開關式水泵降噪控制策略研究

解小超，曹慧穎

開關式水泵降噪控制策略研究

解小超，曹慧穎

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對開關式水泵在汽車發動機上應用過程中的噪聲問題，文章對ECU的驅動方式進行了分析并研究了一套降噪策略，在水泵工作狀態切換過程中采用PWM信號驅動開關式水泵的方式來實現降噪的目的，通過試驗驗證了優化策略的有效性。

開關式水泵；驅動方式；降噪策略

概述

汽車發動機在工作中受環境溫度變化、使用維護狀況、運行、負荷等因素的綜合影響，易出現預熱緩慢、過熱等現象，主要原因是冷卻系統的水泵大部分都是采用機械式驅動、傳動比固定的結構，在低溫啟動后的初始階段，水泵運轉，循環的冷卻水迅速帶走氣缸周圍的熱量，并通過散熱器經風扇冷卻風和車輛行駛迎面風的吹送，釋放到空氣中，造成發動機預熱時間延長[1-2]。為了實現快速暖機，減少傳熱損失和低溫摩擦損失，國內外開始研究并應用一種開關式水泵（swit- chable water pump）[3]。該水泵由發動機ECU引腳驅動，僅有常轉和停轉兩種工作狀態，ECU根據不同工況下的冷卻需求通過控制引腳使水泵內部線圈通/斷電來實現水泵工作狀態的切換，因而可以縮短低溫啟動后的暖機時間，降低油耗。然而由于水泵內部結構，高低電平切換過程中會導致機械噪聲。本文基于一款1.5DVVT發動機對降噪測量進行了研究設計，以提升車輛NVH性能。

1 開關式水泵控制系統

1.1 開關式水泵結構及工作原理

本文所述開關式水泵的結構示意圖如圖1所示。水泵皮帶輪中包含常閉電磁離合器，離合器的吸合和斷開可實現連接水泵葉輪的軸承與皮帶輪同步運動或分離。水泵工作狀態有兩種：當線圈不通電時，即自然狀態下，離合器吸合，皮帶輪與軸承同步運動，水泵常轉；線圈通電使離合器斷開，軸承脫離皮帶輪的帶動，水泵停轉。

1.2 開關式水泵控制系統

開關式水泵線圈中是否通過電流并產生電磁力直接決定了水泵工作狀態。水泵控制系統如圖2 所示，水泵線圈電源為主繼電器供電，發動機ECU采集發動機工作過程中各種工作參數，如水溫、環境溫度、車速及發動機轉速等，基于這些參數及預先設計的邏輯和程序運算，確定當前工況下水泵應工作在何種狀態，并通過圖3所示的驅動電路實現相應的控制。

圖1 電控式水泵內部結構示意圖

圖2 電控式水泵控制系統結構示意圖

圖3 驅動電路示意圖

2 降噪控制策略設計

2.1 常規驅動策略

根據開關式水泵本體設計，常規驅動策略為：一旦確定當前水泵的目標工作狀態為停轉，ECU內部芯片給圖3中的A點加電壓驅動MOS管導通；當前水泵目標工作狀態為常轉時，A點斷電使MOS管關斷。驅動信號如圖4所示，水泵常轉時MOS管A點斷電；水泵停轉時MOS管A點加高電壓。

在實際應用中發現，在該驅動方式下，水泵內部離合器吸和/斷開狀態切換時水泵內部會產生機械運動噪聲。

圖4 MOS管驅動信號

2.2 驅動策略優化

為避免或降低噪聲水泵機械運動噪聲，將MOS管驅動信號改為PWM占空比信號，在開關式水泵停轉/常轉狀態切換過程中設計PWM占空比緩沖過渡階段，通過合理的參數設置即可保證水泵的可靠驅動，又可降低切換噪聲。

2.2.1開關式水泵停轉

驅動信號示意圖如圖5所示。驅動信號占空比D計算公式如下：

式中，D1、D均為與當前蓄電池電壓和發動機水溫相關的標定量，可分別在軟件中設計的二維查詢表格MAP_Dup1（電池電壓，發動機水溫）、MAP_Dhd（電池電壓，發動機水溫）中查找獲得；t、R為標定常數；t可根據D1、D2、R計算獲得：

式中，D2為與當前電池電壓和發動機水溫相關的標定量，可在軟件中設計的二維查詢表格MAPDup2（電池電壓，發動機水溫）中查找獲得；t為軟件周期。

圖5 優化后MOS管驅動信號——水泵停轉

一旦開關式水泵目標狀態為停轉，驅動信號的占空比立即設置為D1，然后占空比按照斜率R上升至D2后跳變為100%。100%的占空比將保持t時間以確保線圈電流達到最大值使水泵可靠停轉，然后占空比即可降至足以維持水泵離合器狀態的占空比D。開關式水泵離合器可能在占空比上升的t時間中的任何一個時間點吸合。

2.2.2開關式水泵常轉

驅動信號示意圖如圖6所示。驅動信號占空比D計算公式為：

式中，Ddw1為與當前電池電壓和發動機水溫相關的標定量，可在軟件中設計的二維查詢表格MAP_Ddw1（電池電壓，發動機水溫）中查找獲得；Rdw為可標定量；tdw可根據Ddw1、Ddw2、Rdw計算獲得：

式中，D2為與當前電池電壓和發動機水溫相關的標定量，可在軟件中設計的二維查詢表格MAP_Ddw2（電池電壓，發動機水溫）中查找獲得。

一旦開關式水泵的目標狀態為常轉，驅動信號的占空比立即將為D1，然后占空比按照斜率R將至D2后跳變為0%。開關式水泵離合器可能在占空比下降的t時間中的任何一個時間點斷開。

3 試驗驗證

以搭載開關式水泵的1.5DVVT發動機為試驗驗證對象，驗證發動機怠速狀態下按所設計的降噪策略控制開關式水泵能否有效地降低水泵狀態切換時產生的機械噪聲。試驗前將相關標定MAP及參數設定如下：t=0.2 s；R=R=200 %/s； t=10 ms。

表1 MAP_Dup1標定表

電池電壓/V發動機水溫/℃ 04080100 1042475153 1234384042 1428323435

表2 MAP_Dup2標定表

電池電壓/V發動機水溫/℃ 04080100 1093100100100 1270788690 1463707881

表3 MAP_Dhd標定表

電池電壓/V發動機水溫/℃ 04080100 107786100100 1254647175 1448556368

表4 MAP_Ddw1標定表

電池電壓/V發動機水溫/℃ 04080100 1064718083 1244506063 1439455356

表5 MAP_Ddw2標定表

電池電壓/V發動機水溫/℃ 04080100 1018202222 1214161819 1412131516

圖7 優化前噪聲頻譜

采集的噪聲對比頻譜如圖7、圖8所示。優化前開關式水泵離合器吸合/斷開切換瞬間可聽到較為明顯的機械噪聲，間隔1 s左右，激起了離合等部件的結構共振輻射，詳見圖7；優化后，開關式水泵離合器吸合/斷開切換瞬間撞擊能量明顯減弱，詳見圖8。

圖8 優化后噪聲頻譜

4 結束語

在節能減排和日趨嚴格的油耗限值的大形勢下，如何實現車輛的快速暖機，降低低溫啟動階段的油耗將是發動機節油技術研究的方向之一，開關式水泵的應用會越來越多地出現在汽車發動機上，對開關式水泵控制策略的研究也會逐漸深入。由于開關式水泵本身的結構問題，常規的驅動方式會產生機械噪聲，本文通過對驅動信號的優化設計以及合理的標定參數設置，對開關室水泵應用過程中產生的機械噪聲起了明顯的改善作用。

[1] 岳海麗,卞建宇,張奠忠.一種適用于汽車內燃發動機中的電控冷卻水泵:204492954 U[P].2015-07-22.

[2] 郭新民,高平,吳海榮,等.汽車發動機電控冷卻系統的試驗研究[J].內燃機,2006(03):28-30.

[3] Stephen Paul Levijoki(Swartz Creek MI US). System and method for diagnosing a fault in a switchable water pump for an engine based on a change in crankshaft speed: US,09228482b2[P].2016-01-05.

Study on Noise Reduction Method of Switchable Water Pump

XIE Xiaochao, CAO Huiying

( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Based on the noise problem during the use of switchable water pump on the vehicle engine, the drive mode of ECU is analyzed and a noise reduction method is studied by using PWM signal to drive the switchable water pump when the pump need to be switched,a test shows that the method achieve better performance.

Switchable water pump; Drive mode; Noise reduction method

U464

A

1671-7988(2021)23-72-04

U464

A

1671-7988(2021)23-72-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.020

解小超，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。