CN105909364A - 一种集成式车载冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种集成式车载冷却系统，该系统包括尾气发电装置冷却机构、发动机冷却机构和控制机构，控制机构包括传感器和PLC控制器，传感器的输入端分别与尾气发电装置冷却机构及发动机冷却机构相连，传感器的输出端与PLC控制器相连，PLC控制器接收传感器的信号，执行机构根据输出信号给出相应动作，保证发动机冷却水水温在最优温度和尾气发电装置的冷却水水温在较优温度。本发明可以缩小系统占用空间、降低整车负荷、减少系统自耗。

Description

一种集成式车载冷却系统

技术领域

本发明属于车载冷却系统的技术领域，尤其涉及一种集成式车载冷却系统。

背景技术

发动机是一种将化学能转化成动能的装置。转化过程中，大部分能量以废热的形式散发到空气中，并没对能源进行有效充分的利用。尾气温差发电装置可以将尾气的热能转化成电能，提升燃油利用效率。

传统的发动机冷却系统的节温器尚未完全开启时，一部分冷却水进行小循环，一部分冷却水进行大循环。通过改变冷却水的通道的形式可保证发动机的最佳工作温度但并未考虑让散热器充分利用风扇和车辆迎面风的风量。

独立的尾气发电装置冷却系统可以保证尾气发电装置冷端和发动机都有良好的冷却温度，但额外加装一套冷却系统，风扇和水泵会耗费较多电能。受目前热电模块发电量的限制，尾气热能发电装置的净发电量较小,同时两套单独的冷却系统会占用车辆较大空间，限制了其车载意义。

在集成式尾气发电冷却系统中，若采用尾气发电装置冷却水箱和发动机冷却水套串联的形式，尾气发电装置的冷却水将和发动机的冷却水有相近的温度。若倾向取发动机的有较佳工况的冷却水温度，此时冷却水温度相对较高，尾气温差发电装置的发电效率低下。若倾向取尾气发电装置有可观的发电效率的冷却水温度，将牺牲发动机的运转效率，易形成积碳，对发动机有损害。若将尾气发电装置的冷却水箱和发动机冷却水套并联，一般需增加副散热器、副水泵和分流装置，与独立式的尾气发电装置有相同的弊病。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种集成式车载冷却系统，该系统在降低尾气发电装置自耗的同时可保证发动机冷却要求并尽可能的降低尾气发电装置的冷端温度，提升装置的发电效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种集成式车载冷却系统，其特征在于，包括尾气发电装置冷却机构、发动机冷却机构和控制机构，所述控制机构包括传感器和PLC控制器，所述传感器的输入端分别与所述尾气发电装置冷却机构及发动机冷却机构相连，传感器的输出端与所述PLC控制器相连。

按上述方案，所述尾气发电装置冷却机构包括第一水泵、尾气发电装置冷却水箱、散热器、风扇和三通阀，所述尾气发电装置冷却水箱进口与所述三通阀的第一出口相连，出口与所述散热器的进口相连，散热器的出口与所述第一水泵的进口相连，第一水泵的出口与三通阀的进口相连，所述风扇相对散热器设置，第一水泵通过发动机驱动。

按上述方案，所述发动机冷却机构包括发动机冷却水套、第二水泵和汇流水箱，所述汇流水箱的第一进口与所述三通阀的第二出口相连，汇流水箱的第一出口与所述散热器的进口相连，汇流水箱的第二进口与所述第二水泵的出口相连，第二水泵的进口与所述发动机冷却水套的出口相连，发动机冷却水套的进口与汇流水箱第二出口相连，第二水泵通过电机驱动。

按上述方案，所述传感器包括第一水温传感器、第二水温传感器、第三水温传感器、第四水温传感器、发动机转速传感器和发动机进气压力传感器，所述第一水温传感器设于所述尾气发电装置冷却水箱内部，所述第二水温传感器设于所述第一水泵的出口处，所述第三水温传感器设于所述发动机冷却水套的出口处，所述第四水温传感器设于发动机冷却水套的进口处，所述发动机转速传感器和发动机进气压力传感器均设于发动机上，所述PLC控制器的输出端分别与所述三通阀、风扇和电机相连。

按上述方案，所述尾气发电装置冷却水箱的外壁布设有散热翅片。

按上述方案，所述汇流水箱的第一出口设于汇流水箱的上部，汇流水箱的第二出口设于汇流水箱的中部。

按上述方案，所述风扇为电子风扇，可设置高、低、停三档转速。

本发明的有益效果是：提供一种集成式车载冷却系统，通过控制机构、三通阀和汇流水箱保证发动机冷却水水温在最优温度，尾气发电装置的冷却水水温在相对低温的较优温度。

附图说明

图1为本发明一个实施例的分布图。

图2为本发明一个实施例的发动机冷却流程图。

图3为本发明一个实施例的发动机运行时的尾气发电装置冷却流程图。

图4为本发明一个实施例的发动机停机时的尾气发电装置冷却流程图。

其中：1-第一水泵，2-尾气发电装置冷却水箱，3-散热器，4-风扇，5-三通阀，6-散热翅片，7-发动机冷却水套，8-第二水泵，9-汇流水箱，10-第一水温传感器，11-第二水温传感器，12-第三水温传感器，13-第四水温传感器。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种集成式车载冷却系统，包括尾气发电装置冷却机构、发动机冷却机构和控制机构，控制机构包括传感器和PLC控制器，传感器的输入端分别与尾气发电装置冷却机构及发动机冷却机构相连，传感器的输出端与PLC控制器相连。

尾气发电装置冷却机构包括第一水泵1、尾气发电装置冷却水箱2、散热器3、风扇4和三通阀5，尾气发电装置冷却水箱进口与三通阀的第一出口相连，出口与散热器的进口相连，散热器的出口与第一水泵的进口相连，第一水泵的出口与三通阀的进口相连，风扇相对散热器设置，第一水泵通过发动机驱动，其转速随发动机的转速变化，风扇为电子风扇，可设置高、低、停三档转速，为降低风扇和散热器的冷却负荷，尾气发电装置冷却水箱的外壁布设有散热翅片6，散热翅片为多组等间距的方形散热翅片，组数为3-8组，布置间距为20mm-100mm,每组翅片数量为4-12片，间距为3mm-20mm，翅片高度为10mm-30mm，厚度为1mm-8mm沿气体顺流方向布置，在车辆行驶过程中，冷却水箱散热翅片加大了装置散热面积，可依靠迎面风带走一部分热量，降低系统冷却负荷。

发动机冷却机构包括发动机冷却水套7、第二水泵8和汇流水箱9，汇流水箱的第一进口与三通阀的第二出口相连，汇流水箱的第一出口与散热器的进口相连，汇流水箱的第二进口与第二水泵的出口相连，第二水泵的进口与发动机冷却水套的出口相连，发动机冷却水套的进口与汇流水箱第二出口相连，第二水泵通过电机驱动，其转速根据发动机的冷却需求变化，汇流水箱将两种温度的冷却水按比例混合获得特定温度的冷却水，其冷却水温度适宜发动机工况，经过散热器后的低温冷却水进入汇流水箱的第一进口，经过发动机冷却水套的高温冷却水进入汇流水箱的第二进口，两种温度不同的冷却水先进入混合腔，再经分流装置分流并喷洒在对流腔壁面上，水箱壁面有许多螺旋沟槽，保证冷却水对流充分，随后一部分冷却水通过汇流水箱的第一出口回流多余的冷却水至散热器，一部分冷却水经汇流水箱第二出口输出汇流后的冷却水至发动机冷却水套。汇流水箱的第一出口设于汇流水箱的上部，汇流水箱的第二出口设于汇流水箱的中部，实现溢出回流的同时优先发动机的冷却水供应。

传感器包括第一水温传感器10、第二水温传感器11、第三水温传感器12、第四水温传感器13、发动机转速传感器和发动机进气压力传感器，第一水温传感器设于尾气发电装置冷却水箱内部，第二水温传感器设于第一水泵的出口处，第三水温传感器设于发动机冷却水套的出口处，第四水温传感器设于发动机冷却水套的进口处，发动机转速传感器和发动机进气压力传感器均设于发动机上，PLC控制器的输出端分别与三通阀、风扇和电机相连，传感器的输出信号输入到PLC控制器，PLC控制器经过处理后输出三通阀的开度信号、第二水泵的转速信号，风扇的转速信号，执行机构根据输出信号给出相应动作，保证发动机冷却水的水温在最优温度，尾气发电装置的冷却水的水温在较优温度。

如图2所示，发动机冷启动时，冷却水温度较低，为使发动机迅速达到合适的工况温度，需迅速提升冷却水温度。第一水温传感器测得的发动机冷却水温度低于暖机目标温度T_{engine_1}时，PLC控制器关闭三通阀的第二出口，第二水泵以暖机转速n_{pump_B1}转动，发动机冷却水进行封闭式循环，此时冷却水量较小，温度提升较快。当第二水温传感器检测到发动机冷却水达到温度T_{engine_1}时，PLC控制器结束暖机状态，进入正常运行阶段。

如图3所示，发动机暖机过程中，三通阀的第一出口处于完全打开状态，第一水泵随发动机运转，尾气发电装置的冷却水进行封闭式循环。此时尾气温度相对较低，尾气发电装置冷却水量较大，其冷却水温度较发动机冷却水的温度提升的慢。当第一温度传感器检测到尾气发电装置的冷却水温度高于风扇的调速阀值温度最大值T_{TEG_max}时，PLC控制器控制风扇高速运转；尾气发电装置的冷却水温度在风扇的调速阀值温度区间T_{TEG_max}和T_{TEG_min}时，PLC控制器控制风扇低速运转；尾气发电装置的冷却水温度低于风扇的调速阀值温度最小值T_{TEG_min}时，PLC控制器关闭风扇。

发动机处于低负荷工况时，适当提升冷却水温度，可降低油耗。发动机处于高负荷工况时，需加大冷却强度，避免发动机过热。控制器根据发动机转速传感器和进气压力传感器采集的信号得到发动机的负荷率。根据发动机负荷率给发动机冷却水设置不同的目标工作温度，其表达式为：T_target＝f(v，p)，T_target为发动机冷却水的目标温度，v为为发动机转速、p为进气压力。

T_&＝T_engine-T_target，T_engine为发动机实测工作温度，当T_&＜0时，发动机实测工作温度低于发动机冷却水的目标温度，PLC控制器给出电机占空比信号，减小三通阀的第一出口的流量；当T_&＞0时，发动机实测工作温度高于发动机冷却水温度，增大三通阀的第一出口的流量；当T_&＝0时，维持三通阀的第一出口的流量不变。

第一水泵的转速和发动机散热量决定了三通阀的第一出口的开度，以发动机冷却水套的的温度差确定建立三通阀开度关系式：Ψ为三通阀的第一出口的开度百分比，δ、β为常参数。第一水泵和第二水泵的叶轮参数相同时，发动机冷却水的目标温度与其它参数的关系式为n_{pump_A}为第一水泵的转速，n_{pump_B}为第二水泵的转速，T_cold为尾气发电装置经散热后的实测温度，T_mix为经汇流水箱混合后冷却水的实测温度，PLC控制器根据传感器的实时数据采集，给出第二水泵的转速信号。为避免尾气发电装置冷端的温度过高，三通阀的第一出口的开角不可过小，即Ψ＜Ψ_ε，Ψ_ε为三通阀的第一出口的极限开角。

如图4所示，发动机停机后，风扇开始高速运转，第二水泵以熄火降温转速n_{pump_B2}定速运转，三通阀的第一出口的开度为熄火降温开度Ψ_λ，迅速降低发动机冷却水套温度，避免热浸。当T_engine＜T_{engine_2}时，T_{engine_2}为发动机熄火降温目标温度，冷却风扇、第一水泵、第二水泵停止运转，三通阀的第二出口关闭。

Claims (7)

1.一种集成式车载冷却系统，其特征在于，包括尾气发电装置冷却机构、发动机冷却机构和控制机构，所述控制机构包括传感器和PLC控制器，所述传感器的输入端分别与所述尾气发电装置冷却机构及发动机冷却机构相连，传感器的输出端与所述PLC控制器相连。

2.根据上述权利要求1所述的一种集成式车载冷却系统，其特征在于，所述尾气发电装置冷却机构包括第一水泵、尾气发电装置冷却水箱、散热器、风扇和三通阀，所述尾气发电装置冷却水箱进口与所述三通阀的第一出口相连，出口与所述散热器的进口相连，散热器的出口与所述第一水泵的进口相连，第一水泵的出口与三通阀的进口相连，所述风扇相对散热器设置，第一水泵通过发动机驱动。

3.根据权利要求2所述的一种集成式车载冷却系统，其特征在于，所述发动机冷却机构包括发动机冷却水套、第二水泵和汇流水箱，所述汇流水箱的第一进口与所述三通阀的第二出口相连，汇流水箱的第一出口与所述散热器的进口相连，汇流水箱的第二进口与所述第二水泵的出口相连，第二水泵的进口与所述发动机冷却水套的出口相连，发动机冷却水套的进口与汇流水箱第二出口相连，第二水泵通过电机驱动。

4.根据权利要求3所述的一种集成式车载冷却系统，其特征在于，所述传感器包括第一水温传感器、第二水温传感器、第三水温传感器、第四水温传感器、发动机转速传感器和发动机进气压力传感器，所述第一水温传感器设于所述尾气发电装置冷却水箱内部，所述第二水温传感器设于所述第一水泵的出口处，所述第三水温传感器设于所述发动机冷却水套的出口处，所述第四水温传感器设于发动机冷却水套的进口处，所述发动机转速传感器和发动机进气压力传感器均设于发动机上，所述PLC控制器的输出端分别与所述三通阀、风扇和电机相连。

5.根据权利要2所述的一种集成式车载冷却系统，其特征在于，所述尾气发电装置冷却水箱的外壁布设有散热翅片。

6.根据权利要3所述的一种集成式车载冷却系统，其特征在于，所述汇流水箱的第一出口设于汇流水箱的上部，汇流水箱的第二出口设于汇流水箱的中部。

7.根据权利要4所述的一种集成式车载冷却系统，其特征在于，所述风扇为电子风扇，可设置高、低、停三档转速。