一种发动机与变速箱协同热管理系统及具有其的车辆的制作方法

1.本实用新型涉及发动机冷却领域，具体涉及一种发动机与变速箱协同热管理系统及具有其的车辆。


背景技术：

2.目前市面上整车使用的冷却系统方案，通常为机械水泵+节温器，其中通过节温器来实现散热器大循环、旁通小循环两个支路的调节，实际小循环为不经过冷却的热水，大循环支路尚未经过散热器前的冷却液也为热水，该部分水温常规使用时可以达到90-105℃，而大循环支路经过散热器散热的冷却液，水温会低10℃左右，处于75-90℃的水平。
3.变速器的油温一般有使用限值区间，例如需长期处于90℃以下，此时为了冷却油温，其流入油冷器的水温必须比油温低，即水温需低于90℃，在全系统循环里，仅有散热器冷却后的位置，可满足此需求。
4.因此，变速器油冷器经常从散热器后位置取水，进行冷却。这种形式的冷却系统，在发动机水温较高时，散热器常通时，变速器油冷内部有水进行流动，可以得到冷却。但是在冷启动过程中，在水温到底较高水平之前，变速器无法得到加热，因此其机油粘度往往较高，摩擦水平处于较高水平。此外，在变速器滑摩工况变速器油温上升速度较快，这是极速请求开启大循环全开，从而抑制变速器快速上升的油温，但过快将发动机冷却循环回路从小循环状态切换为大循环全开状态，容易导致发动机水温快速的下降，水温的快速变化容易造成对发动机缸体和缸盖的冷热冲击，损坏发动机。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供一种发动机与变速箱协同热管理系统，通过五通管配合可转动球阀装置的设计，不仅能够实现冷启动时，在合适的时机使用发动机的热水为变速箱进行快速热机，还能够实现在变速箱过热时，通过冷水为变速箱降温，从而实现节油效果。
6.本实用新型提供的一种发动机与变速箱协同热管理系统，包括变速箱、发动机、水泵、五通管、可转动球阀以及散热器，所述变速箱内设有变速器油冷器，所述水泵和所述发动机连接，所述发动机和所述可转动球阀连接，所述可转动球阀和所述五通管以及所述散热器连接，所述五通管和所述变速器油冷器以及所述水泵连接。
7.进一步地，所述可转动球阀的一侧设有球阀进口，另一侧设有第一球阀出口和第二球阀出口，所述发动机和所述球阀进口连接，所述第一球阀出口和所述五通管连接，所述第二球阀出口和所述散热器连接，所述第一球阀出口和所述第二球阀出口的开度可调整。
8.进一步地，所述五通管包括第一通阀进口、第二通阀进口、第三通阀进口以及第一通阀出口、第二通阀出口，所述可转动球阀与所述第一通阀进口连接，所述散热器与所述第二通阀进口连接，所述变速器油冷器与所述第三通阀进口以及第一通阀出口连接，所述水泵和所述第二通阀出口连接。
9.进一步地，所述变速器油冷器上连接有油温传感器，所述发动机和可转动球阀之间设有水温传感器。
10.进一步地，当所述发动机的水温低于变速器响应阈值时，所述可转动球阀的第一球阀出口和第二球阀出口均为关闭状态；当所述发动机的水温高于变速器响应阈值时，所述可转动球阀的第一球阀出口为打开状态，所述第二球阀出口为关闭状态。
11.进一步地，当所述变速箱的油温超过第一变速箱油温阈值时，所述可转动球阀的第一球阀出口为打开状态，所述第二球阀出口为关闭状态。
12.进一步地，当所述变速箱的油温超过第二变速箱油温阈值时，所述可转动球阀的第一球阀出口和第二球阀出口均为打开状态。
13.进一步地，当所述变速箱的油温超过第三变速箱油温阈值时，所述可转动球阀的第一球阀出口为关闭状态，所述第二球阀出口为打开状态。
14.进一步地，所述第一变速箱油温阈值小于所述第二变速箱油温阈值，所述第二变速箱油温阈值小于所述第三变速箱油温阈值。
15.本实用新型还提供了一种车辆，包括如上所述的发动机与变速箱协同热管理系统。
16.与现有的技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
17.本实用新型提供的一种发动机与变速箱协同热管理系统，应用了可调式的可转动球阀对水温进行主动控制，替代了常规的节温器，可以实现发动机的节油、减排；且通过五通管配合可转动球阀，能够实现变速箱油冷支路与发动机小循环、大循环之间的切换，可以确保变速箱在过热模式下得到最佳性能的冷却效果，此外在冷启动阶段，能够确保发动机加热不被影响的前提下，加速变速箱的热机速度，从而实现发动机、变速箱的摩擦损失同时降低，实现动力总成系统的油耗下降。
附图说明
18.图1为本实用新型发动机与变速箱协同热管理系统的结构示意图；
19.图2为本实用新型的热管理方法的流程图；
20.图3为本实用新型中阶段一的结构示意图；
21.图4为本实用新型中阶段二的结构示意图；
22.图5为本实用新型中阶段三的结构示意图；
23.图6为本实用新型中阶段四的结构示意图。
24.其中：10-变速箱；11-变速器油冷器；20-发动机；30-水泵；40-五通管； 41-第一通阀进口；42-第二通阀进口；43-第三通阀进口；44-第一通阀出口； 45-第二通阀出口；50-可转动球阀；51-球阀进口；52-第一球阀出口；53-第二球阀出口；60-散热器；61-散热器风扇；70-油温传感器；80-水温传感器。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
26.在本实用新型的描述中，需要说明的是，本描述中指示的方位或位置关系为基于
附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.请参图1，本实用新型提供的一种发动机与变速箱协同热管理系统，包括变速箱10、发动机20、水泵30、五通管40、可转动球阀50以及散热器 60，变速箱10内设有变速器油冷器11，散热器60上设有散热器风扇61，其中，水泵30和发动机20连接，发动机20和可转动球阀50连接，可转动球阀50和五通管40以及散热器60连接，五通管40和变速器油冷器11以及水泵30连接。
28.具体地，可转动球阀50的一侧设有球阀进口51，另一侧设有第一球阀出口52和第二球阀出口53，球阀进口51通过可转动球阀50的转动可与第一球阀出口52和第二球阀出口53相通，发动机20和球阀进口51通过管道连接，第一球阀出口52和五通管40通过管道连接，第二球阀出口53和散热器60通过管道连接，第一球阀出口52和第二球阀出口53的开度可以根据水温进行调整。五通管40包括第一通阀进口41、第二通阀进口42、第三通阀进口43以及第一通阀出口44、第二通阀出口45，且互相相通。可转动球阀 50与第一通阀进口41通过管道连接，散热器60与第二通阀进口42通过管道连接，变速器油冷器11与第三通阀进口43以及第一通阀出口44通过管道连接，水泵30和第二通阀出口45通过管道连接。
29.进一步地，变速器油冷器11上连接有油温传感器70，油温传感器70可实时监测变速箱10的油温；发动机20和可转动球阀50之间连接有水温传感器80，水温传感器80可实时监测发动机20的水温。
30.请参图2-6，本实用新型提供的发动机与变速箱协同热管理系统的热管理方法是通过可转动球阀50配合五通管40的设计，能够实现变速箱油冷支路与发动机小循环(不散热器60连接)、大循环(与散热器60连接)之间的切换，在冷启动时，在合适的时机使用发动机20的热水为变速箱10进行快速热机，还能够在变速箱10过热时，通过冷水为变速箱10降温，从而实现节油效果。该热管理方法具体包括以下步骤：
31.s1，整车上电，系统进行自检。
32.整车上电后，发动机控制系统ems开始进行自检。系统自检包括控制器的自检和可转动球阀50的检查。其中最主要的是检查可转动球阀装置50是否会出现卡滞故障，若一切正常，则进行下一步；若出现卡滞故障，如卡滞在全关位置，整个系统将被关闭失去流量，发动机20会有过热风险，且由于内部热水不会流动至外部，外部传感器如水温传感器80就无法正确感知内部热水的温度，无法进行有效监控，则此时系统需报警，发动机20限扭，发动机20控制器对可转动球阀50输入开度调整至最大的信号，保证散热器60全开，系统有足够的冷却。
33.s2，系统自检结束后，若一切正常，则判断水温传感器80是否故障。
34.若系统一切正常，需进一步判断水温传感器80是否故障，主要检查水温传感器80是否能够实时地精准地监测发动机20的水温，若水温传感器80正常，则进入下一步，若水温传感器80出现故障，则发动机20控制器报警，并要求可转动球阀50打开至全开，同时要求散热器风扇61打开，避免发动机20出现过热的情况。
35.s3，若水温传感器80一切正常，则系统开始冷启动，此时水温传感器 80读取当前发动机20的实际水温，油温传感器70读取当前变速器油冷器11 的实际油温。
36.如水温传感器80一切正常，则读取当前发动机20的实际水温值。同时检查发动机20是否处于工作状态，此时主要判断发动机20的转速，如果该变量值不为零，说明发动机20处于运转状态，系统基于发动机20的转速和负荷设定不同的目标水温，进行查表即可得到。此后对比目标水温和实际水温，进行pid控制，对可转动球阀50的球阀开发、散热器风扇61转速进行调整后输出。该过程中，发动机20主运行逻辑，该逻辑仅考虑发动机20的节油、减排。
37.为了协同发动机20和变速箱10的热管理，发动机20ems控制系统在主逻辑框架内对可转动球阀50、散热器风扇61进行控制时，还需同时监控处于整车网络上的变速箱10的机油温度。油温传感器70读取当前变速器油冷器11的实际油温。该实际油温一般存在与变速箱10控制器tcu的内部，但会发送到整车can网络进行流转，ems控制系统可通过与整车can网络的交互，抓取该信号，并用于内部判断。
38.s4，冷启动过程中，判断发动机20的水温是否高于变速器响应阈值，若发动机20的水温低于变速器响应阈值时，则进行发动机20的热机；若发动机20的水温高于变速器响应阈值时，则进行变速箱10的热机。
39.在冷启动过程中，需求可以被分为以下几个层次：
40.a.首先发动机20的壁温迅速升温，进入到燃烧最优的状态，一般在数十秒内可以结束此过程，此时水温为30～40℃。
41.b.此后为发动机20油温上升过程，机油在低温下粘度较高，会导致发动机20的摩擦损失偏高，此外低温条件下机油容易出现稀释的问题，因此需要快速加热机油，使得机油温度快速达到一个合适的温度，此时水温约80℃。
42.在前面两个过程中，为了将所有的热量都锁在发动机20内部制造温升，始终保持未打开变速箱10冷却循环支路，变速箱10内部的机油温度依然处于过冷状态，粘度较高，而变速箱10作为机械运动件，也一样存在摩擦损失较高的问题。如果将变速箱10冷却循环支路直接接入发动机20小循环，是发动机20机油、变速箱10机油同步温升，则存在此消彼长的问题，变速箱 10机油温升较快，则导致发动机20机油温升较慢。鉴于发动机20作为动力的输出源头，其摩擦损失在整个动力传动系统中占据更高的比例，重要性较变速器更为优先，其次是发动机20内部机油稀释问题的主要原因是低温条件的汽油湿壁，而变速箱10内部不存在此问题。
43.c.所以发动机20的机油温升，优先于变速箱10的机油温升。在全局策略里面，需优先保障发动机20的机油温度上升到一定水温后，再开始变速箱 10的机油温升。
44.结合以上需求，故策略定义如下：
45.在冷启动过程中，如水温低于变速箱响应阈值时，可转动球阀50不对外部做任何响应，仅关注发动机20本身的快速热机。可转动球阀50的工作策略主要有以下三种类型：
46.a.按照图3阶段一所示方式工作：关闭可转动球阀50的第一球阀出口52 和第二球阀出口53的，所有支路全部关闭，系统内零流量；
47.b.可转动球阀50轻微地将第二球阀出口53打开，其他支路全部关闭；
48.c.可转动球阀50的第一球阀出口52和第二球阀出口53间歇性地在开
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关模式当中来回切换。
49.当水温超过变速箱响应阈值时，则可转动球阀50调整位置如图4阶段二所示的状
态：打开可转动球阀50的第一球阀出口52，关闭第二球阀出口 53，调整到变速器油冷器11支路打开，但散热器60支路关闭的位置，发动机20内部的热水开始流经变速箱10的变速器冷却器11，变速箱10机油将得到加热，该过程中，可转动球阀50的第一球阀出口52开度与水温有关，水温越高，开度越大。通过水温查表可以得到可转动球阀50的第一球阀出口 52的开度并对外输出控制。
50.s5，判断发动机20和变速箱10热机是否结束。
51.当水温超过发动机热机阈值时，说明发动机20已经热机结束，系统退出发动机20热机阶段，此时可转动球阀50依据目标水温与实际水温进行调整，依据发动机20的相关控制策略，按不同工况需求，查表得不同目标水温，并设定可转动球阀50的球阀开度和散热器风扇61的工况。
52.在此温度闭环控制过程中，可转动球阀50的球阀可能开到较大的位置，也可能被开到较小的位置，但考虑到变速箱10机油温可能尚未达到理想水平，故此时需要判断变速箱10机油温度是否超过变速箱热机阈值，如变速箱 10机油温度依旧低于此值，则约束可转动球阀50的开度下限，即不论闭环效果如何，需至少确保变速器油冷器11支路开启，但散热器60支路关闭。如变速箱10机油温度已经超过变速箱热机阈值，则变速箱10热机已结束，此时系统按照发动机20内部逻辑正常对可转动球阀50进行调整即可。
53.s6，发动机20和变速箱10热机结束后，判断变速箱10的油温是否高于变速箱油温阈值，若变速箱10的油温低于变速箱油温阈值时，则执行常规策略；若变速箱10的油温高于变速箱油温阈值时，则冷却系统进入变速箱10 过温保护模式。
54.在发动机20、变速箱10均完成热机过程之后，冷却系统的冷却能力调节应回到以发动机20水温调整为主，依据发动机20不同工况的需求对水温进行闭环调节，但在此基础上考虑发动机20和变速箱10的过热情况，即对过热进行应对，确保系统的可靠性。
55.其中发动机20过热控制属于可转动球阀50的常规策略内容，亦较为简单，例如：当水温超过过热阈值时，强制将可转动球阀50打开至散热器60 全开的位置，并完全关闭小循环，使全系统冷却流量达到最大值，同时全部流经散热器60换热，此外，散热器风扇61打开至最高档。
56.但变速箱10的过热控制不可致诘如此进行设定。一般在常温和高温情况下，发动机20的水温、油温较高时，变速箱10的油温也往往较高，在寒区低温情况下，发动机20水温、油温较低时，变速箱10油温也较低。当二者温度水平共同进退，需求统一时，可转动球阀50的控制策略是统一的，不会遇到问题。但在某些特殊情况下，环境温度-20℃～10℃的低温环境发生长坡堵车，变速箱10长期处于滑磨状态，变速箱10油温迅速升高，但此时发动机20工况依旧不足以支撑水温上升，水温处于降低水平。此类工况下，变速箱10油温触发球阀至大开度时，由于发动机20换热能力变强，水温出现骤降，变速箱10油温下降后，可转动球阀50恢复小开度，水温重新温升，如此往来将出现冷热冲击，对发动机20和变速箱10工作不利。
57.故针对变速箱10的冷却需求，需分成档位，随油温上升而渐进增大流量，而不是直接使用“油温超过变速器油温阈值直接请求最大冷却性能”的策略。
58.基于用五通管40将变速器油冷器11与发动机20大循环、小循环以合适的形式连接在一起，通过可转动球阀50的调整，将冷却性能供给分为三挡，变速箱油温阈值设定为第一
变速箱油温阈值、第二变速箱油温阈值、第三变速箱油温阈值：
59.a.可转动球阀50打开小循环第一球阀出口52，冷却液进入五通管40的第一通阀进口41，会分配一部分冷却流量给变速器油冷器11，确保变速器油冷器11内有冷却流量，但散热器60管路为关闭状态，也即图4所示的阶段二的状态。
60.b.可转动球阀50打开第一球阀出口52和第二球阀出口53，确保变速器油冷器11内有流量，且散热器60内有流量，即图5所示的阶段三的状态。
61.c.可转动球阀50关闭第一球阀出52，第二球阀出口53打开至最大开度，冷却流量全部流经散热器60，并打开散热器风扇61，即图6所示的阶段四的状态。
62.即：任意情况下，当变速箱油温超过第一变速箱油温阈值时，则可转动球阀50至少打开第一球阀出口52，确保变速器油冷器11内有冷却流量，但散热器60管路为关闭状态，也即图4所示的阶段二的状态。这样变速箱10 内的热量即可被带走，在此过程中，可转动球阀50的第一球阀出口52的开度与油温相关，油温越高，开度则越大；
63.任意情况下，当变速箱油温超过第二变速箱油温阈值时，则可转动球阀 50打开第一球阀出口52和第二球阀出口53，确保变速器油冷器11内有流量，且散热器60内有流量，即图5所示的阶段三的状态。这样变速箱10内的热量即可被带走，且大部分流量流经散热器60对外界散热，在此过程中，可转动球阀50的第一球阀出口52和第二球阀出口53的开度与油温相关，油温越高，开度则越大；
64.如果变速箱油温继续升高，超过时，则关闭可转动球阀50的第一球阀出口52，全部打开第二球阀出口53，冷却流量全部流经散热器60，即图6所示的阶段四的状态，且把散热器风扇61打开。在此过程中，可转动球阀50 的第二球阀出口53开度与油温相关，油温越高，则开度越大。
65.经过上面的叙述可以知道，本实用新型一种发动机与变速箱协同热管理系统，应用了可调式的可转动球阀对水温进行主动控制，替代了常规的节温器，可以实现发动机的节油、减排；且通过五通管配合可转动球阀，能够实现变速箱油冷支路与发动机小循环、大循环之间的切换，可以确保变速箱在过热模式下得到最佳性能的冷却效果，此外在冷启动阶段，能够确保发动机加热不被影响的前提下，加速变速箱的热机速度，从而实现发动机、变速箱的摩擦损失同时降低，实现动力总成系统的油耗下降。
66.本实用新型还提供了一种车辆，包括如上所述的发动机与变速箱协同热管理系统，关于该车辆的其他技术特征，请参见现有技术，在此不再赘述。
67.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。