。需要注意的是，材料的类型和材料的数量是可以自由改变的。可以为单一的铝或钢材料，或者铝-钢-铝复合材料，或者与任何数量的其他材料顺序排列的任何可替选材料。矩阵M也使用Biot(毕奥)数Bi，其是一个无量纲的值，表示通过冷却剂进行的热传递。离散化也不需要通过网格或材料的不同区域来保持恒定。高或者低分辨率(resolution)可以应用在必要的地方。正如所指出的，Bi是由h、和K计算的。在更新频率固定时，由于傅立叶数是常量(以最小化内存需求并且确保稳定性)，因此这种方法会特别有用。
正如上面提到的，用于冷却剂对流边界条件的Biot数包含在[M]矩阵和BC矢量中。对于基于泵的特性的恒定材料特性和已知的冷却剂流量，流量进而以及对流系数将首先是发动机转速的函数。对于可变材料特性，例如机油，流体温度可以用来调节对流系数和所测量的速度。
在当前的主题的进一步实施方案中，可以引入冷到热或热到冷侧的面积比，从而使得用户可调参数能够改善瞬时模型温度预测的准确性。在1D模型中增加一侧或另一侧的面积基本是将被传出或传入的热倍增至一个或另一个边界条件表面。对于释放进系统或从系统释放出的燃料能量的热量的百分比，该区域的更改可能需要不同的(尽管自动更新/计算)“基础”映射，以匹配稳定状态的温度，但是如果预测的动态温度与测量的温度不匹配，则会使瞬时的性能(例如，在快速的负载改变下低于或高于预测温度的模型上升或下降的速度)能够被调整。这个可调面积比可以是固定的值、转速的函数、或者负载和转速的函数。
此外，利用爆震传感器反馈，该模型可以学习在听见爆震之前允许的提前点火(并因此学习与预测模型座温度的关系)。由于各种各样的原因(包括但不限于硬件制造的变化、环境条件、发动机恶化、或者燃料性能)，其可以偏离所映射的稳定状态下的条件。在稳定状态限制爆震点火提前中可以具有差异，其中每一个发动机能够对于给定的爆震限制具有与允许的基础映射相比更高的座温度。在这种情况下，可以学习新的座温度点火修正表或偏移或增益，并且用于自动地增加/移除提前点火，从而利用稳定状态的性能增加，获得更多的扭矩或者更少的爆震噪音。例如，发动机的工作参数可以包括提前点火，在确定温度(例如，在一个节点上)低于稳定状态温度时提前点火被提前。当确定的温度(例如，在一个节点上)高于稳定状态温度时，提前点火也可以被延迟。
图5和图6描绘了与当前主题的实施方案相一致的ECU 234能够执行的过程500的特征。这个过程包含了图4中的有限差分计算。在第一计算步骤502中，在Twall＝Tcoolant的起始点处初始化模型。在504，ECU接收发动机的操作输入，该输入包括来自发动机的转速、进气压力(因此提供了负载需求的测量)和冷却剂温度(Tcool)。
在506，热通量的映射用于确定经由汽缸体从燃烧过程流过(或者在负载下降情况中沿相反方向)的热通量。热传递系数h可以参照其已知的或者固定的值来确定。根据所示的等式，可以实现一种新发现的简化方法，其捕捉热传递系数的粘度影响(viscosityinfluence)。在如上所述的创建之后，可以生成映射并且将该映射上传至ECU。
在602中，执行图4所示的差分计算的第一迭代。随后在604使用该第一迭代的结果，以计算新的壁温度或气门座温度。在606，确定从预期的稳态温度计算出的温度的分离TSS。在608，ECU向燃料喷射器230发出信号，以根据确定的值或者分离来供给调整的燃料量。ECU也可以发送其他参数的调整信号，例如点火正时。
在610，是递增的，并且这个过程在504再次开始，以用于下一增量。这个过程可以无限重复，或者根据条件确定的以及必要多次的增量的一些选择标准来重复，例如，直到从预期的稳定状态温度的分离为零或者接近于零。
图7示出了准2D/双1D实施方案的扩展的示意性表示700。该扩展可以包括1D模型和集中电容(lumped-capacitance)热模型的组合。两个模型之间的共享区域(例如，气门座或者汽缸壁)可以包含在建模中。因此，来自燃料能量的热通量可以应用至壁并且根据发动机的当前状态而在1D回路(circuit)和集中电容质量(lumped-capacitance mass)之间进行划分。这个区域划分可以是以下各项或所有项的函数：机油温度、发动机体温度、加热/制冷的梯度(dT/dt)、温度与每个节点的稳定状态温度相比的差、或者这些或其他因素的组合。可以考虑具有不同比热的多种材料，例如，落入在钢内的节点可以将热量排出到钢集中电容质量，落入到铝内部的节点将热量排出到铝质量(aluminum mass)。热质量通常只影响添加/移除的热的比率，所以每次燃烧中只需要更新一次。
在该方法的一个示例性的应用中，当发动机机体冷却并启动时，发动机机体的dT/dt通常较高。因此，有效面积(effective area，ALC)随着其预热而转移到周围的金属表面的热能(热量)可以很高，而传递至冷却剂侧的热量较低。在冷却的条件下，面积比可以相反地工作(例如，＜1.0)，使热质量能够向网格提供能量。在接近稳定状态时，块体的加热或冷却是最小的(dT/dt≈0)，因此面积(ALC)转移到块体的热量是很少的，并且大部分的热直接穿过网格传递(例如，从热侧到冷侧)。可以通过例如调整座/汽缸面积(Atot-ALC)到机油对流通道的面积的比例来实现集中电容热模型对x维节点温度的影响。此外，还可以添加多个外传热源，使热量可以从1D、2D或3D网格中的一个或所有节点中移除。
此外，一个或多个集中电容质量可以包括将热量传递给外界(或者从外界吸收热量)的能力。从集中电容质量外传的热可以包括一个或多个的对流、传导和辐射条件。一个或多个质量可以由映射参数或使用各种ECU传感器输入的变量(例如，用于温度的进气温度、用于对流系数的趋势的车辆速度、发动机散热器风扇控制等等)来固定的将热量传递至外界或从外界中吸收热量。这种方法可以使在发动机关闭时继续进行热传递，并且在发动机重新启动时为节点提供更准确的初始条件。
图8A示出了汽缸体部分的横截面800的示例，其示出了汽缸壁802附近的机油。此外，还示出了来自于热汽缸的热通量的方向808。这里讨论的主题允许根据机油的温度(或类似的)、发动机转速和燃料流量来预测汽缸壁温度。如图8B所示的，为了解决不同的温度，可以产生用于横截面800的1D有限元网格801，其包括汽缸壁802温度和/或沿横截面800示出的任意节点806。
正如上面所讨论的，可以使用有限元网格801来确定沿横截面800(例如，在每个节点806处)的不同温度。在启动时，可以在每个节点806处初始化温度(例如，T1，T2等等)。ECU可以收集输入，例如发动机转速、燃料时间和机油温度。然后可以计算新的边界条件，例如通过使用热通量查询表，如例如图9所示，图9包括相对于发动机每分钟转数的燃料时间。然后可以利用具有用于确定与每个节点相关的温度的自己的等式的每个节点806来计算新的温度。在必要时可以重复以上步骤，以在最接近实时处确定每个节点806温度。
图10示出了有限差分模型以及与本文所描述的主题一致的用户输入1000的示例。图11示出了在每一个节点(例如，在从T1到T9的节点)更新温度的示例过程1100。图12示出了图11中所示出的过程1100的示例矩阵形式1200。图13示出了示例曲线1300，其示出了随时间变化的利用与本文所公开的主题相一致的方法来预测的金属温度、实际的金属温度、以及机油温度。
图14示出了流程图，该流程图示出了当前的主题的一个或多个实施方案中所展现的特征。在1410，对于汽缸壁的选定部分(例如，气门座或活塞头等)确定热侧和冷侧边界条件。上文已经详细讨论了边界条件的确定。
在1420，热侧温度边界条件被映射到汽缸壁的选定部分，以反映单独的燃烧的热能贡献。上文详细地描述了这个过程。在ECU 234中，映射和冷侧边界条件是可用的。
在1430，简化的有限元(例如，有限差分模型)由ECU运行，以计算发动机壳体内的、在汽缸壁和冷侧边界条件之间的一个或多个特定节点中的每个节点的温度。
在运行模型之后，在1440，发动机参数(例如，燃料量)被调整为补偿运行模型所获得的结果。因此，如果计算的温度与预期的稳定状态温度发生偏离，ECU可能会发出一个或多个调整参数的信号，例如供给的燃料量、点火正时、节气门位置(如果电子控制)、冷却剂流量(如果异常燃烧)。因此燃烧可以被优化，以提高燃料效率和/或减少或消除爆震。
应当理解，上面所描述的系统和方法可用于多种不同类型的内燃机。由于系统向进气通道提供燃料，使用其可用于各种配置的单缸或多缸发动机。可以有单独的特定汽缸的修正和/或应用在单缸或多缸应用中的多个连接的或单独的网格。可以具有多个温度传感器以及多个连接或独立的网格。此外，释放到冷却剂的热可以用于冷却剂内部的额外的网格，以对从发动机的一个位置的到另一个位置的温度的上升/下降进行建模。这些节点可以是其他单个或耦合的网格的输入边界条件，使得冷却剂腔内的温度差异更好地反映额外的金属FEA网格的局部条件。还应当理解的是，为了更加清晰，上述讨论的附图中已经忽略了化油器(carburetion)和燃料系统的各种零件，但它们可以存在于任意实施方案中。例如，在许多附图中并没有显示必要的传感器，但是本领域技术人员将能够考虑到这些传感器的类型和位置的安排。另一个示例可以是在对空气抽吸或燃料抽吸来应用同样的方法和修正从而校正混合物的电子化油器应用中。此外，单独的点火修正可以应用至不可能进行基于ECU的燃料控制的完全非电子的化油器。
当前主题的实施方案可以包括但不限于制品(例如，设备、系统等)、形成或使用的方法、物质的组分、或与本文所提供的描述一致的内容等等。
当前主题的实施方案可以包括但不限于与上面提供的描述一致的方法以及包括具体实现的机器可读介质的物体，所述机器可读介质可以运行一个或多个机器(例如，计算机等)，以使得运行实现一个或多个所描述的特性。类似的，本发明还描述了计算机系统，该计算机系统包括一个或多个处理器以及与一个或多个处理器连接的存储器(memory)。可以包括计算机可读存储介质的存储器可以包括对一个或多个程序进行编码、存储等，以使得一个或多个处理器执行本文所述的一个或多个操作。计算机实现的方法与当前主题的一个或多个实施方案相一致，其可以由设置于单个计算系统或多个计算系统中的一个或多个数据处理器实现。这种多计算系统可以被连接并且可以通过一个或多个连接(包括但不限于网络中的连接，例如，互联网、无线广域网、局域网、广域网、有线网等)或者通过多个计算系统中的一个或多个之间的直接连接等来交换数据和/或命令或者其它指令等。
在这里所描述的主题的一个或多个方面或特征可以由数字电路、集成电路、专门设计的应用特定集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)计算机硬件、固件、软件和/或他们的组合来实现。这些各个方面或者特征可以包括一个或多个计算机程序中的实施方案，这些计算机程序可以在包括有至少一个可编程处理器的可编程系统中被执行和/或被编译，作为特殊或一般用途，该可编程系统可以连接为从存储系统、至少一个输入设备以及至少一个输出设备接收数据和指令，并且将数据和指令传输至存储系统、至少一个输入设备以及至少一个输出设备。可编程系统或者计算系统可以包括客户端和服务器或者在客户端-服务器关系中运行的设备。客户端和服务器通常彼此相互远离，并且典型地通过通信网络(所述通信网络可以为有线的或者无线的)进行交互。客户端和服务器之间的关系凭借运行在各自计算机中并且具有相互的客户端-服务器关系的计算机程序或其他程序而产生。
这些计算机程序(也可以称为程序、软件、软件应用程序、应用程序、组件或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，可以由高级程序语言、面向对象的程序语言、功能性程序语言、逻辑程序语言、和/或汇编/机器语言实现。如本文中所利用的，术语“机器可读介质”表示用于提供机器指令和/或数据至包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质的可编程处理器的任意计算机程序产品、装置和/或设备，诸如磁盘、光盘、存储器和可编程逻辑器件(PLD)。术语“机器可读信号”指的是用于提供机器指令和/或数据至可编程处理器的任何信号。机器可读介质可以非易失性地存储这种机器指令，例如为非易失性固态存储器或者磁性硬盘或者任意等同的存储介质。机器可读介质可以可替选地或者额外地采用暂存的方式来存储这样的机器指令，例如为处理器的高速缓存或者与一个或多个物理处理器内核相关的其它随机存取存储器。
例如，这里描述的ECU或控制器可以在数字电子电路、集成电路、特别设计的应用特定集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)计算机硬件、固件、软件和/或它们的组合来实现。这些各个方面或者特征可以包括一个或多个计算机程序的实施方案，其在包括至少一个可编程处理器的可编程系统中是可执行和/或可编译的，作为特殊或一般用途，该可编程系统可以连接为从存储系统、至少一个输入设备以及至少一个输出设备，并且将数据和指令传输至存储系统、至少一个输入设备以及至少一个输出设备。可编程的处理器可以形成发动机管理系统的一部分，例如ECU。
为了提供与用户的交互，本文所述的主题的一个或多个方面或特征可以在具有将信息呈现给用户的显示设备(例如，阴极射线管(cathode ray tube，CRT)或者液晶显示器(light emitting diode，LCD)或者发光二极管(light emitting diode，LED)监控器)以及用户可以通过其为计算机提供输入的键盘和指向设备(例如，鼠标或者跟踪球)的计算机上实施。也可以使用其他类型的设备以提供与用户交互。例如，提供至用户的反馈可以为任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈，并且来自用户的输入可以以任何形式接收，其包括但不限制于声音、语音或触觉输入。其他可能的输入设备包括但不限制于触摸屏或其他触摸敏感设备，例如，单点或多点电阻或电容的轨迹板(trackpad)、语音识别硬件和软件、光学扫描仪、光学指针、数字图像采集设备以及相关编译软件等等。
在上面的描述和权利要求中，术语如“至少一个”或“一个或多个”可能会出现在元素或特征连接序列之后。术语“和/或”也可能出现在两个或多个元素或特征的序列中。除非另外隐含地或者明显地与其用于的上下文相矛盾之处，否则这一短语单独地表示列出的元素或特征的任意一个，或与任意其他所述元素或特征相结合的任何所述元素或特征。例如，“A和B中的至少一个”、“一个或多个A和B”以及“A和/或B”的短语的意思是“单独的A、单独的B或者A和B”。类似的解释也适用于包括三项或更多项的序列。例如，短语“A、B和C的至少一个”“A、B和C的一个或多个”和“A、B和/或C”都意味着“单独的A、单独的B、单独的C、A和B、A和C、B和C或者A和B和C”。上面或者权利要求中使用的术语“根据”的意思是“根据至少部分”，以使得没有记载的特征或者元素也是被允许的。
根据所需配置，在这里所描述的本发明的主题可在系统、设备、方法和/或制品中实现。上述说明书中所阐述的实施方案并不代表本文所述的主题相一致的所有实施方案。相反，它们仅仅是与上述主题相关的各个方面的一些示例。虽然已经详细描述了小部分变型，但是也可以进行其他的修改或添加。特别的，除了在这里阐述的，还可以提供另外的特征和/或变化。例如，上述的实施方案可以指向所公开的特征的各种组合和子组合和/或上文公开的另外几个特征的组合和子组合。此外，在附图中和/或本文中所描述的逻辑流不一定需要按显示的特定顺序或先后顺序，以获得理想的结果。其他的实施方案可在所附权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种方法，其包括：
确定发动机的汽缸的一部分的热侧温度边界条件和冷侧温度边界条件；
映射所述的汽缸的一部分的热侧温度边界条件，以反映燃烧的热能贡献；
运行有限元热传递模型，以计算在热侧温度边界和冷侧温度边界之间的多个节点中的第一节点的第一温度；
根据计算的所述第一温度，补偿一个或多个发动机工作参数，该补偿导致燃料效率和/或发动机爆震的改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热侧包括有至少部分地包含在汽缸中的燃烧室。
3.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，所述冷侧包括一个或多个汽缸体，来自燃烧的热消散入所述汽缸体。
4.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，所述冷侧温度边界条件利用直接金属温度传感器和液体温度传感器中的一个或多个来确定。
5.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，所述第一节点沿燃烧室的汽缸壁设置。
6.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，所述发动机工作参数包括点火正时、燃料供给量、节气门位置和冷却剂流量中的一个或多个。
7.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，所述发动机工作参数包括供给至燃烧室的燃料量，该燃料量在第一温度高于稳定状态温度时减少。
8.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，所述发动机工作参数包括点火提前，该点火提前在第一温度低于稳定状态温度时提前。
9.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，所述发动机工作参数包括点火提前，该点火提前在第一温度高于稳定状态温度时延迟。
10.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，有限元模型是一维的并且呈放射状设置。
11.根据上述权利要求任意一项所述的方法，其中，所述有限元模型使用多种发动机材料。
12.根据上述权利要求1至9中任意一项所述的方法，其中，所述有限元模型是多维的并且沿着感兴趣的组件设置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述有限元模型使用多种发动机材料。
14.一种发动机，其包括：
汽缸；
发动机控制器，其包括可编程处理器，所述发动机控制器配置为执行以下步骤：
确定汽缸的一部分的热侧温度边界条件和冷侧温度边界条件；
映射所述汽缸的一部分的热侧温度边界条件，以反映燃烧的热能贡献；
运行有限元热传递模型，以计算在热侧温度边界和冷侧温度边界之间的多个节点中的第一节点的第一温度；
根据计算的所述第一温度，补偿一个或多个发动机工作参数，该补偿导致燃料效率和/或发动机爆震的改变。
15.根据权利要求14所述的发动机，其中，所述热侧包括有至少部分地包含在汽缸中的燃烧室。
16.根据权利要求14至15所述的发动机，其中，所述发动机进一步包括汽缸体，该汽缸体包括冷侧，来自燃烧的热消散入该冷侧。
17.根据权利要求14至16中任意一项所述的发动机，其中，所述发动机进一步包括确定所述冷侧温度边界条件的直接金属温度传感器和液体温度传感器中的一个或多个。
18.根据权利要求14至17中任意一项所述的发动机，其中，所述第一节点沿燃烧室的汽缸壁设置。
19.根据权利要求14至18中任意一项所述的发动机，其中，所述发动机工作参数包括点火正时、燃料供给量、节气门位置和冷却剂流量中的一个或多个。
20.根据权利要求14至19中任意一项所述的发动机，其中，所述发动机工作参数包括供给至燃烧室的燃料量，该燃料量在第一温度高于稳定状态温度时减少。
21.根据权利要求14至20中任意一项所述的发动机，其中，所述发动机工作参数包括点火提前，该点火提前在第一温度低于稳定状态温度时提前。
22.根据权利要求14至21中任意一项所述的发动机，其中，所述发动机工作参数包括点火提前，该点火提前在第一温度高于稳定状态温度时延迟。
23.根据权利要求14至22中任意一项所述的发动机，其中，有限元模型是一维的并且呈放射状设置。
24.根据权利要求14至23中任意一项所述的发动机，其中，所述有限元模型使用多种发动机材料。
25.根据权利要求14至22中任意一项所述的发动机，其中，所述有限元模型是多维的。
26.根据权利要求25所述的发动机，其中，所述有限元模型使用多种发动机材料。
27.一种计算机程序装置，其包括：用于编码指令的机器可读介质，当由至少一个可编程处理器执行该指令时，使得该至少一个可编程处理器执行以下步骤：
确定汽缸的一部分的热侧温度边界条件和冷侧温度边界条件；
映射所述的汽缸的一部分的热侧温度边界条件，以反映燃烧的热能贡献；
运行有限元热传递模型，以计算在热侧温度边界和冷侧温度边界之间的多个节点中的第一节点的第一温度；
根据计算的所述第一温度，补偿一个或多个发动机工作参数，该补偿导致燃料效率和/或发动机爆震的改变。
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