一种驱动源可变的柴油机冷却风扇及其控制方式

摘要

本发明公开一种驱动源可变的柴油机冷却风扇及其控制方法，用于柴油机，包括安装在柴油机上的主轴；主轴上依次定位安装有皮带轮，离合器，直流电机和止退挡板；直流电机外壁嵌设有冷却风扇；离合器两侧面分别与皮带轮和冷却风扇直接传动连接；止退挡板螺纹紧固于主轴远离柴油机的一端。本发明通过设计一种驱动源可变的冷却风扇，根据柴油机运行工况和离合器状况进行调整，通过直流电机或皮带轮驱动；实现降低冷却风扇对柴油机造成的功率损失，提高柴油机综合热效率。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆发动机技术领域，特别是涉及一种驱动源可变的柴油机冷却风扇及其控制方式。

背景技术

为追求柴油机的高热效率，势必要降低各种附件带来的功率损失，散热风扇是其中重要的功率损失项。传统的机械式冷却风扇结构简单、性能可靠,但无法根据发动机不同工况的需求调节风扇转速,容易出现发动机冷却不足或冷却过度,从而导致风扇效率低、功耗高。为提高冷却风扇效率,并降低功耗,除优化风扇叶型外，现有的电驱动方案可将风扇与皮带传动系脱离开来，可对风扇进行独立控制，但在发动机大负荷工况时，需要增强散热，其电机所消耗功率较高，此时直接采用皮带轮驱动更为合理。故有必要设计一种驱动源可在皮带轮及电机间切换的装置及其控制策略，以避免发动机在低功率、低效率工况区间拖动风扇造成的功率、效率恶化现象。

因此，亟需设计一种降低冷却风扇对柴油机造成的功率损失，提高发动机综合热效率的驱动源可变的柴油机冷却风扇。

发明内容

本发明的目的是提供一种驱动源可变的柴油机冷却风扇及其控制方式，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现降低冷却风扇对柴油机造成的功率损失，提高柴油机综合热效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种驱动源可变的柴油机冷却风扇，用于柴油机，包括安装在所述柴油机上的主轴；所述主轴上依次定位安装有皮带轮，离合器，直流电机和止退挡板；所述直流电机外壁嵌设有冷却风扇；所述离合器两侧面分别与所述皮带轮和冷却风扇直接传动连接；所述止退挡板螺纹紧固于所述主轴远离所述柴油机的一端。

优选的，直流电机为无刷直流电机；离合器选用结构紧凑缓冲性好的型号。

所述主轴为贯通式主轴；所述主轴外缘轴肩靠近所述柴油机一端通过皮带轮第一轴承定位安装有所述皮带轮一端；所述皮带轮另一端通过皮带轮第二轴承定在所述主轴外缘轴肩上；所述离合器用于实现所述皮带轮与冷却风扇的动力传导或断开。

优选的，采用贯通式主轴作为包括皮带轮，离合器，电机后壳，电枢，风扇的支撑定位部件，结构紧凑。

所述皮带轮第一轴承的内径不小于所述皮带轮第二轴承的内径；所述皮带轮第二轴承贴近所述离合器的一侧还设置有止退插销；所述止退插销与所述主轴过盈配合。

优选的，通过止退插销防止皮带轮轴向偏移，通过皮带轮轴承防止周向偏移。

所述冷却风扇包括扇体和后壳；所述后壳通过后壳轴承定位安装于所述主轴轴肩上；所述后盖一端与所述离合器侧壁刚性连接，另一端外缘处等间距开设有若干个花键；

所述扇体一侧外周开设有与所述花键适配的花键槽，且通过所述花键槽与所述后壳适配安装；所述扇体周侧安装有若干片扇叶；所述止退挡板上套设有用于定位所述扇体的扇体轴承；所述止退挡板的挡面与所述扇体另一侧面适配。

所述直流电机包括定子和转子；所述定子与所述主轴过盈配合；所述转子嵌设于所述扇体内壁；所述扇体通过所述转子绕所述定子旋转。

所述转子包括永磁体；所述定子包括电枢铁心和电枢绕组；所述电枢铁心固定安装于所述主轴的花键齿间上；

所述主轴轴向开设有盲孔；所述主轴上攻有连通所述盲孔的光孔；所述电枢绕组供电电路置于所述盲孔内。

一种驱动源可变的柴油机冷却风扇控制方法，还包括设置于所述冷却风扇一侧的水箱；所述柴油机冷却风扇控制方法包括：

采集参数：所述参数包括所述水箱温度，所述柴油机温度及转速，所述离合器状态和所述冷却风扇转速；

第一工作状态：当所述柴油机处于工作状态，所述水箱内冷却水温接近环境温度，判定柴油机为冷启动状态，则将所述离合器置于不传动状态，所述直流电机不工作，即冷却风扇不工作；

第二种工作状态：当柴油机处于工作状态，且处于高转速小负荷工况，所述水箱内冷却水温低于正常工作温度，判定柴油机为冷却过度状态，则将所述离合器置于不传动状态，所述直流电机以低于皮带轮的转速驱动所述冷却风扇；

第三工作状态：当所述柴油机处于工作状态，所述水箱内冷却水温度高于正常工作温度，判定柴油机为冷却不足状态，则将所述离合器置于不传动状态，所述直流电机以高于皮带轮的转速驱动所述冷却风扇。

所述水箱内冷却水温度用于判断所述柴油机的工况；还包括第四工作状态：当所述柴油机处于工作状态，所述水箱内冷却水温接近正常工作温度，判定柴油机为正常工作状态，则将所述离合器置于传动状态，所述直流电机不工作。即冷却风扇由所述皮带轮驱动。

还包括第五工作状态：当所述柴油机处于制动状态，则将离合器置于不传动状态。

进一步的，柴油机转速的降低会连带皮带轮系转速降低，即损失冷却风扇的转动惯量。

本发明公开了以下技术效果：本发明通过设计一种驱动源可变的冷却风扇，根据柴油机运行工况和离合器状况进行调整，通过直流电机或皮带轮驱动；实现降低冷却风扇对柴油机造成的功率损失，提高柴油机综合热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明剖视图；

图2为本发明装配图；

图3为本发明爆炸图；

图4为本发明一实施例示意图；

图5为本发明实施例发动机转速示意图；

图6为本发明实施例车辆速度转速示意图；

图7为本发明实施例水箱冷却水温示意图。

其中，1-主轴，2-皮带轮第一轴承，3-皮带轮，4-皮带轮第二轴承，5-止退插销，6-离合器，7-后壳轴承，8-后壳，9-电枢绕组，10-电枢铁心，11-永磁体，12-扇体，13-止退挡板，14-扇体轴承，15-皮带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种驱动源可变的柴油机冷却风扇，用于柴油机，其特征在于，包括安装在柴油机上的主轴1；主轴1上依次定位安装有皮带轮3，离合器6，直流电机和止退挡板13；直流电机外壁嵌设有冷却风扇；离合器6两侧面分别与皮带轮3和冷却风扇直接传动连接；止退挡板13螺纹紧固于主轴1远离柴油机的一端。

主轴1为贯通式主轴；主轴1外缘轴肩靠近柴油机一端通过皮带轮第一轴承2定位安装有皮带轮3一端；皮带轮3另一端通过皮带轮第二轴承4定在主轴1外缘轴肩上；离合器6用于实现皮带轮3与冷却风扇的动力传导或断开。

在本发明的一个实施例中，如图1，离合器6可为对称设置的左右两体结构；当需要通过皮带轮3实现驱动冷却风扇时，离合器6传动；当需要通过直流电机驱动冷却风扇时，离合器6脱开，与皮带轮3停止传动。

皮带轮第一轴承2的内径不小于皮带轮第二轴承4的内径；皮带轮第二轴承4贴近离合器6的一侧还设置有止退插销5；止退插销5与主轴1过盈配合。

冷却风扇包括扇体12和后壳8；后壳8通过后壳轴承7定位安装于主轴1轴肩上；后盖8一端与离合器6侧壁刚性连接，另一端外缘处等间距开设有若干个花键；

扇体12一侧外周开设有与花键适配的花键槽，且通过花键槽与后壳8适配安装；扇体12周侧安装有若干片扇叶；止退挡板13上套设有用于定位扇体12的扇体轴承14；止退挡板13的挡面与扇体12另一侧面适配。

直流电机包括定子和转子；定子与主轴1过盈配合；转子嵌设于扇体12内壁；扇体12通过转子绕定子旋转。

转子包括永磁体11；定子包括电枢铁心10和电枢绕组9；电枢铁心10固定安装于主轴1的花键齿间16上；

主轴1轴向开设有盲孔；主轴1上攻有连通盲孔的光孔；电枢绕组9的供电电路置于盲孔内。

一种驱动源可变的柴油机冷却风扇控制方法，还包括设置于冷却电扇一侧的水箱；柴油机冷却风扇控制方法包括：

采集参数：所述参数包括所述水箱温度，所述柴油机温度及转速，所述离合器状态和所述冷却风扇转速；

第一工作状态：当所述柴油机处于工作状态，所述水箱内冷却水温接近环境温度，判定柴油机为冷启动状态，则将所述离合器置于不传动状态，所述直流电机不工作，即冷却风扇不工作；

第二种工作状态：当柴油机处于工作状态，且处于高转速小负荷工况，所述水箱内冷却水温低于正常工作温度，判定柴油机为冷却过度状态，则将所述离合器置于不传动状态，所述直流电机以低于皮带轮的转速驱动所述冷却风扇；

第三工作状态：当所述柴油机处于工作状态，所述水箱内冷却水温度高于正常工作温度，判定柴油机为冷却不足状态，则将所述离合器置于不传动状态，所述直流电机以高于皮带轮的转速驱动所述冷却风扇。

所述水箱内冷却水温度用于判断所述柴油机的工况；还包括第四工作状态：当所述柴油机处于工作状态，所述水箱内冷却水温接近正常工作温度，判定柴油机为正常工作状态，则将所述离合器置于传动状态，所述直流电机不工作。即冷却风扇由所述皮带轮驱动。

还包括第五工作状态：当所述柴油机处于制动状态，则将离合器置于不传动状态。柴油机转速的降低会连带皮带轮系转速降低，即损失冷却风扇的转动惯量。

在本发明的一实施例中，如图1，皮带轮3上套设有双皮带15。

在本发明的一实施例中，如图4，电机转速控制方法中，直流电机转速的三元函数可以采用包括但不限于线性函数的多种形式，考虑到车用单片机计算和储存资源的限制，最优方案为采用参数经标定优化的线性函数。也可制成三维MAP表供ECU插值查询。

进一步地，上述控制策略由风扇控制单元(FCU)执行，其与发动机控制单元(ECU)一同接入车辆CAN网络进行通讯，从ECU处查询当前发动机水温及机体温度，作为控制函数2的变量输入。

进一步的，需指出，MAP表为发动机专业术语，此处引申为存在于本发明风扇控制单元FCU中的风扇转速数据，数据内容为具体为车辆速度v、柴油机转速ω、冷却水温t1以及柴油机机体温度t2(即函数自变量)映射至冷却风扇转速n(即函数因变量)的一种数学关系。

更具体的，在本发明的一实施例中，具体控制策略如下所示，如图5-7，包括：变量定义：柴油机水温t1；机体温度t2；柴油机转速；车辆速度v；柴油机制动状态flag1(处于柴油机制动状态)；离合器状态flag2(处于传动状态)；冷却风扇转速n。

常量定义：低冷却水温ta(略高于环境温度)；高冷却水温tb(略高于正常工作水温)；柴油机怠速转速ω1；柴油机额定转速ω2。

Function1

注：式中|为逻辑或符号；&&为逻辑与符号。

上述表达式为离合传动控制方法，应当指出，表达式中各常量及其邻域半径由具体柴油机经标定给出，上述策略文字描述如下。

离合器6脱开条件为：

1、柴油机处于高转速，低负荷工况时，冷却水温低于正常工作温度，柴油机处于冷却过度状态，则此时离合器6置于不传动状态，采用直流电机驱动风扇。

2、当冷却水温接近环境温度时，判定柴油机处于冷机启动状态，为使柴油机快速启动，离合器6置于不传动状态。

3、当车辆处于柴油机制动状态时，散热风扇将随主轴1一同减速，造成其转动惯量的损失，故此时离合器不传动。

离合器传动条件为：

1、柴油机冷却水温处于较高水平且中高负荷运行时，冷却风扇消耗功率对整机而言较小，故采用皮带轮驱动冷却风扇。

Function2

上述表达式为电机转速控制方法，应当指出，表达式中各参数值应由具体柴油机经标定给出，上述策略文字描述如下。

1、当离合器6处于传动状态时，直流电机停转，冷却风扇由皮带轮驱动；当冷却水温接近环境温度时，判定为冷启动状态，电机停转。

2、当离合器6处于不传动状态时，电直流机转速是关于车辆速度、柴油机转速、冷却水温及机体温度的四元函数，其中；η2，η3，η4为正参数，即冷却风扇转速与柴油机转速、冷却水温、机体温度成正相关；η1为负参数，即车辆速度较大时，迎风将会增强对柴油机的冷却，故冷却风扇转速与车辆速度成负相关。

上述试验工况将触发控制策略中所有控制动作，可简述为：柴油机自冷机启动至怠速工况，经加速至额定工况点，再经柴油机制动减速至停机；车辆速度自怠速工况结束时刻加速至最大，再减速停车；柴油机水温自柴油机启动后逐渐上升至正常工作水温。

应当指出，为实现车辆进行柴油机制动至停车，本方案假设试验车辆采用无级变速箱。

控制策略将控制本装置作如下动作：

0-T1时刻，条件t1∈U(ta,δ)为真，离合器6不传动，直流电机转速为0；即冷却风扇不转动，使柴油机迅速启动并暖机。

T1-T3时刻，条件ω∈U(ω1,δ)为真，离合器6不传动；

T3-T4时刻，条件t1∈U(tb,δ)&ω∈U(ω2,δ)为真，离合器6传动；条件flag1＝1为真，电机转速为0。即柴油机处于大负荷工况时，风扇功率相对于柴油机输出功率而言占比较小，此时采用皮带轮3驱动风扇对柴油机功率及效率影响较小。

T4-T5时刻，条件flag1＝0为真，离合器不传动；条件

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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发明，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发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。