基于電磁離合器水泵的整車熱管理控制策略試驗研究

么麗麗，王洪忠，李建文，張俊龍，楊宇增

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

隨著國家排放標準的持續升級及用戶對整車舒適性、經濟性要求的不斷提高，整車熱管理技術研究勢在必行。冷卻系統在整車熱管理方面起重要作用，但受驅動方式的限制，傳統機械水泵轉速依賴發動機的曲軸轉速，不能根據整車工況自動調節，因此在某些工況下，整車會出現過度冷卻，影響其經濟性、可靠性、排放及用戶體驗[1-3]。

隨著電控技術的發展，電磁離合器水泵已逐步應用在商用車發動機上，但目前商用車應用的電磁離合器水泵及控制策略主要針對發動機的熱管理需求，主要考慮發動機出水水溫，無法滿足整車熱管理技術的要求[4-6]。

本文中以某牽引車的直列六缸柴油機為研究對象，從整車角度優化一款電磁離合器水泵及其控制策略，通過整車試驗，重點驗證電磁離合器水泵及其控制策略優化前后對整車熱管理、經濟性、可靠性的影響，為電磁離合器水泵在商用車上更好地推廣應用提供支持，同時也滿足用戶對整車舒適性、經濟性的要求。

1 電磁離合器水泵硬件與軟件開發

結合實際應用工況、整車匹配性、可靠性、經濟性等因素[7-8]，對電磁離合器水泵的拖動轉速、控制策略進行研究，降低油耗、滿足整車熱管理需求。

1.1 電磁離合器水泵拖動轉速

開發一款電磁離合器水泵，有全速和拖動轉速兩擋。根據整車2個典型路譜中扭矩-轉速分布占比分析，電磁離合水泵拖動轉速設計為水泵全速的50%(下文簡稱“半速”)，可以滿足路譜中70%～80%工況的冷卻需求[9-10]， 路譜分析(不同水泵拖動轉速滿足不同路譜冷卻需求的百分比)如表1所示。由表1可知，實際試驗路譜中，水泵半速可以滿足82%工況的冷卻需求。試驗數據表明，在發動機大扭矩點，水泵半速時軸功率可節省1 kW，水泵全速、半速性能如圖1所示。

表1 路譜分析%

圖1 電磁離合水泵性能曲線

1.2 電磁離合器水泵控制策略

圖2 電磁離合器水泵擋位控制邏輯

結合整車及整機的冷卻需求、可靠性、匹配性、經濟性，確定控制輸入因素[11-12]，電磁離合器水泵轉速控制邏輯如圖2所示。電磁離合器水泵為開關量控制，使用0和1控制水泵的擋位，0為半速，1為全速。

1)根據外部因素即整車運行工況、環境等因素控制水泵擋位；2)根據發動機的廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)、空壓機、機油、冷卻水等因素控制水泵擋位；3)根據整車因素(即暖風、尿素解凍、液力緩速器等因素)控制水泵擋位。

由圖2可知，各因素對水泵擋位需求取邏輯“或”后，輸出水泵擋位最終控制信號。優化前的控制策略只根據發動機出水溫度控制電磁離合器水泵的轉速，而優化后的控制策略加入了更多的整車因素，通過各因素的綜合調控，滿足整車熱管理需求，保證整車的可靠性、降低油耗。

2 電磁離合器水泵對整車熱管理的影響

本文中從整車角度對電磁離合器水泵及其控制策略進行優化，并在配備13 L直列六缸柴油機的某牽引車上進行整車試驗，重點驗證電磁離合器水泵及其控制策略優化前后對整車熱管理和經濟性的影響，同時對發動機熱管理的影響也做了仿真與驗證。

2.1 缸蓋和缸套可靠性評估

進行機體缸蓋一體化仿真計算[13-14]，缸蓋、缸套的原始溫度場計算結果和水溫降低、水泵流量減半后溫度場計算結果對比如圖3所示(圖中單位為℃)。由圖3可知，優化后缸蓋最高溫度升高為8.9 ℃，缸套一環位置的最高溫度保持不變，使用電磁離合器水泵，缸蓋、缸套溫度均未超限值。

對優化策略后的電磁離合器水泵進行試驗，由試驗結果可知優化后缸蓋最高溫度升高9.0 ℃，缸套第一環最高溫度升高2.0 ℃，仿真結果與試驗值相符。

2.2 EGR和空壓機可靠性試驗

臺架穩態測溫試驗中，優化前EGR冷卻器水側最高溫升和空壓機水側最高溫升均偏高，均存在局部過熱風險；優化后能有效解決EGR冷卻器和空壓機局部過熱問題，對比試驗結果如表2所示。

圖3 缸蓋、缸套溫度場仿真結果

表2 EGR冷卻器和空壓機測溫對比試驗結果℃

2.3 尿素解凍試驗

尿素解凍系統是從發動機出水管取水，在尿素箱流經管式加熱器時對尿素解凍，水泵流量對尿素解凍時間有較大影響。根據文獻[15]相關要求，對水泵控制策略優化前后的整車進行尿素解凍對比試驗，試驗結果如表3所示。由表3可知，優化后尿素解凍時間比優化前縮短了23%。

表3 尿素箱解凍試驗結果對比

2.4 暖風除霜試驗

暖風系統是在發動機出水管取水，在熱交換器位置由風機將熱氣吹入駕駛室，形成暖風。冬天利用暖風對車窗除霜，水泵流量對整車暖風除霜效果影響很大。當環境溫度低于-15 ℃時，整車在原地進行優化前后除霜對比試驗，試驗結果表明，在40 min內，優化前除霜面積為0，優化后除霜面積為100%。

圖4 整車道路試驗曲線

2.5 液力緩速器應用試驗

液力緩速器主要用于輔助制動，制動功率高達500 kW，工作時需要大量的水對其進行冷卻。進行整車道路試驗，對比優化前后液力緩速器開啟后水溫溫升速率，試驗結果如圖4中所示，圖中水泵狀態為0時是運行優化前控制策略，水泵狀態為1時是運行優化后控制策略。由圖4可知，液力緩速器開啟后，使用優化前的策略運行，出水水溫升溫速率高達0.37～0.62 ℃/s；使用優化后的策略運行，水溫未出現明顯升高。

2.6 整車經濟性試驗

整車滿載進行重轂試驗，運行平原高速路譜，該路譜下82%的時間水泵處于半速狀態，試驗結果如表4所示。由表4可知：優化后，整車百km油耗降低了1%左右，風扇運行時間未明顯增加。

表4 電磁離合器水泵經濟性試驗結果

3 結論

從整車角度優化設計了一款電磁離合器水泵及其控制策略，通過整車試驗，重點驗證電磁離合器水泵及其控制策略優化前后對整車熱管理和經濟性的影響。試驗結果表明，優化后的電磁離合器水泵及其控制策略綜合了整車、整機、環境等多方面因素，能夠滿足整車熱管理需求，保證發動機可靠性，而且整車平原高速百km油耗降低了約1%。