一种发动机散热风扇控制方法、系统及发动机冷却系统与流程

1.本发明涉及一种发动机散热风扇控制方法、系统及发动机冷却系统，属于发动机热管理技术领域。


背景技术：

2.车用冷却系统主要用于维持发动机水温及进气温度维持在最佳区间，从而确保发动机功效最优，系统中风扇的主要作用是强迫外部空气流过换热器芯体并进行强制换热，从而使得发动机等系统的废热能够及时散发至外界环境中。传统的车用冷却风扇一般由发动机直接驱动，风扇转速与发动机转速耦合，无法根据实际散热需求主动调节转速，由此不可避免地会造成冷却能力过剩，且冷却系统能耗增加。如何根据实际散热需求主动调整风扇运行状态，同时保证风扇自身能耗最低一直是本领域技术人员关注的重点工作。
3.近年来，电子风扇开始逐渐在车用冷却模块中普及，为实现冷却风扇的主动控制提供了途径。采用电子风扇的一个主要优势在于布置灵活，可以根据散热需求设计不同风扇数目的组合型式，即多风扇结构。例如授权公告号为cn202451259u的中国专利提供了一种新型发动机热管理系统，如图1所示，该系统采用多个电子风扇，且分成两组，分别根据反馈的发动机水温及进气温度调整散热器和中冷器对应的电子风扇转速，从而实现散热器和中冷器的独立冷却。
4.虽然上述专利提出的设计方案提升了冷却风扇的控制精度，大幅降低了风扇运行能耗，但未考虑到商用车应用环境以及负荷状态的复杂性，也就无法根据真实的换热需求自适应的调节风扇运行转速，难以保证发动机的工作在最佳状态，影响了发动机寿命和节油效果。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种发动机散热风扇控制方法、系统及发动机冷却系统，以解决现有发动机冷却系统难以保证发动机工作在最佳状态的问题。
6.为实现上述目的，本发明提出一种发动机散热风扇控制方法，包括以下步骤：
7.1)获取当前的环境温度信息、反映发动机负荷状态的发动机负荷状态信息，所述发动机负荷状态信息包括发动机扭矩信息；
8.2)根据设定的温度阈值范围和获取的环境温度信息，判断当前的环境温度所属的环境温度等级；根据设定的负荷状态阈值范围和获取的发动机负荷状态信息，判断当前发动机负荷状态所属的发动机负荷状态等级；
9.3)根据环境温度等级、发动机负荷状态等级与风扇控制区间的对应关系，以及当前的环境温度信息所属的环境温度等级和当前发动机负荷状态所属的发动机负荷状态等级，匹配对应的风扇控制区间；
10.所述风扇控制区间包括以下设定值中的至少一种：发动机目标水温值、发动机进气口目标气温值；所述环境温度等级、发动机负荷状态等级与风扇控制区间中的设定值的
对应关系的设定依据为：以满足车辆的动力性能指标和/或油耗指标为目标，获取车辆在各种环境温度、发动机负荷状态的条件下，能够达到所述目标的发动机目标水温值和/或发动机进气口目标气温值；
11.4)根据匹配的风扇控制区间的设定值，对应调节散热器风扇的转速，和/或对应调节中冷器风扇的转速。
12.为实现上述目的，本发明还提供了一种发动机散热风扇控制系统，包括环境温度传感器、发动机扭矩传感器和风扇控制器，所述环境温度传感器与风扇控制器连接，用于将采集的当前环境温度信息发送给风扇控制器；所述发动机扭矩传感器与风扇控制器连接，用于将采集的发动机扭矩信息发送给风扇控制器；所述风扇控制器包括存储器和处理器，所述处理器用于运行存储在存储器中的程序指令，以实现上述发动机散热风扇控制方法。
13.为实现上述目的，本发明还提供了一种发动机冷却系统，包括环境温度传感器、发动机扭矩传感器、风扇控制器和散热风扇，所述环境温度传感器与风扇控制器连接，用于将采集的当前环境温度信息发送给风扇控制器；所述发动机扭矩传感器与风扇控制器连接，用于将采集的发动机扭矩信息发送给风扇控制器；所述散热风扇包括中冷器风扇和/或散热器风扇；所述风扇控制器包括存储器和处理器，所述处理器用于运行存储在存储器中的程序指令，以实现上述发动机散热风扇控制方法。
14.有益效果是：本发明根据环境温度信息和发动机扭矩信息匹配对应的风扇控制区间，并根据匹配的风扇控制区间对应的预设温度值调节散热器风扇和/或中冷器风扇的转速，使得散热器风扇和/或中冷器风扇可以根据当前环境温度和发动机负荷等级进行相应调整，可提高发动机冷却系统对外界环境和车辆负荷状态的适应性，保证发动机的工作在最佳状态，提高了发动机寿命和节油效果。
15.进一步的，上述控制方法、控制系统和冷却系统中，所述环境温度等级包括低温等级、常温等级和高温等级，当当前的环境温度小于第一设定温度值时，判断当前的环境温度所属的环境温度等级为低温等级；当当前的环境温度大于等于第一设定温度值且小于等于第二温度值时，判断当前的环境温度所属的环境温度等级为常温等级；当当前的环境温度大于第二设定温度值时，判断当前的环境温度所属的环境温度等级为高温等级；所述第一设定温度值＜第二设定温度值；
16.所述发动机负荷状态等级包括低负荷等级、中等负荷等级和高负荷等级，当发动机负荷状态小于第一设定扭矩百分比时，判断发动机负荷状态所属的发动机负荷状态等级为低负荷等级；当发动机负荷状态大于等于第一设定扭矩百分比且小于等于第二设定扭矩百分比时，判断发动机负荷状态所属的发动机负荷状态等级为中等负荷等级；当发动机负荷状态大于第二设定扭矩百分比时，判断发动机负荷状态所属的发动机负荷状态等级为高负荷等级；所述第一设定扭矩百分比＜第二设定扭矩百分比。
17.进一步的，所述第一设定温度值为10℃，所述第二设定温度为30℃，所述第一设定扭矩百分比为50％，所述第二设定扭矩百分比为80％。
18.进一步的，上述控制方法、控制系统和冷却系统中，在执行步骤1)前，还获取车辆前方的道路信息判断是否为上坡路段，若车辆前方的道路为上坡路段，则调节散热器风扇和/或中冷器风扇为全速运行，直至发动机水温小于第三设定温度值和/或发动机进气口气温小于第四设定温度值；否则进入步骤1)。
19.进一步的，上述控制方法、控制系统和冷却系统中，当车辆前方的路段的坡度大于等于7％时，判定车辆前方的路段为上坡路段。
20.进一步的，上述控制方法、控制系统和冷却系统中，所述第三设定温度为80℃，所述第四设定温度值为30℃。
21.进一步的，上述控制方法、控制系统和冷却系统中，采用调节pwm占空比的方式调节散热器风扇的转速和/或中冷器风扇的转速。
附图说明
22.图1为现有技术中发动机热管理系统的结构示意图；
23.图2为本发明发动机冷却系统实施例1中发动机冷却系统的结构示意图；
24.图3为本发明发动机冷却系统实施例1中发动机负荷率与最佳温度区间的对应关系示意图；
25.图4为本发明发动机冷却系统实施例1中环境温度等级、发动机负荷状态等级与风扇控制区间的对应关系示意图；
26.图5为本发明发动机冷却系统实施例2中发动机冷却系统的结构示意图。
具体实施方式
27.发动机冷却系统实施例1：
28.如图2所示，所述发动机冷却系统采用并行布置方式，即散热器和中冷器左右并列，分别采用两套电子风扇对散热器和中冷器进行独立冷却。
29.发动机冷却系统包括风扇控制器、can总线和发动机ecu，发动机ecu上连接有冷却水温传感器、中冷后温度传感器、环境温度传感器、发动机转速传感器和发动机扭矩传感器，发动机通过上述传感器采集发动机出水口温度、中冷后进气温度、环境温度、发动机转速和发动机扭矩信号，并输出至can总线上。风扇控制器的输入端设置有can通讯接口，通过该can通讯接口，风扇控制器可获取发动机ecu上传至can总线上的信号，信号包括：环境温度和发动机扭矩信号。发动机扭矩传感器用于检测瞬时的发动机扭矩信号，即发动机实际输出扭矩值，将该扭矩值与发动机额定扭矩值(固定值，为发动机的性能参数)结合能够计算(发动机实际输出扭矩值/发动机额定扭矩值)瞬时的发动机扭矩百分比参数，发动机扭矩百分比参数是用于表征发动机负荷率的参数，即发动机负荷率常使用发动机扭矩百分比参数进行表示。
30.在风扇控制器获取了环境温度和发动机扭矩信号之后，就会据此信号计算当前状态下发动机最佳的目标水温值和进气口气温值，进而根据目标水温值和进气口气温值分别调节散热器风扇和中冷器风扇的运行状态。
31.本实施例的发动机散热风扇控制方法具体包括以下步骤：
32.1)获取当前的环境温度信息和反映发动机负荷状态的发动机负荷状态信息；本实施例中发动机负荷状态信息为发动机扭矩信息。
33.2)根据根据设定的负荷状态阈值范围和获取的发动机负荷状态信息，判断发动机负荷状态所属的发动机负荷状态等级；根据根据设定的温度阈值范围和获取的环境温度信息，判断当前的环境温度所属的环境温度等级。
34.车辆在不同负荷状态下，为实现发动机最佳的能效状态，发动机所需求的最佳冷却水温和进气温度应有所不同。如图3(发动机散热map图，反映了发动机负荷率与最佳温度区间的对应关系)所示，当发动机负荷较低时，发动机输出热量较低，这时可将发动机水温维持在较高区间，从而保证最优的燃烧效率及润滑油粘性；而当发动机负荷较高时，发动机输出热量较高，为避免发动机过热，应将发动机水温维持在较低区间。同理，对于发动机的最佳进气温度设定，也遵循上述变化规律。
35.如上所述，发动机扭矩百分比参数可用于表征发动机负荷率发动机负荷率的大小即发动机扭矩百分比参数大小，如上所述，它根据扭矩传感器采集的信息：发动机实际输出扭矩值，除以已知的发动机额定扭矩值后得到。本实施例中对于发动机负荷等级，根据发动机负荷率即发动机扭矩百分比参数的大小进行了具体划分，当发动机扭矩百分比＜50％时，判定发动机负荷等级为低负荷等级；当50％≤发动机扭矩百分比≤80％时，判定发动机负荷等级为中等负荷等级；当发动机扭矩百分比＞80％时，判定发动机负荷等级为高负荷等级。
36.另外，车辆运行环境复杂，且随着季候变换，行车过程中的外界环境温度也随之大幅变化。发动机水温/进气温度与外界环境温度的差值(即液(气)气温差δt)决定了冷却系统实时的散热能力。由热物性状态方程式(1)可知，c
p
当车辆负荷状态(即散热量q)一定时，环境温度降低时，液(气)气温差δt增大使得冷却系统散热能力增强，对应所需求的空气侧的冷却空气流量降低，即风扇转速降低同样可以满足车辆的散热需求；其中c
p
为空气的比热容。
[0037][0038]
因此，本实施例将环境温度也用于对发动机冷却系统中风扇的控制。本实施例中将环境温度等级进行了具体划分，当当前的环境温度＜10℃时，判断当前的环境温度所属的环境温度等级为低温等级；当10℃≤当前的环境温度≤30℃时，判断当前的环境温度所属的环境温度等级为常温等级；当当前的环境温度＞30℃时，判断当前的环境温度所属的环境温度等级为高温等级。
[0039]
3)根据所属的环境温度等级、发动机负荷状态等级与风扇控制区间的对应关系，以及当前所属的环境温度等级和发动机负荷状态等级，匹配对应的风扇控制区间。
[0040]
基于环境温度以及发动机负荷状态两个维度，将发动机最佳目标水温及进气温度进行差异化设定。在上述将环境温度划分为低温、常温和高温三种等级以及将发动机负荷状态划分为低负荷、中等负荷和高负荷三种等级的基础上，在预先建立的环境温度等级、发动机负荷状态等级与风扇控制区间的对应关系中匹配对应的风扇控制区间。基于上述对环境温度划分等级的个数和对发动机负荷划分等级的个数，本实施例中包括9个风扇控制区间，这9个风扇控制区间对应不同的目标水温和目标进气温度，如图4所示。图4中所示的目标水温t
水1
、
…
、t
水9
以及目标进气温度t
气1
、
…
、t
气9
满足如下关系：
[0041]
t
水1
＞t
水2
＞t
水3
＞t
水4
＞t
水5
＞t
水6
＞t
水7
＞t
水8
＞t
水9
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0042]
t
气1
＞t
气2
＞t
气3
＞t
气4
＞t
气5
＞t
气6
＞t
气7
＞t
气8
＞t
气9
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0043]
所述环境温度等级、发动机负荷状态等级与风扇控制区间中的设定值的对应关系的设定依据为：以满足车辆的动力性能指标和/或油耗指标为目标，获取车辆在各种环境温度、发动机负荷状态的条件下，能够达到所述目标的发动机目标水温值和/或发动机进气口
目标气温值；车辆的动力性能可以参考车辆的加速参数，油耗性能可以参考车辆的百公里油耗参数。
[0044]
4)根据匹配的风扇控制区间的预设发动机目标水温值调节散热器风扇的转速，以及根据匹配的风扇控制区间的预设发动机进气口目标气温值调节中冷器风扇的转速。
[0045]
将车辆当前所处区间对应的发动机目标水温值作为散热器风扇调节的目标，修正风扇控制程序，调整风扇控制程序中相关参数的设置。本实施例根据发动机目标水温值和发动机出水口温度值的差值，计算对应散热器风扇的占空比，输出给对应的风扇驱动控制模块，实现对散热器风扇实时转速的调节。
[0046]
将车辆当前所处区间对应的发动机进气口目标气温值作为中冷器风扇调节的目标，修正风扇控制程序，调整风扇控制程序中相关参数的设置。本实施例根据发动机进气口目标气温值和发动机进气口温度值的差值，计算对应中冷器风扇的占空比，输出给对应的风扇驱动控制模块，实现对中冷器风扇实时转速的调节。
[0047]
本实施例中包括两个散热器风扇和两个中冷器风扇，对应四路占空比输出，分别为pwm1、pwm2、pwm3和pwm4；作为其他实时方式，若只包括1个散热器风扇和1个中冷器风扇，则对应2路占空比输出；若包括4个散热器风扇和4个中冷器风扇，则对应8路占空比输出。
[0048]
本实施例中对环境温度进行了三个等级划分，发动机负荷状态也进行了三个等级划分，作为其他实施方式，等级划分的等级个数以及划分边界值可以依需调整，比如对环境温度划分四个等级，分别为低温、较低温、较高温和高温；对发动机负荷状态划分五个等级，分别为低负荷、较低负荷、中等负荷、较高负荷和高负荷。
[0049]
本实施例中根据采集的环境温度信息和发动机扭矩信息分别实现了对散热器风扇和中冷器风扇的调节，作为其他实施方式，也可以仅对散热器风扇或中冷器风扇进行调节。
[0050]
本实施例中包括风扇控制器和发动机ecu，风扇控制器可通过can总线获取发动机ecu采集的相关信息，作为其他实施方式，也可以将风扇控制器和发动机ecu的功能集成在一起，由一个控制器同时实现风扇控制器的控制风扇运行功能和发动机ecu的获取采集信息功能；或者由发动机ecu先对采集的信息进行处理后再传输至can总线，比如由发动机ecu先对发动机扭矩传感器采集的信息进行处理，得到发动机的扭矩百分比信息之后再传输至can总线，由此，风扇控制器就可以直接从can总线上获取发动机扭矩百分比信息。
[0051]
发动机冷却系统实施例2：
[0052]
本实施例与发动机冷却系统实施例1的区别之处在于：本实施例的发动机冷却系统还包括gps模块和车载联网数据终端，如图5所示，gps模块的作用是采集车辆的位置信息，并将车辆位置信息发送至can总线上；车载网联数据终端通过can总线读取车辆的位置信息，并结合通过云端发送的3d地图信息，识别出车辆当前和即将驶入道路的坡度信息，并将坡度信息发送至can总线上。
[0053]
而且，本实施例的发动机散热风扇控制方法还包括以下步骤：
[0054]
获取坡度信息，判断前方道路的坡度是否≥7
°
；若是，则风扇控制器驱动散热器风扇和中冷器风扇全速运转，直至反馈的发动机水温≤80℃、中冷后进气温度≤30℃；若是，则执行发动机冷却系统实施例1中的发动机散热风扇控制方法。
[0055]
本实施例中设定了具体的坡度比较值为7
°
，散热器风扇结束全速运转的条件是发
动机水温≤80℃，中冷器风扇结束全速运转的条件是中冷后进气温度≤30℃；作为其他实施方式，坡度比较值和上述温度比较值可依需修改，比如，当设定的坡度比较值为10
°
时，修改散热器风扇结束全速运转的条件为发动机水温≤75℃，中冷器风扇结束全速运转的条件为中冷后进气温度≤25℃等。
[0056]
本实施例相对发动机冷却系统实施例1，还参考了车辆行驶的工况，提高了发动机冷却系统对道路工况的适应性，当判断车辆即将进入爬坡状态时，通过降低发动机水温和进气温度，为即将到来的大负荷输出提供充足的冷却余量，确保发动机始终处于最佳的运行温度区间。
[0057]
发动机散热风扇控制系统实施例：
[0058]
本实施例的发动机散热风扇控制系统包括环境温度传感器、发动机扭矩传感器和风扇控制器，所述环境温度传感器与风扇控制器连接，用于将采集的当前环境温度信息发送给风扇控制器；所述发动机扭矩传感器与风扇控制器连接，用于将采集的发动机扭矩信息发送给风扇控制器；所述风扇控制器包括存储器和处理器，所述处理器用于运行存储在存储器中的程序指令，以实现发动机冷却系统实施例中的发动机散热风扇控制方法。
[0059]
发动机散热风扇控制方法实施例：
[0060]
本实施例的发动机散热风扇控制方法已经在发动机冷却系统实施例中进行了介绍，此处不再赘述。