开关式水泵降噪控制策略研究
2022-01-05解小超曹慧颖
解小超，曹慧颖
开关式水泵降噪控制策略研究
解小超，曹慧颖
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）
针对开关式水泵在汽车发动机上应用过程中的噪声问题，文章对ECU的驱动方式进行了分析并研究了一套降噪策略，在水泵工作状态切换过程中采用PWM信号驱动开关式水泵的方式来实现降噪的目的，通过试验验证了优化策略的有效性。
开关式水泵；驱动方式；降噪策略
概述
汽车发动机在工作中受环境温度变化、使用维护状况、运行、负荷等因素的综合影响，易出现预热缓慢、过热等现象，主要原因是冷却系统的水泵大部分都是采用机械式驱动、传动比固定的结构，在低温启动后的初始阶段，水泵运转，循环的冷却水迅速带走气缸周围的热量，并通过散热器经风扇冷却风和车辆行驶迎面风的吹送，释放到空气中，造成发动机预热时间延长[1-2]。为了实现快速暖机，减少传热损失和低温摩擦损失，国内外开始研究并应用一种开关式水泵（swit- chable water pump）[3]。该水泵由发动机ECU引脚驱动，仅有常转和停转两种工作状态，ECU根据不同工况下的冷却需求通过控制引脚使水泵内部线圈通/断电来实现水泵工作状态的切换，因而可以缩短低温启动后的暖机时间，降低油耗。然而由于水泵内部结构，高低电平切换过程中会导致机械噪声。本文基于一款1.5DVVT发动机对降噪测量进行了研究设计，以提升车辆NVH性能。
1 开关式水泵控制系统
1.1 开关式水泵结构及工作原理
本文所述开关式水泵的结构示意图如图1所示。水泵皮带轮中包含常闭电磁离合器，离合器的吸合和断开可实现连接水泵叶轮的轴承与皮带轮同步运动或分离。水泵工作状态有两种：当线圈不通电时，即自然状态下，离合器吸合，皮带轮与轴承同步运动，水泵常转；线圈通电使离合器断开，轴承脱离皮带轮的带动，水泵停转。
1.2 开关式水泵控制系统
开关式水泵线圈中是否通过电流并产生电磁力直接决定了水泵工作状态。水泵控制系统如图2 所示，水泵线圈电源为主继电器供电，发动机ECU采集发动机工作过程中各种工作参数，如水温、环境温度、车速及发动机转速等，基于这些参数及预先设计的逻辑和程序运算，确定当前工况下水泵应工作在何种状态，并通过图3所示的驱动电路实现相应的控制。
图1 电控式水泵内部结构示意图
图2 电控式水泵控制系统结构示意图
图3 驱动电路示意图
2 降噪控制策略设计
2.1 常规驱动策略
根据开关式水泵本体设计，常规驱动策略为：一旦确定当前水泵的目标工作状态为停转，ECU内部芯片给图3中的A点加电压驱动MOS管导通；当前水泵目标工作状态为常转时，A点断电使MOS管关断。驱动信号如图4所示，水泵常转时MOS管A点断电；水泵停转时MOS管A点加高电压。
在实际应用中发现，在该驱动方式下，水泵内部离合器吸和/断开状态切换时水泵内部会产生机械运动噪声。
图4 MOS管驱动信号
2.2 驱动策略优化
为避免或降低噪声水泵机械运动噪声，将MOS管驱动信号改为PWM占空比信号，在开关式水泵停转/常转状态切换过程中设计PWM占空比缓冲过渡阶段，通过合理的参数设置即可保证水泵的可靠驱动，又可降低切换噪声。
2.2.1开关式水泵停转
驱动信号示意图如图5所示。驱动信号占空比D计算公式如下：
式中，D1、D均为与当前蓄电池电压和发动机水温相关的标定量，可分别在软件中设计的二维查询表格MAP_Dup1（电池电压，发动机水温）、MAP_Dhd（电池电压，发动机水温）中查找获得；t、R为标定常数；t可根据D1、D2、R计算获得：
式中，D2为与当前电池电压和发动机水温相关的标定量，可在软件中设计的二维查询表格MAPDup2（电池电压，发动机水温）中查找获得；t为软件周期。
图5 优化后MOS管驱动信号——水泵停转
一旦开关式水泵目标状态为停转，驱动信号的占空比立即设置为D1，然后占空比按照斜率R上升至D2后跳变为100%。100%的占空比将保持t时间以确保线圈电流达到最大值使水泵可靠停转，然后占空比即可降至足以维持水泵离合器状态的占空比D。开关式水泵离合器可能在占空比上升的t时间中的任何一个时间点吸合。
2.2.2开关式水泵常转
驱动信号示意图如图6所示。驱动信号占空比D计算公式为：
式中，Ddw1为与当前电池电压和发动机水温相关的标定量，可在软件中设计的二维查询表格MAP_Ddw1（电池电压，发动机水温）中查找获得；Rdw为可标定量；tdw可根据Ddw1、Ddw2、Rdw计算获得：
式中，D2为与当前电池电压和发动机水温相关的标定量，可在软件中设计的二维查询表格MAP_Ddw2（电池电压，发动机水温）中查找获得。
一旦开关式水泵的目标状态为常转，驱动信号的占空比立即将为D1，然后占空比按照斜率R将至D2后跳变为0%。开关式水泵离合器可能在占空比下降的t时间中的任何一个时间点断开。
3 试验验证
以搭载开关式水泵的1.5DVVT发动机为试验验证对象，验证发动机怠速状态下按所设计的降噪策略控制开关式水泵能否有效地降低水泵状态切换时产生的机械噪声。试验前将相关标定MAP及参数设定如下：t=0.2 s；R=R=200 %/s； t=10 ms。
表1 MAP_Dup1标定表
电池电压/V发动机水温/℃ 04080100 1042475153 1234384042 1428323435
表2 MAP_Dup2标定表
电池电压/V发动机水温/℃ 04080100 1093100100100 1270788690 1463707881
表3 MAP_Dhd标定表
电池电压/V发动机水温/℃ 04080100 107786100100 1254647175 1448556368
表4 MAP_Ddw1标定表
电池电压/V发动机水温/℃ 04080100 1064718083 1244506063 1439455356
表5 MAP_Ddw2标定表
电池电压/V发动机水温/℃ 04080100 1018202222 1214161819 1412131516
图7 优化前噪声频谱
采集的噪声对比频谱如图7、图8所示。优化前开关式水泵离合器吸合/断开切换瞬间可听到较为明显的机械噪声，间隔1 s左右，激起了离合等部件的结构共振辐射，详见图7；优化后，开关式水泵离合器吸合/断开切换瞬间撞击能量明显减弱，详见图8。
图8 优化后噪声频谱
4 结束语
在节能减排和日趋严格的油耗限值的大形势下，如何实现车辆的快速暖机，降低低温启动阶段的油耗将是发动机节油技术研究的方向之一，开关式水泵的应用会越来越多地出现在汽车发动机上，对开关式水泵控制策略的研究也会逐渐深入。由于开关式水泵本身的结构问题，常规的驱动方式会产生机械噪声，本文通过对驱动信号的优化设计以及合理的标定参数设置，对开关室水泵应用过程中产生的机械噪声起了明显的改善作用。
[1] 岳海丽,卞建宇,张奠忠.一种适用于汽车内燃发动机中的电控冷却水泵:204492954 U[P].2015-07-22.
[2] 郭新民,高平,吴海荣,等.汽车发动机电控冷却系统的试验研究[J].内燃机,2006(03):28-30.
[3] Stephen Paul Levijoki(Swartz Creek MI US). System and method for diagnosing a fault in a switchable water pump for an engine based on a change in crankshaft speed: US,09228482b2[P].2016-01-05.
Study on Noise Reduction Method of Switchable Water Pump
XIE Xiaochao, CAO Huiying
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )
Based on the noise problem during the use of switchable water pump on the vehicle engine, the drive mode of ECU is analyzed and a noise reduction method is studied by using PWM signal to drive the switchable water pump when the pump need to be switched,a test shows that the method achieve better performance.
Switchable water pump; Drive mode; Noise reduction method
U464
A
1671-7988(2021)23-72-04
U464
A
1671-7988(2021)23-72-04
10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.020
解小超，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
