CN106437995A - 一种汽车增压发动机冷却系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车增压发动机冷却系统及其控制方法，散热器通过隔板分隔为高温散热器及低温散热器；发动机缸体内部水道分为进液端和机械水泵连接的排气侧缸盖水道和缸体与进气侧缸盖水道；排气侧缸盖水道的进液端设有和缸体与进气侧缸盖水道的进液端连接的第一调温器；排气侧缸盖水道的出液端及缸体与进气侧缸盖水道的出液端均通过第一回水管与暖风芯体及和机械水泵连接的机油冷却器依次连接；第一回水管上通过第二调温器连接有和高温散热器连接的第二回水管；包括电子水泵，电子水泵分别与涡轮增压器及中冷器的进液端连接，涡轮增压器及中冷器的出液端和低温散热器的进液端连接；本发明能精确控制发动机缸体缸盖冷却，满足各回路冷却性能。
Description
技术领域
本发明涉及汽车增压发动机，具体涉及一种汽车增压发动机冷却系统及其控制方法。
背景技术
由于世界各国对汽车排量和排放的日益严格限制，发动机降低排量是流行趋势。在这种情况下，想要得到更好的动力表现，增压技术是应用最普遍的解决方案。涡轮增压发动机指配备涡轮增压器的发动机。涡轮增压发动机通过压缩空气增加进气量，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机转速，可以增大发动机的输出功率和扭矩。经过增压后，发动机在工作时的压力和温度都大大升高，因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短，而且机械性能、润滑性能都会受到影响，这也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。因此，及时对气缸进行降温非常重要。中冷器的作用在于降低增压后的高温空气温度，以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率。对于增压发动机来说，中冷器是增压系统的重要组成部件。有数据表明，在相同空燃比条件下，增压空气的温度每下降10℃，发动机功率就可提高3％-5％。
节能减排一直是汽车厂商追求的目标，在当前日益严格的排放法规的要求下，该目标更被进一步重视。现有的发动机冷却系统，通常是冷却液经过水泵进入气缸体，再通过缸盖进入调温器，通过调温器进行大小循环最终回水泵。或者是，冷却液通过水泵先进入缸盖，再进入缸体水套，再通过调温器进行大小循环，最终流回水泵。
发动机冷却系统需维持发动机在合适的工作温度范围内，但是对于传统发动机冷却形式来说，要么缸盖的温度过高，要么是缸体的温度稍低。这个主要原因是传统的冷却系统不能独立的对缸盖和缸体进行温度控制，一般是缸体缸盖水套串联；即冷却液先经过缸体然后再经过缸盖最后通过一个调温器控制发动机出水温度，所以缸盖和缸体的温度不能控制在合理的温度点，这样不仅影响发动机的燃油消耗率和输出功率而且影响发动机的排放。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供满足增压发动机冷却要求，精确控制发动机缸体缸盖冷却，降低发动机排放及发动机初期磨损，满足各回路冷却性能的汽车增压发动机冷却系统及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
该种汽车增压发动机冷却系统，包括膨胀箱、和所述膨胀箱连接的机械水泵、发动机缸体内部水道及散热器，所述散热器通过隔板分隔为高温散热器及低温散热器；所述发动机缸体内部水道分为进液端和机械水泵连接的排气侧缸盖水道和缸体与进气侧缸盖水道；所述排气侧缸盖水道的进液端设有和缸体与进气侧缸盖水道的进液端连接的第一调温器；所述排气侧缸盖水道的出液端及缸体与进气侧缸盖水道的出液端均通过第一回水管与暖风芯体及和机械水泵连接的机油冷却器依次连接；所述第一回水管上通过第二调温器连接有和高温散热器连接的第二回水管；包括和所述膨胀箱连接的电子水泵，所述电子水泵分别与涡轮增压器及中冷器的进液端连接，所述涡轮增压器及中冷器的出液端和低温散热器的进液端连接；所述低温散热器的出液端和所述电子水泵连接。
所述第二调温器的进液端设有第一出气管，所述低温散热器的出液端上设有第二出气管；所述第一出气管及第二出气管均和所述膨胀箱连接。
所述第一出气管及第二出气管上均设有单向阀。
所述中冷器的进液端设有除气阀。
该种汽车增压发动机冷却系统的控制方法，具体过程为：
(1)发动机启动时，当冷却液温度及发动机转速均低于设定值时，第一调温器关闭，冷却液经机械水泵流经排气侧缸盖，通过第一回水管，再流经暖风芯体和机油冷却器，然后回到机械水泵；
同时电子水泵工作，冷却液流往涡轮增压器及中冷器，对涡轮增压器及中冷器进行冷却后，冷却液进入低温散热器进行散热，从低温散热器流出的冷却液进入电子水泵进入循环，低温散热系统开启；
(2)发动机暖机后，温度上升到设定温度时，第一调温器开启；冷却液在机械水泵的驱动下，通过排气侧缸盖水道和缸体与进气侧缸盖水道流向缸体和缸盖，通过第一回水管，再流经暖风芯体和机油冷却器，然后回到机械水泵；
低温散热系统继续工作；
(3)温度上升到设定温度时，第二调温器开始开启，冷却液在机械水泵的驱动下，通过排气侧缸盖水道和缸体与进气侧缸盖水道流向缸体和缸盖，同时冷却液通过第二回水管流往高温散热器，然后流回机械水泵；散热器的冷却风扇开启，以散发冷却液热量；
低温散热系统继续工作。
所述(1)中，当冷却液温度在70℃以下且发动机转速低于3000r/min时，第一调温器关闭。
所述(2)中，冷却液温度达到70℃时，第一调温器初开，冷却液温度达到85℃时，第一调温器全开。
所述(3)中，冷却液温度达到92℃时，第二调温器初开，冷却液温度达到106℃时，第二调温器全开。
所述(1)-(3)中，电子水泵根据冷却液温度控制工作，冷却液温度超过电子水泵开启临界值，电子水泵开始工作，低温散热系统开启。
所述(1)-(3)中，冷却液通过与膨胀箱连接的第一出气管及第二出气管和除气阀进行除气。
本发明的优点在于：该种汽车增压发动机冷却系统及其控制方法，能够实现发动机暖机时的暖机冷却模式，能够实现发动机升温时的小循环冷却模式控制，还能实现发动机温度升高时的大循环冷却模式控制，同时能够实现冷却液的放气，保证整个系统处于压力稳定状态；能够满足增压发动机冷却要求，精确控制发动机缸体缸盖冷却，降低发动机排放及发动机初期磨损，满足各回路冷却性能。
本发明中缸盖、缸体分别冷却，起动时冷却液温度快速提升，同时减少节温器振荡，减少系统内冷却液的压力波动；分层冷却使发动机更早进入工作温度，同时也可以更快提供车内暖风；进而减少汽车燃油消耗，增强了系统的可靠性；设置低温散热器对中冷器、涡轮增压器充分冷却，提高进气量，提高增压发动机功率；常规散热器通过增设水室隔板，分为两个独立单元，较大体积的下部作为高温散热器，上部作为低温散热器，这样减小系统进风阻力，布置简便，节省前舱空间。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明汽车增压发动机冷却系统示意图。
图2本发明汽车增压发动机冷却系统中发动机第一阶段冷却回路示意图。
图3本发明汽车增压发动机冷却系统中发动机第二阶段冷却回路示意图。
图4本发明汽车增压发动机冷却系统中发动机第三阶段冷却回路示意图。
上述图中的标记均为：
1、膨胀箱，2、机械水泵，3、第一调温器，4、排气侧缸盖水道，5、缸体与进气侧缸盖水道，6、第二调温器，7、暖风芯体，8、机油冷却器，9、冷却风扇，10、高温散热器，11、低温散热器，12、电子水泵，13、涡轮增压器，14、中冷器，15、放气阀，16、第一回水管，17、第二回水管，18、第一出气管，19、第二出气管。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，该种汽车增压发动机冷却系统，包括膨胀箱1、和膨胀箱1连接的机械水泵2、发动机缸体内部水道及散热器，散热器通过隔板分隔为高温散热器10及低温散热器11；发动机缸体内部水道分为排气侧缸盖水道4和缸体与进气侧缸盖水道5，排气侧缸盖水道4的进液端和机械水泵2连接；排气侧缸盖水道4的进液端设有和缸体与进气侧缸盖水道5的进液端连接的第一调温器3；排气侧缸盖水道4的出液端及缸体与进气侧缸盖水道5的出液端均通过第一回水管16与暖风芯体7及机油冷却器8依次连接，机油冷却器8和机械水泵2连接；第一回水管16上连接有和高温散热器10连接的第二回水管17，第一回水管16及第二回水管17通过第二调温器6连接；包括和膨胀箱1连接的电子水泵12，电子水泵12分别与涡轮增压器13及中冷器14的进液端连接，涡轮增压器13及中冷器14的出液端和低温散热器11的进液端连接；低温散热器11的出液端和电子水泵12连接。
为了及时降低缸体缸盖温度，设置低温散热器11，通过电子水泵12提供冷却液循环动力源，从膨胀箱1补水口处进水。散热器通过隔板将散热器的水室分为上下两部分，这两部分互相独立，上部分作为低温散热器11，下部分作为高温散热器10。作为低温散热器11的上部体积较小，这样可以少布置一个额外的低温散热器11，从而减小系统进风阻力，节省前舱空间，简化装配。
发动机缸体内部的水道分为两部分，排气侧缸盖水道4和缸体与进气侧缸盖水道5。两部分水道互相独立，通过设置在排气侧缸盖水道4上的第一调温器3的开启和闭合，控制排气侧缸盖的冷却液流往缸体和进气侧水道；通过第二调温器6的开启和闭合，控制缸体及缸盖的冷却液进入高温散热器10，控制大循环的开启。第一调温器3初开温度设置为70℃，85℃全开；第二调温器6的初开温度设置为92℃，106℃时全开。两个调温器分别控制通往缸体与进气侧缸盖和排气侧缸盖的两条循环水道，由于缸体和缸盖的温度特性不同，两个调温器的开启温度也不同。在缸盖的进气和排气侧，水道分开隔离设计。双调温器/双水道设计可以使发动机更早进入工作温度，同时也可以更快提供车内暖风，减少发动机初期曲柄连杆机构磨损。
膨胀箱1的补水管使用一个三通管分两路，一路连接机械水泵2，一路连接电子水泵12的进水口。经过低温散热器11冷却后的冷却液，经过一个三通管流进电子水泵12，然后分两路，通过一个三通管分别流进涡轮增压器13和中冷器14，把热量带出然后再通过一个三通管，流回至低温散热器11。
该种汽车增压发动机冷却系统，能够实现涡轮增压发动机三个阶段的冷却循环系统控制。如图2所示，第一阶段：当发动机启动时，发动机需尽快暖机以减少各零部件的摩擦及天气寒冷时尽快提供暖风。当冷却液温度在70℃以下且发动机转速低于3000r/min时，布置在缸盖排气侧处的第一调温器3关闭；冷却液只从排气侧缸盖经过，流进暖风芯体7和机油冷却器8，回到机械水泵2；第二调温器6进液端设置的除气管连往膨胀箱1进行除气，一部分冷却液通过膨胀箱1的补水管流往机械水泵2；一部分流往电子水泵12。在这个阶段，缸体和进气侧缸盖内的冷却液不循环流动，整个循环过程冷却液从机械水泵2被泵出，来到暖风芯体7，再到机油冷却器8，最后回到机械水泵2。
第二调温器6的进液端设有第一出气管18，低温散热器11的出液端上设有第二出气管19；第一出气管18及第二出气管19均和膨胀箱1连接。第一出气管18及第二出气管19上均设有单向阀。在第二调温器6和低温散热器11处设置除气管，通过三通管把两处除气管连接在一起，连往膨胀箱1进行除气。除气管里设置单向阀，只允许气体通往膨胀箱1，如此可以使冷却液全部参与冷却循环。
为提高进气量，涡轮增压器13及中冷器14需维持合适温度。在电子水泵12的作用下，冷却液流往涡轮增压器13及中冷器14，为其冷却后流进低温散热器11进行散热。冷却液从膨胀箱1的补水口处进入，流至电子水泵12进行循环。电子水泵12根据冷却液温度控制工作，一旦冷却液温度超过临界值，电子水泵12就会工作。在发动机长时间大负荷工作后突然停机时，热量容易急剧累积。例如，高速路上长时间行驶后，进入服务区停靠关闭发动机后，发动机及其零部件的温度非常高，动力系统控制单元就会控制电子水泵12继续工作一段时间，让涡轮增压器13温度降到合适的范围内。在中冷器14处，为方便除气以维持该系统合适压力，在系统最高处设置一个除气阀。即中冷器14的进液端设有除气阀。
如图3所示，第二阶段：当发动机暖机后，发动机升温阶段，温度较快上升，第一调温器3将会在70℃开始开启，85℃时全部打开。一部分冷却液流经排气侧缸盖，一部分冷却液流往缸体和进气侧缸盖，然后和排气侧缸盖冷却液一起，通过暖风芯体7和机油冷却器8，流回机械水泵2。相对于传统冷却系统来看，此时是小循环打开。冷却液被机械水泵2驱动，通过水道流向缸体和和整个缸盖。冷却液经第一回水管16，流经暖风芯体7及机油冷却器8，然后回到机械水泵2。低温散热系统冷却液延续上一阶段继续循环。
如图4所示，第三阶段：发动机温度升高阶段，当冷却液温度在92℃时，第二调温器6开始开启，106℃时全开。相对于传统冷却系统，大循环开启。冷却液从整个缸体、缸盖水道流通后，一部分通过第二调温器6流往高温散热器10进行冷却，然后流回机械水泵2；一部分冷却液通过暖风芯体7及机油冷却液，流回机械水泵2。散热器的冷却风扇的高速档开启，加快空气流通速度，将冷却液的热量带走。低温散热系统冷却液延续上一阶段继续循环。
电子水泵12采用无刷直流电机驱动的离心泵，PWM控制模式，可根据冷却液温度高低实现不同转速，而精确控制低温系统冷却，避免能量浪费。电子水泵12把冷却液泵往涡轮增压器13和中冷器14，冷却液带走热量，然后流往低温散热器11进行冷却。经过低温散热器11冷却后的冷却液，继续流往电子水泵12进行下一个循环。
该种汽车增压发动机冷却系统的控制方法，具体过程为：
(1)发动机启动时，当冷却液温度及发动机转速均低于设定值时，第一调温器3关闭，冷却液经机械水泵2流经排气侧缸盖，通过第一回水管16，再流经暖风芯体7和机油冷却器8，然后回到机械水泵2；
同时电子水泵12工作，冷却液流往涡轮增压器13及中冷器14，对涡轮增压器13及中冷器14进行冷却后；冷却液进入低温散热器11进行散热，从低温散热器11流出的冷却液进入电子水泵12进入循环，低温散热系统开启；
(2)发动机暖机后，温度上升到设定温度时，第一调温器3开启；冷却液在机械水泵2的驱动下，通过排气侧缸盖水道4和缸体与进气侧缸盖水道5流向缸体和缸盖，通过第一回水管16，再流经暖风芯体7和机油冷却器8，然后回到机械水泵2；
低温散热系统继续工作；
(3)温度上升到设定温度时，第二调温器6开始开启，冷却液在机械水泵2的驱动下，通过排气侧缸盖水道4和缸体与进气侧缸盖水道5流向缸体和缸盖，同时冷却液通过第二回水管17流往高温散热器10，然后流回机械水泵2；散热器的冷却风扇开启，以散发冷却液热量；
低温散热系统继续工作。
所述(1)中，当冷却液温度在70℃以下且发动机转速低于3000r/min时，第一调温器3关闭。
所述(2)中，第一调温器3开度根据温度变化自动进行调整；冷却液温度达到70℃时，第一调温器3初开，冷却液温度达到85℃时，第一调温器3全开。
所述(3)中，第二调温器6开度根据温度变化自动进行调整；冷却液温度达到92℃时，第二调温器6初开，冷却液温度达到106℃时，第二调温器6全开。
所述(1)-(3)中，电子水泵12根据冷却液温度控制工作，冷却液温度超过电子水泵12开启临界值，电子水泵12开始工作，低温散热系统开启。
所述(1)-(3)中，冷却液通过与膨胀箱1连接的第一出气管18及第二出气管19和除气阀进行除气。
该种汽车增压发动机冷却系统及其控制方法，能够实现发动机暖机时的暖机冷却模式，能够实现发动机升温时的小循环冷却模式控制，还能实现发动机温度升高时的大循环冷却模式控制，同时能够实现冷却液的放气，保证整个系统处于压力稳定状态；能够满足增压发动机冷却要求，精确控制发动机缸体缸盖冷却，降低发动机排放及发动机初期磨损，满足各回路冷却性能。
同时本发明可以精确控制发动机缸体缸盖温度，减少发动机初期曲柄连杆机构磨损，加快暖机及乘员舱取暖进度，同时降低发动机排放。设置低温散热器11，对涡轮增压器13和中冷器14充分冷却，与发动机高温系统分开控制，效率更高，减少能量消耗。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种汽车增压发动机冷却系统，包括膨胀箱、和所述膨胀箱连接的机械水泵、发动机缸体内部水道及散热器，其特征在于：所述散热器通过隔板分隔为高温散热器及低温散热器；所述发动机缸体内部水道分为进液端和机械水泵连接的排气侧缸盖水道和缸体与进气侧缸盖水道；所述排气侧缸盖水道的进液端设有和缸体与进气侧缸盖水道的进液端连接的第一调温器；所述排气侧缸盖水道的出液端及缸体与进气侧缸盖水道的出液端均通过第一回水管与暖风芯体及和机械水泵连接的机油冷却器依次连接；所述第一回水管上通过第二调温器连接有和高温散热器连接的第二回水管；包括和所述膨胀箱连接的电子水泵，所述电子水泵分别与涡轮增压器及中冷器的进液端连接，所述涡轮增压器及中冷器的出液端和低温散热器的进液端连接；所述低温散热器的出液端和所述电子水泵连接。
2.如权利要求1所述的汽车增压发动机冷却系统，其特征在于：所述第二调温器的进液端设有第一出气管，所述低温散热器的出液端上设有第二出气管；所述第一出气管及第二出气管均和所述膨胀箱连接。
3.如权利要求2所述的汽车增压发动机冷却系统，其特征在于：所述第一出气管及第二出气管上均设有单向阀。
4.如权利要求1-3任一项所述的汽车增压发动机冷却系统，其特征在于：所述中冷器的进液端设有除气阀。
5.一种权利要求1-4任一项所述汽车增压发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：具体过程为：
(1)发动机启动时，当冷却液温度及发动机转速均低于设定值时，第一调温器关闭，冷却液经机械水泵流经排气侧缸盖，通过第一回水管，再流经暖风芯体和机油冷却器，然后回到机械水泵；
同时电子水泵工作，冷却液流往涡轮增压器及中冷器，对涡轮增压器及中冷器进行冷却后，冷却液进入低温散热器进行散热，从低温散热器流出的冷却液进入电子水泵进入循环，低温散热系统开启；
(2)发动机暖机后，温度上升到设定温度时，第一调温器开启；冷却液在机械水泵的驱动下，通过排气侧缸盖水道和缸体与进气侧缸盖水道流向缸体和缸盖，通过第一回水管，再流经暖风芯体和机油冷却器，然后回到机械水泵；
低温散热系统继续工作；
(3)温度上升到设定温度时，第二调温器开始开启，冷却液在机械水泵的驱动下，通过排气侧缸盖水道和缸体与进气侧缸盖水道流向缸体和缸盖，同时冷却液通过第二回水管流往高温散热器，然后流回机械水泵；散热器的冷却风扇开启，以散发冷却液热量；
低温散热系统继续工作。
6.如权利要求5所述汽车增压发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：所述(1)中，当冷却液温度在70℃以下且发动机转速低于3000r/min时，第一调温器关闭。
7.如权利要求5所述汽车增压发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：所述(2)中，冷却液温度达到70℃时，第一调温器初开，冷却液温度达到85℃时，第一调温器全开。
8.如权利要求5所述汽车增压发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：所述(3)中，冷却液温度达到92℃时，第二调温器初开，冷却液温度达到106℃时，第二调温器全开。
9.如权利要求5所述汽车增压发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：所述(1)-(3)中，电子水泵根据冷却液温度控制工作，冷却液温度超过电子水泵开启临界值，电子水泵开始工作，低温散热系统开启。
10.如权利要求5所述汽车增压发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：所述(1)-(3)中，冷却液通过与膨胀箱连接的第一出气管及第二出气管和除气阀进行除气。
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