CN112576358B - 一种发动机散热模块、发动机散热系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于发动机散热技术领域，公开了一种发动机散热模块、发动机散热系统及其控制方法。本发明所提供的一种发动机散热模块、发动机散热系统及其控制方法，可通过一个电机来实现缸体和缸盖的冷却分开控制，利用电机驱动球阀旋转来控制缸体支路的冷却，利用节温器来控制缸盖实现大小循环的切换，球阀和节温器集成在一个模块里，体积小，成本低，在发动机不同工况时，合理分配流向各个冷却系统零部件的冷却液流量，优先冷却热负荷关键区域，可以精确控制循环冷却液量和冷却空气流量，使发动机的各个部件工作在最佳温度范围实现快速暖机，从而达到降摩减排的作用。

Description

一种发动机散热模块、发动机散热系统及其控制方法

技术领域

本发明属于发动机散热技术领域，尤其涉及一种发动机散热模块、发动机散热系统及其控制方法。

背景技术

目前大部分发动机的温度调节元件有节温器和温控模块两种形式。其中，节温器用于控制发动机大小循环的切换，有限地调节发动机的热分布状态，不能精确控制循环冷却液量和冷却空气流量，也不能使发动机的各个部件工作在最佳温度范围内。温控模块主要通过球阀与管口的配合，实现对多个支路的流量调整，现有技术中，通过设置两个球阀及不同转角的配合，实现多支路流量的无级控制。其控制策略如下所示：a.冷启动，球阀二关闭水泵出水口流道，发动机水套内冷却液基本接近零流动，快速升温。b.在温度达到某设定值后，球阀一开启，水套鼻梁区等热负荷较高位置冷却液得到及时置换，以防止过热。c.高温时，球阀全开大循环，使整个冷却系统达到最大散热效率。温控模块只能有限的控制冷却系统外部支路的流量，不能实现缸体和缸盖水套的分开冷却，两个球阀同轴联动，受限于驱动力单一来源的影响，运动关系不可解耦，缸盖和缸体的出水温度始终保持一致。一般而言，缸盖工作条件更为苛刻，温度梯度引起的热应力容易导致气缸盖的损坏，所以存在某些工况，出水温度较低，导致气缸体温度偏低，不利于降低活塞与气缸套之间的摩擦。如果要实现缸体和缸盖分流冷却，单独控制，需要额外增加一个电机来控制球阀，结构复杂，成本高，尺寸大，不利于整机布置。

理想的发动机工作状态是气缸盖温度低而气缸体温度高，缸盖温度低可以提高充气效率，增大进气量，改善排放，而较高的气缸体温度有利于减低摩擦损失，改善燃油经济性。现有技术中，也有采用两个球阀同轴联动的方案，受限于驱动力单一来源的影响，运动关系不可解耦，缸盖和缸体的出水温度始终保持一致。一般而言，缸盖工作条件更为苛刻，温度梯度引起的热应力容易导致气缸盖的损坏，所以存在某些工况，出水温度较低，导致气缸体温度偏低，不利于降低活塞与气缸套之间的摩擦。如果要实现缸体和缸盖分流冷却，单独控制，需要额外增加一个电机来控制球阀，结构复杂，成本高，尺寸大，不利于整机布置。

目前大部分发动机的温度调节元件有节温器和温控模块两种形式。其中，节温器一般只能控制发动机大小循环的切换，有限地调节发动机的热分布状态，不能精确控制循环冷却液量和冷却空气流量，也不能使发动机的各个部件工作在最佳温度范围内。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一种发动机散热模块、发动机散热系统及其控制方法，其温控模块可通过球阀与管口的配合，实现对多个支路的流量调整，灵活快速调整冷却液温度，实现冷却液的流动分布最优化，实现精细热管理，利于改善发动机的运行环境，提高发动机使用寿命，降低发动机燃油消耗。

本发明的技术方案是：一种发动机散热模块，包括模块本体，所述模块本体具有用于连接散热器的散热器连接结构、用于连接缸体支路的缸体支路连接结构和用于连接缸盖支路的缸盖支路连接结构，所述模块本体设置有用于在发动机缸体水温达到设定值时控制所述缸体支路导通的控制部件；所述模块本体还设置有节温器，所述节温器具有用于连接旁通回路的旁通回路连接结构和用于连接散热器支路的散热器支路连接结构；所述节温器具有于所述发动机缸体水温低于设定值时将所述缸盖支路与所述旁通回路导通且于所述发动机缸体水温高于设定值时将所述缸盖支路与所述散热器支路导通的节温器。

可选地，所述控制部件包括球阀和连接于所述球阀且用于驱动所述球阀的驱动电机。

可选地，所述缸体支路连接结构包括用于与缸体支路出水口连接的缸体出水口连接孔位；所述缸盖支路连接结构包括用于与缸盖支路出水口连接的缸盖出水口连接孔位。

可选地，所述缸体支路连接结构还包括与缸体相贴的缸体接合面，所述缸体出水口连接孔位位于所述缸体接合面处；所述缸盖支路连接结构还包括与缸盖相贴的缸盖接合面，所述缸盖出水口连接孔位位于所述缸盖接合面处；所述模块本体通过锁紧件固定连接于所述缸体和所述缸盖。

可选地，所述节温器包括在温度低于设定值时关闭的阀门和封装于密封腔内且在设定温度下融化而使阀门开启的可熔化物。

可选地，所述可熔化物为石蜡。

可选地，所述模块本体还设置有暖风机回水管接口。

可选地，所述模块本体连接有温度传感器。

本发明还提供了一种发动机散热系统，包括散热器和水泵、上述的一种发动机散热模块，所述散热器连接于模块本体的散热器连接结构，所述水泵连接于所述散热器的管路。

本发明还提供了一种发动机散热系统的控制方法，采用上述的一种发动机散热系统，包括以下步骤：

获取发动机缸体的水温T1和发动机缸盖的水温T2；

若T1高于第一设定值，缸体支路进行大循环散热：控制部件动作使缸体支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸体，且散热器的风扇全速开启；

若T1未高于第一设定值且高于第二设定值，节温器根据温度动作使缸体支路与散热器导通；若T1低于第二设定值，缸体支路进行小循环散热：控制部件使缸体支路与散热器断开，冷却液经水泵返回发动机缸体；

节温器动作使缸体支路与散热器导通后，若T1高于第三设定值，节温器全开使缸体支路与散热器导通；

若T2高于第一设定值，缸盖支路进行大循环散热：节温器全开使缸盖支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖，且散热器的风扇全速开启；

若T2低于第一设定值且高于目标值，缸盖支路进行大循环散热：节温器全开使缸盖支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖；

若T2等于目标值，缸盖支路进行大循环散热：节温器全开使缸盖支路与散热器导通，控制部件动作使缸体支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖。

本发明所提供的一种发动机散热模块、发动机散热系统及其控制方法，可通过一个电机来实现缸体和缸盖的冷却分开控制，利用电机驱动球阀旋转来控制缸体支路的冷却，利用节温器来控制缸盖实现大小循环的切换，球阀和节温器集成在一个模块里，体积小，成本低，在发动机不同工况时，合理分配流向各个冷却系统零部件的冷却液流量，优先冷却热负荷关键区域，可以精确控制循环冷却液量和冷却空气流量，使发动机的各个部件工作在最佳温度范围实现快速暖机，从而达到降摩减排的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种发动机散热模块的正面示意图；

图2是本发明实施例提供的一种发动机散热模块的背面示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发动机散热模块中球阀的平面示意图；

图4是本发明实施例提供的一种发动机散热模块中球阀的平面示意图；

图5是本发明实施例提供的一种发动机散热模块中球阀的平面示意图；

图6是本发明实施例提供的一种发动机散热模块中节温器的平面示意图；

图7是本发明实施例提供的一种发动机散热系统的控制方法的参考流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。

另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的一种发动机散热模块，包括模块本体10，所述模块本体10具有用于连接散热器的散热器连接结构11、用于连接缸体支路的缸体支路连接结构12和用于连接缸盖支路的缸盖支路连接结构13，所述模块本体10设置有用于在发动机缸体水温达到设定值时控制所述缸体支路导通的控制部件；所述模块本体10还设置有节温器20，所述节温器20具有用于连接旁通回路的旁通回路连接结构(旁通回路连接端)21和用于连接散热器支路的散热器支路连接结构22，所述模块本体10具有旁通接口17，以连接旁通管；所述节温器20用于在所述发动机缸体水温低于设定值时将所述缸盖支路与所述旁通回路导通，且所述节温器20用于在所述发动机缸体水温高于设定值时将所述缸盖支路与所述散热器支路导通。通过利用控制部件来控制缸体支路的冷却，利用节温器20来控制缸盖支路并实现大小循环的切换，可以解决传统节温器20无法对水温进行分段精确控制的问题，可以将发动机缸盖和发动机缸体水路划分为不同的冷却回路，使它们具有不同的温度，从而使发动机各部分在最优的温度设定点工作，冷却系统的整体效率达到最大，实现发动机缸体、发动机缸盖分流冷却，从而达到降摩减排的作用，通过这种先进的热管理技术，可以使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围内，利于改善发动机的运行环境，提高发动机使用寿命，降低发动机燃油消耗。

具体地，所述控制部件可包括球阀31和连接于所述球阀31且用于驱动所述球阀31的驱动电机32。球阀31上可以设置有导通槽311，球阀31的轴线方向的一端为电机连接端312，用于连接驱动电机32，球阀31的轴线方向的另一端为连接缸体出水口端313；通过驱动电机32控制球阀31转动，可以使导通槽311转动至对应位置而使缸体支路与散热器管路导通而实现大循环散热，当然，通过驱动电机32控制球阀31转动，也可以使缸体支路与散热器管路隔绝，利于缸体水温快速上升，而实现快速暖机。

具体地，所述缸体支路连接结构12包括用于与缸体支路出水口连接的缸体出水口连接孔位，缸体出水口连接孔位可与发动机的缸体支路出水口相接；所述缸盖支路连接结构13包括用于与缸盖支路出水口连接的缸盖出水口连接孔位，缸盖出水口连接孔位可与发动机的缸盖支路出水口相接。

具体应用中，缸体出水口连接孔位和缸盖出水口连接孔位可以设置于模块本体10的相同面或不同面。

具体地，所述缸体支路连接结构12还包括与缸体相贴的缸体接合面，所述缸体出水口连接孔位位于所述缸体接合面处；缸体接合面处设置有缸体支路密封圈14，缸体支路密封圈14可以套于缸体出水口连接孔位外，球阀31可以设置于缸体出水口连接孔内。所述缸盖支路连接结构13还包括与缸盖相贴的缸盖接合面，所述缸盖出水口连接孔位位于所述缸盖接合面处；所述模块本体10通过锁紧件固定连接于所述缸体和所述缸盖，这样，缸体出水口连接孔位与缸体支路出水口对接，缸盖出水口连接孔位与缸盖支路出水口对接，连接可靠性高。节温器20设置于缸盖出水口连接孔位处。

具体地，所述节温器20包括在温度低于设定值时关闭的阀门和封装于密封腔内且在设定温度下融化而使阀门开启的可熔化物。具体应用中，所述可熔化物为石蜡(蜡包)。即节温器20可以采用石蜡式节温器。

具体地，所述模块本体10还设置有暖风机回水管接口15，用于连接暖风机回水管。

具体地，所述模块本体10连接有温度传感器(图中未示出)。模块本体10可以设置有温度传感器接口16。温度传感器可以设置有两个，其中一个用于感应缸体支路的水温，另一个用于感应缸盖支路的水温。温度传感器通过线缆连接于温度传感器接口。

本发明还提供了一种发动机散热系统，包括散热器和水泵，还包括上述的一种发动机散热模块，所述散热器通过管路连接于发动机散热模块中模块本体10的散热器连接结构11，所述水泵连接于所述散热器的管路、水泵的管路模块本体10、发动机缸体和发动机缸盖。

具体应用中，模块本体10通过缸体和缸盖出水口安装面与发动机水套相连，并用螺栓打紧。球阀31和节温器20安装在模块本体10内部。球阀31可由电机来驱动动作，控制缸体出水口的开闭。节温器20安装在球阀31法兰面的下侧，法兰面上内置有接口，节温器20的阀门轴线与球阀31的接口轴线呈垂直布置。弹簧两侧的推杆分别联通散热器管接口和旁通回路的接口，控制旁通和散热器支路的开闭。温控模块外部有连接暖风、旁通管和散热器通路的安装凸台，凸台上有硬管接头与外围管路连接。水温传感器可以安装在温控模块下方的罩壳外部，用来感应水温。温控模块通过缸体和缸盖出水口接合面与发动机水套出水口相连。球阀31由可电机驱动进行旋转运动，控制缸体水套的冷却。球阀31上可以开有导通槽311，当球阀31旋转时，导通槽311与法兰面内部接口对齐后，缸体水套冷却液开始流通。节温器20安装在球阀31的法兰面下侧，节温器20中弹簧两侧推杆分别联通散热器管接口和旁通回路的接口，控制发动机的大小循环。水温较高时，蜡包(石蜡)融化，弹簧压紧力减小，联通散热器接口的支路逐渐流通，发动机进行大循环。

本发明还提供了一种发动机散热系统的控制方法，采用上述的一种发动机散热系统，包括以下步骤：

获取发动机缸体的水温T1和发动机缸盖的水温T2，发动机缸体的水温T1和发动机缸盖的水温T2可由对应的温度传感器获取；

若T1高于第一设定值，缸体支路进行大循环散热：控制部件(球阀31)动作使缸体支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸体，且散热器的风扇全速开启，这样，可以使发动机得到较好的冷却；

若T1未高于第一设定值且高于第二设定值，节温器20根据温度动作使缸体支路与散热器导通，使发动机的缸体维持在合适的温度；若T1低于第二设定值，缸体支路进行小循环散热：控制部件使缸体支路与散热器断开，冷却液经水泵返回发动机缸体，利于实现快速暖机，使发动机的温度尽快上升至合适的工作温度；

节温器20动作使缸体支路与散热器导通后，若T1高于第三设定值，节温器20全开使缸体支路与散热器导通；

若T2高于第一设定值，缸盖支路进行大循环散热：节温器20全开使缸盖支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖，且散热器的风扇全速开启；

若T2低于第一设定值且高于目标值，缸盖支路进行大循环散热：节温器20全开使缸盖支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖；

若T2等于目标值，缸盖支路进行大循环散热：节温器20全开使缸盖支路与散热器导通，控制部件动作使缸体支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖。

具体应用中，上述的一种发动机散热模块开启策略可以参考如图7所示。

发动机在不同工况下对水温有不同的要求：

(1)在发动机冷启动时，为了提高暖机速度，同时确保暖风有足够的强度，应使水温迅速升高。温控模块控制球阀31处于关闭状态，切断缸体水套出水口流道，使缸体水套内冷却液维持零流动以快速升温。

(2)发动机正常运转时，为了降低发动机的摩擦功和传导给冷却系统的热量，提高效率，缸体水温应维持在一个相对高的水平，设定的目标水温是105℃(目标值)。

为保障缸盖鼻梁区和集成排气歧管等热负荷关键区域得到及时冷却，防止过热，缸盖冷却通道保持常通，当温度低于85℃时，冷却液流经缸盖后通过温控模块的缸盖出水口进入模块内部，温度较低，蜡包未融化，节温器20压紧在散热器支路接口，此时，冷却液只能通过旁通管路流回水泵。散热器不参与循环，大循环关闭。当温度高于85℃时，节温器20蜡包开始融化，弹簧压紧力变小，逐渐将大循环支路打开，缸盖冷却液开始流经散热器进行大循环。当水温高于95℃时，蜡包完全融化，大循环支路完全打开，缸盖冷却液全部流经散热器进行大循环。当水温高于105℃时，ECU向伺服电机发送调节指令，球阀31旋转动作，球阀31上的开口槽与其法兰面的接口对齐，缸体冷却液经过球阀31进入节温器20腔内，然后流入散热器进行大循环。此时，缸盖和缸体的冷却液全部进入散热器，大循环冷却液流量达到最大，使整个冷却系统达到最大散热效率。

(3)发动机水温超过115℃时，采取高温保护，高速风扇开启，避免过热。

(4)发动机停止运转时，电机停止工作，球阀31回位。

这样，在发动机不同工况时，通过球阀31和节温器20的配合动作，控制发动机缸体和缸盖的冷却液流量，保持气缸体更高的温度，以减小冷却损失提升发动机效率；而较低的气缸盖温度，可提升充气效率，增大进气量，降低爆震倾向

本发明实施例所提供的一种发动机散热模块、发动机散热系统及其控制方法，解决了传统节温器20无法对水温进行分段精确控制的问题，可以将发动机缸盖和缸体水套划分为不同的冷却回路，使它们具有不同的温度，使发动机各部分在最优的温度设定点工作，冷却系统的整体效率达到最大，实现缸体缸盖分流冷却，从而达到降摩减排的作用，该先进的热管理技术，可以使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围内，利于改善发动机的运行环境，从而提高发动机使用寿命，并降低发动机燃油消耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种发动机散热模块，其特征在于，包括模块本体，所述模块本体具有用于连接散热器的散热器连接结构、用于连接缸体支路的缸体支路连接结构和用于连接缸盖支路的缸盖支路连接结构，所述模块本体设置有用于在发动机缸体水温达到设定值时控制所述缸体支路导通的控制部件；所述模块本体还设置有节温器，所述节温器具有用于连接旁通回路的旁通回路连接结构和用于连接散热器支路的散热器支路连接结构；所述节温器具有于所述发动机缸体水温低于设定值时将所述缸盖支路与所述旁通回路导通且于所述发动机缸体水温高于设定值时将所述缸盖支路与所述散热器支路导通的节温器；

所述控制部件包括球阀和连接于所述球阀且用于驱动所述球阀的驱动电机。

2.如权利要求1所述的一种发动机散热模块，其特征在于，所述缸体支路连接结构包括用于与缸体支路出水口连接的缸体出水口连接孔位；所述缸盖支路连接结构包括用于与缸盖支路出水口连接的缸盖出水口连接孔位。

3.如权利要求2所述的一种发动机散热模块，其特征在于，所述缸体支路连接结构还包括与缸体相贴的缸体接合面，所述缸体出水口连接孔位位于所述缸体接合面处；所述缸盖支路连接结构还包括与缸盖相贴的缸盖接合面，所述缸盖出水口连接孔位位于所述缸盖接合面处；所述模块本体通过锁紧件固定连接于所述缸体和所述缸盖。

4.如权利要求1所述的一种发动机散热模块，其特征在于，所述节温器包括在温度低于设定值时关闭的阀门和封装于密封腔内且在设定温度下融化而使阀门开启的可熔化物。

5.如权利要求4所述的一种发动机散热模块，其特征在于，所述可熔化物为石蜡。

6.如权利要求1所述的一种发动机散热模块，其特征在于，所述模块本体还设置有暖风机回水管接口。

7.如权利要求1所述的一种发动机散热模块，其特征在于，所述模块本体连接有温度传感器。

8.一种发动机散热系统，包括散热器和水泵，其特征在于，还包括如权利要求1至7中任一项所述的一种发动机散热模块，所述散热器连接于模块本体的散热器连接结构，所述水泵连接于所述散热器的管路。

9.一种发动机散热系统的控制方法，其特征在于，采用如权利要求8所述的一种发动机散热系统，包括以下步骤：

获取发动机缸体的水温T1和发动机缸盖的水温T2；

若T1高于第一设定值，缸体支路进行大循环散热：控制部件动作使缸体支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸体，且散热器的风扇全速开启；

若T1未高于第一设定值且高于第二设定值，节温器根据温度动作使缸体支路与散热器导通；若T1低于第二设定值，缸体支路进行小循环散热：控制部件使缸体支路与散热器断开，冷却液经水泵返回发动机缸体；

节温器动作使缸体支路与散热器导通后，若T1高于第三设定值，节温器全开使缸体支路与散热器导通；

若T2高于第一设定值，缸盖支路进行大循环散热：节温器全开使缸盖支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖，且散热器的风扇全速开启；

若T2低于第一设定值且高于目标值，缸盖支路进行大循环散热：节温器全开使缸盖支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖；

若T2等于目标值，缸盖支路进行大循环散热：节温器全开使缸盖支路与散热器导通，控制部件动作使缸体支路与散热器导通，冷却液经水泵、散热器返回发动机缸盖。

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