基于控制策略的某柴油機電磁離合水泵的開發與驗證

常培松李劍薩如拉張術麗曹永偉閆立虎孟祥程（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

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基于控制策略的某柴油機電磁離合水泵的開發與驗證

常培松1，2李劍1，2薩如拉1，2張術麗1，2曹永偉1，2閆立虎1，2孟祥程1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

為滿足高效、節能發動機的開發需求，基于某柴油機冷卻系統智能化開發，闡述電磁離合水泵的結構參數、工作原理、控制策略等，并通過冷卻系統試驗對比，表明使用電磁離合水泵具有冷啟動性能好、暖機時間短、油耗降低、改善排放等優點。

冷卻系統電磁離合水泵控制策略水溫

引言

汽車保有量的增加已成為全球環境惡化、氣候變暖、能源危機的重要原因之一，因此迫使國內外油耗法規的日益嚴苛，這就要求汽車發動機的動力性、經濟性、可靠性進一步提升。冷卻系統作為發動機的重要輔助系統，對發動機的性能及可靠性起著至關重要的作用，近年來汽車智能化趨勢也促進了發動機向熱管理系統、冷卻系統模塊化發展［1-3］。電磁離合器水泵以其成本低、控制簡單得到了廣泛的應用，它能夠實現對不同工況下水流量進行控制，除滿足發動機基本的冷卻要求外，還可以實現如下功能：

1）精確管理發動機熱量，改善發動機油耗和排放；

2）部分負荷下提升發動機溫升時間；

3）縮短機油溫升時間，減小發動機機械摩擦；

4）提升駕駛艙舒適性；

5）按需供給水流量，減小冷卻系統能耗。

1　電磁離合水泵工作原理

電磁離合水泵是在傳統水泵基礎上發展而來的，是將傳統的水泵集成電磁離合器，使之實現電控化，其結構形式見圖1。在通電狀態下，電磁線圈與銜鐵吸合，帶動卷簧運動，使卷簧脫離水泵帶輪支架，水泵帶輪與水泵帶輪支架依靠螺栓固定并通過滾針軸承運轉，軸連軸承與銜鐵、電磁線圈、水封總成、水泵殼體、水泵葉輪為過盈配合，此時為相對靜止狀態；在斷電情況下，銜鐵和卷簧復位，卷簧依靠張力與水泵帶輪支架連接，從而水泵帶輪帶動銜鐵及軸連軸承運轉，水泵工作。

圖1　電磁離合水泵結構形式

在整車行駛過程中通過檢測發動機轉速、負荷、環境溫度、發動機水溫、暖風開關等數據，控制水泵的運轉與斷開，實現快速升溫，改善燃燒和排放。其基本參數見表1。

表1　電磁離合水泵基本參數

2　控制策略

2.1控制參數

電磁離合水泵主要控制參數為發動機轉速、負荷、水溫，依據不同轉速和負荷下水溫上升速度不同進行區域劃分，不同區域采用不同的方式進行控制；另外，其輔助控制參數為環境溫度、暖風開關信號，通過環境溫度不同進行調節，防止整車運行過程中發動機過熱的同時，使電磁離合水泵節油效果達到最佳；為不影響冬季暖風的使用，需采集暖風開關信號，在使用暖風的情況下確保水泵斷電運轉，滿足駕駛艙的舒適性。其控制系統結構見圖2。

圖2　　電磁離合水泵控制系統結構

2.2控制策略

本控制策略基于某柴油機的匹配研究，其主要參數見表2。

表2　發動機基本參數

發動機啟動后需水泵運轉30 s，有利于冷卻系統氣體排出和各零部件預熱，然后依據發動機運行負荷不同劃分為三個區域，即低負荷區域、中負荷區域和高負荷區域，不同區域控制策略不同，同時結合環境溫度對水泵斷開時間進行修正。其控制策略見表3。

環境溫度對發動機水溫有著較大的影響，為防止高溫環境下發動機過熱，增加環境溫度修正策略，見表4。

2.3安全模式

為確保使用安全性，電磁離合水泵同時具有安全模式，一方面某些特殊工況導致水溫急速上升時，高出某一范圍后需水泵立即切換為安全模式，使其常轉，確保發動機不會過熱。另一方面如出現機械故障后，利用反饋信號，使整車限速降扭矩，以實現安全駕駛。

表3　電磁離合水泵控制策略

表4　環境溫度控制策略

針對不同發動機搭載不同車輛，其安全控制模式是不一樣的，此款柴油機搭載某SUV車型，進行環境熱平衡試驗，最高水溫達到105℃，因此安全模式設定為102℃，如果檢測發動機水溫超過102℃，不管什么工況，需使水泵運轉。

另外，故障反饋功能必不可少，ECU根據反饋的故障及時進行報警，確保行駛的安全性。

3　試驗驗證

基于上述控制策略，進行整車試驗對比，首次試驗依照普通水泵進行試驗，然后使用電磁離合水泵進行相同試驗驗證，此次試驗驗證主要進行怠速升溫試驗對比、NEDC循環工況對比，使用主要儀器設備為FC2210Z型智能油耗儀，用于測量燃油消耗率，同時使用INCA檢測發動機水溫。具體試驗結果如下。

3.1怠速升溫試驗對比

環境溫度25℃，發動機怠速工況為750 r/min，圖3給出了怠速溫升試驗下，發動機水溫和油耗的對比。

通過對比發現使用電磁離合水泵能夠快速提升水溫，在水溫超過90℃后電磁離合水泵運轉，最高水溫升至91℃，之后會快速下降；對比20 min的時刻點，普通水泵只能使發動機升至70℃左右，使用電磁離合水泵能夠升至85℃左右；電磁離合水泵在怠速升溫試驗油耗對比，節油約5%左右。

3.2NEDC循環工況對比

環境溫度25℃，依照NEDC標準工況進行測試，其水溫和油耗對比如圖4所示。

由圖4可以看出，NEDC工況下，電磁離合水泵的發動機溫升曲線明顯高于普通水泵，這對發動機燃燒和降低摩擦均有改善，同時對比兩種狀態下的累計油耗，電磁離合水泵降低油耗約3%左右，效果非常明顯。

另對電磁離合水泵進行了排放測試對比，由于使用電磁離合水泵縮短暖機時間，使發動機快速進入最佳工作溫度范圍，提升燃燒充量系數的同時改善燃油霧化效果，燃油混合氣更加均勻，促進了燃油混合氣的燃燒，從而改善排放，經試驗測試CO降低約8%左右，CH降低約10%左右，煙塵顆粒降低約20%。

圖3　發動機怠速水溫與油耗對比

圖4　NEDC工況水溫與油耗對比

4　結論

電磁離合水泵較普通水泵有很大的優越性，其以較低的成本、簡單的控制策略實現了冷卻系統的可控化，它能夠快速提升發動機水溫，使發動機盡早進入最佳工作狀態，從而降低摩擦功，改善油耗及排放。

1韓松.車用發動機智能冷卻系統基礎問題研究［D］.杭州：浙江大學，2012

2駱清國，冉光政，劉紅彬，等.柴油機智能化控制冷卻系統試驗研究［J］.內燃機工程，2013，34（5）：76-80，86

3劉震濤，尹旭，韓松，等.乘用車發動機電控冷卻系統控制策略［J］.浙江大學學報（工學版），2013，47（11）：1976-1982

Development and Validation of the Switchable Water Pump for a Diesel Engine Based on Control Strategy

Chang Peisong1，2，Li Jian1，2，Sa Rula1，2，Zhang Shuli1，2，Cao Yongwei1，2，Yan lihu1，2，Meng Xiangcheng1，2
1-Technical Center of Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Automobile Engineering and Technology Research Center of Hebei Province

Now the engine development tendency turns towards efficiency and energy conservation.This paper explains the switchable water pump consisting of its structure，principle and dominating strategy from the example of the intellective development of the cooling system for a diesel engine.Experimental comparison of the cooling systems makes it clear that the switchable water pump has an advantage over the traditional water pumps in some respects，such as better starting performance in cool engine，shorter time for heating engine，lower fuel consumption and emission improving.

Cooling system，Switchable water pump，Control strategy，Water temperature

TK424.2+11

A

2095-8234（2015）06-0049-04

常培松（1984-），男，助理工程師，主要從事發動機冷卻系統的匹配與開發工作。

（2015-11-09）