用于内燃发动机的灵活的发动机金属升温系统和方法技术领域
本公开大体涉及用于内燃发动机的冷却系统，以及更具体地，涉及用于在内燃发动机预热周期期间控制冷却剂，以避免冷却剂沸腾，但仍促进发动机快速预热至其正常操作温度的系统和方法。
背景技术
在此提供的背景技术描述是为了大体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作（在此背景技术部分中描述的程度）以及在提交时未被认为是现有技术的描述方面既不明示地也不暗示地被认作对抗本公开的现有技术。
内燃发动机在汽缸内燃烧空气和燃料混合物以驱动活塞，由此产生驱动扭矩。冷却剂循环通过发动机缸体和发动机的汽缸头，并且在正常操作期间冷却保持处于接近预定的温度。这使得发动机能够在预定操作温度下操作，这样最大化效率并因此最大化发动机的燃料经济性。
在从冷的发动机启动发动机期间，重要的是，尤其是为了优化燃料经济性，使发动机尽可能快地达到其正常操作。这促进更有效的燃烧，并且重要的是减少发动机预热期间的燃料消耗。然而，在预热阶段不可能仅仅使整个发动机没有冷却剂流过。这是因为现代内燃发动机的各个部分在发动机预热期间并非理想地均匀升温。已经确定对于现代涡轮增压的内燃发动机，被称作集成排气歧管（IEM）的部件（其使排出气体流入涡轮增压器中）通常是在从冷启动开始的发动机预热期间升温最快的部件。因此在最初启动之后很短的时间内，将需要使至少少量冷却剂流循环通过IEM，以防止IEM的冷却剂夹套内的冷却剂沸腾。防止冷却剂沸腾是重要的，因为冷却剂沸腾将使IEM的金属承受压力。然而，仅使冷却剂以相对均匀的流动流过发动机的所有部分将用于从组成燃烧室区域的金属部件带走热量，以及更具体地是从靠近燃烧室的汽缸头和发动机缸体带走热量，并由此用于延长发动机达到其正常操作温度所需的时间。这还会降低在升温阶段期间的燃料经济性。
因此，难题在于如何管理冷却剂流使其以下述方式流过发动机的选定部分，即，防止冷却剂在通常升温最快的那些发动机区域中沸腾，但不从靠近发动机燃烧室的发动机金属部件带走热量。解决此难题将使得能够提高发动机预热阶段期间的燃料经济性。
发明内容
本公开的一个方面涉及用于优化内燃发动机的发动机预热操作期间的燃料经济性的方法。所述方法可包括：提供具有冷却剂夹套的排气歧管，冷却剂可流过冷却剂夹套；以及确定排气歧管中的冷却剂温度。然后可操作所述方法来确定排气歧管中的冷却剂温度是否处于预定最大阈值，预定最大阈值代表刚好低于冷却剂将开始沸腾的温度的温度阈值。当确定排气歧管中的冷却剂温度在发动机预热阶段已经达到预定最大阈值时，则可确定保持冷却剂温度处于大约预定最大阈值所需的通过排气歧管的冷却剂的最小流速。然后，可使冷却剂流按照所述最小流速通过排气歧管。
本公开的另一方面涉及用于优化在冷启动之后内燃发动机的发动机预热操作阶段期间的燃料经济性的方法。所述方法可包括当发动机处于预热操作阶段时，监控与发动机相连的集成排气歧管（IEM）中存在的冷却剂的温度。然后可确定IEM中的冷却剂温度何时达到冷却剂几乎将开始沸腾的点。当确定IEM中的冷却剂几乎将开始沸腾时，则可使预定的受限的冷却剂流通过IEM以防止发生冷却剂沸腾。
本公开的又另一方面涉及用于优化在内燃发动机的发动机预热操作阶段期间的燃料经济性的系统。所述系统可包括排气歧管和可流过排气歧管的冷却剂。可包括用于泵送流体通过排气歧管的冷却剂泵。温度传感器可用于确定发动机预热阶段期间存在排气歧管中的一部分冷却剂的温度。发动机控制模块可与温度传感器和冷却剂泵通信，并且可配置来确定存在排气歧管中的冷却剂的温度何时将达到沸点。发动机控制模块可进一步控制冷却剂泵，以引起最小预定流速来应用至通过排气歧管的冷却剂。所述最小预定流速足以保持冷却剂温度刚好低于沸点。
根据本发明，其还存在以下技术方案：
1.一种用于优化内燃发动机的发动机预热操作阶段期间的燃料经济性的方法，所述方法包括：
提供具有冷却剂夹套的排气歧管，冷却剂能够流过所述冷却剂夹套；
确定所述排气歧管中的所述冷却剂的温度；
确定所述排气歧管中的所述冷却剂的温度是否处于预定最大阈值，所述预定最大阈值代表刚好低于所述冷却剂将开始沸腾的温度的温度阈值；
当确定所述排气歧管中的所述冷却剂的温度在所述发动机预热阶段期间已经达到所述预定最大阈值时，则确定来保持所述冷却剂的温度处于约所述预定最大阈值所需的通过所述排气歧管的所述冷却剂的最小流速；以及
引起所述冷却剂按照所述最小流速通过所述排气歧管。
2.如技术方案1所述的方法，其中，通过所述排气歧管的所述冷却剂的所述最小流速至少部分地基于发动机的热量排放值，所述热量排放值至少部分地由与每缸空气（APC）和发动机RPM相关的测量结果所确定。
3.如技术方案2所述的方法，其中，所述发动机热量排放值至少部分地由与发动机扭矩和发动机RPM相关的测量结果所确定。
4.如技术方案2所述的方法，其中，所述发动机热量排放值由与每缸空气（APC）、发动机扭矩和发动机RPM中每个相关的测量结果所确定。
5.如技术方案1所述的方法，其中，通过所述排气歧管的所述冷却剂的所述最小流速至少部分地由所述排气歧管中所述冷却剂的所确定的温度来确定。
6.如技术方案1所述的方法，其中，基于所述冷却剂的压力和已知的发动机热量排放因素的结合确定通过所述排气歧管的所述冷却剂的所述最小流速，所述已知的发动机热量排放因素包括在发动机预热阶段期间每缸空气APC的已知值、在发动机预热阶段期间产生的发动机扭矩和在发动机预热阶段期间的每分钟转数RPM的发动机速度。
7.如技术方案1所述的方法，其中，确定所述排气歧管中的所述冷却剂的温度是否处于预定最大值包括确定冷却剂压力和发动机热量排放值，以及使用所确定的冷却剂压力、发动机热量排放值来确定通过所述排气歧管的所述冷却剂的所述最小流速。
8.如技术方案1所述的方法，其中，所述提供排气歧管包括提供集成排气歧管。
9.如技术方案1所述的方法，其中，确定所述排气歧管中的所述冷却剂的温度是否处于预定最大阈值的操作包括使用查找表来估算所述排气歧管中所述冷却剂的温度的操作。
10.如技术方案1所述的方法，其中，确定来保持所述冷却剂的温度处于约所述预定最大阈值所需的通过所述排气歧管的所述冷却剂的最小流速的操作包括使用查找表来获得所述冷却剂所需的最小流速。
11.一种用于优化在冷启动之后内燃发动机的发动机预热操作阶段期间的燃料经济性的方法，所述方法包括：
当所述发动机处于预热操作阶段中时，监控与所述发动机相连的集成排气歧管IEM中存在的冷却剂的温度；
确定所述IEM中的所述冷却剂的温度何时达到冷却剂几乎将开始沸腾的温度；以及
当确定所述IEM中的所述冷却剂几乎将开始沸腾时，则使预定的受限的冷却剂流通过所述IEM以防止发生冷却剂沸腾。
12.如技术方案11所述的方法，其中，所述预定的受限的冷却剂流至少部分地由所述冷却剂的压力确定。
13.如技术方案11所述的方法，其中，所述预定的受限的冷却剂流至少部分地由在预热操作阶段期间所述发动机的每分钟转数（RPM）的发动机速率确定。
14.如技术方案11所述的方法，其中，所述预定的受限的冷却剂流由冷却剂压力和与发动机金属部件相关的已知的发动机热量排放的结合确定。
15.如技术方案11所述的方法，其中，所述预定的受限的冷却剂流至少部分地由所述IEM中的所述冷却剂的监控的温度确定。
16.如技术方案11所述的方法，其中，所述预定的受限的冷却剂流至少部分地由与所述发动机的金属部件相关的已知的发动机热量排放因素确定。
17.如技术方案16所述的方法，其中，所述已知的发动机热量排放因素至少部分地基于在所述发动机预热阶段期间的每缸空气（APC）的值、发动机扭矩和每分钟转数（RPM）的发动机速度确定。
18.如技术方案16所述的方法，其中，所述已知的发动机热量排放因素至少部分地基于在所述发动机预热阶段期间的发动机扭矩值和每分钟转数（RPM）的发动机速度确定。
19.一种用于优化内燃发动机在发动机预热操作阶段期间的燃料经济性的系统，所述系统包括：
排气歧管；
冷却剂，其能够流过所述排气歧管；
冷却剂泵，其用于泵送流体通过所述排气歧管；
温度传感器，其用于确定在发动机预热阶段期间存在于所述排气歧管中的所述冷却剂的的一部分的温度；以及
发动机控制模块，其与所述温度传感器和所述冷却剂泵通信，以及其配置来确定所述排气歧管中的所述冷却剂的温度何时将达到沸点，并进一步使用所述冷却剂泵使所述冷却剂以最小预定流速通过所述排气歧管，所述最小预定流速足以保持所述冷却剂的温度刚好低于沸点。
20.如技术方案19所述的系统，其中，所述最小预定流速基于在所述发动机预热阶段期间的所述冷却剂的压力、所述发动机的金属部件的已知热量排放和在发动机预热阶段期间的每分钟转数（RPM）的发动机速度的结合来确定。
从具体说明、权利要求和附图，本公开的其它适用范围将变得显而易见。具体说明和特定示例仅是为了说明的目的，且并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
从具体说明和附图将更全面地理解本公开，在附图中：
图1是根据本公开原理的示例性发动机系统的功能框图，其中，发动机系统包括从集成排气歧管（IEM）接收排气流的涡轮增压器；
图2是流程图，其图示在执行根据本公开的发动机金属升温方法时可以实施的多个操作中的一个示例；以及
图3显示图表，其图示在发动机预热阶段期间提高平均汽缸头金属温度和冷却剂温度如何能够使预热阶段的燃料消耗降低至少约2%。
在附图中，附图标记可重复用于指示相似和/或相同的元件。
具体实施方式
现在参照图1，根据本公开的一个示例示出了发动机系统10的概要图，以帮助说明发动机冷却剂流过发动机系统10的各个部分。发动机系统10可包括发动机缸体12，其与具有IEM冷却剂温度传感器16的集成排气歧管（“IEM”）14连通。发动机缸体12还与缸体阀（blockvalve）18和缸体温度传感器20连通，该传感器20感测冷却剂离开发动机缸体12时的温度。发动机外冷却剂温度传感器21感测冷却剂离开汽缸头（附图中未明确示出）时的冷却剂温度。
来自汽缸头的冷却剂流的一部分22可被引导至冷却剂回路部分24中。冷却剂回路部分24可向加热器26以及向多功能阀28供应热冷却剂。多功能阀28与接收热冷却剂并冷却所述冷却剂的散热器30连通。旁路回路32可将冷却剂的旁路流供应回电冷却剂泵34。回路部分36也可将已经离开散热器30的冷却剂供应到电冷却剂泵34。散热器外温度传感器31可感测冷却剂离开散热器30时的温度。冷却剂可朝向涡轮增压器38流动并流过涡轮增压器38并被输送回冷却剂回路部分36。冷却剂回路部分42可将冷却剂输送回多功能阀28。入口温度传感器44可感测冷却剂进入涡轮增压器38和发动机缸体12时的温度。油换热器46和变速器换热器48可各自与冷却剂回路部分50和52以及与多功能阀28连通，并且可操作来帮助将热量从冷却剂传导到发动机油和变速器流体。
系统10还可包括发动机计算机54，该发动机计算机54具有在其上执行的发动机金属升温程序56。发动机金属升温程序56可配置来访问IEM温度/发动机功率查找表56a，其包括关于在启动发动机系统10之后紧接着的第一预定时间间隔内的估算IEM冷却剂温度的信息。就此而言，合适的是在从冷状态启动发动机系统10之后的最初30-60秒期间，来自IEM传感器16的读数自身不能提供所需的冷却剂温度准确度以测量IEM14中的冷却剂的温度。这是因为IEM冷却剂温度传感器16在至少少量程度的冷却剂流过其感测元件时运行最佳。但在第一预定事件间隔期间，IEM14中的冷却剂不流动。因此，对于发动机从冷状态启动之后紧接着的第一预定时间间隔，IEM温度/发动机功率表56a可用于估算IEM14中冷却剂的温度。在IEM温度/发动机功率查找表56a中编译的估算值可通过经验测试和特定IEM14的已知特征来产生，所述已知特征是所使用的发动机冷却剂的具体类型、每缸空气和/或扭矩和发动机RPM以及影响IEM14中的冷却剂在冷却剂未流过IEM14的第一预定时间间隔期间预热至沸点的速度的任何其它相关因素。
发动机计算机54可从温度传感器16、20、21、31和44中的每个接收输入并且与发动机系统10的各个部件连通，例如加热器26、电泵34、缸体阀18和多功能阀28。与这些部件连通使得发动机计算机54能够监控和控制各个部件和发动机系统10的子系统的操作。
发动机计算机54使用发动机金属升温程序56通过温度/发动机功率查找表56a和IEM温度传感器16提供的温度信号来估算在IEM14中流动的冷却剂的温度。据信，IEM14可以是冷却剂流过发动机系统10的各个部分时经历的最热的位置之一（如果不是唯一的最热位置）。因此，能够预期IEM16的冷却剂夹套中存在的冷却剂比发动机系统10的其它部分中的冷却剂更快地达到沸腾温度。本公开通过使用发动机金属升温程序56和发动机计算机54来使用此认识，以引起刚好足够的冷却剂流来移动通过IEM16，从而防止冷却剂沸腾，但不会引起冷却剂流来移动通过发动机系统10的其它部分，例如通过发动机缸体12或汽缸头。以此方式，在发动机预热期间，冷却剂几乎不会从与发动机系统10的这些部分相关的金属移走热量。在发动机预热操作阶段期间保持发动机缸体12和汽缸头中的金属升温能够显著提高此发动机操作阶段期间的燃料经济性。
参照图2，示出了概要流程图100，其描述了发动机计算机54在执行发动机金属升温程序56以控制通过IEM14的冷却剂流，从而实现期望的发动机金属升温而不引起IEM中的冷却剂沸腾时执行的各种操作的一个示例。在操作102处，首先假设IEM14将形成发动机系统10的最热区域。在操作104处，在第一预定时间间隔期间发动机金属升温程序56可使用温度/发动机功率查找表56a来估算IEM14是否达到第一预定温度阈值。如上所述的，第一预定时间间隔限定“零流”模式。因此，零流模式是发动机系统10最初启动的时刻和当IEM14达到第一预定温度阈值的时刻之间的时间间隔。在零流模式期间，没有冷却剂流发生经过IEM14，但冷却剂当然将存在于IEM的夹套中。目标是来容许发动机的金属部件尽可能快地升温，而不会引起IEM14中的冷却剂开始沸腾。换言之，重要的目标是不从发动机系统10的金属部件（例如，缸体12和汽缸头）移走任何热量，从而使得发动机系统10将能够尽可能快地预热至其标称操作温度。
在操作106处，核查是否已经达到第一预定温度阈值。此核查可由发动机计算机54使用发动机金属升温程序56读取IEM温度/发动机功率表56a来进行。如果此核查产生了答案“否”，则重复操作104。
当操作106处的核查指示已经达到第一温度阈值时，则在操作108处，发动机计算机54可读取IEM温度传感器16以获得IEM14内冷却剂的实时温度。在操作110处，发动机计算机54可获得通过发动机缸体12的汽缸的实时每缸空气流（“APC”）和/或发动机系统10产生的实时的发动机扭矩（f（扭矩））以及实时的发动机RPM，以确定实时的发动机功率，由此可获得实时的热量排放。操作110可进一步包括确定多个实时变量，例如实时冷却剂压力（即，f（冷却剂能量））和IEM冷却剂温度。发动机热量排放表示与发动机系统10的金属部件（尤其是发动机缸体12和汽缸头）的能力相关的已知参数。在操作112处，基于实时的发动机功率、实时的感测IEM温度和发动机金属部件（即，IEM14、汽缸头和/或缸体12）的已知热量排放以及冷却剂的实时压力，发动机计算机54可确定防止IEM14中发生冷却剂沸腾同时仍最小化从IEM提取的热量所需的冷却剂流的最小量（例如，以升每分钟为单位）。可从冷却剂流查找表56b中获得冷却剂流的最小量，如图1所示。冷却剂流查找表56b可包括防止IEM中发生冷却剂沸腾所需的通过IEM14的最少冷却剂流的具体值、所感测的IEM冷却剂温度和确定的热量排放的具体值。可使用经验测试数据和与特定IEM和特定冷却剂相关的已知因素来构造冷却剂流查找表56a。并且，所需的最小IEM冷却剂流是刚好防止IEM14中发生冷却剂沸腾的流过IEM14的冷却剂流的最小量。在操作114处，可开始使冷却剂流以预定最小流速流过IEM14。
在操作116处，核查以确定是否已经达到一个或更多个第二温度阈值，其将指示在发动机系统10的任何其它区域处的发动机沸腾或发动机已经达到其操作温度。如果结果是否定的，则重复操作108-114。如果已经达到一个或更多个第二预定温度阈值中的任何一个，则在操作118处退出发动机金属升温模式。
简要参照图3，现在的内燃发动机在启动操作阶段期间的燃料消耗测试已经显示利用本公开的系统10和方法可实现约2%或可能更多的燃料节省。图3图示发动机预热操作阶段期间的汽缸头金属温度变化如何能够产生显著的燃料节省。并且，冷却剂温度和流速两者均被认为来优化正在发生的发动机金属升温。在图3中，点120表示当平均汽缸头金属温度约为157.5℃时（即，在应用本公开的发动机升温方法时）的燃料消耗速率（1.44克每秒）。点122表示当平均汽缸头金属温度约为137.5℃时的瞬时燃料消耗速率（1.47克每秒）。通过控制IEM14中的热量排放，在此描述的发动机金属升温能够切实地增加发动机预热阶段的燃料效率。预期这种燃料节省是帮助满足对汽车和轻型卡车越来越严格的美国政府燃料经济性标准的重要因素。
在此公开的系统和方法使能防止冷却剂流入发动机的燃烧室区域，来促进发动机燃烧室部件（例如，缸体和汽缸头）的金属快速升温至发动机的最佳操作温度，同时防止在IEM14中发生冷却剂沸腾。这使得在发动机预热操作阶段期间热能来保留在发动机的金属部件中，而不是在发动机预热阶段期间使热能传递到冷却剂中。这使得发动机系统10能够尽可能快地达到其最佳操作温度，同时降低或消除当在发动机预热阶段完全不提供冷却剂流而导致发生冷却剂沸腾时对IEM14中的金属产生的压力。这还能够显著提高发动机预热阶段的燃料经济性。通过使用本文描述的教导在发动机预热操作阶段可能实现约1.5%-2%的量级上的或可能更高的改进的燃料经济性的估计。
以上描述本质上仅是说明性的，并且并不旨在以任何方式限制本公开、其应用或用途。本公开的广义教义能够实现为各种形式。因此，虽然本公开包括具体的示例，但本公开的真实范围不应该受限于此，因为通过研究附图、说明书和所附权利要求，其它修改将是显而易见的。如在此使用的，短语A、B和C中的至少一个应该使用非排它性的逻辑OR解释为表示逻辑（A或B或C）。应该理解到，在不改变本公开的原理的情况下，可按不同顺序（或同时）执行方法中的一个或更多个步骤。
在本申请中，包括以下定义，术语模块可由术语电路替代。术语模块可指专用集成电路（ASIC）的一部分或包括专用集成电路；数字、模拟或混合模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享、专用或组）；存储由处理器所执行的代码的存储器（共享、专用或组）；提供所述功能的其它合适的部件；或以上一些或全部的组合，例如在片上系统中。
如以上使用的，术语代码可包括软件、固件和/或微代码，并且可涉及程序、例程、功能、类和/或对象。术语共享处理器包括执行来自多个模块的一些或全部代码的单个处理器。术语组处理器包括与额外的处理器结合地执行来自一个或更多个模块的一些或全部代码的处理器。术语共享存储器包括存储来自多个模块的一些或全部代码的单个存储器。术语组存储器包括与额外的存储器结合地存储来自一个或更多个模块的一些或全部代码的存储器。术语存储器可以是术语计算机可读介质的子集。术语计算机可读介质不包括传播通过介质的瞬时的电信号和电磁信号，因此可被认为是有形的和非瞬时的。非瞬时的有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁存储器和光存储器。
本申请中描述的设备和方法可部分地或完全由一个或更多个处理器所执行的一个或更多个计算机程序实现。计算机程序包括存储在至少一个非瞬时的有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括和/或依赖所存储的数据。