電動(dòng)主水泵對混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)降油耗貢獻(xiàn)研究

石成南

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

前言

附件電動(dòng)化是發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢，智能熱管理系統(tǒng)將會普遍應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，尤其是混動(dòng)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，到2025年新能源汽車新車銷量占比達(dá)50%以上?；旌蟿?dòng)力汽車作為傳統(tǒng)燃油車向純電動(dòng)汽車的理想過渡方案，必將迎來一次發(fā)展高峰期。同時(shí)，在“雙積分”政策和乘用車第五階段油耗法規(guī)的驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)汽車企業(yè)將面臨巨大的降油耗壓力，推廣應(yīng)用各種新技術(shù)降油耗勢在必行。本文將通過對發(fā)動(dòng)機(jī)智能熱管理系統(tǒng)的研究，論述電動(dòng)主水泵對混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)降油耗的貢獻(xiàn)能力。

1 試驗(yàn)樣機(jī)選擇

某 HEV車型上搭載匹配的是一款直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，以該發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對象，分析機(jī)械水泵與電動(dòng)主水泵在該發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性中整體油耗的表現(xiàn)情況。該發(fā)動(dòng)機(jī)為一款 350 bar高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，配置有電子節(jié)溫器，其余發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見下表1。

表1 某款發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表

2 水泵選型

冷卻系統(tǒng)帶走的散熱量Qw可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[1]：

式中：

A——冷卻系統(tǒng)所吸收的熱量占燃料熱能的百分比，一般情況下汽油機(jī)：A=0.23～0.3；

Ge——燃料消耗率（kg/kWh）；

Ne——內(nèi)燃機(jī)功率（kW）；

Hn——燃料低熱值（kJ/kg），汽油一般選取43 100 kJ/kg。

對于配置有水冷式的機(jī)油冷卻器內(nèi)燃機(jī)，（1）式中散熱量值Qw應(yīng)增大5%～10%。

一般情況下按照汽油機(jī)最大功率點(diǎn) Nemax作為計(jì)算工況點(diǎn)，同時(shí)，因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速時(shí)候可能會形成蒸汽泡（氣缸體水套中壓力值降低）和內(nèi)燃機(jī)過熱現(xiàn)象，應(yīng)對最大扭矩點(diǎn)Memax點(diǎn)進(jìn)行校核驗(yàn)算。下表2為某款發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)實(shí)測值。

表2 某款發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測值

由上表參數(shù)計(jì)算可見，在額定功率點(diǎn)散熱量 Qw最大值為169 kJ/s（A取0.3）。

冷卻液循環(huán)量Vw可依據(jù)下述公式計(jì)算：

式中：

△t——為冷卻水在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部循環(huán)時(shí)候的最大容許溫升，對于現(xiàn)代強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，△t=6～12 ℃；

γw——為水的比重值，γw≈1 000 kg/m3；

Cw——為水的比熱值，Cw≈4.187 kJ/kg·℃。

將散熱量值代入公式，△t取中間值9 ℃，可得最大冷卻液循環(huán)量Vw=0.004 m3/s，即240 L/min。水泵揚(yáng)程與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)水道中各零件相關(guān)流阻特性相關(guān)，本款發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測值最大流量時(shí)壓損約100 kPa，即揚(yáng)程需≥10 m。

2.1 機(jī)械水泵選型

曲軸與機(jī)械水泵通過皮帶輪連接，假設(shè)傳動(dòng)比為1:1.5，即在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，某款機(jī)械水泵單體性能試驗(yàn)參數(shù)表見下表3。

表3 機(jī)械水泵單體性能測試數(shù)據(jù)

該機(jī)械水泵能滿足散熱量的最大流量、揚(yáng)程需求。

2.2 電動(dòng)主水泵選型

某款電動(dòng)主水泵（A90）流量-揚(yáng)程-效率曲線見下圖1。

圖1 A90電動(dòng)主水泵流量-揚(yáng)程-效率曲線圖

發(fā)動(dòng)機(jī)最大工況需求點(diǎn)在揚(yáng)程曲線下方，A90電動(dòng)主水泵滿足冷卻性能需求。

3 消耗功率計(jì)算

水泵所消耗的功率可根據(jù)公式：

式中：

P1——冷卻水泵功率（W）；

Q——水泵流量（L/s）；

ρ——冷卻液密度（kg/L）；

g——重力加速度（m/s2）；

H——揚(yáng)程（m）；

η0——水泵效率。

曲軸對水泵做功可按照如下公式：

式中：

P0——曲軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械水泵消耗的功率（W）；

η1——皮帶傳動(dòng)效率，可取96%。

綜合表（3），在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況點(diǎn)135 kW/5000 r/min時(shí)，曲軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械水泵消耗的功率P0為905 W，占比n為：

該結(jié)果表明，假設(shè)電動(dòng)主水泵的驅(qū)動(dòng)能量不由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，在發(fā)動(dòng)機(jī)的額定工況點(diǎn)，可降低油耗值為0.7%。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)應(yīng)用上述選型后的機(jī)械水泵及電動(dòng)主水泵（臺架專用電源驅(qū)動(dòng)），同一版本軟件數(shù)據(jù)開展進(jìn)行萬有特性曲線測試，得出的發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖如下圖2所示。

圖2 兩款水泵對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖

由圖2可知，應(yīng)用電動(dòng)主水泵（臺架專用電源驅(qū)動(dòng)）后，發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖中，最低燃油經(jīng)濟(jì)圈的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)擴(kuò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性更好。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理比較可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性試驗(yàn)中應(yīng)用電動(dòng)主水泵，整體燃油消耗量約降低0.5%。

5 混動(dòng)機(jī)型控制策略

混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油的根本原因在于對標(biāo)定控制策略的優(yōu)化，可使得發(fā)動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行在其最佳工況點(diǎn)。某款發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線標(biāo)定示意圖見下圖3。

圖3 混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線標(biāo)定示意圖

混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)高效燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，將會使得發(fā)動(dòng)機(jī)油耗大大降低。同時(shí)，對于電動(dòng)主水泵的控制策略也可進(jìn)行優(yōu)化：

（1）在暖機(jī)水溫爬升階段，可適當(dāng)通過標(biāo)定值控制水流量，實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)[2]；

（2）在高轉(zhuǎn)速階段，機(jī)械水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速線性相關(guān)，某些特定條件下，水流量會超過發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求值，造成能量浪費(fèi)。應(yīng)用電動(dòng)主水泵可對流量控制，提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

6 結(jié)論

（1）電動(dòng)主水泵的性能能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最大冷卻量需求，具備替代機(jī)械水泵的可行性。

（2）電動(dòng)主水泵在混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上，在萬有特性試驗(yàn)中，可節(jié)省油耗在0.5%左右。

（3）在優(yōu)化的混動(dòng)機(jī)型控制策略下，通過對電動(dòng)主水泵的控制，實(shí)現(xiàn)整車熱管理系統(tǒng)水流量閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速暖機(jī)及最大冷卻液流量限制，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗進(jìn)一步降低。