基于发动机冷却需求的电子水泵应用与研究

2021-12-29林承伯吴广权乔艳菊张旭董春艳

汽车零部件 2021年12期

林承伯，吴广权，乔艳菊，张旭，董春艳

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

随着能源转型、节能减排的需求日益高涨，全球对汽车油耗、废气排放的要求越来越高，相关法规的实施对下一代发动机是严峻的考验，传统车型向混动车型的转变趋势已经开始明朗，如何开发兼顾高效率和高性能的混动汽车发动机是一个重要课题[1-3]。

冷却系统是发动机的重要组成之一，对发动机热平衡起调节作用，其中水泵是冷却系统的动力来源，以往的机械水泵(Mechanical Water Pump，MWP)流量无法主动调节，发动机在部分负荷工况下受到较大的限制[4-7]，故过往冷却系统的主要功能是保障发动机的可靠性，避免发动机温度过高而损坏。随着零部件的电气化发展，发动机上越来越多的工作参数变成可调参数，电控单元(Electronic Centrol Unit,ECU)通过对工况的甄别，能够使多个参数之间的配合达到最优，冷却系统也因此能够实现主动热管理，尽可能让发动机运行在最合适的温度下，以期优化爆震、摩擦等性能参数。基于此，文中提出了电子水泵(Electric Water Pump，EWP)结构，成为冷却系统电气化的主要途径之一[7]。

1 电子水泵简介

传统的MWP由曲轴通过附件驱动，由于整车低速爬坡通常是热害风险最大的工况，发动机对应在中转速的高负荷点，如保证该点的冷却需求，则因流量与发动机转速的线性关系，MWP在高转速区间将出现盈余。此外MWP的流量与发动机负荷无关，转速确定时，冷却需求随负荷升高而升高，这也将导致中低负荷时，流量存在较大的盈余。流量的过剩意味着机械功、热量的额外消耗，最终会对油耗、排放造成负面影响。

EWP使用电机驱动，通过ECU控制，其转速与发动机工况解耦。在设计功率时，只需确保最高流量满足发动机的最大散热需求即可，EWP通过标定能够依据实际需求调整流量，在发动机低负荷工况时提供较小的流量避免多余的消耗，在高负荷工况时提供较高的流量以避免发动机过热[8-10]。

EWP的基本结构如图1所示，主要包含4个部分：驱动电机、叶轮、控制板以及水泵壳体。

图1 EWP 构型

基于不同的设计理念，目前市面上的EWP有多种形态，主要区别在于电机形式、控制板的散热形式，以及装配方式[11-15]。

电机是EWP的核心。市面EWP使用的均为无刷直流电机，一般分为定子、转子两部分。图2所示为湿式电机，通常使用罩壳分离定子、转子。

图2 湿式电机

定子长期保持干燥，而由于罩壳前端即为叶轮，转子会长期浸泡在水中。温式电机结构简单，无须轴承、水封，但由于转子与定子之间被罩壳隔开，电机气隙较大，功率密度以及效率都会受到影响。

图3所示为干式电机。其结构与MWP类似，电机通过轴联轴承驱动叶轮，由水封阻挡冷却液进入电机室。该电机中定子、转子均能保持干燥，且由于没有罩壳，气隙更小，电机可以达到更高的性能。

图3 干式电机

控制板的散热也是影响EWP设计的主要因素之一。整车机舱环境温度较高，当发动机工况恶劣时，需要EWP全功率运转，电机也将持续发热，如无法及时对驱动电路、控制芯片进行散热，将导致EWP出现故障。通常来说散热途径主要有两种:

(1)风冷方案(图4)。功率较小的发动机发热量小，对EWP需求较小，此种EWP本身发热量不高，可使用风冷方案，通过散热硅胶，将控制板上的热量传递给铝制外壳，最后通过热交换由外部空气带走。风冷方案的内部设计较为简单，布置朝向没有限制，主要受限于外部环境温度，如外部环境温度较高，与内部环境无明显温差时，散热效果将受到影响，故该方案对EWP的安装位置有较高要求。

图4 风冷方案

(2)水冷方案(图5)。一般超过400 W的EWP需要使用水冷方案，其通过冷却液直接散热，水冷方案在EWP上设计若干个通孔形成水路，引导外部高压区的冷却液流入腔室内的低压区，直接冷却控制板，最后流入冷却循环。

图5 水冷方案

这种散热方式要求EWP有合适的朝向，冷却液在重力的作用下能够流往内部腔室冷却控制板，由于内部水温一般不会超过120 ℃，远低于芯片耐温上限，受限较小。

EWP视装配形式不同，还可分为罐式和开式水泵两种。如图1和图2所示为开式水泵，水泵侧仅有蜗壳的1/2，另外1/2则设计在水泵支架或缸体上；而如图3—5所示均为罐式水泵，其蜗壳设计在水泵内部，对外仅保留进出水口。通常旧机型升级时，如蜗壳集成在缸体上不便更改，可使用开式水泵与之匹配，冷却液可直接流入发动机内，亦可节约水管，减少冷却液容积，但罐式水泵通常在布置上有更多的自由度。

2 EWP的试验研究

EWP的控制，视应用可以分为快速暖机、发动机以及整车三部分内容。文中在设计试验时，也主要从这三个方向入手。

2.1 快速暖机

发动机冷启后，壁温较低影响燃烧，机油温度较低影响摩擦，催化器也未能起燃，因而让发动机迅速达到正常工作的温度，不仅能够有效节能减排，还能够避免低温时的机油劣化，冷却系统电气化以后快速暖机也就成了主要目标之一。

快速暖机的策略通常有两种形式：(1)满足限定条件。比如，水温低于某个值时断开冷却循环，在系统零流量或接近零流量的状态下让缸体迅速升温，此种策略通常通过热管理模块等阀类技术实现，但由于零流量时，外部的水温传感器只能读到当地水温，无法体现缸内的实际情况，需要新增内部的水温传感器，又或控制方案上较为复杂。(2)以EWP为主体的策略。由于EWP的电机实际上存在最低运行转速，故其最低流量是确定的，且通常很难达到“零流量”的水平，为了切实实现“快速暖机”的效果，且避免在缸内新增水温传感器，则要求EWP进行间歇工作，尽可能低频地为冷却提供循环，以避免局部沸腾。

设计策略时，间歇工作的开启、时间分配，以及相关的阈值是比较重要的参数，合理地开启、关闭时间比例应当在1∶5～1∶3。

如图6所示，暖机阶段通常可以分为3个阶段。

图6 快速暖机策略

狭义上的快速暖机是在第一阶段实现的，节温器初开后进入阶段二，此时大循环的冷水和小循环的热水开始混合，适当加速循环可以缩短这个过程，混合均匀后进入阶段三，流量越小则水温越高。对应不同的水温区间，可以适配不同的时间比例和水泵转速。文中以上述策略为基础对暖机效果进行了测试，试验环境温度为28 ℃，整车怠速，如图7所示，水温由30 ℃持续上升至92 ℃为止，EWP相比MWP在暖机时间上节省了约20%。

图7 快速暖机测试结果

快速暖机的效果不一定能从水温的上升过程当中体现，客观评价快速暖机的效果相对困难，应当结合壁温、油温等参数，水温测点的位置对结果也有很大影响。但是水温上升能够加速，则一定是快速暖机的表征[16-17]。

2.2 发动机工况分析

发动机每个特定的工况，都有其工作的最佳条件。改变传热损失，发动机的能量流分配随之改变，最后会达到新的热平衡。对于热管理而言，减少尾气、冷却传热等能量，提高有效输出功的占比是最终目的。假定发动机散热量固定，若流量下降，如式(1)所示温差将被扩大，最终体现为水温上升。实际水温控制与节温器、散热器的逻辑强相关，此处仅讨论EWP的影响。

Qdissipation=c·m·ΔT=c·ΔT·ρ·qflow

(1)

使用EWP的主要目的在于避免流量过盈，相比MWP，EWP可以降低过剩的机械功耗，但在设计流量时应充分考虑到水温改变对发动机的影响。

文中在常温下对发动机各个工况进行水温扫描。如图8所示，在发动机中低负荷区域，随着水温升高，壁温、机油温度均有所升高，由于摩擦下降、燃烧得到改善，油耗呈下降趋势，出水温度由80 ℃提升至110 ℃时，油耗约可下降10 g/(kW·h)。但在高负荷区域，随水温升高油耗适当滑落后，因壁温过高爆震风险提高而逐渐上升，点火角开始推移，此时膨胀做功不完全，油耗整体呈抛物线趋势。

图8 水温对BSFC的影响

可见，在中低负荷区域，使用EWP适当下调流量不仅可以降低机械功，对提升整体温度水平、降低油耗，也有所帮助。而在高负荷、外特性区域，适当提高流量，不仅可以确保发动机不过热，也可以避免爆震。发动机对热环境的需求与EWP的使用趋势基本一致，故策略上可以基于发动机各个工况的最佳水温点，对EWP的转速进行调节，尽可能让水温处于油耗最低点。

但有些特殊情况需要对水温的设定有更多考量：

(1)低负荷时热量不足，水温并不能上升到最优点，需要结合热管理模块、电子节温器等技术实现；

(2)中负荷区域水温上升至120 ℃，油耗可能仍在下降，需要结合壁温是否耐受等信息选取最佳水温；

(3)在使用双节温器的分流冷却的方案里，通常会有缸盖冷却，而缸体不冷却的情况，策略上需要对缸体水温进行预判。

在完成目标温度与EWP转速的关系设定以后，ECU可以依据实际情况对EWP完成闭环控制。闭环控制主要根据实际水温与目标水温的偏差，对调速信号进行修正。在实际水温开始升高向目标水温逼近的过程中，修正曲线可缓慢向0逼近，斜率越低，修正幅度越小，控制越精确。而当实际水温高于目标水温时，因目标水温已经设置在较高水平，为避免过热，修正信号增长斜率可适当调大。

2.3 整车试验

整车散热器确定后，散热性能取决于流量和迎风，若忽略风速，则迎风取决于车速。行车工况稳定后，如前所述，调整流量改变热平衡就能够对温度进行调节。由图9可见，整车在各个车速下，EWP的流量由最小值至最大值变化时，流量与水温呈明显的负相关关系。

图9 流量、车速对水温的影响

如图10及式(1)所示，以最小流量时的水温为基准，随流量增大温度逐渐降低， ΔT逐渐增大。图中可见在中低流量区间，水温变化的速度远快于大流量区间。原因主要有两个：(1)流量超过一定值时，壁面热量可及时被带走，换热趋于稳定，此时冷却性能已足够；(2)流量过大时，受节温器影响，水温难以继续下降， ΔT最终趋于稳定。

如图10所示，车速20 km/h与60 km/h相比，60 km/h的ΔT变化更慢，而进一步提升车速到100 km/h时，ΔT变化重新加快。可知，低速工况时风速几乎可忽略，高速工况下迎风已超过散热器正常换热所需，此两种情况下冷却流量起主导作用，而中速工况时，迎风影响较流量更大。

图10 流量、车速对温差的影响

即流量、风速较低时，水温对流量、风速的变化均较为敏感。而一般行车过程，中低流量区间是EWP的主要调节区间，在设定控制信号与EWP转速的对应关系时，可适当提高该区间的控制精度。

此外，结合图8和图9可知，车速在20～100 km/h变化时，水温可调范围均可达到6～10 ℃，对于中低速高负荷爬坡等极限工况而言，该裕度能够为热害性能带来足够的改善，而从热平衡的角度观察，油耗则能够得到3 g/kW·h左右的收益。

整车的另一部分收益，来自于EWP对机械功耗的节省。依据第2.2节的结果，中低负荷工况水温可以适当调高，但低负荷因为热量不足难以达到最佳值。

如以实际情况为准，则目标水温整体表现为低负荷区域低、中负荷区域高、高负荷区域低。而实际行车过程，中、低负荷区域的工况切换极为频繁，当工况由中负荷切换为低负荷时，目标水温由高切换为低，EWP反而会自行调大流量让水温下降，这种情况是不必要的。图11中的左侧曲线，左上方为车速，左下方为流量，可见流量随发动机工况调整非常频繁。