CN113323739A - 一种可控的发动机润滑油冷却系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控的发动机润滑油冷却系统及控制方法：包括润滑油箱、一号温度传感器、流量计、润滑油滤清器、润滑油泵、二号温度传感器、螺旋形散热管、冷却水箱、冷却水滤清器、水泵、电磁阀、电加热器和三号温度传感器。发动机流出的润滑油流入润滑油箱，一号温度传感器测润滑油瞬态温度，流量计测润滑油流量；二号温度传感器测得润滑油温度，计算出润滑油交换的热流量、所需冷却水的流量；发动机在大负荷下工作时，冷却水箱冷却水温度大于85℃时，注入冷水，冷却水温度降至指定温度，对润滑油箱内润滑油降温；发动机冷启动及在小负荷下工作时，加热冷却水至85℃，加热润滑油。本发明适用于发动机实验台架和特种发动机。

Description

一种可控的发动机润滑油冷却系统及控制方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，更具体的说，是涉及一种可控的发动机润滑油冷却系统及控制方法。

背景技术

润滑系统在发动机中主要起润滑和冷却作用，由于发动机长期在高温环境下工作，因此需要对润滑系统内的润滑油进行冷却，以防止润滑油因温度过高变质而引起的发动机的热力性能和机械性能的劣化，目前亟待解决的就是润滑系统温度精确控制的问题。

发明内容

本发明针对润滑系统面临的温度精确控制问题，提出一种可控的发动机润滑油冷却系统及控制方法，可以根据润滑油的当前温度，实时的调节冷却水流量，进而实现润滑油温度的精确控制。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明可控的发动机润滑油冷却系统，包括润滑油箱，所述润滑油箱上端连接有润滑油入口管，下端连接有润滑油出口管，所述润滑油入口管设置有一号温度传感器和流量计，所述润滑油出口管沿液体流动方向设置有润滑油滤清器和润滑油泵；

所述润滑油箱内设置有二号温度传感器和螺旋形散热管，所述螺旋形散热管的出液口通过冷却水管路连接冷却水箱的循环冷却水进口，所述螺旋形散热管的进液口通过冷却水管路连接冷却水箱的循环冷却水出口，且该冷却水管路沿冷却水流动方向设置有冷却水滤清器和水泵；

所述冷却水箱顶部连接有外接冷水管，所述外接冷水管设置有电磁阀，所述冷却水箱侧壁设置有出水口；所述冷却水箱内设置有电加热器和三号温度传感器；

所述一号温度传感器、二号温度传感器、三号温度传感器、流量计、润滑油泵、水泵、电磁阀、电加热器均与ECU连接。

所述润滑油箱采用横置的圆柱油桶。

所述润滑油入口管与润滑油箱上端左侧的润滑油入口连接，所述润滑油出口管与润滑油箱下端右侧的润滑油出口连接。

所述螺旋形散热管从润滑油入口延伸至润滑油出口，其螺旋圈数呈由密到疏的变化。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明可控的发动机润滑油冷却系统的控制方法，包括以下过程：

第一步：从发动机中流出的润滑油经润滑油入口管流入润滑油箱，通过一号温度传感器测得润滑油的瞬态温度T₁，并反馈给ECU，同时，流量计将当前的润滑油流量q_m反馈给ECU；

第二步：二号温度传感器测得润滑油箱内的润滑油温度T₂，并反馈给ECU，ECU计算出润滑油箱内润滑油交换的热流量Φ，同时计算出所需冷却水的流量，进而通过控制水泵转速实现实时的冷却水流量的精确控制；

第三步：当发动机在大负荷下工作时，通过三号温度传感器监测冷却水箱温度T_w，当冷却水温度大于85℃时，ECU控制电磁阀打开，注入冷水，当冷却水温度降低至指定温度后，关闭电磁阀，通过冷却水对润滑油箱内的润滑油进行降温，使其达到正常工作温度；其中，冷却水箱内多余的水将从出水口排出；

第四步：当发动机冷启动及在小负荷下工作时，ECU控制电加热器开关闭合，加热冷却水至85℃，然后通过冷却水加热润滑油箱内的润滑油，使其达到正常工作温度。

第二步中所述的润滑油箱内润滑油交换的热流量Φ，按以下公式计算：

Φ＝q_mc₁ΔT (1)

其中，q_m为润滑油入口管处流量，c₁为润滑油的比热容，ΔT为润滑油入口管内和润滑油箱内出口处润滑油的温差，ΔT＝T₁-T₂。

第二步中所述的所需冷却水的流量q'_m，按以下公式计算：

Φ'＝kAΔT_m (2)

Φ”＝q'_mc₂ΔT₁ (4)

Φ＝Φ'＝Φ” (5)

其中，将润滑油箱和螺旋形散热管整体看成换热系统，k为换热系统的总传热系数，A为润滑油箱内螺旋形换热管表面积，ΔT_m为冷热流体的平均传热温差Φ'为换热系统内润滑油与冷却水交换的热流量，Φ”为冷却水的热流量，q'_m为冷却水流量，c₂为水的比热容，ΔT'为润滑油箱内润滑油和冷却水进口处温差，ΔT”为润滑油箱内润滑油和冷却水出口处温差，ΔT₁为润滑油箱内冷却水进出口处温差；

具体计算过程如下：

定义润滑油箱内冷却水进出口处温度分别为T₃和T₄，T₃由三号温度传感器15测量反馈得知，则ΔT'＝|T₁-T₃|，ΔT”＝|T₂-T₄|，ΔT₁＝|T₃-T₄|；

由于Φ＝Φ'，则通过代换求出ΔT_m的表达式：

ΔT_m＝(q_mc₁ΔT)/kA (6)

联立公式(3)和(6)，求出ΔT”的值，由于ΔT”＝|T₂-T₄|，且T₂已知，由此求出润滑油箱内冷却水出口处温度T₄，最终求得冷却水流量q'_m；

q'_m＝Φ”/c₂ΔT₁＝Φ/c₂|T₃-T₄| (7)。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明中一号温度传感器、二号温度传感器、三号温度传感器、流量计可作为监测单元，所述润滑油泵、水泵、电磁阀、电加热器可作为执行单元，通过ECU控制电磁阀开闭、电加热器开关，以及水泵、润滑油泵转速，从而实现对全工况下的润滑油温度控制。

本发明可根据发动机的工况变化，灵活的改变冷却系统的工作方式，实现润滑油温度的实时精确控制，使得润滑系统在发动机全工况下都能维持温度的稳定。

附图说明

图1是本发明可控的发动机润滑油冷却系统示意图。

附图标记：1-润滑油入口管；2-一号温度传感器；3-流量计；4-润滑油箱；5-润滑油出口管；6-润滑油滤清器；7-润滑油泵；8-冷却水箱；9-冷却水滤清器；10-水泵；11-冷却水管路；12-螺旋形散热管；13-二号温度传感器；14-电加热器；15-三号温度传感器；16-出水口；17-电磁阀；18-外接冷水管；19-ECU。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明可控的发动机润滑油冷却系统，包括润滑油箱4，所述润滑油箱4采用横置的圆柱油桶。所述润滑油箱4上端连接有润滑油入口管1，下端连接有润滑油出口管5。所述润滑油入口管1从发动机引出，所述润滑油入口管1设置有一号温度传感器2和流量计3。所述润滑油出口管5引至发动机，所述润滑油出口管5沿液体流动方向设置有润滑油滤清器6和润滑油泵7。其中，所述润滑油入口管1与润滑油箱4上端左侧的润滑油入口连接，所述润滑油出口管5与润滑油箱4下端右侧的润滑油出口连接。

所述润滑油箱4内设置有二号温度传感器13和螺旋形散热管12，所述二号温度传感器13位于润滑油出口处，所述螺旋形散热管12从润滑油入口延伸至润滑油出口，其螺旋圈数呈由密到疏的变化，主要目的是加快润滑油入口润滑油的冷却，同时减小润滑油箱4内的温度梯度变化，维持油温稳定。所述螺旋形散热管12的出液口通过冷却水管路11连接冷却水箱8的循环冷却水进口，所述螺旋形散热管12的进液口通过冷却水管路11连接冷却水箱8的循环冷却水出口，且该冷却水管路11沿冷却水流动方向设置有冷却水滤清器9和水泵10。冷却水箱8内的冷却水通过冷却水管路11先流向冷却水滤清器9，后至水泵10，再流向螺旋形散热管12，最后通过冷却水管路11流回冷却水箱8。所述冷却水箱8顶部连接有外接冷水管18，所述外接冷水管18设置有电磁阀17，所述冷却水箱8上部侧壁安装有出水口16。所述冷却水箱8内设置有电加热器14和三号温度传感器15。

所述一号温度传感器2、二号温度传感器13、三号温度传感器15、流量计3、润滑油泵7、水泵10、电磁阀17、电加热器14均与ECU19连接，通过ECU19控制电磁阀17开闭、电加热器14开关，以及水泵10、润滑油泵7转速，从而实现对全工况下的润滑油温度控制。其中，一号温度传感器2、二号温度传感器13、三号温度传感器15、流量计3可作为本发明的监测单元，所述润滑油泵7、水泵10、电磁阀17、电加热器14可作为本发明的执行单元。

本发明可控的发动机润滑油冷却系统的控制方法，包括以下过程：

第一步：从发动机中流出的润滑油经润滑油入口管1流入润滑油箱4，通过一号温度传感器2测得润滑油的瞬态温度T₁，并反馈给ECU。同时，流量计3将当前的润滑油流量q_m反馈给ECU。

第二步：二号温度传感器13测得润滑油箱4内的润滑油温度T₂，并反馈给ECU，ECU通过公式(1)计算出润滑油箱内润滑油交换的热流量Φ，同时通过公式(2)～(5)计算出所需冷却水的流量，进而通过控制水泵10转速实现实时的冷却水流量的精确控制；

Φ＝q_mc₁ΔT (1)

其中，q_m为润滑油入口管处流量，c₁为润滑油的比热容，ΔT为润滑油入口管内和润滑油箱内出口处润滑油的温差，ΔT＝T₁-T₂。

Φ'＝kAΔT_m (2)

Φ”＝q'_mc₂ΔT₁ (4)

Φ＝Φ'＝Φ” (5)

其中，将润滑油箱和螺旋形散热管整体看成换热系统，k为换热系统的总传热系数，A为润滑油箱内螺旋形换热管表面积，ΔT_m为冷热流体的平均传热温差，Φ'为换热系统内润滑油与冷却水交换的热流量，Φ”为冷却水的热流量，q'_m为冷却水流量，c₂为水的比热容，ΔT'为润滑油箱内润滑油和冷却水进口处温差，ΔT”为润滑油箱内润滑油和冷却水出口处温差，ΔT₁为润滑油箱内冷却水进出口处温差。

具体计算过程如下：

定义润滑油箱内冷却水进出口处温度分别为T₃和T₄，T₃可由三号温度传感器15测量反馈得知，则ΔT'＝|T₁-T₃|，ΔT”＝|T₂-T₄|，ΔT₁＝|T₃-T₄|。

由于Φ＝Φ'，则通过代换可以求出ΔT_m的表达式：

ΔT_m＝(q_mc₁ΔT)/kA (6)

联立公式(3)和(6)，可以求出ΔT”的值，由于ΔT”＝|T₂-T₄|，且T₂已知，由此可以求出润滑油箱内冷却水出口处温度T₄，最终求得冷却水流量q'_m；

q'_m＝Φ”/c₂ΔT₁＝Φ/c₂|T₃-T₄| (7)

第三步：当发动机在大负荷下工作时，润滑油温度较高，冷却系统散热压力较大，通过三号温度传感器15监测冷却水箱温度T_w，当冷却水温度大于85℃时，ECU控制电磁阀打开，注入冷水，当冷却水温度降低至指定温度后，关闭电磁阀，通过冷却水对润滑油箱4内的润滑油进行降温，使其达到正常工作温度。其中，冷却水箱4内多余的水将从出水口16排出。一般认为发动机负荷在25％以下时为小负荷，40％-60％为中负荷，60％以上为大负荷，100％为满负荷。

第四步：当发动机冷启动及在小负荷下工作时，润滑油温度低，此时，ECU控制电加热器开关闭合，加热冷却水至85℃，然后通过高温冷却水加热润滑油箱4内温度较低的润滑油，使其达到正常工作温度。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种可控的发动机润滑油冷却系统，包括润滑油箱(4)，其特征在于，所述润滑油箱(4)上端连接有润滑油入口管(1)，下端连接有润滑油出口管(5)，所述润滑油入口管(1)设置有一号温度传感器(2)和流量计(3)，所述润滑油出口管(5)沿液体流动方向设置有润滑油滤清器(6)和润滑油泵(7)；

所述润滑油箱(4)内设置有二号温度传感器(13)和螺旋形散热管(12)，所述螺旋形散热管(12)的出液口通过冷却水管路(11)连接冷却水箱(8)的循环冷却水进口，所述螺旋形散热管(12)的进液口通过冷却水管路(11)连接冷却水箱(8)的循环冷却水出口，且该冷却水管路(11)沿冷却水流动方向设置有冷却水滤清器(9)和水泵(10)；

所述冷却水箱(8)顶部连接有外接冷水管(18)，所述外接冷水管(18)设置有电磁阀(17)，所述冷却水箱(8)侧壁设置有出水口(16)；所述冷却水箱(8)内设置有电加热器(14)和三号温度传感器(15)；

所述一号温度传感器(2)、二号温度传感器(13)、三号温度传感器(15)、流量计(3)、润滑油泵(7)、水泵(10)、电磁阀(17)、电加热器(14)均与ECU(19)连接。

2.根据权利要求1所述的可控的发动机润滑油冷却系统，其特征在于，所述润滑油箱(4)采用横置的圆柱油桶。

3.根据权利要求1所述的可控的发动机润滑油冷却系统，其特征在于，所述润滑油入口管(1)与润滑油箱(4)上端左侧的润滑油入口连接，所述润滑油出口管(5)与润滑油箱(4)下端右侧的润滑油出口连接。

4.根据权利要求3所述的可控的发动机润滑油冷却系统，其特征在于，所述螺旋形散热管(12)从润滑油入口延伸至润滑油出口，其螺旋圈数呈由密到疏的变化。

5.一种上述权利要求1至4中任一项所述的可控的发动机润滑油冷却系统的控制方法，其特征在于，包括以下过程：

第一步：从发动机中流出的润滑油经润滑油入口管流入润滑油箱，通过一号温度传感器测得润滑油的瞬态温度T₁，并反馈给ECU，同时，流量计将当前的润滑油流量q_m反馈给ECU；

第二步：二号温度传感器测得润滑油箱内的润滑油温度T₂，并反馈给ECU，ECU计算出润滑油箱内润滑油交换的热流量Φ，同时计算出所需冷却水的流量，进而通过控制水泵转速实现实时的冷却水流量的精确控制；

第三步：当发动机在大负荷下工作时，通过三号温度传感器监测冷却水箱温度T_w，当冷却水温度大于85℃时，ECU控制电磁阀打开，注入冷水，当冷却水温度降低至指定温度后，关闭电磁阀，通过冷却水对润滑油箱内的润滑油进行降温，使其达到正常工作温度；其中，冷却水箱内多余的水将从出水口排出；

第四步：当发动机冷启动及在小负荷下工作时，ECU控制电加热器开关闭合，加热冷却水至85℃，然后通过冷却水加热润滑油箱内的润滑油，使其达到正常工作温度。

6.根据权利要求5所述的可控的发动机润滑油冷却系统的控制方法，其特征在于，第二步中所述的润滑油箱内润滑油交换的热流量Φ，按以下公式计算：

Φ＝q_mc₁ΔT (1)

其中，q_m为润滑油入口管处流量，c₁为润滑油的比热容，ΔT为润滑油入口管内和润滑油箱内出口处润滑油的温差，ΔT＝T₁-T₂。

7.根据权利要求5所述的可控的发动机润滑油冷却系统的控制方法，其特征在于，第二步中所述的所需冷却水的流量q'_m，按以下公式计算：

Φ'＝kAΔT_m (2)

Φ”＝q'_mc₂ΔT₁ (4)

Φ＝Φ'＝Φ” (5)

其中，将润滑油箱和螺旋形散热管整体看成换热系统，k为换热系统的总传热系数，A为润滑油箱内螺旋形换热管表面积，ΔT_m为冷热流体的平均传热温差Φ'为换热系统内润滑油与冷却水交换的热流量，Φ”为冷却水的热流量，q'_m为冷却水流量，c₂为水的比热容，ΔT'为润滑油箱内润滑油和冷却水进口处温差，ΔT”为润滑油箱内润滑油和冷却水出口处温差，ΔT₁为润滑油箱内冷却水进出口处温差；

具体计算过程如下：

定义润滑油箱内冷却水进出口处温度分别为T₃和T₄，T₃由三号温度传感器15测量反馈得知，则ΔT'＝|T₁-T₃|，ΔT”＝|T₂-T₄|，ΔT₁＝|T₃-T₄|；

由于Φ＝Φ'，则通过代换求出ΔT_m的表达式：

ΔT_m＝(q_mc₁ΔT)/kA (6)

联立公式(3)和(6)，求出ΔT”的值，由于ΔT”＝|T₂-T₄|，且T₂已知，由此求出润滑油箱内冷却水出口处温度T₄，最终求得冷却水流量q'_m；

q'_m＝Φ”/c₂ΔT₁＝Φ/c₂|T₃-T₄| (7)。

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