基于控制策略的某柴油机电磁离合水泵的开发与验证

常培松李剑萨如拉张术丽曹永伟闫立虎孟祥程（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）



基于控制策略的某柴油机电磁离合水泵的开发与验证

常培松1，2李剑1，2萨如拉1，2张术丽1，2曹永伟1，2闫立虎1，2孟祥程1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

为满足高效、节能发动机的开发需求，基于某柴油机冷却系统智能化开发，阐述电磁离合水泵的结构参数、工作原理、控制策略等，并通过冷却系统试验对比，表明使用电磁离合水泵具有冷启动性能好、暖机时间短、油耗降低、改善排放等优点。

冷却系统电磁离合水泵控制策略水温

引言

汽车保有量的增加已成为全球环境恶化、气候变暖、能源危机的重要原因之一，因此迫使国内外油耗法规的日益严苛，这就要求汽车发动机的动力性、经济性、可靠性进一步提升。冷却系统作为发动机的重要辅助系统，对发动机的性能及可靠性起着至关重要的作用，近年来汽车智能化趋势也促进了发动机向热管理系统、冷却系统模块化发展［1-3］。电磁离合器水泵以其成本低、控制简单得到了广泛的应用，它能够实现对不同工况下水流量进行控制，除满足发动机基本的冷却要求外，还可以实现如下功能：

1）精确管理发动机热量，改善发动机油耗和排放；

2）部分负荷下提升发动机温升时间；

3）缩短机油温升时间，减小发动机机械摩擦；

4）提升驾驶舱舒适性；

5）按需供给水流量，减小冷却系统能耗。

1　电磁离合水泵工作原理

电磁离合水泵是在传统水泵基础上发展而来的，是将传统的水泵集成电磁离合器，使之实现电控化，其结构形式见图1。在通电状态下，电磁线圈与衔铁吸合，带动卷簧运动，使卷簧脱离水泵带轮支架，水泵带轮与水泵带轮支架依靠螺栓固定并通过滚针轴承运转，轴连轴承与衔铁、电磁线圈、水封总成、水泵壳体、水泵叶轮为过盈配合，此时为相对静止状态；在断电情况下，衔铁和卷簧复位，卷簧依靠张力与水泵带轮支架连接，从而水泵带轮带动衔铁及轴连轴承运转，水泵工作。

图1　电磁离合水泵结构形式

在整车行驶过程中通过检测发动机转速、负荷、环境温度、发动机水温、暖风开关等数据，控制水泵的运转与断开，实现快速升温，改善燃烧和排放。其基本参数见表1。

表1　电磁离合水泵基本参数

2　控制策略

2.1控制参数

电磁离合水泵主要控制参数为发动机转速、负荷、水温，依据不同转速和负荷下水温上升速度不同进行区域划分，不同区域采用不同的方式进行控制；另外，其辅助控制参数为环境温度、暖风开关信号，通过环境温度不同进行调节，防止整车运行过程中发动机过热的同时，使电磁离合水泵节油效果达到最佳；为不影响冬季暖风的使用，需采集暖风开关信号，在使用暖风的情况下确保水泵断电运转，满足驾驶舱的舒适性。其控制系统结构见图2。

图2　　电磁离合水泵控制系统结构

2.2控制策略

本控制策略基于某柴油机的匹配研究，其主要参数见表2。

表2　发动机基本参数

发动机启动后需水泵运转30 s，有利于冷却系统气体排出和各零部件预热，然后依据发动机运行负荷不同划分为三个区域，即低负荷区域、中负荷区域和高负荷区域，不同区域控制策略不同，同时结合环境温度对水泵断开时间进行修正。其控制策略见表3。

环境温度对发动机水温有着较大的影响，为防止高温环境下发动机过热，增加环境温度修正策略，见表4。

2.3安全模式

为确保使用安全性，电磁离合水泵同时具有安全模式，一方面某些特殊工况导致水温急速上升时，高出某一范围后需水泵立即切换为安全模式，使其常转，确保发动机不会过热。另一方面如出现机械故障后，利用反馈信号，使整车限速降扭矩，以实现安全驾驶。

表3　电磁离合水泵控制策略

表4　环境温度控制策略

针对不同发动机搭载不同车辆，其安全控制模式是不一样的，此款柴油机搭载某SUV车型，进行环境热平衡试验，最高水温达到105℃，因此安全模式设定为102℃，如果检测发动机水温超过102℃，不管什么工况，需使水泵运转。

另外，故障反馈功能必不可少，ECU根据反馈的故障及时进行报警，确保行驶的安全性。

3　试验验证

基于上述控制策略，进行整车试验对比，首次试验依照普通水泵进行试验，然后使用电磁离合水泵进行相同试验验证，此次试验验证主要进行怠速升温试验对比、NEDC循环工况对比，使用主要仪器设备为FC2210Z型智能油耗仪，用于测量燃油消耗率，同时使用INCA检测发动机水温。具体试验结果如下。

3.1怠速升温试验对比

环境温度25℃，发动机怠速工况为750 r/min，图3给出了怠速温升试验下，发动机水温和油耗的对比。

通过对比发现使用电磁离合水泵能够快速提升水温，在水温超过90℃后电磁离合水泵运转，最高水温升至91℃，之后会快速下降；对比20 min的时刻点，普通水泵只能使发动机升至70℃左右，使用电磁离合水泵能够升至85℃左右；电磁离合水泵在怠速升温试验油耗对比，节油约5%左右。

3.2NEDC循环工况对比

环境温度25℃，依照NEDC标准工况进行测试，其水温和油耗对比如图4所示。

由图4可以看出，NEDC工况下，电磁离合水泵的发动机温升曲线明显高于普通水泵，这对发动机燃烧和降低摩擦均有改善，同时对比两种状态下的累计油耗，电磁离合水泵降低油耗约3%左右，效果非常明显。

另对电磁离合水泵进行了排放测试对比，由于使用电磁离合水泵缩短暖机时间，使发动机快速进入最佳工作温度范围，提升燃烧充量系数的同时改善燃油雾化效果，燃油混合气更加均匀，促进了燃油混合气的燃烧，从而改善排放，经试验测试CO降低约8%左右，CH降低约10%左右，烟尘颗粒降低约20%。

图3　发动机怠速水温与油耗对比

图4　NEDC工况水温与油耗对比

4　结论

电磁离合水泵较普通水泵有很大的优越性，其以较低的成本、简单的控制策略实现了冷却系统的可控化，它能够快速提升发动机水温，使发动机尽早进入最佳工作状态，从而降低摩擦功，改善油耗及排放。

1韩松.车用发动机智能冷却系统基础问题研究［D］.杭州：浙江大学，2012

2骆清国，冉光政，刘红彬，等.柴油机智能化控制冷却系统试验研究［J］.内燃机工程，2013，34（5）：76-80，86

3刘震涛，尹旭，韩松，等.乘用车发动机电控冷却系统控制策略［J］.浙江大学学报（工学版），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，助理工程师，主要从事发动机冷却系统的匹配与开发工作。

（2015-11-09）