CN105697120A - 一种基于分体冷却及反向冷却的发动机新型智能冷却系统及控制方法 - Google Patents

一种基于分体冷却及反向冷却的发动机新型智能冷却系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于发动机分体冷却与反向冷却的发动机新型智能冷却系统及控制方法，所述的冷却系统包括：缸盖水套、机体水套、电控水泵、电子节温器、电控风扇、散热器、膨胀水箱、温度传感器、电机及电子控制单元。系统工作过程中，电控水泵将冷却液泵入发动机水套内，第一电子节温器根据发动机的转速和负荷信号控制冷却液分别进入缸盖水套与机体水套中，从上至下流动，冷却缸盖和机体后流出；第二电子节温器根据总管冷却液温度分配进入大、小循环的冷却液流量，冷却液经循环后泵入发动机机内进行冷却。本发明可以精确分配发动机缸盖和机体冷却液流量，减少冷却不均匀现象，并缩短发动机暖机时间；同时通过反向冷却优化受热零部件热状态。

Description

一种基于分体冷却及反向冷却的发动机新型智能冷却系统及控制方法
技术领域
本发明涉及发动机智能冷却领域，尤其涉及一种基于分体冷却及反向冷却的发动机新型智能冷却系统及控制方法。
背景技术
随着柴油机功率密度和缸内爆发压力的不断提升，包括缸盖、缸套等在内的受热零部件热负荷不断增大，其热失效案例也逐渐增多，而同时柴油机节能减排的方向是大势所趋。所以柴油机的不断发展对其可靠性、燃油经济性和排放性能都提出了更严格的要求，因此冷却系统应该为高热负荷区域提供足够的冷却强度以保证其热可靠性，同时减少热负荷区较低的区域的冷却流量以避免冷却强度的浪费，以此提高其燃油经济性。
而传统的冷却系统中针对缸盖、缸套的冷却采用一体化水套的方式，冷却液先进入机体水套冷却缸套后通过上水孔进入缸盖水套冷却缸盖，而由于缸盖热负荷较缸套高，此种冷却方式不能独立调节缸盖和缸套的冷却强度，因此会造成缸盖冷却不足或缸套过度冷却现象。而同时冷却液先冷却缸套后再冷却缸盖，势必造成缸盖水套冷却液温度比缸套水套冷却液温度高，这也是不利于缸盖、缸套冷却强度的合理调控的。
因此，针对缸盖、缸套冷却需求的不同，缸盖机体分体冷却技术得到了研究：对缸盖、机体分别采用独立冷却回路进行分体冷却可以通过独立调控各冷却回路流量大小而进行“精确冷却”。研究表明，采用分体冷却并合理分配冷却流量可以适当降低缸盖平均温度并提高缸套平均温度，降低整机冷却液热耗散量和水套功耗，降低缸套-活塞摩擦系数从而提升燃油经济性；同时采用分体冷却可以缩短发动机暖机时间，提高排放性能。另一方面，采用反向冷却技术可以通过提高关键区域冷却强度，降低缸盖底板火力面热应力，提高受热零部件热可靠性。
因此，结合应用缸盖-机体分体冷却技术和反向冷却技术，提出一种基于二者的智能冷却系统对发动机的各项性能的提升是大有裨益的。
发明内容
本发明的目的是提出克服现有技术的不足，提出了一种基于分体冷却与反向冷却的发动机新型智能冷却系统模型。
一种基于发动机分体冷却与反向冷却的发动机新型智能冷却系统包括电控水泵、第一电控节温器、第二电控节温器、电控风扇、膨胀水箱、缸盖水套、机体水套、温度传感器、第一电机、第二电机及电子控制单元,
所述的电控水泵和第一电控节温器布置于缸盖水套及机体水套前端，并安装于发动机机体上；缸盖、机体水套后端布有第二电控节温器，第二电控节温器安装于发动机缸盖上，第二电控节温器的第一出口通过管道直接连接电控水泵，第二出口分为两个冷却液管道，一个冷却液管道经过散热器连接电控水泵，另一个冷却液管道经过膨胀水箱后连接电控水泵，电控风扇用于对散热器提供强制对流换热，第一电机驱动电控风扇，第二电机驱动电控水泵，温度传感器安装在第二电控节温器的入口，电子控制单元与所有的温度传感器、电控节温器和电机相连。
在缸盖水套、机体水套内，冷却液流动方向均为自上而下。
缸盖和机体采用独立的水套进行冷却。
第一电控节温器的第一出口连接缸盖水套，第二出口连接机体水套，缸盖水套和机体水套的出水管道汇合于第二电控节温器之前。
所述的第三温度传感器安装在缸盖水套和机体水套的出水管道汇合点后。
本发明还公开了一种所述发动机智能冷却系统的冷却流量匹配控制方法：
在柴油机正常工作过程中，第二电机驱动冷却水泵将冷却液泵入机内冷却流道，通过第一电控节温器，电子控制单元根据发动机转速、负荷信号调节第一电控节温器的开度，从而分配进入缸盖水套及机体水套的冷却液流量；
冷却液分别进入缸盖水套和机体水套后，各自从缸盖及机体的上部冷却液入水口流入，从上至下冷却受热零部件后分别从缸盖和机体出水口流出，两路冷却液交汇于第二电控节温器前，电子控制单元根据温度传感器采集到的水温数据调节第三电控节温器的开度，从而分配进入第一出口和第二出口的冷却液流量大小，进入第一出口的冷却液直接进入电控水泵，形成小循环；而进入第二出口的冷却液通过散热器，由第一电机驱动的电子风扇为其提供强制水-空对流换热，降低冷却液温度后，冷却液进入电控冷却水泵，形成大循环，在此过程中，电子控制单元根据第三温度传感器提供的水温信号和发动机转速及负荷信号，根据MAP图调节电机的转速，从而控制电子风扇和电子水泵的转速，
当第二电控节温器的第二出口水温过高导致水压过高，高于膨胀水箱水压，冷却液自动流入膨胀水箱进行储水；当电控水泵入口水压低于膨胀水箱水压，冷却液自动流出膨胀水箱流入电控水泵进行补水。
本发明还公开了一种所述发动机新型智能冷却系统的冷启动过程中冷却流量匹配控制方法：
在柴油机冷启动过程中，由于缸套升温比缸盖慢，故在暖机刚开始阶段，在冷却液温度达到某预设限值Tb前，第一电控节温器封闭缸套水套入口，冷却液完全泵入缸盖水套中，冷却缸盖后通过第二电控节温器进入第一出口，即直接进入水泵1形成小循环回路，冷却液在该回路中不断受到缸盖加热，待冷却液温度升高到预设限值Tb，第一电控节温器打开缸套水套入口，并根据电子控制单元指令配置缸盖水套和机体水套流量，缸盖和机体水套内冷却液分别冷却完缸盖和缸套后汇合于第二电控节温器，在冷却液温度达到预设限值Tc前，第二电控节温器仍旧关闭第二出口，冷却液通过水泵形成小循环回路，冷却液在该回路中同时受到缸盖及缸套加热，直到冷却液温度升高到预设限值Tc，第二电控节温器开启第二出口，冷却液通过散热器散热后进入水泵，暖机过程结束。
本发明具有以下优点：
1.本冷却系统可以对缸盖水套、机体水套进行独立冷却流量的调控，减少过度冷却现象，提高柴油机燃油经济性；
2.在冷启动过程中，本冷却系统可以通过ECU控制实时、独立地调整缸盖水套和机体水套的冷却液流量，从而降低暖机时间，减少排放；
3.本冷却系统中缸盖水套和缸套水套内冷却液均为自上而下流动，可以提高关键区域冷却强度，降低热应力，提高受热零部件热可靠性。
附图说明
图1为基于分体冷却及反向冷却的发动机新型智能冷却系统的结构示意图；
图2为冷却系统控制部分示意图；
图3为缸盖水套和缸套水套内部冷却液流动示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
本冷却系统模型主要包括机内冷却水套(缸盖、机体冷却水套)、机外冷却系统附件(电控水泵、电控风扇、电控节温器、膨胀水箱)及电子控制部分(ECU、温度传感器)
如图1所示，一种基于发动机分体冷却与反向冷却的发动机新型智能冷却系统包括电控水泵、第一电控节温器、第二电控节温器、电控风扇、膨胀水箱、缸盖水套、机体水套、温度传感器、第一电机、第二电机及电子控制单元,
所述的电控水泵1和第一电控节温器2布置于缸盖水套6及机体水套7前端，并安装于发动机机体5上；缸盖、机体水套后端布有第二电控节温器8，第二电控节温器8安装于发动机缸盖4上，第二电控节温器8的第一出口通过管道直接连接电控水泵1，第二出口分为两个冷却液管道，一个冷却液管道经过散热器9连接电控水泵1，另一个冷却液管道经过膨胀水箱13后连接电控水泵1，电控风扇10用于对散热器9提供强制对流换热，第一电机11驱动电控风扇10，第二电机12驱动电控水泵1，温度传感器3安装在第二电控节温器8的入口，电子控制单元与温度传感器、电控节温器和电机相连。
在缸盖水套6、机体水套7内，冷却液流动方向均为自上而下。
缸盖和机体采用独立的水套进行冷却。
第一电控节温器2的第一出口连接缸盖水套6，第二出口连接机体水套7，缸盖水套6和机体水套7的出水管道汇合于第二电控节温器10之前。
所述的温度传感器3安装在缸盖水套6和机体水套7的出水管道汇合点后。
本发明还公开了一种所述发动机新型智能冷却系统的冷却流量匹配控制方法：
在柴油机正常工作过程中，第二电机12驱动冷却水泵1将冷却液泵入机内冷却流道，通过第一电控节温器2，电子控制单元根据发动机转速信号和负荷信号，根据MAP图调节第一电控节温器2的开度，从而分配进入缸盖水套6及机体水套7的冷却液流量；
冷却液分别进入缸盖水套6和机体水套7后，各自从缸盖及机体的上部冷却液入水口流入，从上至下冷却受热零部件后分别从缸盖和机体出水口流出，两路冷却液交汇于第二电控节温器8前，电子控制单元根据温度传感器3采集到的水温数据调节第二电控节温器8的开度，从而分配进入第一出口和第二出口的冷却液流量大小，进入第一出口的冷却液直接进入电控水泵1，形成小循环；而进入第二出口的冷却液通过散热器9，由第一电机11驱动的电子风扇10为其提供强制水-空对流换热，降低冷却液温度后，冷却液进入电控冷却水泵1，形成大循环，在此过程中，电子控制单元根据温度传感器3提供的水温信号和发动机转速信号以及负荷信号调节电机的转速，从而控制电子风扇和电子水泵的转速：
随着水温传感器的水温信号升高，电子控制单元控制电控节温器第二出口开度，进入冷却液大循环通过散热器的冷却液流量增大，冷却液总体温度下降；同时电子控制单元通过MAP图控制提高第一电机和第二电机转速，从而加大风扇散热量和冷却液流量。
当第二电控节温器8的第二出口水温过高导致水压过高，高于膨胀水箱13水压，冷却液自动流入膨胀水箱13进行储水；当电控水泵1入口水压低于膨胀水箱13水压，冷却液自动流出膨胀水箱13流入电控水泵1进行补水。
本发明还公开了一种所述发动机智能冷却系统的冷启动过程中冷却流量匹配控制方法：
在柴油机冷启动过程中，由于缸套5升温比缸盖4慢，故在暖机刚开始阶段，在冷却液温度达到某预设限值Tb前，第一电控节温器2封闭缸套水套7入口，冷却液完全泵入缸盖水套6中，冷却缸盖后通过第二电控节温器10进入第一出口，即直接进入水泵1形成小循环回路，冷却液在该回路中不断受到缸盖加热，待冷却液温度升高到预设限值Tb，第一电控节温器2打开缸套水套7入口，并根据电子控制单元指令配置缸盖水套和机体水套流量，缸盖和机体水套内冷却液分别冷却完缸盖和缸套后汇合于第二电控节温器8，在冷却液温度达到预设限值Tc前，第二电控节温器8仍旧关闭第二出口，冷却液通过水泵1形成小循环回路，冷却液在该回路中同时受到缸盖及缸套加热，直到冷却液温度升高到预设限值Tc，第二电控节温器8开启第二出口，冷却液通过散热器9散热后进入水泵1，暖机过程结束。
如图2所示，在智能冷却系统工作过程中发动机转速和负荷信号传递至电子控制单元，电子控制单元根据MAP图控制第一电子节温器2的开度，从而调节进入缸盖水套和缸套水套中的冷却液流量。温度传感器3测得缸盖水套与机体水套出水总管冷却液温度信号输送至电子控制单元中，电子控制单元根据MAP图控制第二电子节温器8的开度，调节进入大、小循环的冷却液流量；同时电子控制单元根据出水总管冷却液温度信号及发动机转速和负荷信号，根据MAP图控制第一电机11转速控制冷却风扇的冷却强度，并控制第二电机12转速从而控制电控水泵进而调控进入缸盖水套和机体水套的冷却液总流量。
如图3所示，为了实现反向冷却，在缸盖水套、机体水套内，冷却液流动方向均为自上而下。在缸盖水套内，冷却液从水套上方入口1进入水套后冷却缸盖上层的排气道等受热区域2，后通过中部水套3流入下层水套冷却火力面鼻梁区等高热负荷区域4，后汇总于缸盖水套出口5流出；在机体水套内，冷却液从水套上方入口6进入水套后部分绕流冷却上部高热负荷区域7，绕流过程中冷却液同时自上往下流8，后汇总于缸套水套出口9流出。

Claims (7)

1.一种基于发动机分体冷却与反向冷却的新型发动机智能冷却系统,其特征在于包括电控水泵、第一电控节温器、第二电控节温器、电控风扇、膨胀水箱、缸盖水套、机体水套、温度传感器、第一电机、第二电机及电子控制单元；
所述的电控水泵(1)和第一电控节温器(2)布置于缸盖水套(6)及机体水套(7)前端，并安装于发动机机体(5)上；所述的电控水泵(1)布置在第一电控节温器(2)的前端；缸盖、机体水套后端布有第二电控节温器(8)，第二电控节温器(8)安装于发动机缸盖(4)上，第二电控节温器(8)的第一出口通过管道直接连接电控水泵(1)，第二出口分为两个冷却液管道，一个冷却液管道经过散热器(9)连接电控水泵(1)，另一个冷却液管道经过膨胀水箱(13)后连接电控水泵(1)，电控风扇(10)用于对散热器(9)提供强制对流换热，第一电机(11)驱动电控风扇(10)，第二电机(12)驱动电控水泵(1)，温度传感器(3)安装在第二电控节温器(8)的入口，电子控制单元与温度传感器、电控节温器和电机相连。
2.根据权利要求1所述的基于发动机分体冷却与反向冷却的新型发动机智能冷却系统，其特征在于在缸盖水套(6)、机体水套(7)内，冷却液流动方向均为自上而下。
3.根据权利要求1所述的基于发动机分体冷却与反向冷却的新型发动机智能冷却系统，其特征在于缸盖和机体采用独立的水套进行冷却。
4.根据权利要求1所述的基于发动机分体冷却与反向冷却的新型发动机智能冷却系统，其特征在于第一电控节温器(2)的第一出口连接缸盖水套(6)，第二出口连接机体水套(7)，缸盖水套(6)和机体水套(7)的出水管道汇合于第二电控节温器(8)之前。
5.根据权利要求4所述的基于发动机分体冷却与反向冷却的新型发动机智能冷却系统，其特征在于所述的温度传感器(3)安装在缸盖水套(6)和机体水套(7)的出水管道汇合点后。
6.一种如权利要求1所述发动机智能冷却系统的冷却流量匹配控制方法，其特征在于：
在柴油机正常工作过程中，第二电机(12)驱动冷却水泵(1)将冷却液泵入机内冷却流道，通过第一电控节温器(2)，电子控制单元根据发动机转速信号和负荷信号，根据MAP图调节第一电控节温器(2)的开度，从而分配进入缸盖水套(6)及机体水套(7)的冷却液流量；
冷却液分别进入缸盖水套(6)和机体水套(7)后，各自从缸盖及机体的上部冷却液入水口流入，从上至下冷却受热零部件后分别从缸盖和机体出水口流出，两路冷却液交汇于第二电控节温器(8)前，电子控制单元根据温度传感器(3)采集到的水温数据调节第二电控节温器(8)的开度，从而分配进入第一出口和第二出口的冷却液流量大小，进入第一出口的冷却液直接进入电控水泵(1)，形成小循环；而进入第二出口的冷却液通过散热器(9)，由第一电机(11)驱动的电子风扇(10)为其提供强制水-空对流换热，降低冷却液温度后，冷却液进入电控冷却水泵(1)，形成大循环，在此过程中，电子控制单元根据温度传感器(3)提供的水温信号和发动机转速信号以及负荷信号调节电机的转速，从而控制电子风扇和电子水泵的转速，
当第二电控节温器(8)的第二出口水温过高导致水压过高，且高于膨胀水箱(13)水压时，冷却液自动流入膨胀水箱(13)进行储水；当电控水泵(1)入口水压低于膨胀水箱(13)水压，冷却液自动流出膨胀水箱(13)流入电控水泵(1)进行补水。
7.一种如权利要求1所述发动机智能冷却系统的冷启动过程中冷却流量匹配控制方法，其特征在于：
在柴油机冷启动过程中，由于缸套(5)升温比缸盖(4)慢，故在暖机刚开始阶段，在冷却液温度达到某预设限值Tb前，第一电控节温器(2)封闭缸套水套(7)入口，冷却液完全泵入缸盖水套(6)中，冷却缸盖后通过第二电控节温器(10)进入第一出口，即直接进入水泵(1)形成小循环回路，冷却液在该回路中不断受到缸盖加热，待冷却液温度升高到预设限值Tb，第一电控节温器(2)打开缸套水套(7)入口，并根据电子控制单元指令配置缸盖水套和机体水套流量，缸盖和机体水套内冷却液分别冷却完缸盖和缸套后汇合于第二电控节温器(8)，在冷却液温度达到预设限值Tc前，第二电控节温器(8)仍旧关闭第二出口，冷却液通过水泵(1)形成小循环回路，冷却液在该回路中同时受到缸盖及缸套加热，直到冷却液温度升高到预设限值Tc，第二电控节温器(8)开启第二出口，冷却液通过散热器(9)散热后进入水泵(1)，暖机过程结束。
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