發動機電磁離合水泵對整車經濟性的影響

孟慶江，徐京莉，劉海朋，張文通，馬海川，胡清

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

水泵是發動機冷卻系統的重要組成部分。隨著發動機技術的不斷發展，冷卻系統不再是以冷卻為唯一目的輔助裝置，而是一個保證發動機滿足排放標準以及經濟性、動力性、可靠性、耐久性需求的綜合性系統。

目前市場上商用車普遍采用機械水泵作為整車冷卻系統的動力源，但機械水泵與發動機曲軸為剛性連接，其轉速完全受限于發動機轉速，無法實現轉速的自動調節，能耗和適應性表現均欠佳[1-4]。與機械水泵相比，電磁離合水泵可根據水溫靈活控制水泵的工作狀態，實現快速暖機，有效控制發動機水溫，減少水泵的工作時長及附件能量消耗，實現節能減排的目的。目前，電磁離合水泵在國內重型商用車領域應用較少，但國外MAN、DAF等發動機已經將其作為標配。為推進汽車節能環保領域的工作，我國對商用車燃油經濟性的要求愈加嚴格，以3.5～25.0 t的客車為例，文獻[5]規定的三階段油耗限值比二階段降低10.7%～15.2%。商用車廠商面對降低油耗的壓力越來越大，進一步研究和開發電磁離合水泵對降低油耗十分重要。

1 整車冷卻系統及電磁離合水泵

1.1 整車冷卻系統

冷卻系統示意圖如圖1所示。當發動機工作時，曲軸皮帶輪帶動風扇及水泵旋轉，水泵將冷卻液泵入發動機，對發動機進行冷卻；出水管出水終端與節溫器連接，節溫器的另外兩端分別與水泵進水口和冷卻液箱進水管相接；冷卻液溫度由節溫器自動調節，將整車水溫控制在合適的范圍內[6]。

a)結構示意圖 b)3D裝配圖

整車冷卻液循環分為大、小2個循環。大循環時冷卻液經過水箱散熱器；小循環時冷卻液直接進入水泵進水口，使柴油機迅速升溫，達到正常運行所要求的熱狀態。汽車行駛的迎面風和風扇吸入的風冷卻散熱水箱，帶走散熱水箱的熱量，保持發動機處于正常的工作溫度[7-8]。

1.2 電磁離合水泵

某款電磁離合水泵主體結構與普通機械水泵基本一致，主要增加了電磁離合器及其電控插件，如圖2所示。該電磁離合水泵可實現兩速控制，二速狀態與普通機械水泵工作轉速一致，一速狀態與發動機轉速無線性關系，約為二速狀態轉速的30%～50%。

圖2 電磁水泵構成圖

電磁離合水泵控制系統由電磁水泵需求流量計算、電磁水泵設定轉速計算、電磁水泵控制狀態計算等模塊組成，如圖3所示。根據當前柴油機的運行工況采集發動機轉速、轉矩、噴油量、排氣流量、排氣溫度、進水溫度、出水溫度等信號作為電磁離合水泵需求流量計算模塊的輸入，經過計算獲得電磁離合水泵的需求流量，然后通過臺架標定，獲得電磁離合水泵需求流量與電磁離合水泵轉速之間的對應關系，得到當前需求流量下的電磁離合水泵設定轉速；電磁離合水泵控制狀態計算模塊根據電磁水泵當前的設定轉速判斷電磁離合器線圈的通斷狀態需求，然后輸出電磁水泵的擋位選擇和驅動控制信號，實現電磁水泵驅動控制[9-11]。

圖3 電磁離合水泵控制系統

2 整車經濟性試驗

通過試驗對比分析2種不同狀態電磁離合水泵及普通機械水泵對燃油經濟性的影響。為避免水泵本身狀態的影響，試驗用電磁離合水泵，除電磁離合系統外，水泵本體與使用的機械水泵完全一致，安裝尺寸完全相同，皮帶輪直徑、速比均一致，皮帶輪一槽距離相同。

2.1 試驗設備及樣車

試驗設備主要有轉鼓試驗臺、數據采集設備。試驗用某發動機后置客車樣車主要技術參數如表1所示。

表1 試驗樣車參數表

2.2 試驗方案

2.2.1 試驗策劃

采用普通機械水泵和電磁離合水泵進行對比試驗，采集水泵在全轉及電控2種不同狀態下的發動機油耗，試驗策劃信息見表2。共進行3輪試驗，每輪試驗均采用機械節溫器，節溫器在水溫為82 ℃時初開，水溫為92 ℃時全開。

表2 試驗策劃表

2.2.2 試驗工況

本次試驗采用國內主流整車廠現行工況，分為城市、國道、高速3個工況，如圖4所示，可覆蓋國內商用車常規運營工況，共計2549 s。城市工況模擬國內市區運行工況，平均車速為26 km/h，該工況下加減速頻繁；國道工況模擬國內國道運行工況，平均車速為50 km/h，常用車速為65 km/h；高速工況模擬國內高速運行工況，平均車速為84 km/h，常用車速為95 km/h；綜合工況為城市、國道、高速3個工況按照一定比例加權所得，平均車速為57 km/h。

圖4 主流整車廠現行試驗工況分布 圖5 C-WTVC 工況分布

文獻[5]中推薦使用中國重型商用車瞬態循環(adapted world transient vehicle cycle，C-WTVC)，是商用車進行油耗認證的標準工作循環，工況具體分布如圖5所示。相比于C-WTVC工況，主流整車廠現行工況更能反映實際路況，其整車試驗結論更具有代表性。

2.2.3 試驗過程控制

為保證試驗數據的準確性，需嚴格控制試驗過程。

1)由同一駕駛員完成3輪試驗，試驗過程中換擋轉速控制為1500 r/min，排除司機駕駛習慣對整車油耗的影響。

2)每輪試驗至少開展3組，按照文獻[12]的要求對試驗路譜和油耗數據進行重復性檢驗，并對最終油耗結果進行修正。

3)每輪試驗開展之前，進行不低于50 km的暖機循環，確保試驗前車輛水溫不低于85 ℃，保證整車和轉鼓已充分熱機。

4)試驗期間，轉鼓試驗室環境溫度保持恒溫，溫度控制在(25±2)℃；

5)轉鼓試驗需要預先確定與速度無關的常數項阻力系數A、與速度一次項有關的阻力系數B、與速度二次項有關的阻力系數C。通過實車滑行試驗得到：A=713.600 N、B=14.681 N/(km·h-1)、C=0.054 N/(km·h-1)2。

3 試驗結果分析

試驗結束后，計算綜合工況油耗。綜合工況油耗為城市、國道、高速3個工況油耗按照一定比例加權計算得到，加權系數參照文獻[12]中C-WTVC工況推薦的權重，市區工況、國道工況、高速工況的加權系數分別為0.1、0.2、0.7。以試驗1為基準計算試驗2、3的節油率，節油率分別為試驗1和試驗2、3的油耗差與試驗1油耗的比值。經濟性試驗與節油率計算結果如表3所示。

表3 經濟性試驗油耗與節油率計算結果

由表3可知：1)相對于試驗1，試驗2各工況節油率變化不大，說明電磁離合水泵全轉狀態下與普通水泵功耗基本一致，二者的功率基本一致，水泵本體狀態水平一致；2)相對試驗1，試驗3節油率變化比較明顯，其中國道工況節油率為1.98%，高速工況節油率為1.11%，綜合工況節油率為1.12%，市區工況無明顯節油效果，表明電磁離合水泵在電控狀態下可有效降低整車油耗水平。

4 結論

為提高發動機燃油經濟性，通過試驗研究發動機電磁離合水泵在城市工況、國道工況、高速工況下對整車油耗的影響。

1)電磁離合水泵全轉狀態下與普通水泵功耗基本一致，無節油效果；在電控狀態下可有效降低整車油耗水平，綜合節油率約為1.12%。

2)電磁離合水泵在國道工況(平均車速為50 km/h)節油效果最好，節油率為1.98%；在高速工況(平均車速為84 km/h左右)節油率約為1.11%；在市區(平均車速為26 km/h左右)沒有節油效果。