CN109854354A - 柴油机变海拔变流量冷却***及其控制过程 - Google Patents

柴油机变海拔变流量冷却***及其控制过程 Download PDF

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Abstract

一种柴油机变海拔变流量冷却***，包括变海拔变冷却液流量***、变海拔变冷却空气流量***和控制***；所述变海拔变冷却液流量***包括变流量冷却水泵、变温度节温器、散热器；所述变海拔变冷却空气流量***的冷却风扇与液压控制装置连接；所述控制***包括ECU控制单元、安装在柴油机出口与变温度节温器之间的冷却液出口管路上的温度传感器、安装在散热器出口的冷却液管路上的温度传感器、安装在柴油机出口与变温度节温器之间的冷却液出口管路上的流量传感器和分别安装在变温度节温器两个出口处的两个冷却液流量传感器。该***可实现在0～5500m海拔范围内，柴油机冷却强度的实时最优控制。

Description

柴油机变海拔变流量冷却***及其控制过程
技术领域
本发明涉及柴油机技术领域，特别是涉及一种柴油机变海拔变流量冷却***及其控制过程。
背景技术
车辆、工程机械等动力装备在高原运行时，由于散热性能变差以及柴油机热负荷增大等导致柴油机出现冷却水易开锅、冷却***冷却能力下降、机体易过热等问题，并将最终导致柴油机在高原地区持续作业能力和作业强度均存在不同程度的下降。这些问题可以归结为柴油机冷却***与柴油机工作过程匹配性变差。
传统的柴油机冷却***即由柴油机曲轴通过带传动直接驱动冷却***部件(水泵、风扇)。这种冷却***的冷却能力是按照柴油机最大热负荷工况设计的，不能根据柴油机变工况冷却散热需求实时调节，此局限性导致了柴油机传统冷却***无法适应不同海拔、工况下的冷却需求，造成高海拔下冷却不足或低海拔部分负荷冷却过度，并且机械式冷却***能耗大，在发动机额定工况下的功耗占发动机有效输出的5％～12％，其以高速状态离合时,给发动机带来较大的热冲击应力。由于石蜡节温器具有响应延时和“滞回”的特性，无法根据发动机水温的变化做出实时的、准确的晌应，存在节温器并没有完全开启，冷却风扇却开始对散热器强化散热的情况，由于冷却液并没有全部流经散热器，所以冷却风扇的散热效率降低。调节循环水泵的流量只是改变了冷却液循环的总流量，冷却液大循环流量和小循环流量具体变化了多少受节温器开度的影响，而石蜡节温器的开度与冷却液温度之间并不是一一对应的关系，石蜡节温器不能实现对冷却液大、小循环流量分配的精确控制。目前，针对柴油机冷却***的改进主要围绕在冷却***部件(如水泵、风扇、节温器)的单一控制方面，但在高原特殊环境下，单一部件的优化控制不足以满足柴油机变海拔的散热需求，因此对冷却***进行集成控制成为高原柴油机冷却的必要手段。
发明内容
针对现有柴油机高海拔冷却***存在的技术缺陷，本发明提供一种柴油机高海拔变流量冷却***，该***可根据不同海拔大气压力、温度、冷却液沸点等高海拔环境条件参数和冷却***热力参数，以及不同海拔柴油机热状态，对柴油机冷却液总流量、大小循环流量以及冷却空气流量进行协同控制，实现在0～5500m海拔范围内，柴油机冷却强度的实时最优控制。
如上构思，本发明的技术方案是：一种柴油机变海拔变流量冷却***，包括变海拔变冷却液流量***、变海拔变冷却空气流量***和控制***；所述变海拔变冷却液流量***包括变流量冷却水泵、变温度节温器、散热器；所述变海拔变冷却空气流量***包括冷却风扇；所述冷却风扇与液压控制装置连接；所述控制***包括ECU控制单元、安装在柴油机出口与变温度节温器之间的冷却液出口管路上的温度传感器、安装在散热器出口的冷却液管路上的温度传感器、安装在柴油机出口与变温度节温器之间的冷却液出口管路上的流量传感器和分别安装在变温度节温器两个出口处的两个冷却液流量传感器，ECU控制单元与比例溢流阀、冷却液传感器、流量传感器、变流量冷却水泵和变温度节温器连接，控制比例溢流阀的开度、变流量冷却水泵的转速和变温度节温器的开度。
上述液压控制装置包括由液压油箱、液压油泵和液压马达组成的液压循环管路，且该液压循环管路上跨接比例溢流阀，液压马达与液压风扇连接。
上述ECU控制单元包括电源模块、微控制器ATmeaga128单片机、信号采集模块、输出控制模块以及通信接口，所述信号采集模块中的模拟量输入有：大气压力信号、环境温度信号、空气密度信号、冷却液沸点信号和油门位置信号，数字量输入有:发动机转速信号、行驶车速信号以及故障显示开关信号，所述输出控制模块对象为变温度节温器、变流量冷却水泵以及比例溢流阀，所述通信接口可将当前信息反馈至计算机显示。
上述柴油机变海拔变流量冷却***的控制过程，包括如下步骤：
1)发动机启动后，ECU首先读取当前环境压力、温度和柴油机转速、负荷并通过标定MAP得到当前状态下节温器开度和冷却水泵转速；
2)ECU读取当前冷却水温度，若水温低于最低目标值(Tmin)，ECU计算实测值与目标值之间的偏差，读取节温器开度与冷却水泵转速MAP，调节驱动电路中PWM的占空比，控制执行器，通过对节温器开度和冷却水泵转速的协同控制，合理分配冷却水总流量和大、小循环流量，使冷却水温度上升达到目标值，实现变海拔变流量冷却***的协同反馈控制；若水温高于最低目标值并低于最高目标值(Tmax)，节温器开度和冷却水泵转速保持不变；若水温高于最高目标值，ECU计算实测值与目标值之间的偏差，读取节温器开度与冷却水泵转速MAP，协同控制节温器开度与冷却水泵转速，使冷却水温度达到目标值；若水温高于最高目标值，且通过节温器与冷却水泵的协同控制不能使冷却水温度降低到最高目标值以下，ECU查询比例溢流阀开度MAP，通过执行器对比例溢流阀开度的控制，实现节温器、冷却水泵、冷却风扇的协同控制。
本发明具有如下的优点和积极效果：
本发明变海拔变冷却液流量***通过控制变流量冷却水泵转速、变温度节温器开度控制冷却液流量，变海拔变冷却空气流量***通过控制液压驱动冷却风扇中的比例溢流阀开度控制冷却风扇转速改变冷却空气流量。
本发明在变海拔、变工况的条件下，控制***中的ECU根据不同海拔环境条件(大气压力、大气温度、冷却液沸点)以及柴油机工况(转速、负荷)，查询比例溢流阀开度、节温器开度及冷却水泵转速MAP，由电信号转换为模拟信号至执行器，实时控制冷却风扇比例溢流阀开度、节温器开度以及冷却水泵转速，从而在0m～5500m海拔范围内，实现柴油机冷却液总流量、大小循环流量和冷却空气流量的最优控制。
附图说明
图1是本发明的总体设计图；
图2是本发明的ECU控制单元原理图；
图3是本发明的控制***流程图。
图中：1-发动机；2-控制单元(ECU)；3-散热器；4-变温度节温器；5-液压马达；6-变流量水泵；7、8-冷却液温度传感器；9、10、11-冷却液流量传感器；12-液压油泵；13-液压油箱；14-滤油器；15-冷油器；16-比例溢流阀；17-电源；18-冷却风扇；19-变温度节温器节温器执行器；20-变流量水泵执行器；21-液压风扇比例溢流阀执行器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示:一种柴油机变海拔变流量冷却***，由变海拔变冷却液流量***、变海拔变冷却空气流量***和控制***组成。所述变海拔变冷却液流量***由散热器3、变流量冷却水泵6、变温度节温器4组成，所述变海拔变冷却空气流量***由液压油箱13、液压油泵12、比例溢流阀16、液压马达5、冷却风扇18组成，其中液压油箱、液压油泵和液压马达组成液压循环管路，且该液压循环管路上跨接比例溢流阀，液压马达与液压风扇连接；所述控制***由ECU控制单元2、温度传感器、流量传感器组成。变流量冷却水泵由电机驱动，冷却风扇由液压***驱动，由ECU控制比例溢流阀开度、水泵转速与节温器开度。所述冷却液温度传感器7、冷却液流量传感器11安装在柴油机出口与变温度节温器之间的冷却液出口管路上，冷却液流量传感器9、10分别安装在节温器的两个出口处，所述冷却液温度传感器8安装在散热器出口的冷却液管路上；所述电子控制单元ECU包括电源模块、微控制器ATmeaga128单片机、信号采集模块、输出控制模块以及通信接口，信号采集模块中的模拟量输入有：大气压力信号、环境温度信号、空气密度信号、冷却液沸点信号等输入信号，数字量输入有:柴油机转速信号、行驶车速信号以及故障显示开关信号等，ECU控制单元输出控制对象为节温器4、变流量水泵6以及比例溢流阀16；其通信接口可将当前信息反馈至计算机显示。
本发明实现原理如下：
该***将不同海拔大气压力、温度、冷却液沸点等高海拔环境条件参数和冷却***热力参数，以及不同海拔柴油机热状态转化为数字信号传给ECU，ECU根据输入信号，查询比例溢流阀开度、节温器开度及冷却水泵转速MAP，由电信号转换为模拟信号至执行器，实时控制冷却风扇比例溢流阀开度、节温器开度以及冷却水泵转速。该***是一种动态随机测控反馈***，可根据当前水温和目标水温通过调节驱动电路中PWM的占空比，改变输出到直流电机的平均电压，以完成对柴油机冷却液总流量和大小循环流量分配以及冷却空气流量进行协同控制。采用该控制方式，可最大限度地节约冷却***能耗，提高散热效率，在0～5500m海拔范围内，实现柴油机冷却强度的实时最优控制。
本发明的控制过程包括如下步骤：
1)发动机启动后，ECU首先读取当前环境压力、温度和柴油机转速、负荷并通过标定MAP得到当前状态下节温器开度和冷却水泵转速；
2)ECU读取当前冷却水温度，若水温低于最低目标值(Tmin)，ECU计算实测值与目标值之间的偏差，读取节温器开度与冷却水泵转速MAP，调节驱动电路中PWM的占空比，控制执行器，通过对节温器开度和冷却水泵转速的协同控制，合理分配冷却水总流量和大、小循环流量，使冷却水温度上升达到目标值，实现变海拔变流量冷却***的协同反馈控制；若水温高于最低目标值并低于最高目标值(Tmax)，节温器开度和冷却水泵转速保持不变；若水温高于最高目标值，ECU计算实测值与目标值之间的偏差，读取节温器开度与冷却水泵转速MAP，协同控制节温器开度与冷却水泵转速，使冷却水温度达到目标值；若水温高于最高目标值，且通过节温器与冷却水泵的协同控制不能使冷却水温度降低到最高目标值以下，ECU查询比例溢流阀开度MAP，通过执行器对比例溢流阀开度的控制，实现节温器、冷却水泵、冷却风扇的协同控制。

Claims (4)

1.一种柴油机变海拔变流量冷却***，包括变海拔变冷却液流量***、变海拔变冷却空气流量***和控制***；所述变海拔变冷却液流量***包括变流量冷却水泵、变温度节温器、散热器；所述变海拔变冷却空气流量***包括冷却风扇；其特征在于：所述冷却风扇与液压控制装置连接；所述控制***包括ECU控制单元、安装在发动机出口与变温度节温器之间的冷却液出口管路上的冷却液温度传感器、安装在散热器出口的冷却液管路上的冷却液温度传感器、安装在发动机出口与变温度节温器之间的冷却液出口管路上的冷却液流量传感器和分别安装在变温度节温器两个出口处的两个冷却液流量传感器，ECU控制单元与比例溢流阀、冷却液传感器、冷却液流量传感器、变流量冷却水泵和变温度节温器连接，控制比例溢流阀的开度、变流量冷却水泵的转速和变温度节温器的开度，在0m～5500m海拔范围内，实现柴油机冷却液总流量、大小循环流量和冷却空气流量的实时最优控制。
2.根据权利要求1所述的柴油机变海拔变流量冷却***，其特征在于：上述液压控制装置包括由液压油箱、液压油泵和液压马达组成的液压循环管路，且该液压循环管路上跨接比例溢流阀，液压马达与液压风扇连接。
3.根据权利要求1所述的柴油机变海拔变流量冷却***，其特征在于：上述ECU控制单元包括电源模块、微控制器ATmeaga128单片机、信号采集模块、输出控制模块以及通信接口，所述信号采集模块中的模拟量输入有：大气压力信号、环境温度信号、空气密度信号、冷却液沸点信号和油门位置信号，数字量输入有:发动机转速信号、行驶车速信号以及故障显示开关信号，所述输出控制模块对象为变温度节温器、变流量冷却水泵以及比例溢流阀，所述通信接口可将当前信息反馈至计算机显示。
4.一种根据权利要求1所述的柴油机变海拔变流量冷却***的控制过程，其特征在于：包括如下步骤：
1)发动机启动后，ECU首先读取当前环境压力、温度和柴油机转速、负荷并通过标定MAP得到当前状态下节温器开度和冷却水泵转速；
2)ECU读取当前冷却水温度，若水温低于最低目标值(Tmin)，ECU计算实测值与目标值之间的偏差，读取节温器开度与冷却水泵转速MAP，调节驱动电路中PWM的占空比，控制执行器，通过对节温器开度和冷却水泵转速的协同控制，合理分配冷却水总流量和大、小循环流量，使冷却水温度上升达到目标值，实现变海拔变流量冷却***的协同反馈控制；若水温高于最低目标值并低于最高目标值(Tmax)，节温器开度和冷却水泵转速保持不变；若水温高于最高目标值，ECU计算实测值与目标值之间的偏差，读取节温器开度与冷却水泵转速MAP，协同控制节温器开度与冷却水泵转速，使冷却水温度达到目标值；若水温高于最高目标值，且通过节温器与冷却水泵的协同控制不能使冷却水温度降低到最高目标值以下，ECU查询比例溢流阀开度MAP，通过执行器对比例溢流阀开度的控制，实现节温器、冷却水泵、冷却风扇的协同控制。
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