CN104847562B - 一种发动机电加热系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机电加热系统，包括在发动机每个气缸外侧独立设置的气缸水套、设置在气缸水套内的电加热管、发动机水箱、水温传感器、发动机温度探测器以及控制器。水温传感器设置在气缸水套内，以检测所述气缸水套内冷却水的水温，发动机温度探测器设置在发动机每个气缸上，以检测每个气缸的温度，控制器能够根据所述水温传感器、发动机温度探测器测量的温度控制所述电加热管的加热量。本发明提供的发动机电加热系统，采用直接在气缸水套内安装电加热管的方式来加热冷却水，减少了中间换热环节，大大提高了能源的利用效率。气缸水套单独布置，从而使发动机受热均匀，减少发动机的温度梯度，起到保护发动机的作用。

Description

一种发动机电加热系统及控制方法

技术领域

本发明涉及汽车发动机预热技术领域，特别涉及一种发动机电加热系统及控制方法。

背景技术

我国东北、西北高原寒区冬季时间长，气温、气压低，空气含氧量少，在这种低温低氧环境下，重载车辆发动机冷启动困难或不能启动。因此启动前必须进行预加热，确保发动机具备良好的启动条件，保证发动机顺利启动，减少启动磨损，延长车辆的使用寿命。

目前寒区重载车辆上都装有加温器，用于启动前的预热加温，但这些加温器沿用传统结构，加温模式固定，效率低，加热效果差，加温时间长，环境适应性差。从目前使用的情况看，目前的加温装置存在很多问题，可以归纳为：1)加温时间长。一般预热加温时间约为30分钟，随着气温的降低，加温时间将延长，在高原高寒地区，如新疆、西藏地区，由于空气氧含量低，加温时间在50分钟左右，甚至更长。2)加温效果差。由于加温器结构简单，加温器热燃烧效率低，加温热循环效果差，加温系统不同部件受热不均，局部容易过热，发动机加热效果差，不利于发动机启动。3)加温操作不便，故障率高，加热模式固定，加热过程不受控，环境适应性差。分析以上问题的原因，首先在结构上，现有加温器燃油泵、风泵和水泵由同一个电机经联动装置拖动，结构大体相似。燃油雾化和工作介质热交换条件固定，加温器以固定的空燃比和热交换速率工作，当环境温度、气压变化时，加温加热效率降低，难于满足寒区典型环境加温需求。其次在控制上，目前加温器的加温过程不可控，加温模式固定，不能根据车辆所处温度环境和海拔气压环境变化调节加温器的工作模式，自动调节加温器的喷油燃烧和热交换速率。第三在操作上，目前的加温器采用手动操作，不能对加温过程进行实时监控，在低温低氧环境下加温器积碳严重，故障较多。

因此，针对目前加温器存在的问题，需要提供一种更智能、高效的加温器，以提高发动机的启动条件。

发明内容

本发明设计开发了一种发动机电加热系统，能够单独为发动机每个气缸进行加热，使预热过程发动机受热均匀，能源利用率高。

本发明提供的技术方案为：

一种发动机电加热系统，包括：

气缸水套，其设置在发动机气缸外侧，所述气缸水套内装有冷却水，以与发动机进行换热，发动机每个气缸外侧独立设置一个所述气缸水套，相邻两个所述气缸水套之间通过电控阀门连接，所述电控阀门的开启或关闭能够使相邻所述气缸水套内的冷却水连通或隔绝；

发动机水箱，其分别与设置在发动机两侧的两个气缸水套连接，所述发动机水箱与气缸水套的连接处设置有电控阀门，所述电控阀门的开启或关闭能够使所述发动机水箱与气缸水套内的冷却水连通或隔绝；

电加热管，其设置在所述气缸水套内，所述电加热管通电后能产生热量时所述气缸水套内的冷却水加热；

水温传感器，其设置在所述气缸水套内，以检测所述气缸水套内冷却水的水温，同一气缸水套内设置的所述水温传感器数量为至少2个；

发动机温度探测器，其设置在发动机每个气缸上，以检测每个气缸的温度；

控制器，其与所述水温传感器、发动机温度探测器和电加热管连接，所述控制器能够根据所述水温传感器、发动机温度探测器测量的温度控制所述电加热管的加热量。

优选的是，所述气缸水套内设置有叶轮，其转动能够带动所述气缸水套内的冷却水强制对流。

优选的是，每个所述气缸水套内设置的叶轮为2个，并且所述叶轮的转动方向相反。

优选的是，所述电加热管呈蛇形布置。

优选的是，所述电加热管呈螺旋状布置。

优选的是，所述气缸水套外壁涂有绝热材料，以减少热量耗散。

优选的是，每个所述气缸水套内设置有5个水温传感器，所述水温传感器在所述气缸水套空间内呈均布设置。

一种发动机电加热控制方法，使用上述的发动机电加热系统，并包括以下步骤：

步骤一：利用设置在同一气缸水套内的m个水温传感器得到m个水温值T_s1、T_s2、……、T_sm，利用发动机温度探测器得到该气缸水套所冷却的气缸的表面温度T_g；

步骤二：控制电加热管的电流I，使其满足

$I=\sqrt{\frac{m_0{c}_v}{R}}\·\frac{a}{e^{(\stackrel{\‾}{T}-T_g)}}$

其中，m₀为气缸水套内冷却水的质量，c_v为水的比热容，R为电加热管电阻，a为常数，e为自然对数的底数，T为气缸水套内水温平均值，即

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{T_{s1}+T_{s2}+......+T_{sm}}{m};$

步骤三：当相邻两气缸的表面温度差大于预设温度值时，则控制其中表面温度较高的气缸的气缸水套内电加热管断电，直到该温度差小于等于预设温度值时再将断电的电加热管通电。

优选的是，还包括如下步骤：

控制所述气缸水套内的两个叶轮向相反的方向旋转，并使转速v满足

$v=\frac{2v_0}{\mathrm{\π}}{\mathrm{arctanS}}^2$

其中，v₀为叶轮的最大转速，S²为气缸水套内m个水温传感器测量的m个水温值的方差，即

$S^2=\frac{{(T_{s1}-\stackrel{\‾}{T})}^2+{(T_{s2}-\stackrel{\‾}{T})}^2+......+{(T_{sm}-\stackrel{\‾}{T})}^2}{m}.$

优选的是，所述叶轮的最大转速v₀为1000rpm。

本发明的有益效果是：本发明提供的发动机电加热系统，采用直接在气缸水套内安装电加热管的方式来加热冷却水，从而对发动机进行预热，减少了中间换热环节，大大提高了能源的利用效率。气缸水套采取单独布置的方式，发动机每个气缸外设置一个气缸水套，从而使发动机受热均匀，减少发动机的温度梯度，起到保护发动机的作用。

附图说明

图1为本发明所述的发动机电加热系统的总体结构示意图。

图2为本发明所述的发动机电加热控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

以直列四缸发动机为例来阐述本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明提供了一种发动机电加热系统，包括设置在发动机110气缸外侧的气缸水套120。所述气缸水套120内装有冷却水，气缸水套120通过冷却水与发动机110进行换热。发动机110每个气缸外侧独立设置一个气缸水套120，即对于直列四缸发动机，共设置有四个气缸水套120，每个气缸水套120和一个气缸进行换热。在相邻两个气缸水套120之间设置有电控阀门121，通过电控阀门121的开启能够将四个气缸水套120内的冷却水连通，关闭电控阀门121有可使四个气缸水套120内的冷却水隔绝。在气缸水套120内设置有电加热管123，通过给电加热管123通电使其表面温度升高从而给冷却水加热。所述电加热管123呈蛇形布置或螺旋状布置，这样能够增大电加热管123与冷却水接触的面积，以提高换热效果。

在气缸水套120内还设置有水温传感器122，以检测所述气缸水套120内冷却水的水温，在同一气缸水套120内设置的有多个水温传感器。在发动机110的每个气缸上均设置有一个发动机温度探测器111，以检测每个气缸的温度。

本发明设置有发动机水箱130，所述发动机水箱130与设置在发动机110左右两侧的两个气缸水套120连接，并且连接处设置有电控阀门121，在电控阀门关闭时，可以使气缸水套120内的冷却水与发动机水箱130内的冷却水隔绝，使电加热管123只加热气缸水套120内的冷却水，从而节约了能源。在不需要预热发动机110时，将电控阀门121打开，使气缸水套120内的冷却水与发动机水箱130内的冷却水连通，通过发动机水箱130的散热来冷却发动机110。

本发明所述的发动机电加热系统还包括控制器140，其与所述水温传感器122、发动机温度探测器111连接，以接收它们传递的测量值信号，并根据该测量值控制所述电加热管123的加热量，以实现快速、高效的使发动机110达到预热温度。

在另一实施例中，所述气缸水套120内设置有叶轮124，通过所述叶轮124的旋转，带动气缸水套120内冷却水的流动，以达到更好的换热效果。

在上述技术方案中，每个气缸水套120内设置有两个叶轮124，并且这两个叶轮124的旋转方向相反，这样能够使气缸水套120内冷却水的流动更为剧烈，能够进一步的提高换热效果。

在另一实施例中，所述气缸水套120外壁涂有绝热材料，以减少通过气缸水套120外壁的热量耗散。

在另一实施例中，每个气缸水套120内设置有5个水温传感器122，并且这5个水温传感器122在气缸水套120内呈均匀分布，即这5个水温传感器122的安装位置呈一正方形，其中4个水温传感器122位于该正方形的四个角，另一个水温传感器122位于该正方形的中心处。这样能够测量出气缸水套120内多个位置的水温，从而客观准确的反映出气缸水套120内冷却水的温度分布。

如图2所示，本发明所述发动机电加热系统的控制方法包括如下步骤：

步骤一S210：以第一气缸为例，利用设置在第一气缸外的气缸水套120内的m个水温传感器122得到m个水温值T_s1、T_s2、……、T_sm，利用发动机温度探测器111测量得到第一气缸的表面温度T_g。同样得到其他气缸的测量值。

步骤二S220：控制第一气缸内的电加热管123的电流I，使其满足

$I=\sqrt{\frac{m_0{c}_v}{R}}\·\frac{a}{e^{(\stackrel{\‾}{T}-T_g)}}$

其中，m₀为气缸水套内冷却水的质量，c_v为水的比热容，R为电加热管电阻，a为常数，e为自然对数的底数，T为气缸水套内水温平均值，即

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{T_{s1}+T_{s2}+......+T_{sm}}{m}.$

由上式可知，电流I的值随水温平均值与气缸的表面温度T_g之差的增大而减小，即该温度差越大时，气缸水套120与气缸之间的热流密度也越大，这时可以降低电流I使电加热管123的加热量减小，以达到节约能源的作用。而当该温度差越小时，气缸水套120与气缸之间的热流密度也越小，这使得换热时间增大，所以需要提高电流I使电加热管123的加热量增大，以减少换热时间。本实施例中，常数a＝2。同样的控制其他气缸水套120内的电加热管123的电流I以满足上面公式。

步骤三S230：当相邻两气缸的表面温度差大于预设温度值时，则控制其中表面温度较高的气缸的气缸水套120内电加热管123断电，直到该温度差小于等于预设温度值时再将断电的电加热管123通电，例如当第一气缸的表面温度高于第二气缸的表面温度，并且它们的温度差大于预设温度值时，则将第一气缸水套内的电加热管123断电，知道温度差小于等于预设温度值时在对电加热管123进行通电。本实施例中，所述预设温度值为2摄氏度。

在另一实施例中，本发明所述的发动机电加热控制方法还包括下面步骤：

S240：控制所述气缸水套内的两个叶轮向相反的方向旋转，并使转速v满足

$v=\frac{2v_0}{\mathrm{\π}}{\mathrm{arctanS}}^2$

其中，v₀为叶轮的最大转速，S²为气缸水套内m个水温传感器测量的m个水温值的方差，即

$S^2=\frac{{(T_{s1}-\stackrel{\‾}{T})}^2+{(T_{s2}-\stackrel{\‾}{T})}^2+......+{(T_{sm}-\stackrel{\‾}{T})}^2}{m}.$

由上式可知，叶轮124的转速随水温值的方差的增大而增大，也就是说当m个水温值分布较分散式，其方差较大，这时需要提高叶轮124的转速，使冷却水快速流动，混合均匀。相反的当m个水温值分布较分集中时，其方差较小，这时只需使叶轮124以较小的转速转动。叶轮124通过伺服电机带动，控制器140通过调节伺服电机的转速来调节叶轮124的转速。所述伺服电机的最大转速即叶轮的最大转速v₀为1000rpm。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种发动机电加热控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在发动机每个气缸外侧独立设置一个气缸水套，利用设置在同一气缸水套内的m个水温传感器得到m个水温值T_s1、T_s2、……、T_sm，利用发动机温度探测器得到该气缸水套所冷却的气缸的表面温度T_g；

步骤二：控制设置在气缸水套内的电加热管的电流I，使其满足

$I=\sqrt{\frac{m_0{c}_v}{R}}\·\frac{a}{e^{(\stackrel{\‾}{T}-T_g)}}$

其中，m₀为气缸水套内冷却水的质量，c_v为水的比热容，R为电加热管电阻，a为常数，e为自然对数的底数，为气缸水套内水温平均值，即

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{T_{s1}+T_{s2}+......+T_{sm}}{m};$

步骤三：当相邻两气缸的表面温度差大于预设温度值时，则控制其中表面温度较高的气缸的气缸水套内电加热管断电，直到该温度差小于等于预设温度值时再将断电的电加热管通电。

2.根据权利要求1所述的发动机电加热控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

控制所述气缸水套内的两个叶轮向相反的方向旋转，并使转速v满足

$v=\frac{2v_0}{\mathrm{\π}}\arctan S^2$

其中，v₀为叶轮的最大转速，S²为气缸水套内m个水温传感器测量的m个水温值的方差，即

$S^2=\frac{{(T_{s1}-\stackrel{\‾}{T})}^2+{(T_{s2}-\stackrel{\‾}{T})}^2+......+{(T_{sm}-\stackrel{\‾}{T})}^2}{m}.$

3.根据权利要求2所述的发动机电加热控制方法，其特征在于，所述叶轮的最大转速v₀为1000rpm。