CN113606030B - 一种发动机冷却系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机冷却系统的控制方法，它包括以下步骤：(a)初始化ECU；(b)利用ECU读取冷却液在发动机冷却系统中的温度，将冷却液温度与各温度阈值进行比较以进行下述对应操作：当冷却液温度＜T0时，使水泵低速运行、冷却风扇不工作或以低转速工作；当冷却液温度≥T0且＜T1时，使水泵提高转速运行；当冷却液温度≥T1时，使水泵全耦合运行；当冷却液温度≥T2时，使节温器初始开启；当冷却液温度≥T3时，使节温器完全开启，冷却系统完全进入大循环状态；当冷却液温度≥T4时，使风扇全耦合运行；当冷却液温度为T4‑△T时，冷却风扇启动调速，其中△T为冷却风扇的调速温度区间。当冷却液温度到达节温器全开温度T3前，水泵已经进行全耦合运转，冷却风扇在此之前并不会全耦合运转。

Description

一种发动机冷却系统的控制方法

技术领域

本发明属于汽车发动机冷却系统技术领域，涉及一种发动机冷却系统的控制方法，尤其是一种使用电控硅油离合器水泵与风扇的发动机冷却系统控制方法。

背景技术

在汽车发动机传统冷却系统中，ECU(电子控制单元)通过监测温度传感器发出的冷却液(通常是水)温度信号结合接收到的发动机转速，再发送信号给电控风扇，电控风扇依据ECU提供的转速信号对散热器进行散热。在此过程中，传统水泵由发动机以固定传动比带动运转，水泵的转速只随发动机转速的变化而变化。

该传统冷却系统运转过程中，水泵在发动机启动后自始至终都跟随发动机运转，在发动机启动时，机体温度较低，不需要过度冷却，但此时水泵已经开始以固定速比工作，发动机散热较多，故冷却液温度一直维持在较低水平，需很长时间才能达到最佳工作温度。即在汽车传统冷却系统中，发动机并未对水泵采取任何控制策略；在发动机冷启动时，由于水泵随即开始以固定速比工作，带走了大量的热量，发动机缸套、排气门周围的冷却液温上升很慢，加之迎面风的作用，发动机在相当长时间内都处于过冷状态，发动机燃油效率大大降低。时至今日，这种传统冷却系统已经难以满足刻不容缓的节能环保需求和适应日益严苛的排放法规。因此，兼顾发动机性能的同时来减少冷却系统功耗，是发动机冷却系统未来提高与发展的方向。

另外，发动机受热不均匀，局部温度异常升高，则会造成各种问题。发动机内燃烧产生的热量对围绕发动机燃烧室的各种零部件加热，在冷却状态差时，燃烧室部分的气缸盖、燃烧室、活塞、排气门等处过分地受热会使材料强度下降很大，造成磨损加大，影响该部分零件及周围结构的可靠性及使用寿命，严重时甚至发生故障，造成发动机报废。适宜而稳定的冷却液温度能保证发动机正常使用的可靠性，并能延长其使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种发动机冷却系统的控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种发动机冷却系统的控制方法，它包括以下步骤：

(a)初始化ECU；

(b)利用ECU读取冷却液在发动机冷却系统中的温度，定义冷却液温度的第一温度阈值为T0、第二温度阈值为T1、第三温度阈值为T2、第四温度阈值为T3、第五温度阈值为T4以及冷却风扇调速的温度区间为△T，将冷却液温度与各温度阈值进行比较以进行下述对应操作：

当冷却液温度＜T0时，使水泵低速运行、冷却风扇不工作或低速运行；

当冷却液温度≥T0且＜T1时，使水泵提高转速运行；

当冷却液温度≥T1时，使水泵全耦合运行；

当冷却液温度≥T2时，使节温器初始开启；

当冷却液温度≥T3时，使节温器完全开启；

当冷却液温度为T4-△T时，冷却风扇启动调速；

当冷却液温度≥T4时，使冷却风扇全耦合运行。

优化地，所述发动机冷却系统包括气缸体、安装在所述气缸体上且与其相连通的气缸盖、形成在所述气缸体和所述气缸盖上的冷却液第一循环流道、与所述冷却液第一循环流道相连通的空调散热器、一端通过节温器与所述气缸盖相连接且另一端与所述气缸体相连通的冷却液第二循环流道、与所述冷却液第二循环流道相配合的散热器、与所述气缸体相配合用于驱动冷却液流动的水泵、与所述散热器相对应的冷却风扇、用于测量冷却液温度的温度传感器以及与所述节温器、所述电控水泵、所述电控冷却风扇和所述温度传感器相通讯的ECU。

进一步地，步骤(b)中，所述水泵低速运行是以20～40％的输入转速运行；所述水泵提高转速运行是将水泵提高转速至不超过其100％的输入转速运转。

进一步地，步骤(b)中，所述冷却风扇低速运行是以20～40％的输入转速运行；所述冷却风扇提高转速运行是将冷却风扇提高转速至不超过其100％的输入转速运转。

进一步地，步骤(b)中，当冷却液温度由T1增加到T2时，所述节温器的开度由低温初始开度增加到最大开度。

进一步地，步骤(b)中，T0为60～80℃，T1为70～85℃，T2为75～90℃，T3为80～95℃，T4为95～110℃。

进一步地，步骤(b)中，所述ECU通过PMW脉冲信号实现分别对所述冷却风扇和所述水泵的PID控制。

进一步地，水泵转速的控制可由开关式或多段控制式替代PID控制。

进一步地，冷却风扇转速的控制可由开关式或多段控制式替代PID控制。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明发动机冷却系统的控制方法，通过对冷却液温度进行检测以分别控制水泵、冷却风扇和节温器的运行状态，最大限度地满足冷却要求的同时，降低油耗；在发动机冷启动时，水泵以较低的转速运行，使发动机快速升温以提高其燃油效率，降低污染物排放。

附图说明

图1为本发明发动机冷却系统的结构示意图；

图2为本发明发动机冷却系统的控制方法的逻辑流程图；

图3为本发明发动机冷却系统中水泵和冷却风扇转速变化图；

图4为本发明发动机冷却系统中水泵特性图；

图5为本发明发动机冷却系统中节温器开度图；

图6为本发明发动机冷却系统低速时冷却液温度测试曲线；

图7为本发明发动机冷却系统中速时冷却液温度测试曲线；

图8为本发明发动机冷却系统高速时冷却液温度测试曲线。

具体实施方式

下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明。

有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明发动机冷却系统的控制方法，是基于非传统发动机冷却系统的，其水泵、冷却风扇转速可实现PID控制。

在本实施例中，采用的是如图1所示的发动机冷却系统，它主要包括散热器1、电控冷却风扇2、节温器3、空调散热器4、气缸盖5、气缸体6、水泵7、冷却液第一循环流道8和冷却液第二循环流道9等。其中，气缸盖5安装在气缸体6上且通过水道相互连通。冷却液第一循环流道8形成在气缸体6和气缸盖5上；当节温器3关闭时，冷却液(由水箱添加)在水泵7的作用下在发动机内部进行经过空调散热器4的小循环(如图1中虚线箭头方向所示)；当节温器3打开时，冷却液还可在水泵7的作用下在发动机内部进行经过散热器1的大循环(如图1中实线箭头方向所示)。空调散热器4与冷却液第一循环流道8相连通。冷却液第二循环流道9的一端通过节温器3与气缸盖5相连接且另一端与气缸体6相连通；散热器1则与冷却液第二循环流道9相配合。水泵7与气缸体6相配合，用于驱动冷却液流动。冷却风扇2与散热器1的位置相对应，用于对散热器1进行降温。温度传感器用于测量冷却液温度，其可以与现有技术保持一致。ECU与节温器3、电控水泵7、电控冷却风扇2和温度传感器相通讯，用于根据温度传感器的信号对节温器3、电控水泵7和电控冷却风扇2进行PID控制。

上述发动机冷却系统的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

(a)初始化ECU；

(b)利用ECU读取冷却液在发动机冷却系统中的温度，定义冷却液温度的第一温度阈值为T0、第二温度阈值为T1、第三温度阈值为T2、第四温度阈值为T3、第五温度阈值为T4以及冷却风扇调速的温度区间为△T，将冷却液温度与各温度阈值进行比较以进行下述对应操作：

当冷却液温度＜T0时，使水泵低速运行、冷却风扇不工作或低速运行；

当冷却液温度≥T0且＜T1时，使水泵提高转速运行；

当冷却液温度≥T1时，使水泵全耦合运行；

当冷却液温度≥T2时，使节温器初始开启；

当冷却液温度≥T3时，使节温器完全开启；

当冷却液温度为T4-△T时，冷却风扇启动调速；

当冷却液温度≥T4时，使冷却风扇全耦合运行；

具体地，步骤(b)中，所述水泵低速运行是以20～40％的输入转速运行；所述水泵提高转速运行是将水泵提高转速至不超过其100％的输入转速运转；所述冷却风扇低速运行是以20～40％的输入转速运行；所述冷却风扇提高转速运行是将冷却风扇提高转速至不超过其100％的输入转速运转；当冷却液温度由T1增加到T2时，所述节温器的开度由低温初始开度增加到最大开度(可以是开度由0增加到100％)；T0为60～80℃，T1为70～85℃，T2为75～90℃，T3为80～95℃，T4为95～110℃(T1≤T3≤T4)；所述ECU通过PMW脉冲信号实现分别对所述冷却风扇和所述水泵的PID控制；相同冷却液温度条件下，所述水泵转速大于所述冷却风扇转速。水泵转速的控制可由开关式或多段控制式替代PID控制；冷却风扇转速的控制也可由开关式或多段控制式替代PID控制。

在本实施例中，当发动机预热时(此时发动机冷却液温度低于某低温点T0，即第一温度阈值T0，在本实施例中，为65℃)，ECU根据监测的温度，经数据分析处理后向执行元件发出控制信号：使得电控水泵以30％的输入转速运转，冷却风扇不工作或以低转速运转，发动机缸套周围的冷却液温度上升很快；当冷却液温度升至某低温点T0(65℃)时，ECU还根据冷却液温度经数据分析处理后发出指令，控制冷却风扇不工作或以低转速运转，水泵开始随冷却液温度变化转速；当冷却液温度升至第二温度阈值T1(为75℃)时，ECU根据冷却液温度经数据分析处理后发出指令，控制水泵全耦合运转，冷却风扇不工作或以低转速运转；在冷却液温度到第三温度阈值为T2(为80℃)时，此时节温器初始开启，冷却系统进入大循环；在冷却液温度到第四温度阈值为T3(为95℃)时，此时节温器全开，冷却系统完全进入大循环状态；当冷却液温度处于第五温度阈值T4(105℃)下方4～15℃区间(即冷却液温度数值低于第五温度阈值T4数值4～15℃)时，进入冷却风扇无极调速温度区间△T，ECU控制冷却风扇启动调速，ECU根据冷却液温度经数据分析处理后发出指令，控制冷却风扇开始随冷却液温度变化转速，此时冷却风扇对散热器的冷却作用，使发动机产生的热量以较快的速度散失到空气中，如果发动机的负荷在此时没有大的变化，那么冷却液温度就基本维持在T2～T3(80℃～95℃)之间。如果发动机继续在较大的负荷下工作，冷却液温度会继续升高，达到冷却风扇的第四温度阈值(即全耦合温度点，为105℃)，ECU经数据分析后发出指令控制冷却风扇全耦合运转，这时候系统冷却能力最大，可以实现快速降温，当冷却液温度低于节温器全开温度点T3(95℃)以下时，冷却风扇保持低速运转而水泵继续全耦合运转，当温度返升至T4(105℃)下方4～15℃时，进入冷却风扇无极调速温度区间△T，冷却风扇又重新进行调速，直到发动机脱离大负荷的工况为止。在ECU的控制下，水泵、节温器、冷却风扇相互配合，大大提高了冷却系统的冷却效率，缩短了冷却风扇的工作时间(冷却风扇只在冷却液温度进入风扇调速区间△T后开始正常工作)，从而减少了驱动冷却风扇的能耗，减少燃油消耗10％以上。

当冷却液温度处于某低温点(65℃)时，水泵仅以30％的输入转速运转；当冷却液低于节温器3开启温度(80℃)时，冷却液在发动机内部小循环，如图1虚线箭头方向所示；当冷却液温度高于节温器3开启温度(80℃)时，冷却液进入散热器1进行大循环，如图1实线箭头所示。当冷却液温度较高时，ECU控制节温器3开启，冷却液经过散热器进行大循环，ECU依据冷却液温度发送信号给转速传感器，进而通过PID控制冷却风扇2及冷却水泵7的转速，降低冷却液温度；当冷却液温度较低时，节温器3逐渐缩小开度，冷却液只在发动机内部进行小循环(小循环状态时，控制电控风扇2不工作或以低转速运转，仅通过PID控制水泵7正常运转)。

水泵与冷却风扇作为发动机冷却系统的主要功耗因素，有机调节两者转速对发动机冷却系统的冷却功能及合理功耗尤为重要。水泵(水泵的传动比为1.7左右，如1.5～1.8)与冷却风扇(冷却风扇的传动比为1.2左右，如1.1～1.3)在冷却液不同温度区间的运行状态是由ECU控制的，如图3所示，在相同输入转速下，水泵转速高于风扇转速。发动机冷启动时，水泵开始以30％的输入转速N1运转，由于转速较慢，可使冷却液快速升温至T0(65℃)，此时ECU控制水泵开始随冷却液温度进行无极调速，在冷却液温度T0(65℃)升至T1(80℃)的过程中，水泵从30％输入转速提升至全耦合运转N2。冷却风扇在冷却液温度未到达调速区间△T前不工作或以低转速运转，在进入风扇调速区间△T后启动工作，由PID进行无极调速。由图3可知，水泵在发动机冷启动至全耦合点T1(75℃)这一区间转速一直都在最高转速下方，风扇在至全耦合点T4(105℃)这一区间转速也未达到最高转速，在这两段区间内，冷却系统节油效果显著。

在水泵转速提升过程中，水泵压力应当足以克服冷却系统中所有流动阻力并得到必要的冷却液循环流动速度，在冷却液温度到达节温器初开温度T2(80℃)之前，冷却液仅在发动机内部进行小循环，当水泵的转速改变时，水泵的流量特性曲线会发生改变，如图4所示，曲线1、曲线2、曲线3表示转速分别为n1、n2、n3流量特性，且n1>n2>n3。在一定的管路特性曲线B(即冷却液循环需克服的阻力曲线)下，水泵转速增加的同时，水泵流量及扬程都会相应增加，如图4所示，冷却液克服流动阻力的能力提升。相反，减小水泵的转速，会使水泵工作点由C1移向C2或C3，流量相应也由Q1减少到Q2或Q3。

当冷却液温度到达节温器初开温度点T2(80℃)时，节温器开始打开，冷却系统开始逐渐进入大循环状态，直至冷却液温度达到节温器完全开启温度点T3(95℃)，冷却系统完全进入大循环状态。在此过程中，节温器根据冷却液温度控制开度，如图5所示。

冷却系统在节温器开度变化的过程中实现冷却液大小循环。当冷却液温度持续升高，达到冷却风扇的全耦合温度点T4(105℃)时，ECU经数据分析后发出指令控制冷却风扇全耦合运转，此时风扇转速为M2(100％输入转速)，系统冷却能力达到最大，可以实现快速降温。

将本申请发动机冷却系统方案与现有传统的发动机冷却系统在气温相同、发动机冷启动温度相同、汽车均处于空载的条件下，比较发动机在低、中、高三种转速下冷却液升温速度。

低速时发动机冷却液温度及油耗测试：

启动发动机，使发动机保持怠速运转，此时发动机平均转速为800r/min。每隔1min读取一次冷却液温度，并分析和整理测得的试验数据，得到原冷却系统与改进后冷却系统冷却液温度变化的对比曲线，如图6所示。试验时环境温度为20℃，冷却液初始温度为25℃。

中速时发动机冷却液温度：

停机一段时间，使发动机完全冷却，尽可能恢复上次测量前的状态，启动发动机，使发动机中速运转，对发动机的冷却液温度进行测量。根据测量的试验数据，得到改进前后冷却液温度对比曲线(图7)。试验时的环境温度为20℃，冷却液初始温度为25℃，转速为2000r/min。

高速时发动机冷却液温度

采用与前面同样的降温方法对发动机进行冷却。试验时的环境温度为20℃，冷却液初始温度为25℃，平均转速为3000r/min。根据试验数据得到改进前后冷却系统冷却液温度对比曲线(图8)。

由试验数据对比可知，当发动机冷启动后，机体温度较低，不需要冷却，但此时传统冷却系统开始工作，发动机散热较多，故冷却液温度一直维持在较低水平，需很长时间才达到最佳工作温度；改进后的发动机冷启动后，由于冷却液温度较低，ECU根据水温传感器检测到的冷却液温度信号控制冷却系统的电控水泵以低转速工作，机体温度短时间内可上升到最佳工作温度。本申请发动机冷却系统控制方法可有效解决传统冷却系统发动机预热缓慢的问题。

本申请发动机冷却系统控制方法所实现的油耗率减少(如表1所示)的主要原因为：传统冷却系统的发动机低温启动后，水泵以固定速比随发动机运转，发动机散掉的热量较多，使发动机长时间处在较低温度下，增加了油耗。本申请发动机冷却系统控制方法所控制的发动机在冷启动后，由于发动机冷却液温度较低，在大循环开启前水泵由PID控制以较低转速运转，冷却液温度则能在短时间内迅速升高并处在最佳工作温度范围内，因而降低了油耗，提高了发动机的燃油经济性。通过发动机冷却系统的改进前后道路对比实验可知，本申请的发动机冷却系统控制方法能够使发动机低温预热时间缩短60％。

表1预热试验和耗油量的对比试验

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种发动机冷却系统的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

（a）初始化ECU；

（b）利用ECU读取冷却液在发动机冷却系统中的温度，定义冷却液温度的第一温度阈值为T0、第二温度阈值为T1、第三温度阈值为T2、第四温度阈值为T3、第五温度阈值为T4以及冷却风扇调速的温度区间为△T，将冷却液温度与各温度阈值进行比较以进行下述对应操作：

当冷却液温度＜T0时，使水泵低速运行、冷却风扇不工作或低速运行；

当冷却液温度≥T0且＜T1时，使水泵提高转速运行；

当冷却液温度≥T1时，使水泵全耦合运行；

当冷却液温度≥T2时，使节温器初始开启；

当冷却液温度≥T3时，使节温器完全开启；

当冷却液温度位于T4下方△T区间时，冷却风扇启动调速；

当冷却液温度≥T4时，使冷却风扇全耦合运行；

所述水泵低速运行是以20~40%的输入转速运行；所述水泵提高转速运行是将水泵提高转速至不超过其100%的输入转速运转；

所述冷却风扇低速运行是以20~40%的输入转速运行；所述冷却风扇提高转速运行是将冷却风扇提高转速至不超过其100%的输入转速运转。

2.根据权利要求1所述的发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：所述发动机冷却系统包括气缸体（6）、安装在所述气缸体（6）上且与其相连通的气缸盖（5）、形成在所述气缸体（6）和所述气缸盖（5）上的冷却液第一循环流道（8）、与所述冷却液第一循环流道（8）相连通的空调散热器（4）、一端通过节温器（3）与所述气缸盖（5）相连接且另一端与所述气缸体（6）相连通的冷却液第二循环流道（9）、与所述冷却液第二循环流道（9）相配合的散热器（1）、与所述气缸体（6）相配合用于驱动冷却液流动的水泵（7）、与所述散热器（1）相对应的冷却风扇（2）、用于测量冷却液温度的温度传感器以及与所述节温器（3）、所述水泵（7）、所述冷却风扇（2）和所述温度传感器相通讯的ECU。

3.根据权利要求1或2所述的发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：步骤（b）中，当冷却液温度由T1增加到T2时，所述节温器的开度由低温初始开度增加到最大开度。

4.根据权利要求1或2所述的发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：步骤（b）中，T0为60~80℃，T1为70~85℃，T2为75~90℃，T3为80~95℃，T4为95~110℃。

5.根据权利要求1或2所述的发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：步骤（b）中，所述ECU通过PMW脉冲信号实现分别对所述冷却风扇和所述水泵的PID控制。

6.根据权利要求1或2所述的发动机冷却系统的控制方法，其特征在于：水泵转速的控制由开关式或多段控制式替代PID控制。

7.根据权利要求1或2所述的发动机冷却系统的控制方法，其特征在于为：冷却风扇转速的控制由开关式或多段控制式替代PID控制。

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