基于控制策略的某柴油機(jī)電磁離合水泵的開發(fā)與驗(yàn)證

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

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基于控制策略的某柴油機(jī)電磁離合水泵的開發(fā)與驗(yàn)證

常培松1，2李劍1，2薩如拉1，2張術(shù)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(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

為滿足高效、節(jié)能發(fā)動機(jī)的開發(fā)需求，基于某柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)智能化開發(fā)，闡述電磁離合水泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作原理、控制策略等，并通過冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)對比，表明使用電磁離合水泵具有冷啟動性能好、暖機(jī)時(shí)間短、油耗降低、改善排放等優(yōu)點(diǎn)。

冷卻系統(tǒng)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(huán)境惡化、氣候變暖、能源危機(jī)的重要原因之一，因此迫使國內(nèi)外油耗法規(guī)的日益嚴(yán)苛，這就要求汽車發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性進(jìn)一步提升。冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)的重要輔助系統(tǒng)，對發(fā)動機(jī)的性能及可靠性起著至關(guān)重要的作用，近年來汽車智能化趨勢也促進(jìn)了發(fā)動機(jī)向熱管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)模塊化發(fā)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(yīng)用，它能夠?qū)崿F(xiàn)對不同工況下水流量進(jìn)行控制，除滿足發(fā)動機(jī)基本的冷卻要求外，還可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）精確管理發(fā)動機(jī)熱量，改善發(fā)動機(jī)油耗和排放；

2）部分負(fù)荷下提升發(fā)動機(jī)溫升時(shí)間；

3）縮短機(jī)油溫升時(shí)間，減小發(fā)動機(jī)機(jī)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(tǒng)能耗。

1　電磁離合水泵工作原理

電磁離合水泵是在傳統(tǒng)水泵基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是將傳統(tǒng)的水泵集成電磁離合器，使之實(shí)現(xiàn)電控化，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。在通電狀態(tài)下，電磁線圈與銜鐵吸合，帶動卷簧運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)，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(shí)為相對靜止?fàn)顟B(tài)；在斷電情況下，銜鐵和卷簧復(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)，水泵工作。

圖1　電磁離合水泵結(jié)構(gòu)形式

在整車行駛過程中通過檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、環(huán)境溫度、發(fā)動機(jī)水溫、暖風(fēng)開關(guān)等數(shù)據(jù)，控制水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)與斷開，實(shí)現(xiàn)快速升溫，改善燃燒和排放。其基本參數(shù)見表1。

表1　電磁離合水泵基本參數(shù)

2　控制策略

2.1控制參數(shù)

電磁離合水泵主要控制參數(shù)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、水溫，依據(jù)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下水溫上升速度不同進(jìn)行區(qū)域劃分，不同區(qū)域采用不同的方式進(jìn)行控制；另外，其輔助控制參數(shù)為環(huán)境溫度、暖風(fēng)開關(guān)信號，通過環(huán)境溫度不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止整車運(yùn)行過程中發(fā)動機(jī)過熱的同時(shí)，使電磁離合水泵節(jié)油效果達(dá)到最佳；為不影響冬季暖風(fēng)的使用，需采集暖風(fēng)開關(guān)信號，在使用暖風(fēng)的情況下確保水泵斷電運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足駕駛艙的舒適性。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　　電磁離合水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2控制策略

本控制策略基于某柴油機(jī)的匹配研究，其主要參數(shù)見表2。

表2　發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

發(fā)動機(jī)啟動后需水泵運(yùn)轉(zhuǎn)30 s，有利于冷卻系統(tǒng)氣體排出和各零部件預(yù)熱，然后依據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行負(fù)荷不同劃分為三個(gè)區(qū)域，即低負(fù)荷區(qū)域、中負(fù)荷區(qū)域和高負(fù)荷區(qū)域，不同區(qū)域控制策略不同，同時(shí)結(jié)合環(huán)境溫度對水泵斷開時(shí)間進(jìn)行修正。其控制策略見表3。

環(huán)境溫度對發(fā)動機(jī)水溫有著較大的影響，為防止高溫環(huán)境下發(fā)動機(jī)過熱，增加環(huán)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(shí)具有安全模式，一方面某些特殊工況導(dǎo)致水溫急速上升時(shí)，高出某一范圍后需水泵立即切換為安全模式，使其常轉(zhuǎn)，確保發(fā)動機(jī)不會過熱。另一方面如出現(xiàn)機(jī)械故障后，利用反饋信號，使整車限速降扭矩，以實(shí)現(xiàn)安全駕駛。

表3　電磁離合水泵控制策略

表4　環(huán)境溫度控制策略

針對不同發(fā)動機(jī)搭載不同車輛，其安全控制模式是不一樣的，此款柴油機(jī)搭載某SUV車型，進(jìn)行環(huán)境熱平衡試驗(yàn)，最高水溫達(dá)到105℃，因此安全模式設(shè)定為102℃，如果檢測發(fā)動機(jī)水溫超過102℃，不管什么工況，需使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

另外，故障反饋功能必不可少，ECU根據(jù)反饋的故障及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，確保行駛的安全性。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述控制策略，進(jìn)行整車試驗(yàn)對比，首次試驗(yàn)依照普通水泵進(jìn)行試驗(yàn)，然后使用電磁離合水泵進(jìn)行相同試驗(yàn)驗(yàn)證，此次試驗(yàn)驗(yàn)證主要進(jìn)行怠速升溫試驗(yàn)對比、NEDC循環(huán)工況對比，使用主要儀器設(shè)備為FC2210Z型智能油耗儀，用于測量燃油消耗率，同時(shí)使用INCA檢測發(fā)動機(jī)水溫。具體試驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1怠速升溫試驗(yàn)對比

環(huán)境溫度25℃，發(fā)動機(jī)怠速工況為750 r/min，圖3給出了怠速溫升試驗(yàn)下，發(fā)動機(jī)水溫和油耗的對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)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(yùn)轉(zhuǎn)，最高水溫升至91℃，之后會快速下降；對比20 min的時(shí)刻點(diǎn)，普通水泵只能使發(fā)動機(jī)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(yàn)油耗對比，節(jié)油約5%左右。

3.2NEDC循環(huán)工況對比

環(huán)境溫度25℃，依照NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)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(fā)動機(jī)溫升曲線明顯高于普通水泵，這對發(fā)動機(jī)燃燒和降低摩擦均有改善，同時(shí)對比兩種狀態(tài)下的累計(jì)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(jìn)行了排放測試對比，由于使用電磁離合水泵縮短暖機(jī)時(shí)間，使發(fā)動機(jī)快速進(jìn)入最佳工作溫度范圍，提升燃燒充量系數(shù)的同時(shí)改善燃油霧化效果，燃油混合氣更加均勻，促進(jìn)了燃油混合氣的燃燒，從而改善排放，經(jīng)試驗(yàn)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(fā)動機(jī)怠速水溫與油耗對比

圖4　NEDC工況水溫與油耗對比

4　結(jié)論

電磁離合水泵較普通水泵有很大的優(yōu)越性，其以較低的成本、簡單的控制策略實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的可控化，它能夠快速提升發(fā)動機(jī)水溫，使發(fā)動機(jī)盡早進(jìn)入最佳工作狀態(tài)，從而降低摩擦功，改善油耗及排放。

1韓松.車用發(fā)動機(jī)智能冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)問題研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012

2駱清國，冉光政，劉紅彬，等.柴油機(jī)智能化控制冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2013，34（5）：76-80，86

3劉震濤，尹旭，韓松，等.乘用車發(fā)動機(jī)電控冷卻系統(tǒng)控制策略［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)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(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的匹配與開發(fā)工作。

（2015-11-09）