基于电子节温器的冷却水温控制研究_杨阳

由于风扇安装在冷却
水大循环通路，因此，风扇
只有在节温器全开之后开
启才有最佳的冷却效果。
节温器是安装在冷却水管
道中的， 没有位置传感器
的检测， 因此预测节温器
的开度就尤为重要， 在高
温额定功率通电情况下， 节温器的打开时间经实验 图 3 电子节温器额定功率下响应曲线
测量如图 3 所示，据此曲线可以粗略预测其开启状态。
再结合 S1、S2 共同完成快 ／ 慢速风扇的状态切换。 3 实验结果
通过 ETAS 公司开发 的 INCA 软 件 搭 建 起 软 件 开 发 测 试 环
境。 在该软件中可以读取系统变量并记录变量的运行情况，通过
分析变量的运行情况和实际效果对相应数据表中的数据进行修
改和进一步优化。
在车速 v＝60km ／ h，相对进气量稳定在 60％时，冷却水温在
度变化剧烈，需要对设定的目标温度进行适度的低通滤波处理，目
的是减少风扇不必要的开启次数。 引入的温度量 tkf。 有下式（1）：
t－ti
tkf ＝tk ＋（tk0 －tk ）e Tf
（1）
其中 ti－当前时刻，t－目标水温为从 ti 时刻算起的时间。 tk0－ti
时刻目标温度的初值。 Tf－滤波时间常数。
现阶段，发动机冷却系统正向高效低功耗方向发展［1］。 发动
机冷却系统效率（以下简称为冷却系统效率）的提高主要从新材
料 的 应 用 、 零 部 件 的 新 结 构 设 计 和 逻 辑 驱 动 方 式 方 面 进 行 。 ［2，5］
在冷却系统中有三大部件处于活跃地位，即冷却风扇、节温器、
水泵。 它们可依据各种复杂的工况来调节自身的工作参数，如冷
风的停止而导致冷却水温瞬时上升，预测的节温器全开时间，计
算节温器全开后温度上升的梯度， 当该梯度值大于设定的阈值
时置位对应的标志位 S2。
基于电子节温器的冷却水温控制研究
除 此 之 外 ，两 级 式 风 扇 ［6］需 要 根 据 工 况 切 换 慢 速 风 扇 和 快 速
风扇。 本文采用的是温差控制法。 但由于工况变动的频繁，目标温
摘要 传统机械式节温器其开启和关闭只受冷却水温控制 ，难以根据发动机的实际工况精确控制冷却水温 。 根据适当提高发 动机冷却水温可以减小机身内部磨损的特点，将机械式节温器替换为电子节温器可有效减小油耗。 为此，利用车载传感器 （如进气压力、转速传感器等）获得车辆所处的工况，通过 MAP 得到该工况所对应的最优目标水温，然后经 ECU 对节温器 和风扇进行综合控制，可使冷却水温稳定在最优值附近。 为验证电子节温器的有效性，对长安 D18T 型发动机进行了台架 试验，结果表明，采用新型电子节温器后，控制系统可将冷却水温控制在各工况所对应的最优冷却水温附近，在中小负荷工 况下节油效果达到 2％～6％，充分验证了电子节温器控制方案的可行性和有效性。 关键词：汽油机，电子节温器，冷却水温，风扇
持续满足用户在不同时期对元数据的不同需要， 用户可定制适 合自己需求的元数据模型， 随着业务的不断发展扩展元数据模 型，如建立新的类、增加属性、定义新的关系等，使数据仓库能更
参考文献 ［1］安淑芝，等．数据仓库与数据挖掘［M］．北京：清华大学出版 社 ，2006：
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ibm．com ／ developerworks ／ cn ／ data ／ library ／ techa ［5］中国科学院科学数据库核心元数 据 标 准[EB ／ OL]．http: ／ ／ www．csdb．
为了能更合理的利用风扇， 需要判断节温器在开启过程中
冷却水温是否下降， 真正能开启风扇的工况是加热节温器一定
时间后，阀门全开，但实际水温仍高于目标温度。 这可作为一个
风 扇 开 启 的 触 发 条 件 ，用 标 志 位 S1 表 示 ；另 一 个 触 发 条 件 适 于 处理后冷却问题，当车辆以一定行驶速度突然停下后，由于迎面
图 5 大负荷下时间－水温、占空比曲线 由以上数据可知，在中小负荷，车速较高时可以通过动态改 变节温器开度，使它和迎面风共同作用，实现冷却水温稳定在最
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《工业控制计算机》2012 年第 25 卷第 5 期
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表 2 元数据类之间的聚合关系说明
好地适应营销业务等新情况的变化，对节约成本、提高企业决策 分析的能力有着重要的意义。
Abstrat With the feature that raising the temperature of the cooling water appropriately can cause the depletion of energy cost on fraction,oil consumption can be effectively reduced．Therefore,the working condition of the vehicle can be obtained through the sensors (such as inlet pressure,rotational rate sensor etc),whch will get the optimal objective temperature with several MAP．It can be stabilized around its optimal value by a integeral control of electric thermostat and fan with ECU．To verify the effectiveness of the new component,a bench test is taken on an engine of D18T． Keywords:gasoline engine,cooling system,electronic thermostat,cooling fan
2）根 据 发 动 机 实 际 水 温 ，若 超 过 一 定 阈 值 将 目 标 温 度 设 定
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为安全值 t3。 3）变速箱油温超过阈值时，设定目标温度为 t4。 4）温度传感器故障发生设定目标温度值为 t5。 以上 2）、3）、4） 在没有发生的情况下均将目标温度设定为
一个温度较高值。 最终输出的目标温度 tk＝min｛t1，t2，t3，t4，t5｝。 2．2 节温器控制结构设计：
线性特征：时间延迟和迟滞，即水温达到触发温度后经一段时间
方能开启并且在同一开口比例时， 上升和下降过程对应的温度
是不同的。 在通电流的情况下，节温器能够快速开启，且随着冷
却水温度的升高， 所需的加 热时间越短，开启得越快。
表 1 电子节温器基本参数表
实验表明，低负荷工况，
发 动 机 水 温 稳 定 在 105℃左
cn ／ view．jsp芽tipid＝1127116662401＆boardid＝0．project s．standard ［收 稿 日 期 ：2011．12．26 ］
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量的范围，查询 MPI 获得的积分值 Ki 也必须加以限制。
2．3 风扇的启停控制
高温或大负荷工作仅依靠节温器是不能将冷却水温降下
来，此时即使节温器全开 并且有迎面风的冷却，发
表 2 风扇的特性
动机水温仍有可能上升，
这时需要启动风扇进行
冷却［4］。 该型汽油机所配
置的两级式电动风扇特
性如表 2 所示。
温与当前水温作差得到误差温度。 该值是反映当前发动机冷却需
求的一个重要量，温度误差大于零则无冷却需求，查询 MPP 获得
占空比输出为负值；反之，占空比输出为正，并且温度误差绝对值
越大，输出值越大，但是该值终被限制在－1～1－Kb 之间，该部分
主要完成对占空比的粗调。Fra Baidu bibliotek而积分部分限于精度以及占空比本身
右， 各部分的油耗相比常规
的 85℃瞬 时 油 耗 下 降 2％～
6．5％。 电子节温器在实际工
作过程中主要利用发动机在
运行过程中低负荷和高负荷这两个工况区完成对冷却水温的不 同控制。 中低负荷工况设置较高目标水温，以降低油耗；高负荷 工况调低目标水温，加大冷却强度，以保证发动机安全运行。 2 电子节温器控制
却风扇、水泵可以改变转速、节温器可以调节开度来满足各工况
下冷却需求。 国内生产的车用电控系统中，虽然冷却风扇已更换
成了电动部件，使用电控式水泵的车辆也存在，工业领域中对于
电控节温器运用还比较少。 为了使冷却系统的电控化向前迈进，
进而对冷却系统实现完全电控化，本文利用 ECU 和各种车载传
感器结合电子节温器建立了崭新的冷却水温控制方式， 对汽油
又 快 慢 速 风 扇 的 选 择 切 换 必 须 根 据 冷 却 需 求 的 强 弱 由△tf
来反映，且：
△tf＝tm －tkf
（2）
其中 tm－当前冷却水温。
式 （2）中△tf 愈 大 ，则 冷 却 需 求 越 强 ；反 之 ，冷 却 需 求 越 弱 。
特别地，当△tf≥0 时，没有冷却需求。风扇不必开启。△tf 的大小
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基于电子节温器的冷却水温控制研究
Research on Control of Coolant＇s Temperature Based on Electronic Thermostat
杨阳
（上海交通大学电气学院，上海 200240）
唐厚君 刘 宁 （联合汽车电子有限公司，上海 201206）
本文采用的控制策略是位置式 PI 控制，各部分数值的 计 算 是通过查询相应 map 的方式建立起温度、负荷和占空比之间的 映射关系，控制结构如图 2 所示。
图 2 电子节温器 PI 控制器结构
占空比基础值部分，由相对进气量对负荷进行预判，综合目
标水温，查询二维 map MPD，从而获得占空比基值 Kb。 目标水
机冷却系统进一步发展具有十分重要的意义。
1 电子节温器工作原理
电子节温器［3］在机械式节温器 的 基 础 上 发 展 变 化 而 来 。 本
文所述电子节温器采用了新颖的控制方式。 所采用的电子节温
器详细参数如表 1 所示。 在不通电的情况下，它完全相当于提高
了开启温度的机械式节温器， 并继承了机械式节温器的两个非
节温器开启后波动不大， 仅依靠节温器的开度的变化和迎面风
即可使冷却 水 温 稳 定 在 目 标 值 附 近 ，△tf 未 达 到 风 扇 开 启 阈 值 ， 风扇不必开启，如图 4 所示。
图 4 中小负荷下时间－水温、占空比曲线 在 车 速 v＝20km ／ h， 相 对 进 气 量 稳 定 在 85％， 在 第 136s 时，标志 位 S1 发 生 置 位 ，△tf 大 于 预 设 开 启 阈 值 3．75℃，风 扇 开 启。 此后冷却水温上升变化缓慢，如图 5 所示。
图 1 冷却水温控制系统结构 2．1 目标温度的设定
该系统在控制方面的一个难点在于目标温度值的确定；这 里的实际做法是通过借助各种传感器采集的信号判断发动机不 同工况，各工况都对应一个期望温度，而最终的期望温度会结合 发动机安全性等因素取一个最低值。
1）根据输入的进气量和发动机转速确定二维表 M1，由车速 和 进 气 量 确 定 二 维 表 M2，输 出 目 标 温 度 分 别 为 t1、t2，之 所 以 选 择上述四个量，原因在于它们与发动机的负荷联系紧密。
该型汽油机冷却系统配置的三大冷却部件分别为两级式电 动风扇，机械式水泵，以及电子式节温器。 这里节温器控制主要 思想是在确保发动机安全稳定运行的前提下， 通过车辆各类传 感器实时获取发动机运行参数以及环境信息， 通过标定的方法 获取发动机在各种不同工况条件下的最佳冷却水目标温度，利 用电子节温器和风扇的配合， 控制实际水温尽可能的接近目标 水温。 系统框图如图 1 所示。