CN102182540A - 发动机冷却***及冷却液温度控制方法 - Google Patents

发动机冷却***及冷却液温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机冷却***及其冷却液温度控制方法，由散热器、水泵、循环水套、电子节温器、冷却风扇、冷却液温度传感器和发动机控制单元组成。其中，控制单元根据采集到的发动机转速、负荷、车速、进气温度等信号确定发动机当前运行工况下的冷却液目标温度，并通过控制电子节温器的加热时间和冷却风扇高、低速运转，使发动机工作在最佳冷却液温度条件下。本发明可以降低车辆燃油消耗和提升车辆舒适性。

Description

发动机冷却***及冷却液温度控制方法
技术领域
本发明属于汽车发动机冷却***领域，具体涉及发动机冷却***及冷却液温度控制方法。
背景技术
传统发动机冷却***通过机械节温器控制发动机冷却液温度，在冷却液达到一定温度前，机械节温器关闭，切断通往散热器的通道（大循环），从发动机出口到旁路（暖通水管、电子节气门加热水管、CNG减压器加热水管等）的通道开启，冷却液不经冷却而直接流回发动机（小循环）；机械节温器在一定温度（如88℃）下打开，经散热器冷却（大循环）的与未冷却（小循环）的混合冷却液进入发动机，实现发动机冷却液温度的控制。如果机械节温器打开之后，冷却液温度继续升高，则当温度升高到一定温度（如94℃）时，发动机控制单元启动冷却风扇工作，加强发动机冷却效果。该***使得发动机整个运行工况的冷却液温度都只有一个目标温度（由机械节温器打开温度决定，如88℃），事实上要使发动机各工况都工作在最佳状态（最小燃油消耗、最少尾气排放、最佳动力输出），其对冷却液温度的要求是不同的，如怠速或小负荷时，要求较高的冷却液温度（如100℃）以减少发动机摩擦阻力，优化发动机燃烧，而在高速大负荷工况，则要求较低的冷却液温度（如85℃），使发动机运行在最佳状态，从而提高燃油经济性和降低尾气排放。传统发动机冷却液温度控制***是无法使发动机各工况都工作在最佳温度条件下的。同时，由于只有一个冷却液目标温度控制，为了满足发动机整个运行工况要求，该冷却液目标温度就会设置的比较低（如90℃），这就会导致冷却风扇频繁开启，增加功耗和噪音，影响整车油耗和车辆舒适性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种发动机冷却***及其冷却液温度控制方法，能够控制发动机各工况都运行在最佳冷却液温度条件下，确保发动机随时都运行在最小燃油消耗、最少尾气排放和最佳动力输出状态，同时减少冷却风扇开启时间，降低功耗和噪音。
本发明采用以下技术方案：
一种发动机冷却***，包括循环水套、电子节温器、冷却风扇、冷却液温度传感器、控制单元、水泵、散热器。
在发动机出口的循环水套上设置冷却液温度传感器，所述冷却液温度传感器的输出端连接控制单元的输入端，用于测量发动机实际冷却液温度。
控制单元的输入端还分别采集发动机转速、负荷、车速和进气温度信号。
由循环水套和水泵构成冷却液小循环***和冷却液大循环***，在发动机出口的循环水套安装电子节温器后形成冷却液小循环***和冷却液大循环***的分路接口。
水泵一侧的循环水套连接发动机入口，另一侧的循环水套形成冷却液小循环***和冷却液大循环***的汇合接口。
在所述水泵的驱动下，冷却液从发动机出口，分别流经冷却液大循环***和冷却液小循环***，最后再回到发动机。
其中，所述控制单元的输出端还与冷却液大循环***相连，根据所采集的发动机转速、负荷、车速、进气温度信号用以确定发动机当前运行工况下的最佳冷却液目标温度，将所述最佳冷却液目标温度与冷却液温度传感器输入的实际温度进行比较，通过对冷却液大循环***的控制，使发动机工作在最佳冷却液温度环境下。
所述冷却液大循环***包括电子节温器、散热器和冷却风扇，其中电子节温器和散热器均通过循环水套联通在冷却液大循环***的循环通道上，冷却风扇设置在所述散热器的正后方。
所述控制单元通过控制电子节温器打开或关闭冷却液大循环***，以及通过控制冷却风扇的运转，确保使发动机工作在最佳冷却液温度环境下。
本发明还公开一种基于上述发动机冷却***的发动机冷却液温度控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：确定目标冷却液温度
由根据发动机转速和负荷确定第一目标温度；根据发动机进气温度和车速1确定第二目标温度；根据发动机负荷和车速确定第三目标温度，三个目标温度之中选取最小值作为最终的目标冷却液温度；
步骤2：计算电子节温器加热时间
控制单元根据发动机冷却液温度传感器测量的实际冷却液温度与目标冷却液温度的温度差进行PID计算，确定电子节温器的加热时间，随着加热时间的增加，电子节温器的升程不断增加，随着电子节温器升程不断增加，冷却液大循环的开度则逐渐增大，当加热时间达到一定时间后，升程达到最大，而冷却液大循环也完全打开。
步骤3：控制冷却风扇运转
当电子节温器到达全开设定时间后，如果发动机冷却液温度仍高于目标冷却液温度，则控制冷却风扇运转，达到冷却目的。
本发明的有益效果是：依照本发明的冷却液温度控制***，通过对不同工况下发动机冷却液温度的控制，确保发动机随时都运行在最小燃油消耗、最少尾气排放和最佳动力输出状态，同时减少冷却风扇开启时间，降低功耗和噪音，提高整车舒适性和燃油经济性。
附图说明
图1所示为本发明发动机冷却***中的冷却液小循环***的结构示意图；
图2所示为本发明发动机冷却***结构示意图；
图3所示为本发明冷却液温度控制方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行进一步描述。
参照图1， 该冷却***由循环水套8、电子节温器7、冷却液温度传感器6、控制单元5、水泵9组成。在发动机出口的循环水套8上设置冷却液温度传感器6，所述冷却液温度传感器的输出端连接控制单元5的输入端，用于测量发动机实际冷却液温度；控制单元5的输入端还分别采集发动机转速2、负荷3、车速1和进气温度4信号；由循环水套8和水泵9构成冷却液小循环***；当在所述水泵9的驱动下，冷却液从发动机出口，流经冷却液小循环***，最后再回到发动机。
参照图2，该冷却***由循环水套8、电子节温器7、冷却风扇10、冷却液温度传感器6、控制单元5、水泵9、散热器11组成。在发动机出口的循环水套8上设置冷却液温度传感器6，所述冷却液温度传感器的输出端连接控制单元5的输入端，用于测量发动机实际冷却液温度；控制单元5的输入端还分别采集发动机转速2、负荷3、车速1和进气温度4信号；由循环水套8和水泵9构成冷却液小循环***和冷却液大循环***，在发动机出口的循环水套8安装冷却液温度传感器6后形成冷却液小循环***和冷却液大循环***的分路接口；水泵9一侧的循环水套8连接发动机入口，另一侧的循环水套8形成冷却液小循环***和冷却液大循环***的汇合接口；在所述水泵9的驱动下，冷却液从发动机出口，分别流经冷却液大循环***和冷却液小循环***，最后再回到发动机。
其中，所述控制单元5的输出端还与冷却液大循环***相连，根据所采集的发动机转速2、负荷3、车速1、进气温度4信号用以确定发动机当前运行工况下的最佳冷却液目标温度，将所述最佳冷却液目标温度与冷却液温度传感器输入的实际温度进行比较，通过对冷却液大循环***的控制，使发动机工作在最佳冷却液温度环境下。
所述冷却液大循环***包括电子节温器、散热器和冷却风扇，其中电子节温器和散热器均通过循环水套8联通在冷却液大循环***的循环通道上，冷却风扇设置在所述散热器的正上方；所述控制单元5通过控制电子节温器7打开或关闭冷却液大循环***，以及通过控制冷却风扇10的运转，确保使发动机工作在最佳冷却液温度环境下。
参照图3，本实施例的冷却液温度控制方法包含以下步骤：
（1）目标冷却液温度确定
[001] 冷却液温度传感器故障判断；
如果冷却液温度传感器故障，则
[002]电子节温器加热时间t（占空比）=100%；
[019]冷却风扇高速运转，此时发动机冷却***由小循环+大循环构成，如图2；
如果冷却液温度传感器无故障，则
[003]读取车速1、转速2、进气温度4、发动机负荷3和冷却液温度信号；
本实施例中控制单元5采集发动机转速2、发动机负荷3、进气温度4和车速1信号用于目标冷却液温度确定；其中发动机转速2来源于发动机转速传感器，负荷3为控制单元5根据发动机进气温度、进气压力以及节气门开度计算的发动机负荷，进气温度4来源于发动机进气温度传感器，车速1来源于车速传感器。控制单元5中存储3个目标冷却液温度MAP图，由转速2和发动机负荷3确定的MAP图1，由进气温度4和车速1确定的MAP图2，由发动机负荷3和车速1确定的MAP图3，各MAP图中各点目标冷却液温度通过实车标定确定，并最终存储到控制单元5中。
[004] 根据转速2和发动机负荷查表MAP图1，得到当前工况下发动机目标冷却液温度1；
[005]根据进气温度4和车速1查表MAP图2，得到当前工况下发动机目标冷却液温度2；
[006]根据发动机负荷3和车速1查表MAP图3，得到当前工况下发动机目标冷却液温度3；
[007]确定当前工况下发动机目标冷却液温度：目标冷却液温度=Min{目标冷却液温度1，目标冷却液温度2，目标冷却液温度3}；
本实施例中发动机转速2的范围为750rpm(怠速转速)~6000rpm（发动机最高转速），负荷3的范围为10%~100%，进气温度4的范围为21℃~60℃，车速1的范围为0km/h~140km/h。
（2）电子节温器7加热时间计算
本实施例中控制单元5根据发动机冷却液温度传感器6测量的实际冷却液温度与目标冷却液温度的差值计算电子节温器7的加热时间，从而控制冷却液大循环的开度，当冷却液大循环完全打开（即电子节温器7的加热时间t=100%，即达到全开设定时间) 一定时间后（具体时间视车型而定，本实施例为3分钟），如果发动机冷却液温度仍高于目标温度T3以上，则控制冷却风扇10低速或高速运转，达到冷却目的。
本实施例中电子节温器7加热时间t方法如下：
[008]计算温度差：温度差=实际温度-目标温度；
[009]电子节温器加热时间计算：
电子节温器7加热时间=P(温度差)+I（温度差）+D（目标温度，发动机负荷3）；
P（温度差）：PID控制中的P部分加热时间，是由温度差值确定的一维MAP图，计算加热时间时根据温度差查表获取P部分修正参数；
I（温度差）：PID控制中的I部分，也是根据温度差值确定的一维MAP图，计算加热时间时根据温度差查表获取I部分修正参数
D(目标温度，发动机负荷3)：PID控制中的D部分，是根据目标温度和发动机负荷3确定的一个MAP图，计算时根据目标温度和发动机负荷3查表获取D部分修正参数。
（3）冷却风扇高、低速运转计算
[010]冷却风扇是否高、低速运转的前提条件是冷却液大循环完全打开（即电子节温器的加热时间t=100%）；
[011][012] 对冷却液大循环完全打开时间计时t1；若t1>T0，即冷却液大循环全开T0时间（具体时间视车型而定，本实施例为3分钟）后，若：
[013][014] 若温度差>T3，则冷却风扇低速运转；若温度差>T1，则冷却风扇高速运转；
[015][016] 当冷却风扇高速运转后，若温度差<T2，则冷却风扇从高速运转改为低速运转；
[017][018] 当冷却风扇低速运转后，若温度差<T4，则冷却风扇停止运转；
其中：T1>T2>T3>T4，T1、T2、T3、T4具体数值根据各车型实际情况标定确定。

Claims (7)

1.一种发动机冷却***，包括循环水套（8）、冷却液温度传感器（6）、控制单元（5）、水泵（9）；其特征在于：
在发动机出口的循环水套（8）上设置冷却液温度传感器（6），所述冷却液温度传感器的输出端连接控制单元（5）的输入端，用于测量发动机实际冷却液温度；
控制单元（5）的输入端还分别采集发动机转速（2）、负荷（3）、车速（1）和进气温度（4）信号；
由循环水套（8）和水泵（9）分别构成冷却液小循环***和冷却液大循环***，在发动机出口的循环水套（8）安装电子节温器（7）后形成冷却液小循环***和冷却液大循环***的分路接口；
水泵（9）一侧的循环水套（8）连接发动机入口，另一侧的循环水套（8）形成冷却液小循环***和冷却液大循环***的汇合接口
在所述水泵（9）的驱动下，冷却液从发动机出口，分别流经冷却液大循环***和冷却液小循环***，最后再回到发动机；
其中，所述控制单元（5）的输出端还与冷却液大循环***相连，根据所采集的发动机转速（2）、负荷（3）、车速（1）、进气温度（4）信号用以确定发动机当前运行工况下的最佳冷却液目标温度，将所述最佳冷却液目标温度与冷却液温度传感器输入的实际温度进行比较，通过对冷却液大循环***的控制，使发动机工作在最佳冷却液温度环境下。
2.根据权利要求1所述的发动机冷却***，其特征在于：
所述冷却液大循环***包括电子节温器（7）、冷却风扇（10）、散热器（11），其中电子节温器和散热器均通过循环水套（8）联通在冷却液大循环***的循环通道上，冷却风扇设置在所述散热器的正上方；
所述控制单元（5）通过控制电子节温器（7）打开或关闭冷却液大循环***、以及控制冷却液大循环***的开度，以及通过控制冷却风扇（10）的运转，确保使发动机工作在最佳冷却液温度环境下。
3.一种基于权利要求1或2所述的发动机冷却***的发动机冷却液温度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1： 确定目标冷却液温度
由根据发动机转速（2）和负荷（3）确定第一目标温度；根据发动机进气温度（4）和车速（1）确定第二目标温度；根据发动机负荷（3）和车速（1）确定第三目标温度，三个目标温度之中选取最小值作为最终的目标冷却液温度；
步骤2：计算电子节温器（7）加热时间
控制单元（5）根据发动机冷却液温度传感器（6）测量的实际冷却液温度与目标冷却液温度的温度差进行PID计算，确定电子节温器（7）的加热时间t，随着加热时间的增加，电子节温器的升程不断增加，随着电子节温器升程不断增加，冷却液大循环的开度则逐渐增大，当加热时间达到设定的全开设定时间后，升程达到最大，而冷却液大循环也完全打开；
步骤3：控制冷却风扇运转
当电子节温器（7）到达全开设定时间后，如果发动机冷却液温度仍高于目标冷却液温度，则控制冷却风扇（10）运转，达到冷却目的。
4.根据权利要求3所述的发动机冷却液温度控制方法，其特征在于：
在所述步骤（2）中，所述电子节温器（7）的加热时间优选通过以下方式确定：
电子节温器（7）的加热时间t=P(温度差)+I（温度差）+D（目标温度，发动机负荷）；
其中，P（温度差）：PID控制中的P部分加热时间，是由实际冷却液温度与目标冷却液温度的温度差值确定的一维MAP图，根据温度差查一维MAP图获取P部分加热时间；
I（温度差）：PID控制中的I部分加热时间，是由实际冷却液温度与目标冷却液温度的温度差值确定的一维MAP图，根据温度差查一维MAP图获取I部分加热时间；
D(目标温度，发动机负荷)：PID控制中的D部分加热时间，是根据目标温度和发动机负荷确定的一个MAP图，根据目标温度和发动机负荷查表该MAP图获取D部分加热时间。
5.根据权利要求3所述的发动机冷却液温度控制方法，其特征在于：
在所述步骤（3）中，设定第一温度T1、第二温度T2、第三温度T3和第四温度T4，其中T1>T2>T3>T4；
若发动机冷却水温度传感器（6）测量的实际冷却液温度与目标冷却液温度的温度差>T3，则冷却风扇低速运转；若所述温度差>T1，则冷却风扇高速运转；
当冷却风扇高速运转后，若所述温度差<T2，则冷却风扇从高速运转改为低速运转；当冷却风扇低速运转后，若所述温度差<T4，则冷却风扇停止运转。
6.根据权利要求5所述的发动机冷却液温度控制方法，其特征在于：
所述第一温度T1，第二温度T2，第三温度T3，第四温度T4，根据具体车型项目标定确定。
7.根据权利要求4-6任一项权利要求所述的发动机冷却液温度控制方法，其特征在于：
如果冷却液温度传感器故障，则根据发动机负荷（3）、转速（2）确定电子节温器加热时间t（占空比）=100%，同时控制冷却风扇高速运转；
对电子节温器加热，电子节温器开度由加热时间确定，若加热时间t=100%、即到达全开设定时间，则电子节温器全开，冷却液大循环就完全打开。
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