CN109578129A - 一种发动机冷却水温控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机冷却水温控制系统及方法，通过控制节温器和散热系统控制水温，具体过程为：判断发动机冷却水的目标水温与实际水温之间的差值，当差值大于设定温度值时，控制节温器的首次开启温度为T1、开启后节温器的加热占空比通过发动机转速和实际水温确定，在节温器开启后当判断差值小于等于设定温度值时，节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统的请求占空比；当差值小于等于设定温度值时，控制节温器首次开启温度为T2、开启后节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定。本发明通过优化节温器首次开启时的控制方法，避免水温大幅度波动，从而改善热管理，进而提升燃油经济性、动力性和改善排放。

Description

一种发动机冷却水温控制系统及方法

技术领域

本发明属于发动机控制技术领域，具体涉及一种发动机冷却水温控制系统及方法。

背景技术

汽车产业持续增长，为人们提供通行便利的同时也带来了化石能源消耗、环境污染等一系列问题，节能减排无疑成为了汽车技术发展的主题。降油耗技术线路可分为小型化、改善燃烧、降低泵气损失、降摩擦、降附件功、改善热管理、提升循环效率、起停、优化电器负载、混合动力等。基于电子节温器的发动机冷却水温控制技术主要属于改善热管理范畴。

电子节温器主要是调节发动机冷却水的内外循环的流量。如图1所示，低速工况下，冷却系统走小循环，提高水温，减少热量散失，改善经济性；高速负荷工况下，发动机ECU加热节温器的热敏电阻，降低节温器开启温度，冷却液逐渐向大循环过渡，减小热负荷。但是在节温器首次开启时会存在因为内循环水温大，外循环水温小而导致水温刚开始升高，水温又降低，即节温器首次开启后会存在水温上下较大幅度波动的情况，特别是在寒冷天气，内外循环水温差较大，更容易出现水温较大幅度波动的情况，目前发动机冷却水温控制均未考虑节温器首次开启时水温波动情况，水温波动较大会影响发动机性能，增大能源消耗。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种发动机冷却水温控制系统及方法。

本发明采用的技术方案是：一种发动机冷却水温控制方法，通过控制节温器和散热系统控制水温，具体过程为：

判断发动机冷却水的目标水温与实际水温之间的差值，

当差值大于设定温度值时，控制节温器的首次开启温度为T1、开启后节温器的加热占空比通过发动机转速和实际水温确定，在节温器开启后当判断差值小于等于设定温度值时，节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统请求占空比；

当差值小于等于设定温度值时，控制节温器首次开启温度为T2、开启后节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统请求占空比。

进一步地，确定首次开启温度T1的方法为：在发动机起动后确定节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}，并实时检测发动机冷却水的实际水温，当开启水温T_{FirstSetpoint}与实际水温第一次相等时，定义此时的开启水温为首次开启温度T1。

进一步地，所述节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}通过以下公式确定：

其中：n＝0,1,2...，ΔT_Diff(0)＝0，a为滤波系数，0≤a≤1；f₁(N_EngSpeed,rho)为发动机转速N_EngSpeed和发动机负荷rho的函数；f₂(T_IntakeAir,T_Coolant)为进气温度T_IntakeAir和实际水温T_Coolant的函数，f₃(v,T_Coolant)为车速v和实际水温T_Coolant的函数；T_Setpoint为正常控制时的目标水温；T_{CoolantAtStart}为发动机起动时刻的初始水温。

进一步地，所述首次开启温度T2为节温器的正常开启温度。

更进一步地，控制节温器的首次开启温度为T1时，开启后节温器的加热占空比H_pct(m)通过以下公式确定：

其中，m＝0,1,2...，H_pct(0)＝C＝0.02，f(T_{FirstSetpoint}-T_Coolant)为目标水温T_{FirstSeitpnto}与实际水温T_Coolant之差的函数，为发动机转速N_EngSpeed、实际水温T_Coolant和大气温度T_AmbientAir的函数，H_pctIncredent为常数，T_AmbientAir为当前大气温度。

一种发动机冷却水温控制系统，包括

ECU控制模块，用于根据目标水温与实际水温之间的差值控制节温器的首次开启温度及开启后节温器的加热占空比、控制散热系统请求占空比；

节温器，用于根据加热占空比开启对应的阀门开度控制发动机冷却水温度；

散热系统，用于对发动机冷却水进行降温；

温度检测模块，用于实时检测汽油机冷却水的实际温度发送至控制模块。

进一步地，所述控制模块当判断差值大于设定温度值时，控制节温器的首次开启温度为T1、开启后节温器的加热占空比通过发动机转速和实际水温确定，在节温器开启后当判断差值小于等于设定温度值时，节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统请求占空比；

当差值小于等于设定温度值时，控制节温器首次开启温度为T2、开启后节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统请求占空比。

进一步地，确定首次开启温度T1的方法为：在发动机起动后确定节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}，并实时检测发动机冷却水的实际水温，当开启水温T_{FirstSetpoint}与实际水温第一次相等时，定义此时的开启水温为首次开启温度T1。

进一步地，所述节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}通过以下公式确定：

其中：n＝0,1,2...，ΔT_Diff(0)＝0，a为滤波系数，0≤a≤1；f₁(N_EngSpeed,rho)为发动机转速N_EngSpeed和发动机负荷rho的函数；f₂(T_IntakeAir,T_Coolant)为进气温度T_IntakeAir和实际水温T_Coolant的函数，f₃(v,T_Coolant)为车速v和实际水温T_Coolant的函数；T_Setpoint为正常控制时的目标水温；T_{CoolantAtStart}为发动机起动时刻的初始水温。

更进一步地，控制节温器的首次开启温度为T1时，开启后节温器的加热占空比H_pct(m)通过以下公式确定：

其中，m＝0,1,2...，H_pct(0)＝C＝0.02，f(T_{FirstSetpoint}-T_Coolant)为目标水温T_{FirstSeitpnto}与实际水温T_Coolant之差的函数，为发动机转速N_EngSpeed、实际水温T_Coolant和大气温度T_AmbientAir的函数，H_pctIncredent为常数，T_AmbientAir为当前大气温度。

本发明通过优化节温器首次开启的控制方法，根据目标水温与实际水温之间差值的不同控制节温器的首次开启温度及开启后节温器的加热占空比不同，以应对水温的上下波动，保证水温缓慢上升(或波动极小)，改善因为首次开启时大小循环的水温差造成的温度大幅度波动，从而改善热管理，进而提升燃油经济性、动力性和改善排放。

附图说明

图1为发动机冷却系统结构示意图。

图2为本发明控制系统的原理图。

图3为本发明首次开启控制的流程图。

图4为本发明闭环PI调节的原理图。

图5为本发明散热系统的请求占空比的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图2所示，本发明提供一种发动机冷却水温控制系统，包括

ECU控制模块，用于根据目标水温与实际水温之间的差值控制节温器的首次开启温度及开启后节温器的加热占空比、控制散热系统请求占空比；

节温器，用于根据加热占空比开启对应的阀门开度控制发动机冷却水温度。

散热系统，用于根据不同的请求占空比开启不同速度对发动机冷却水进行降温，具有高速和低速两个档位，如图5所示；散热系统包括冷却风扇和散热器。

温度检测模块，用于实时检测汽油机冷却水的实际温度发送至控制模块。

根据上述系统，本发明还提供一种发动机冷却水温控制方法，ECU控制模块根据目标水温与实际水温差，并由一定控制策略算法实现节温器(改变大小循环的冷却液流量)和散热系统的联动控制，确保实际水温维持在目标水温附近。具体过程为：

ECU控制模块判断发动机冷却水的目标水温与实际水温之间的差值，

当差值大于设定温度值时，设定温度值为2-3℃，如图2所示，控制节温器的首次开启温度为T1、开启后节温器的加热占空比通过发动机转速和实际水温确定，在节温器开启后当判断差值小于等于设定温度值时，节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统的请求占空比；

当差值小于等于设定温度值时，控制节温器首次开启温度为T2、开启后节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统的请求占空比。

上述在差值大于设定温度值时节温器的首次开启及开启后的过程定位首次开启状态，当实测到差值小于等于设定温度值时，结束首次开启状态，节温器首次开启控制完成标志位置1(每次车辆下电后再次上电，节温器首次开启控制完成标志位清零)，本次驾驶循环不允许再进入节温器首次开启状态，节温器进入正常控制。其中设定温度值C_offset由发动机性能指标决定，正常控制时，实际水温和目标水温允许的温度误差，本系统取1.5℃。

上述方案中，节温器首次开启时的温度不应该是正常的开启温度，应该比正常的目标水温低，即节温器首次开启时需提前打开，以应对水温的上下波动，保证水温缓慢上升(或波动极小)，因此确定首次开启温度T1的方法为：在发动机起动后确定节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}，并实时检测发动机冷却水的实际水温，开启水温T_{FirstSetpoint}是变化的曲线，发动机启动后，发动机冷却水的实际水温是不断上升的，因此当开启水温T_{FirstSetpoint}与实际水温第一次相等时，定义此时的开启水温为首次开启温度T1。节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}与正常控制时的目标水温差ΔT_Diff(n)，由发动机转速、负荷、进气温度、实际水温、车速共同决定，具体开启水温T_{FirstSetpoint}通过以下公式确定：

T_{FirstSetpoint}＝T_Setpoint-ΔT_Diff(n)

其中：n＝0,1,2...，n为发动机起动时刻开始增加，每隔一段时间后+1，在开启水温T_{FirstSetpoint}与实际水温T_Coolant第一次重叠时，n不再累加，T_{FirstSetpoint}不再变化。ΔT_Diff(0)＝0，a为滤波系数，0≤a≤1；f₁(N_EngSpeed,rho)为发动机转速N_EngSpeed和发动机负荷rho的函数，发动机转速增大或者发动机负荷增大均能导致f₁(N_EngSpeed,rho)增大；f₂(T_IntakeAir,T_Coolant)为进气温度T_IntakeAir和实际水温T_Coolant的函数，相同水温下进气温度增大能导致f₂(T_IntakeAir,T_Coolant)增大，相同进气温度下水温增大能导致f₂(T_IntakeAir,T_Coolant)增大；f₃(v,T_Coolant)为车速v和实际水温T_Coolant的函数，相同水温下车速增大能导致f₃(v,T_Coolant)增大，相同车速下水温增大能导致f₃(v,T_Coolant)增大；T_Setpoint为正常控制时的目标水温；T_{CoolantAtStart}为发动机起动时刻的初始水温，这些参数均是通过整车测试确定得到。

上述方案中，控制节温器的首次开启温度为T1时，散热系统不会开启，只通过节温器进行温度的控制，节温器的加热占空比H_pct(m)由发动机转速N_EngSpeed、实际水温T_Coolant决定，具体公式如下：

0≤H_pct(m)≤C_pctMax

其中，m＝0,1,2...，m在实际水温T_Coolant与第一次T_{FirstSetpoint}重叠时，m＝0，每隔一段时间后m+1，在进入正常水温控制时刻m和H_pct(m)均清零，H_pct(0)＝C＝0.02，C_pctMax为固定值，f(T_{FirstSetpoint}-T_Coolant)为首次目标水温T_{FirstSetpoint}与实际水温T_Coolant之差的函数，差值越大f(T_{FirstSetpoint}-T_Coolant)越大；为发动机转速N_EngSpeed、当前水温T_Coolant和大气温度T_AmbientAir的函数，相同实际水温T_Coolant与大气温度T_AmbientAir之差下，发动机转速越大越小，相同发动机转速N_EngSpeed下，实际水温T_Coo与大气温度T_Ambi之差越大越大，H_pctIncredent为常数，等于1.25；T_AmbientAir为当前大气温度。其中的标定思路是：在整车不同大气温度下，通过测试标定，保证水温不会出现上升后降低超过3度的情况。

上述方案中，首次开启温度T2为节温器的正常开启温度。

首次开启温度为T2时，节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，如图3所示，各部分的计算是通过查询相应map的方式建立起负荷、温度和占空比之间的映射关系。节温器最终加热占空比包括基本占空比和PI控制占空比。

基本占空比：一般情况下，发动机t时刻的实际水温等于前一t_i时刻水温与(t-t_i)时间段内发动机温度变化量，即发动机水温模型有：

T_a(t)＝T_a(t_i)+ΔT_Eng(t-t_i)

而，ΔQ_Eng(t-t_i)＝Q_IncEng(t-t_i)-Q_DecEng(t-t_i)

其中，T_a(t)为t时刻发动机实际水温；T_a(t_i)为t_i时刻发动机实际水温；ΔQ_Eng(t-t_i)为发动机热量的变化量；Q_IncEng(t-t_i)为(t-t_i)时间段内发动机增加的热量；Q_DecEng(t-t_i)为(t-t_i)时间段内发动机散发的热量。

基本占空比的控制目标是：在目标水温维持不变时，保证发动机实际水温等于目标水温，加热占空比中PI项占空比均为0。根据基本占空比输出控制目标，即：

ΔQ_Eng(t-t_i)＝Q_IncEng(t-t_i)-Q_DecEng(t-t_i)＝0

其中Q_IncEng(t-t_i)＝Q_Com-Q_W，Q_DecEng(t-t_i)≈K(T_Coolant-T_AmbientAir)A_e

(1)发动机增加的热量Q_IncEng(t-t_i)：发动机增加的热量，等于燃烧产生的能量减去飞轮端做功需要的能量。Q_Com为燃烧产生的总能量，Q_W为飞轮端做功需要的能量

(2)发动机散发的热量Q_DecEng(t-t_i)：发动机暖机后，不断向周边环境散热，大气温度、大气压力和车速均能反映发动机的散热能力。K为散热系数，A_e为散热面积，T_Coolant为实际水温，T_AmbientAir为大气温度。

PI控制占空比：根据实际水温与目标水温作差得到误差温度。

1)比例P项占空比由误差温度查表得到。

2)积分I项占空比计算：根据误差温度查表得到积分项累加项，并与上一次积分项值相加得到，并防止积分饱和、限值I项积分值。

节温器最终加热占空比：加热占空比受系统电压的影响，对占空比进行系统电压的修正；以及为了防止水温波动较大，对其占空比变化速率进行了限制；另外为了防止节温器过度加热，损坏节温器并造成石蜡融化溢出，在实际水温过高时需限制最终加热占空比的输出。

上述，首次开启结束进入正常水温控制的标志位确定：在实测到水温接近目标水温T_Coolant≥T_Setpoint-C_offset时，结束首次开启，节温器首次开启控制完成(每次车辆下电后再次上电，节温器首次开启控制完成标志位清零)，本次驾驶循环不允许再进入节温器首次开启控制逻辑，并进入正常控制。其中C_offset由发动机性能指标决定，正常控制时，实际水温和目标水温允许的温度误差，本系统取1.5℃。

上述控制散热系统的请求占空比是ECU控制模块根据节温器的开启程度及冷却水温的变化情况来确定的，节温器的开启占空比不同、冷却水温波动情况不同，散热系统的请求占空比也是不同的，散热系统的请求占空比与散热系统的开启速度之间对应关系如图5所示，为了避免风扇启停切换快，对风扇启停控制进行迟滞处理。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，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，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种发动机冷却水温控制方法，通过控制节温器和散热系统控制水温，其特征在于：判断发动机冷却水的目标水温与实际水温之间的差值，

当差值大于设定温度值时，控制节温器的首次开启温度为T1、开启后节温器的加热占空比通过发动机转速和实际水温确定，在节温器开启后当判断差值小于等于设定温度值时，节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统请求占空比；

当差值小于等于设定温度值时，控制节温器首次开启温度为T2、开启后节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统请求占空比。

2.根据权利要求1所述的发动机冷却水温控制方法，其特征在于：确定首次开启温度T1的方法为：在发动机起动后确定节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}，并实时检测发动机冷却水的实际水温，当开启水温T_{FirstSetpoint}与实际水温第一次相等时，定义此时的开启水温为首次开启温度T1。

3.根据权利要求1所述的发动机冷却水温控制方法，其特征在于：所述节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}通过以下公式确定：

T_{FirstSetpoint}＝T_Setpoint-ΔT_Diff(n)

其中：n＝0,1,2...，ΔT_Diff(0)＝0，a为滤波系数，0≤a≤1；f₁(N_EngSpeed,rho)为发动机转速N_EngSpeed和发动机负荷rho的函数；f₂(T_IntakeAir,T_Coolant)为进气温度T_IntakeAir和实际水温T_Coolant的函数，f₃(v,T_Coolant)为车速v和实际水温T_Coolant的函数；T_Setpoint为正常控制时的目标水温；T_{CoolantAtStart}为发动机起动时刻的初始水温。

4.根据权利要求1所述的发动机冷却水温控制方法，其特征在于：所述首次开启温度T2为节温器的正常开启温度。

5.根据权利要求1所述的发动机冷却水温控制方法，其特征在于：控制节温器的首次开启温度为T1时，开启后节温器的加热占空比H_pct(m)通过以下公式确定：

其中，m＝0,1,2...，H_pct(0)＝C＝0.02，f(T_{FirstSetpoint}-T_Coolant)为目标水温T_{FirstSeitpnto}与实际水温T_Coolant之差的函数，为发动机转速N_EngSpeed、实际水温T_Coolant和大气温度T_AmbientAir的函数，H_pctIncredent为常数，T_AmbientAir为当前大气温度。

6.一种发动机冷却水温控制系统，其特征在于：包括

ECU控制模块，用于根据目标水温与实际水温之间的差值控制节温器的首次开启温度及开启后节温器的加热占空比、控制散热系统请求占空比；

节温器，用于根据加热占空比开启对应的阀门开度控制发动机冷却水温度；

散热系统，用于对发动机冷却水进行降温；

温度检测模块，用于实时检测汽油机冷却水的实际温度发送至控制模块。

7.根据权利要求6所述的发动机冷却水温控制系统，其特征在于：所述控制模块当判断差值大于设定温度值时，控制节温器的首次开启温度为T1、开启后节温器的加热占空比通过发动机转速和实际水温确定，在节温器开启后当判断差值小于等于设定温度值时，节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统请求占空比；

当差值小于等于设定温度值时，控制节温器首次开启温度为T2、开启后节温器的加热占空比通过闭环PI调节方法确定，同时控制散热系统请求占空比。

8.根据权利要求7所述的发动机冷却水温控制系统，其特征在于：确定首次开启温度T1的方法为：在发动机起动后确定节温器的开启水温T_{FirstSetipnot}，并实时检测发动机冷却水的实际水温，当开启水温T_{FirstSetpoint}与实际水温第一次相等时，定义此时的开启水温为首次开启温度T1。

9.根据权利要求8所述的发动机冷却水温控制方法，其特征在于：所述节温器的开启水温T_{FirstSetpoint}通过以下公式确定：

T_{FirstSetpoint}＝T_Setpoint-ΔT_Diff(n)

其中：n＝0,1,2...，ΔT_Diff(0)＝0，a为滤波系数，0≤a≤1；f₁(N_EngSpeed,rho)为发动机转速N_EngSpeed和发动机负荷rho的函数；f₂(T_IntakeAir,T_Coolant)为进气温度T_IntakeAir和实际水温T_Coolant的函数，f₃(v,T_Coolant)为车速v和实际水温T_Coolant的函数；T_Setpoint为正常控制时的目标水温；T_{CoolantAtStart}为发动机起动时刻的初始水温。

10.根据权利要求7所述的发动机冷却水温控制系统，其特征在于：控制节温器的首次开启温度为T1时，开启后节温器的加热占空比H_pct(m)通过以下公式确定：

其中，m＝0,1,2...，H_pct(0)＝C＝0.02，f(T_{FirstSetpoint}-T_Coolant)为目标水温T_{FirstSeitpnto}与实际水温T_Coolant之差的函数，为发动机转速N_EngSpeed、实际水温T_Coolant和大气温度T_AmbientAir的函数，H_pctIncredent为常数，T_AmbientAir为当前大气温度。