CN107654284B - 汽油机冷却水高温保护系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽油机冷却水高温保护系统及其控制方法，包括发动机管理系统，还包括冷却水温度传感器、车速传感器、大气进气温度传感器及大气压力传感器，冷却水温度传感器、车速传感器、大气进气温度传感器及大气压力传感器的信号输出端分别与发动机管理系统连接，发动机管理系统的信号输出端通过控制单元分别与空调控制系统、节温器、冷却风扇、散热器件及电控喷油点火系统的执行端连接。本发明在冷却水温度较高时，能最大程度散热，并减小发动机发热，使得冷却水快速及时降温，进而在报警前能及时保护发动机系统，降低供油系统和点火系统隐患，避免机油变质及爆震的发生。

Description

汽油机冷却水高温保护系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车部件，具体地指一种汽油机冷却水高温保护系统及其控制方法。

背景技术

发动机冷却水温度过高会导致供油系统和点火系统不能正常工作，带来机油变质及爆震等，给发动机带来极大的危害。传统的发动机冷却液温度过高时，通过在仪表上显示或者报警发动机温度过高，来达到警示驾驶员的目的。但是这种方式往往会导致冷却水降温不够及时，存在隐患。为了尽可能快速降低发动机冷却水温度，如何在冷却水温度高温报警前进行冷却水高温保护便成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种汽油机冷却水高温保护系统及其控制方法，该系统能在冷却水温度高温报警前进行冷却水高温保护，进而及时降温。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种汽油机冷却水高温保护系统，包括发动机管理系统，还包括冷却水温度传感器、车速传感器、大气进气温度传感器及大气压力传感器，所述冷却水温度传感器、所述车速传感器、所述大气进气温度传感器及所述大气压力传感器的信号输出端分别与所述发动机管理系统连接，所述发动机管理系统的信号输出端通过控制单元分别与空调控制系统、节温器、冷却风扇、散热器件及电控喷油点火系统的执行端连接。

进一步地，还包括大气压力传感器，所述大气压力传感器的信号输出端与所述发动机管理系统连接。

一种上述汽油机冷却水高温保护系统的控制方法，包括以下步骤：

1)当冷却水温度传感器测得105℃＜冷却水温度≤108℃时，发动机冷却系统进入高温保护模式S，发动机管理系统指示冷却风扇和散热器件以最大功率工作：

a、电子节温器以最大功率工作；

b、开启冷却风扇，开启时间≥10秒；

c、散热器件以最大功率工作；

2)当冷却水温度传感器测得108℃＜冷却水温度≤112时，发动机冷却系统进入高温保护模式M：

a、电子节温器以最大功率工作；

b、开启冷却风扇，开启时间≥20秒；

c、散热器件以最大功率工作；

d、关闭空调控制系统；

3)当冷却水温度传感器测得的冷却水温度＞112℃时，发动机冷却系统进入高温保护模式L：

a、电子节温器以最大功率工作；

b、开启冷却风扇，开启时间≥20秒；

c、散热器件以最大功率工作；

d、关闭空调控制系统，以减小发动机发热量；

e、根据冷却水温度传感器测得的冷却水温度、车速传感器测得的车速、大气进气温度传感器测得的大气进气温度、发动机转速及发动机负荷预估冷却水温度变化率，进而根据冷却水温度变化率减小电控喷油点火系统的喷油脉宽及推迟点火提前角，降低发动机发热量。

进一步地，所述步骤3)的e中，冷却水温度变化率预估方法包括以下步骤：

1)由下式计算(t-t_i)时间段内发动机增加的热量Q_IncEng(t-t_i)：

其中：Q_Com为燃烧产生的总能量；Q_W为飞轮端做功需要的能量；

R_{ActiveCylinerRatio}＝N_NoFuelCut/N_AllCylinders，即：当前非断油气缸数除以发动机所有缸数；V_Displacement为发动机排量；ρ_{EnergyDensity}＝C_{FuelHeatValue}×Rho×r(stoichiometricRatio)，C_{FuelHeatValue}为燃油热值，Rho为进气密度，取值范围0～3000mgpl，r(stoichiometricRatio)为理想的空燃比；n为发动机转速，取值范围为0～6000rpm；f_{CombustionEnergy}(n,Rho)为根据发动机转速和进气密度标定得到的发动机总燃烧能量系数；r(1/_Lambda)×f_TorqueEnergy(n,Rho)为根据空燃比Lambda、发动机转速n和进气密度得到发动机输出扭矩能量系数；

2)根据下式计算(t-t_i)时间段内发动机散发的热量Q_DecEng(t-t_i)：Q_DecEng(t-t_i)≈K(T_C-T_a)A_e

其中，K为散热系数，取值范围为0～20；A_e为散热面积，取值范围为0～2㎡；T_C为水温，取值范围为-60℃～130℃；T_a为大气温度，取值范围为-60～80℃。

3)由下面两式计算冷却水温度变化率dT_c：

由ΔQ_Eng(t-t_i)＝K_c×dT_c×m_c和ΔQ_Eng(t-t_i)＝Q_IncEng(t-t_i)-Q_DecEng(t-t_i)

即可得到dT_c＝ΔQ_Eng(t-t_i)/(K_c×m_c)

其中，K_c为发动机冷却水的比热容；m_c为发动机冷却水的质量；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。

进一步地，所述步骤3)的e中，确定减小喷油脉宽和推迟点火提前角的方法包括如下步骤：

1)当冷却水温度高于112℃，水温变化率低于1℃/s时，喷油脉宽减小2％，点火提前角推迟1℃；

2)当冷却水温度高于112℃，水温变化率高于1℃/s时，喷油脉宽减小5％，点火提前角推迟4℃；

3)当冷却水温度高于115℃，水温变化率低于1℃/s时，喷油脉宽减小6％，点火提前角推迟6℃；

4)当冷却水温度高于115℃，水温变化率高于1℃/s时，喷油脉宽减小10％，点火提前角推迟10℃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

其一，为了尽可能快速降低发动机冷却水温度，本系统在冷却水温度高温报警前，通过两种途径进行冷却水高温保护，一是提高冷却水散热能力，强制保证所有冷却散热控制部件(节温器、高低速冷却风扇、其他散热器件，如：电子水泵等)最大安全功率工作；二是降低发动机发热能力，强制关闭空调压缩机离合器开关，并根据当前工况及相关传感器信号预估冷却水温变化速率，减小喷油脉宽、推迟点火提前角。

其二，本发明中，发动机管理系统EMS通过硬线水温传感器接收水温信号，EMS系统如果检测到水温较高后，1)关闭空调控制系统，打开所有冷却风扇、最大安全功率下打开节温器开度，以及最大功率下使用其他的散热器件；2)根据当前水温以及发动机负荷、转速、车速、大气温度等工况信息预估水温变化趋势；3)根据当前水温及预估的水温变化情况，不同程度减小喷油量和推迟点火提前角(从而减小点火效率)，降低发动机发热量。

其三，本发明在冷却水温度较高(高于105℃)时，能最大程度散热，并减小发动机发热，使得冷却水快速及时降温，进而在报警前能及时保护发动机系统，降低供油系统和点火系统隐患，避免机油变质及爆震的发生。

附图说明

图1为一种汽油机冷却水高温保护系统的结构示意图。

图2为一种汽油机冷却水高温保护系统的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示的汽油机冷却水高温保护系统，包括发动机管理系统1(EMS)，冷却水温度传感器2、车速传感器5、大气进气温度传感器4及大气压力传感器3，所述冷却水温度传感器2、所述车速传感器5、所述大气进气温度传感器4及所述大气压力传感器3的信号输出端分别与所述发动机管理系统1连接，所述发动机管理系统1的信号输出端通过控制单元分别与空调控制系统6、节温器7、冷却风扇8、其他的散热器件10及电控喷油点火系统9的执行端连接。发动机管理系统1分别通过硬线与冷却水温度传感器2、节温器7、冷却风扇8、电控喷油点火系统9、大气进气温度传感器4通信，冷却水温度传感器2用来检测发动机冷却水温度；发动机管理系统1还分别通过硬线或者CAN线与车速传感器5、空调控制系统6及其他的散热器件10(电子水泵等)系统通信。

上述汽油机冷却水高温保护系统的控制过程如图2所示，发动机管理系统接收冷却水温度信号、车速信号、大气进气温度以及发动机转速、发动机负荷信号，根据不同信号值判定不同冷却水保护模式：

1)当冷却水温度低于105℃时，发动机管理系统EMS保持原有策略进行发动机温度控制，即不进入系统保护模式。

2)当冷却水温度高于105℃时，发动机管理系统EMS最大功率工作发动机散热部件，进入系统保护模式S：

a、保证电子节温器最大功率工作，但不能超过其最大允许功率；

b、打开高低速冷却风扇，风扇一旦开启，使能时间不得低于10秒，以减小风扇切换频率，提高风扇寿命，同时降低噪音；

c、保证其他散热器件(如电子水泵等)最大功率工作，但不能超过其最大允许功率。

3)当冷却水温高于108℃时，发动机冷却系统进入保护模式M，即：

a、保证电子节温器最大功率工作，但不能超过其最大允许功率；

b、打开高低速冷却风扇，风扇一旦开启，使能时间不得低于20秒，以减小风扇切换频率，提高风扇寿命，同时降低噪音；

c、保证其他散热器件(如电子水泵等)最大功率工作，但不能超过其最大允许功率；

d、发动机管理系统请求关闭空调控制系统，减小发动机发热量。

4)当冷却水温高于112℃时，发动机冷却系统进入保护模式L，即：

a、保证电子节温器最大功率工作，但不能超过其最大允许功率；

b、打开高低冷却风扇。风扇一旦开启，使能时间不得低于20秒，以减小风扇切换频率，提高风扇寿命，同时降低噪音；

c、保证其他散热器件(如电子水泵等)最大功率工作，但不能超过其最大允许功率；

d、发动机管理系统请求关闭空调控制系统，减小发动机发热量；

e、根据冷却水温度，及发动机转速(由发动机管理系统计算得到)、发动机负荷(发动机负荷指的是进气密度，即：进入气缸的空气密度，由进入气缸的空气质量除以气缸体积得到)、车速及大气进气温度预估冷却水温度变化率，从而不同程度下减小喷油脉宽及推迟点火提前角，降低发动机发热量，因为，喷油量越小，即：发动机每次燃烧的燃油量越小，燃烧释放的热量越小，发动机发热量减小，冷却水温度上升速率降低或者水温下降；推迟点火角，发动机点火效率降低，必然会降低冷却水温。

其中，冷却水温度变化率预估方法如下：

1)由下式计算(t-t_i)时间段内发动机增加的热量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：

其中：Q_Com为燃烧产生的总能量；Q_W为飞轮端做功需要的能量；R_{ActiveCylinerRatio}＝N_NoFuelCut/N_AllCylinders，即：当前非断油气缸数除以发动机所有缸数(本实施例中N_NoFuelCut取值范围0～3，N_AllCylinders等于3)；V_Displacement为发动机排量(本发明系统中V_Displacement等于1.0)；ρ_{EnergyDensity}＝C_{FuelHeatValue}×Rho×r(stoichiometricRatio)，C_{FuelHeatValue}为燃油热值，Rho为进气密度，取值范围0～3000mgpl，r(stoichiometricRatio)为理想的空燃比，等于14.3；n为发动机转速，取值范围0～6000rpm；f_{CombustionEnergy}(n,Rho)为根据发动机转速和进气密度标定得到的发动机总燃烧能量系数；r(1_Lambda)×f_TorqueEnergy(n,Rho)为根据空燃比Lambda，发动机转速n和进气密度得到发动机输出扭矩能量系数；r(1_Lambda)为根据空燃比Lambda标定得到的系数；f_TorqueEnergy(n,Rho)为根据发动机转速和进气密度标定得到的飞轮端扭矩对应的能量系数。上述这些标定都是通过台架标定得到的(台架中，首先通过固定Lambda在理想的空燃比，接着在不同发动机转速进行台架标定，变化进气密度，进行台架标定；然后在不同空燃比下，进行补偿)。

2)根据下式计算(t-t_i)时间段内发动机散发的热量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：Q_DecEng(t-t_i)≈K(T_C-T_a)A_e

其中，K为散热系数，取值范围为0～20；A_e为散热面积，取值范围为0～2㎡；T_C为水温，取值范围为-60℃～130℃；T_a为大气温度，取值范围为-60～80℃。

3)由下面两式计算冷却水温度变化率dT_c：

由ΔQ_Eng(t-t_i)＝K_c×dT_c×m_c和ΔQ_Eng(t-t_i)＝Q_IncEng(t-t_i)-Q_DecEng(t-t_i)

即可得到dT_c＝ΔQ_Eng(t-t_i)/(K_c×m_c)

其中，K_c为发动机冷却水的比热容；m_c为发动机冷却水的质量；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。

另外，确定减小喷油脉宽和推迟点火提前角方法如下：

1)当冷却水温度高于112℃，水温变化率低于1℃/s时，喷油脉宽减小2％，点火提前角推迟1℃；

2)当冷却水温度高于112℃，水温变化率高于1℃/s时，喷油脉宽减小5％，点火提前角推迟4℃；

3)当冷却水温度高于115℃，水温变化率低于1℃/s时，喷油脉宽减小6％，点火提前角推迟6℃；

4)当冷却水温度高于115℃，水温变化率高于1℃/s时，喷油脉宽减小10％，点火提前角推迟10℃。

在因水温过高导致喷油脉宽、点火提前角发生变化时，通过一阶低通滤波处理，平滑过渡。本系统能在冷却水温度较高时，最大程度散热，并减小发动机发热，进而保护发动机系统。

Claims (4)

1.一种汽油机冷却水高温保护系统的控制方法，所述汽油机冷却水高温保护系统包括发动机管理系统(1)，还包括冷却水温度传感器(2)、车速传感器(5)及大气进气温度传感器(4)，所述冷却水温度传感器(2)、所述车速传感器(5)及所述大气进气温度传感器(4)的信号输出端分别与所述发动机管理系统(1)连接，所述发动机管理系统(1)的信号输出端通过控制单元分别与空调控制系统(6)、节温器(7)、冷却风扇(8)、散热器件(10)及电控喷油点火系统(9)的执行端连接；

其特征在于：所述汽油机冷却水高温保护系统的控制方法，包括以下步骤：

1)当冷却水温度传感器测得105℃＜冷却水温度≤108℃时，发动机冷却系统进入高温保护模式S，发动机管理系统指示冷却风扇和散热器件以最大功率工作：

a、电子节温器以最大功率工作；

b、开启冷却风扇，开启时间≥10秒；

c、散热器件以最大功率工作；

2)当冷却水温度传感器测得108℃＜冷却水温度≤112时，发动机冷却系统进入高温保护模式M：

a、电子节温器以最大功率工作；

b、开启冷却风扇，开启时间≥20秒；

c、散热器件以最大功率工作；

d、关闭空调控制系统；

3)当冷却水温度传感器测得的冷却水温度＞112℃时，发动机冷却系统进入高温保护模式L：

a、电子节温器以最大功率工作；

b、开启冷却风扇，开启时间≥20秒；

c、散热器件以最大功率工作；

d、关闭空调控制系统，以减小发动机发热量；

e、根据冷却水温度传感器测得的冷却水温度、车速传感器测得的车速、大气进气温度传感器测得的大气进气温度、发动机转速及发动机负荷预估冷却水温度变化率，进而根据冷却水温度变化率减小电控喷油点火系统的喷油脉宽及推迟点火提前角，降低发动机发热量。

2.根据权利要求1所述汽油机冷却水高温保护系统的控制方法，其特征在于：还包括大气压力传感器(3)，所述大气压力传感器(3)的信号输出端与所述发动机管理系统(1)连接。

3.根据权利要求1所述汽油机冷却水高温保护系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3)的e中，冷却水温度变化率预估方法包括以下步骤：

1)由下式计算(t-t_i)时间段内发动机增加的热量Q_IncEng(t-t_i)：

其中：Q_Com为燃烧产生的总能量；Q_W为飞轮端做功需要的能量；

R_{ActiveCylinerRatio}＝N_NoFuelCut/N_AllCylinders，即：当前非断油气缸数除以发动机所有缸数；V_Displacement为发动机排量；ρ_{EnergyDensity}＝C_{FuelHeatValue}×Rho×r(stoichiometricRatio)，C_{FuelHeatValue}为燃油热值，Rho为进气密度，取值范围0～3000mgpl，r(stoichiometricRatio)为理想的空燃比；n为发动机转速，取值范围为0～6000rpm；f_{CombustionEnergy}(n,Rho)为根据发动机转速和进气密度标定得到的发动机总燃烧能量系数；r(1/_Lambda)×f_TorqueEnergy(n,Rho)为根据空燃比Lambda、发动机转速n和进气密度得到发动机输出扭矩能量系数；

2)根据下式计算(t-t_i)时间段内发动机散发的热量Q_DecEng(t-t_i)：Q_DecEng(t-t_i)≈K(T_C-T_a)A_e

其中，K为散热系数，取值范围为0～20；A_e为散热面积，取值范围为0～2㎡；T_C为水温，取值范围为-60℃～130℃；T_a为大气温度，取值范围为-60～80℃；

3)由下面两式计算冷却水温度变化率dT_c：

由ΔQ_Eng(t-t_i)＝K_c×dT_c×m_c和ΔQ_Eng(t-t_i)＝Q_IncEng(t-t_i)-Q_DecEng(t-t_i)

即可得到dT_c＝ΔQ_Eng(t-t_i)/(K_c×m_c)

其中，K_c为发动机冷却水的比热容；m_c为发动机冷却水的质量；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。

4.根据权利要1或3所述汽油机冷却水高温保护系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3)的e中，确定减小喷油脉宽和推迟点火提前角的方法包括如下步骤：

1)当冷却水温度高于112℃，水温变化率低于1℃/s时，喷油脉宽减小2％，点火提前角推迟1℃；

2)当冷却水温度高于112℃，水温变化率高于1℃/s时，喷油脉宽减小5％，点火提前角推迟4℃；

3)当冷却水温度高于115℃，水温变化率低于1℃/s时，喷油脉宽减小6％，点火提前角推迟6℃；

4)当冷却水温度高于115℃，水温变化率高于1℃/s时，喷油脉宽减小10％，点火提前角推迟10℃。