一种冷却系统及控制方法与流程

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种冷却系统及控制方法。

背景技术：

工程机械主要用于土方施工、工程建设等复杂、恶劣工况，作业负荷大，因此发动机经常处于高转速、大扭矩状态下工作，由于变矩器、变速箱等传动件的功率损失，导致整机的散热功率比较大。同时工程机械应用地域广泛，需要适应极寒、高温等不同环境，具备良好的环境适应性。上述因素对工程机械的冷却系统提出了比较高的要求。

目前工程机械普遍采用的冷却系统主要有两种结构，一种是由发动机通过皮带直接驱动的定传动比式冷却风扇，实现冷却系统的散热；另一种是相对比较先进的温控液驱风扇冷却系统，其原理为控制器根据温度传感器测量的温度数据按预定程序控制比例溢流阀的开度，进而改变液压马达的压力和流量，从而控制液压马达的转速，以此实现对风扇转速的调节和冷却系统的散热。

定传动比式风扇由曲轴以定传动比驱动，按最大热负荷工况设计。其结构简单、性能可靠、成本较低，但存在以下重大缺陷：①发动机启动转矩较大，预热时间长；②风扇能耗大；③不能根据发动机的散热需要调整风扇转速，导致发动机超热负荷或冷态磨损；④风扇安装位置严重受限；⑤产生严重噪声。

温控液驱风扇冷却系统可以根据发动机水温等参数实现自动调节风扇的转速，从而合理控制工程机械的散热情况，使整机始终保持在最佳工作温度，具有工况及环境适应性好、易于控制、对发动机影响小等优点。但也存在以下重大缺陷：①液驱系统的效率受泵、马达、管路等多因素影响，整体效率比较低，在增大整机能耗同时还造成了液压系统散热量的增加；②由于成本、空间布置等因素实现工程机械上发动机散热器、空空中冷器、工作油冷器等多个散热模块各自独立的风扇散热控制比较困难，无法使各系统都达到最佳的工作温度；③为了实现风扇的快速响应，减小骤增的扭矩对液驱系统的影响，即使在各散热模块依靠自然散热能够满足散热需要的情况下风扇也低速待命转动，这造成了一定的能量浪费；④同时还存在维护成本高、维修性差、结构复杂等缺点。

有鉴于此，亟待针对工程机械开发一种新的冷却系统及其控制方法，以解决目前传统冷却系统存在的缺。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种冷却系统，解决了现有技术存在的缺点，可以根据各散热模块散热负荷的大小自动调节风扇转速，实现了对各散热模块的合理热管理。

本发明的另一目的在于提供一种上述冷却系统的控制方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种冷却系统，包括：

温度传感器、控制器、PWM直流调速器、节温器和风扇；

各散热模块处均设置有独立的所述温度传感器、节温器和风扇；所述控制器与所述温度传感器相连，所述控制器还与所述PWM直流调速器相连；所述PWM直流调速器分别与所述节温器和风扇连接，用于调节所述节温器的开闭和所述风扇的转速；所述风扇上设置有转速传感器，所述转速传感器与所述控制器连接，用于将所述风扇的转速信号反馈至所述控制器。

作为优选，所述PWM直流调速器由发电机为其提供电源，所述发电机并联有蓄电池。

作为优选，所述发电机与所述PWM直流调速器的连接回路上设置有熔断器。

作为优选，每个散热模块处设置有一个节温器和至少一个风扇。

一种如上述任一项所述的冷却系统的控制方法，包括如下步骤：

a)以散热系统中任意一个散热模块为例，设定该散热模块的冷却介质的最佳温度下限为T_1min，最佳温度上限为T_1max，在T_1min和T_1max之间设定一预设值T₁，极限温度下限为T₃，极限温度上限为T₄；

b)当温度传感器检测到冷却介质的温度达到T_1min时，节温器开启，并以温度为参数实现比例开度，当冷却介质的温度达到T₁时，节温器达到最大开度，当冷却介质的温度升高至T₁与T_1max之间时，节温器保持最大开度，同时风扇启动，并以一恒定的速度保持转动；

c)当冷却介质的温度升高至T_1max与T₃之间时，风扇转速随冷却介质温度的升高而加快；

d)当冷却介质的温度升高至T₃和T₄之间时，风扇保持最大转速恒速运转；当温度继续升高至极限温度T₄以上时，风扇保持以最大转速恒速运转，同时系统对该散热模块的高温状态进行报警；

e)当冷却介质的温度下降且处于T₄以上或T₄至T₃之间时，风扇仍保持最大转速恒速运转，转速不作调整；

f)当冷却介质的温度下降至T₃与T_1max之间时，控制器连续采集预设次数内的平均温度数据，并进行循环比对，当温度环比降低时，控制器延迟预设时间后降低风扇转速，如果在延迟时间内温度上升，则不进行降速动作，而执行提高转速动作；

g)当冷却介质的温度下降至T_1max与T₁之间时，对于具有单一风扇的散热模块，则风扇保持恒速运转；

h)当冷却介质的温度下降至T₁与T_1min之间时，风扇停止运转；

i)当冷却介质的温度下降至低于T_1min时，风扇保持静止，同时节温器关闭。

作为优选，在T_1max与T₃之间还设定有一中间值T₂，当冷却介质温度介于T_1max和T₂之间时风扇转速随温度升高的加快速度，小于，当温度介于T₂和T₃之间时风扇转速随温度升高的加快速度。

作为优选，在运行步骤b)的过程中，若该散热模块处设置有多个风扇，当冷却介质的温度升高至大于T₁时，则节温器保持开启，同时控制第一个风扇启动，并以一恒定的速度保持转动，当冷却介质的温度在T₁与T_1max的温度区间内继续上升时，则启动第二个风扇以一恒定的速度保持转动，并以此类推直至所有风扇全部启动。

作为优选，在步骤g)中，对于具有多个风扇的散热模块，控制器连续采集预设次数内的平均温度数据，并进行循环比对，当温度环比降低时，控制器延迟预设时间后减少运转风扇数量，并以此类推直至所有风扇全部停止；如果在延迟时间内温度上升，则进行增加运转风扇数量动作；

作为优选，在运行步骤b)至i)的过程中，控制器同时通过转速传感器采集风扇的转速，如果出现转速异常则进行报警。

本发明的有益效果：

本发明提供一种冷却系统及控制方法，包括控制器、温度传感器、PWM直流调速器、节温器、风扇和转速传感器，温度传感器可实时监测各散热模块的温度，控制器根据该温度信号向PWM直流调速器发出控制信号，PWM直流调速器可根据该控制信号调节各散热模块处节温器的开闭和风扇的转速，从而实时、合理的控制整机散热，使整机各散热模块始终保持在最理想的温度范围内，同时最大程度上降低了风扇功率消耗，提高了整机的效率。

附图说明

图1是本发明提供的冷却系统的结构原理示意图；

图2是本发明提供的冷却介质温度与风扇转速的函数图；

图3是本发明提供的冷却系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提供一种冷却系统，包括控制器、温度传感器、PWM直流调速器、节温器、风扇和转速传感器，其中：

各散热模块处均设置有各自独立的温度传感器，用于检测散热模块的温度信号，各温度传感器仅对相对应的散热模块的风扇起作用，在本实施例中，散热模块包括发动机散热器、液压油冷器及空空中冷器等；

控制器与温度传感器相连，控制器通过温度信号来向与其相连的PWM直流调速器发出控制信号，PWM直流调速器由发电机为其提供电源，发电机并联有蓄电池，以起到稳压作用，发电机与PWM直流调速器的连接回路上设置有熔断器，PWM直流调速器具有稳速精度高、调速范围宽及电机损耗小的优势；

PWM直流调速器分别与各个散热模块处的节温器和风扇连接，用于根据控制器的控制信号来调节各散热模块处节温器的开闭和风扇的转速；为杜绝传统工程机械各散热模块共用一个冷却风扇而无法兼顾所有散热模块的散热需求，造成部分散热模块过冷或过热等不良影响，故在每个散热模块处设置有一个节温器和至少一个风扇，并由控制器进行独立控制，从而避免各散热模块的相互影响；各个散热模块处风扇的具体数量可根据散热模块散热功率的实际需求而定，矩形或正面积较大的散热模块布置有多个风扇(例如本实施例中的发动机散热器)，且风扇直径可以不同，同一散热模块的各风扇由控制器和PWM直流调速器独立控制，各风扇之间不存在联系；

风扇上设置有转速传感器，转速传感器与控制器连接，用于将风扇的转速信号反馈至控制器。

如图2-3所示，本发明还提供了一种如上述任一项所述的冷却系统的控制方法，在散热系统开始工作前，首先给车辆通电，对各温度传感器进行检测，当判断某一温度传感器出现故障时进行报警，当各温度传感器无故障判定后车辆启动，然后对各风扇进行检测，检测方法为：通过控制PWM直流调速器的电压输出测试风扇转速，当控制器发现风扇的转速传感器检测到的转速与实际测试的经验转速存在较大差异时，如果风扇实际转速过快，判断为PWM直流调速器输出电压过高或风扇外负载过低，则执行报警；如果风扇转速过低，则判断为PWM直流调速器输出电压过低或风扇故障或风扇外负载过高，则进行报警；同时为避免潜在的高温故障导致车辆损坏，出现上述故障的散热模块执行故障模式。当各风扇无故障判定后，散热系统开始工作，具体包括如下步骤：

a)以散热系统中任意一个散热模块为例，设定该散热模块的冷却介质的最佳温度下限为T_1min，最佳温度上限为T_1max，在T_1min和T_1max之间设定一预设值T₁，T_1max与T₃之间还设定有一中间值T₂，极限温度下限为T₃，极限温度上限为T₄，参见图2；

b)当温度传感器检测到冷却介质的温度低于T_1min时，控制器控制该散热模块处的节温器关闭，风扇静止不转动，当冷却介质的温度达到T_1min时，节温器开启，并以温度为参数实现比例开度，当冷却介质的温度达到T₁时，节温器达到最大开度，在此过程中，控制器同时通过转速传感器采集风扇的转速，如果出现转速异常即风扇转速大于允许风扇受气流影响而自然转动的最大数值，则进行报警；

当冷却介质的温度升高至T₁与T_1max之间时，节温器保持最大开度，同时风扇启动，并以一恒定的速度保持转动；

若该散热模块处设置有多个风扇，则当冷却介质的温度升高至大于T₁时，节温器保持开启，同时控制第一个风扇启动，并以一恒定的速度保持转动，当冷却介质的温度在T₁与T_1max的温度区间内继续上升时，则启动第二个风扇以一恒定的速度保持转动，并以此类推直至该散热模块处所有风扇全部启动；

c)当冷却介质温度升高至T_1max和T₂之间时，风扇转速随温度的升高而加快，某一温度T时刻的风扇转速当温度继续升高至T₂和T₃之间时，风扇随温度的升高而转动更快以使系统温度快速下降，某一温度T时刻的风扇转速参见图2；

d)当冷却介质的温度升高至T₃和T₄之间时，风扇保持最大转速恒速运转；当温度继续升高至极限温度T₄以上时，风扇保持以最大转速恒速运转，同时系统对该散热模块的高温状态进行报警。

e)当冷却介质的温度下降且处于T₄以上或T₄至T₃之间时，为了确保系统的散热性能，风扇仍保持最大转速恒速运转，转速不作调整；

f)当冷却介质的温度下降至T₃与T_1max之间时，控制器连续采集预设次数内的平均温度数据，并进行循环比对，当温度环比降低时，控制器延迟预设时间后降低风扇转速，如果在延迟时间内温度上升，则不进行降速动作，而执行提高转速动作；

g)当冷却介质的温度下降至T_1max与T₁之间时，对于具有单一风扇的散热模块，则风扇保持恒速运转；对于具有多个风扇的散热模块，控制器连续采集预设次数内的平均温度数据，并进行循环比对，当温度环比降低时，控制器延迟预设时间后减少运转风扇数量，并以此类推直至所有风扇全部停止，如果在延迟时间内温度上升，则进行增加运转风扇数量动作；

h)当冷却介质的温度下降至T₁与T_1min之间时，风扇停止运转；

i)当冷却介质的温度下降至低于T_1min时，风扇保持静止，同时节温器关闭。

在运行步骤b)至i)的过程中，控制器同时通过转速传感器采集风扇的转速，如果出现转速异常即风扇转速明显异常于控制器指令对应的转速范围时，则进行报警。

另外，为了实现某些特殊功能：比如检测某一或全部散热模块，可以通过控制器将全部或部分散热模块的风扇和电控节温器关闭，即风扇和电控节温器不随温度的升高变化而开启和运转；再比如对某一散热模块内部进行清理、除锈等，可以通过控制器将全部或部分节温器开启，即节温器不随温度的降低变化而关闭；再比如对某一散热模块外部进行清洁、清理等，可以通过控制器将全部或部分风扇开启并高速运转，即风扇转速及运行状态与冷却介质温度无关。

控制器可以基于冷却介质温度参数控制风扇和节温器的运转状态和开启、关闭。同时还可以通过控制器单独控制节温器的开启、关闭以及风扇的静止或高速运转。并且，所有的风扇都为控制器和PWM独立控制，具备反转功能。当某一散热模块的某一风扇出现故障时，执行故障模式防止系统高温。并且，由于正常状态下风扇都是基于冷却介质温度参数进行运转，因此控制器按相应散热模块的实际散热功率需要最优的控制风扇运转数量和转速，使风扇所消耗的功率降到最小。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。