带滑差热保护功能的硅油风扇控制方法与流程

1.本发明涉及一种发动机冷却系统，具体涉及一种带滑差热保护功能的硅油风扇控制方法。


背景技术：

2.目前主流冷却风扇为电控硅油风扇，风扇总成由金属离合器以及尼龙扇叶对配组成。当发动机主轴旋转时会产生机械能，其中大部分机械能用于尼龙扇叶旋转，为有效功，剩余机械能因离合器内部硅油传递扭矩而发热，转化为热能(这部分热能称为滑差热)。滑差热会直接作用于扭矩传递的介质——硅油，若无法及时释放滑差热，硅油温度会不断升高，并造成许多不良影响：首先离合器内部硅油会发生劣化，导致性能衰减，离合器扭矩转换为风扇动能的效率变低，从而产生更多滑差热，形成恶性循环；其次硅油的高温会热传导到离合器内部的轴承、密封圈等零部件，易造成高温失效，从而降低了离合器可靠性；最后高温会进一步热传导到电控部件——螺线管上，降低其使用寿命，严重时会引发螺线管的卡滞或烧融。
3.硅油风扇的工作状态包括分离、啮合以及全啮合三种状态：分离表示大部分硅油已经从离合器内部工作腔流出，传递扭矩较小，尼龙扇叶已脱离发动机转速而进入怠速运行；啮合表示硅油逐步流入工作腔，传递扭矩越来越大，尼龙扇叶转速逐步接近发动机的转速；全啮合表示大部分硅油已经流入工作腔，尼龙扇叶可达93～97％的发动机转速。
4.主流ecu的控制逻辑分为：开环两点控制和闭环无极控制，前者ecu只发送全啮合(占空比0)或者怠速(占空比100％)信号，使硅油风扇进入全啮合状态或者怠速状态，从而使发动机出水温度快速降低或者升高；后者ecu可发送占空比在0～100％内变化的信号，使硅油风扇在怠速、啮合以及全啮合状态间转换，达成风扇无极调速，使发动机出水温度逐步调节，闭环也意味着风扇转速会反馈给ecu，不断修正控制信号。对比两种控制方式，不难发现：前者控制逻辑简单，可控性差，油耗高，因发动机出水温度变化过快，会损坏发动机健康；后者控制逻辑复杂，可保证风扇无极运转且油耗低，上述两种控制方式均以发动机出水温度为控制对象而没有考虑硅油风扇自身内部的滑差热问题。
5.目前滑差热问题并没有引起主机厂以及发动机厂的关注，仅依靠风扇制造厂家自行优化解决，在硅油风扇售后市场上，每年因滑差热而衍生出大量故障，例如：螺线管烧熔、离合器漏油、离合器轴承失效等等，往往对这些故障风扇的解析，需要耗费主机厂与风扇制造商的大量人力和时间成本，同时高故障率既提升终端客户日常维护以及换件的费用，降低使用体验，也影响了产品的口碑。
6.对于硅油风扇滑差热偏高的问题，目前主要通过以下三种途径进行优化：第一，加强离合器自身的散热能力，例如加高散热翅片或增加翅片密度，但缺点在于会增加硅油风扇的质量以及静弯矩，增加离合器的制造成本，额外增加发动机负荷；第二，提升离合器自身的耐热等级，例如离合器内部轴承、螺线管、硅油的耐热等级，但缺点在于会大幅增加零件的设计、制造成本；第三，在现有ecu控制策略中新增离合器滑差热的保护功能，例如当发
动机转速以及风扇转速到达限制区域内，则滑差热的保护功能开启，此时风扇进入全啮合状态以规避高温区域，但由于软件设计、维护成本高，且主流ecu厂不会轻易修改控制策略，因而新增滑差热的保护不现实。


技术实现要素：

7.为解决以上问题，本发明提供一种带滑差热保护功能的硅油风扇控制方法，能够使电控硅油离合器避免进入中、高滑差区间，避免硅油变质，提升硅油风扇内部零件的使用寿命。
8.本发明采用的技术方案是：一种带滑差热保护功能的硅油风扇控制方法，其特征在于：采用滑差热保护系统对硅油风扇进行控制，所述滑差热保护系统布置在硅油离合器的电控螺线管与整车ecu之间，所述滑差热保护系统通过继电器控制电控螺线管线圈与ecu之间的信号通断，继而调整硅油风扇的转速；具体包括以下步骤：
9.1)、采集发动机转速及风扇转速，并将采集到的发动机转速及风扇转速发送到所述滑差热保护系统的mcu芯片；
10.2)、通过mcu芯片内部算法进行分选判断，是否激活滑差热保护系统；
11.3)、当硅油风扇处于高滑差热区间，硅油温度t≥220℃，激活滑差热保护系统，继电器中断ecu对电控螺线管线圈的控制信号，此时无论ecu输出何种信号，电控螺线管线圈接收到的信号为0v，相当于“全啮合”指令，硅油风扇的转速将迅速提升并接近发动机转速，离合器的滑差热将迅速降低；当硅油风扇处于中滑差热区间，硅油温度超过200℃《t《220℃，激活滑差热保护系统，继电器中断ecu对电控螺线管线圈的控制信号，此时无论ecu输出何种信号，电控螺线管线圈接收到的信号为0v，相当于“全啮合”指令，硅油风扇的转速将迅速提升并接近发动机转速，离合器的滑差热将迅速降低；当硅油风扇处于低滑差热区间，硅油温度超过180℃《t《200℃，滑差热保护系统不激活，继电器未被触发，ecu与电控螺线管线圈处于连接状态，ecu发射的线圈控制信号能够传递到螺线管线圈，风扇执行ecu的控制逻辑。
12.作为优选，所述滑差热保护系统包括继电器、驱动模块、mcu芯片、电源模块和信号采集模块，所述继电器触发，ecu与电控螺线管线圈之间的控制信号中断；所述继电器不触发，ecu与电控螺线管线圈之间的控制信号连通；所述驱动模块用于驱动继电器通断，所述mcu芯片用于信号处理、分选判断以及触发驱动模块；所述电源模块用于调整、过滤和稳定vdd5v电压的电平，给mcu芯片和驱动模块供电；所述信号采集模块用于采集发动机转速以及风扇转速。
13.本发明取得的有益效果是：本发明以发动机转速和风扇转速的差值为触发条件：触发时会直接断开电控螺线管线圈正极的供电，此时硅油风扇不受整车ecu的控制，硅油风扇进入全啮合状态，风扇转速迅速接近发动机转速，避开硅油风扇进入中、高滑差区间；当不触发时，硅油风扇线圈正极仍由整车ecu来控制，此时硅油风扇可受ecu控制，正常工作；本发明可视为对主流ecu控制逻辑的补充，它不影响现有ecu的控制，不改变整车设计。具有以下优点：
14.1、本发明无需与整车ecu进行数据交互，不影响ecu中原有的控制逻辑和电路结构，无需修改ecu中的控制参数；本发明可以独立工作并依据内部逻辑，对ecu发送给硅油风
扇的控制信号进行干涉，从而使离合器避开高发热区域；
15.2、本发明可避免硅油离合器进入中、高滑差热区域，避免了滑差热对离合器的影响，提升了离合器的使用寿命；在售后方面，降低了整车厂、发动机厂以及硅油风扇生产厂家的售后解析花费的人力、物力以及时间成本，降低了硅油离合器故障率，降低赔偿金额，提升产品口碑。
附图说明
16.图1为本发明的结构框图；
17.图2为本发明的逻辑框图；
18.图3为滑差热保护区间示意图；
19.图4为滑差热和k值关系图；
20.图中：1.1、继电器；1.2、驱动模块；1.3、mcu芯片；1.4、电源模块；1.5、信号采集模块；
21.2.1、风扇转速；2.2、发动机转速；2.3、滑差热保护策略；2.4、信号分选；2.5、原ecu控制信号；2.6、新继电器关断信号；
22.3.1、低滑差热区间；3.2、中滑差热区间；3.3、高滑差热区间。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
24.硅油风扇工作时，硅油可传递发动机提供的机械能到尼龙风扇，其中尼龙风扇转动的机械能为有效功，硅油因扭矩传递而自身发热属于无效功，称为滑差热(slip power)。如附图3所示，随着发动机转速以及风扇转速的不同，离合器的滑差热会处于不同的工作区间，在低滑差热区间3.1内，硅油温度180℃～200℃，此时硅油可长期工作，风扇也可无极变速，在中滑差热区间3.2内，硅油温度200℃～220℃间，此时硅油无法长时间工作，粘度不断下降，可传递扭矩下降，会引起硅油风扇冷却不足，在高滑差热区间3.3内，硅油温度超过220℃，此时硅油会快速劣化而失效，离合器功能失效，会引发发动机水温高。
25.硅油风扇无法长时间在中滑差热区间3.2内工作，也不允许在高滑差热区间3.3内工作：首先，当离合器运行在区间3.2和3.3内，硅油的温度会很高，高温会影响硅油健康，甚至引起硅油失效，离合器功能失效；其次，由于硅油的热传导，离合器内部o型密封圈会高温，快速老化而失效，造成离合器漏油；再次，热传导也会引起离合器轴承密封圈的高温失效，一方面，硅油可以进入轴承而损害轴承，另一方面，高温会引起轴承内部油脂不断散失而最终卡滞；最后硅油高温会通过法兰传递到螺线管上，引起螺线管的高温卡滞或烧蚀，在售后市场上，每年因为滑差过热引起的离合器故障占总体故障率的6～7成。
26.如图1-4所示，本发明的一种带滑差热保护功能的硅油风扇控制方法，采用滑差热保护系统对硅油风扇进行控制，滑差热保护系统布置在硅油离合器的电控螺线管与整车ecu之间，用于调整ecu系统发射给螺线管的线圈coil+信号，滑差热保护系统通过继电器1.1控制电控螺线管线圈与ecu之间的信号通断，继而调整硅油风扇的转速；具体包括以下步骤：
27.1)、采集发动机转速2.2及风扇转速2.1，并将采集到的发动机转速2.2及风扇转速
2.1发送到mcu芯片；
28.2)、通过mcu芯片内部算法进行分选判断，是否激活滑差热保护系统；
29.3)、当硅油风扇处于高滑差热区间，硅油温度t≥220℃，激活滑差热保护系统，继电器1.1中断ecu对电控螺线管线圈的控制信号，此时无论ecu输出何种信号，电控螺线管线圈接收到的信号为0v，相当于“全啮合”指令，硅油风扇转速2.1将迅速提升并接近发动机转速2.2，离合器的滑差热将迅速降低；当硅油风扇处于中滑差热区间，硅油温度超过200℃《t《220℃，激活滑差热保护系统，继电器1.1中断ecu对电控螺线管线圈的控制信号，此时无论ecu输出何种信号，电控螺线管线圈接收到的信号为0v，相当于“全啮合”指令，硅油风扇的转速将迅速提升并接近发动机转速，离合器的滑差热将迅速降低；当硅油风扇处于低滑差热区间，硅油温度超过180℃《t《200℃，滑差热保护系统不激活，继电器1.1未被触发，ecu与电控螺线管线圈处于连接状态，ecu发射的线圈控制信号能够传递到螺线管线圈，风扇执行ecu的控制逻辑。
30.本实施例中，滑差热保护系统包括继电器1.1、驱动模块1.2、mcu芯片1.3、电源模块1.4和信号采集模块1.5，
31.继电器1.1触发，ecu与电控螺线管线圈之间的控制信号中断；继电器1.1不触发，ecu与电控螺线管线圈之间的控制信号连通；继电器1.1为执行器，可对ecu系统发射的线圈coil+信号进行操作：当继电器被触发后，ecu系统发射的线圈coil+信号被中断，此时无论ecu输出何种信号，电控螺线管线圈接收到的信号为0v，相当于“全啮合”指令，硅油风扇的转速将迅速提升并接近发动机转速，离合器的滑差热将迅速降低；当继电器1.1未被触发时，整个电路处于连接状态，ecu系统发射的线圈coil+信号可以传递到螺线管，此时硅油风扇将接收ecu系统的控制并正常工作。
32.驱动模块1.2负责接收mcu芯片1.3发送的指令，并驱动继电器1.1的工作；mcu芯片1.3为核心芯片，用于信号处理、逻辑判断以及触发驱动电路1.2；电源模块1.4用于调整、过滤和稳定vdd5v电压的电平，给本发明供电，包括：提供mcu芯片的3.3v工作电压，给驱动电路供电等；信号采集模块1.5用于采集发动机转速以及风扇转速信号，并物理信号进行离散化并转化为mcu芯片1.3可处理的数字信号。
33.本发明的控制方法，以发动机转速和风扇转速的差值为触发条件：触发时会直接断开硅油风扇线圈正极的供电，此时硅油风扇不受整车ecu的控制，硅油风扇进入全啮合状态，风扇转速迅速接近发动机转速，避开附图3中的中滑差热区域3.2(图3中从左向右第二条曲线与第三条曲线之间区域)和高滑差热区域3.3(图3中从左向右第三条曲线右侧区域)；当不触发时，硅油风扇线圈正极仍由整车ecu来控制，此时硅油风扇可受ecu控制，正常工作。本发明可视为对主流ecu控制逻辑的补充，它不影响现有ecu的控制，不改变整车设计。本发明的滑差热保护系统可与离合器中的螺线管一体连接并使用，不需要于整车相连接，安装和拆卸均较为简单；本发明无需读取整车can参数，可独立使用；对于滑差热问题不高的发动机平台，主机厂和发动机厂可自由选择是否需要安装。
34.如附图2所示，本发明的控制方法包括数据采集、内部分选判断以及执行对应算法三部分，首先采集风扇转速信号2.1以及发动机转速信号2.2，并将信号导入到mcu芯片1.3内；其次通过芯片内部算法进行分选判断，看是否需要激活滑差热的保护措施2.3；最后通过继电器1.1，对本发明的输出信号进行分选2.4，分选后的信号输出有两种情况：第一种原
ecu的控制信号2.5直接传递给电控硅油风扇，此时风扇受到ecu控制；第二种继电器的关断信号2.6传递给电控硅油风扇，此时硅油风扇接收到pwm为0的信号，并进入“全啮合”状态，风扇转速将快速提升，离合器温度将快速降低。
35.风扇转速2.1来源于螺线管的霍尔传感器输出，此时霍尔输出为二进制的电平信号，该霍尔信号既传递给ecu系统，也传递给本发明。
36.发动机转速2.2来源于法兰轴的转速输出转速，因法兰轴于发动机连接，法兰轴转速就等于发动机的转速。
37.假设啮合率那么滑差热就是(k
2-k3)与无滑差下的发动机输入功率的乘积(p
slip
＝pimpeller without slip
×
(k
2-k3))，具体推导过程这里不再累述。通过附图4的函数曲线可发现，当啮合率在(0～2/3)区间内，滑差热会随着啮合率增大而增大，当k＝2/3时，滑差热到达峰值，之后当啮合率在(2/3～1)区间内，滑差热会随着啮合率增大而不断减小，同时考虑实际工况中硅油温度的限值，因此硅油离合器只能工作在零点与第一条竖虚线a1之间以及第二条竖虚线a2与1之间，滑差热的保护策略2.3就是通过调整啮合率k以避开中间的高滑差区。
38.如附图3所示，滑差热区间可分为：低滑差热区间3.1(图3中从左向右第一条曲线与第二条曲线之间区域)，中滑差热区间3.2(图3中从左向右第二条曲线与第三条曲线之间区域)和高滑差热区间3.3(图3中从左向右第三条曲线右侧区域)：区间3.1内，硅油温度180℃～200℃间，此时离合器内部热稳定，可长时间运行；区间3.2内，硅油温度200℃～220℃间，内部硅油缓慢变质，粘度下降，可传递扭矩下降，离合器逐步老化，此时硅油风扇冷却不足；区间3.3内，硅油温度超过220℃，内部硅油迅速劣化失效，离合器快速失效，此时硅油风扇很快丧失冷却能力。
39.当滑差热的保护逻辑2.3激活后，无论此时滑差热落在3.2或3.3区间内哪里，我们迅速提升风扇的转速2.1，将滑差热拉出3.2或者3.3区间，直接进入3.1区间，也就是附图4中，迅速提升k值，使滑差进入第二竖线a2与1之间的区域以降低滑差热。
40.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。