基于电磁离合器水泵的整车热管理控制策略试验研究

么丽丽，王洪忠，李建文，张俊龙，杨宇增

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

随着国家排放标准的持续升级及用户对整车舒适性、经济性要求的不断提高，整车热管理技术研究势在必行。冷却系统在整车热管理方面起重要作用，但受驱动方式的限制，传统机械水泵转速依赖发动机的曲轴转速，不能根据整车工况自动调节，因此在某些工况下，整车会出现过度冷却，影响其经济性、可靠性、排放及用户体验[1-3]。

随着电控技术的发展，电磁离合器水泵已逐步应用在商用车发动机上，但目前商用车应用的电磁离合器水泵及控制策略主要针对发动机的热管理需求，主要考虑发动机出水水温，无法满足整车热管理技术的要求[4-6]。

本文中以某牵引车的直列六缸柴油机为研究对象，从整车角度优化一款电磁离合器水泵及其控制策略，通过整车试验，重点验证电磁离合器水泵及其控制策略优化前后对整车热管理、经济性、可靠性的影响，为电磁离合器水泵在商用车上更好地推广应用提供支持，同时也满足用户对整车舒适性、经济性的要求。

1 电磁离合器水泵硬件与软件开发

结合实际应用工况、整车匹配性、可靠性、经济性等因素[7-8]，对电磁离合器水泵的拖动转速、控制策略进行研究，降低油耗、满足整车热管理需求。

1.1 电磁离合器水泵拖动转速

开发一款电磁离合器水泵，有全速和拖动转速两挡。根据整车2个典型路谱中扭矩-转速分布占比分析，电磁离合水泵拖动转速设计为水泵全速的50%(下文简称“半速”)，可以满足路谱中70%～80%工况的冷却需求[9-10]， 路谱分析(不同水泵拖动转速满足不同路谱冷却需求的百分比)如表1所示。由表1可知，实际试验路谱中，水泵半速可以满足82%工况的冷却需求。试验数据表明，在发动机大扭矩点，水泵半速时轴功率可节省1 kW，水泵全速、半速性能如图1所示。

表1 路谱分析%

图1 电磁离合水泵性能曲线

1.2 电磁离合器水泵控制策略

图2 电磁离合器水泵挡位控制逻辑

结合整车及整机的冷却需求、可靠性、匹配性、经济性，确定控制输入因素[11-12]，电磁离合器水泵转速控制逻辑如图2所示。电磁离合器水泵为开关量控制，使用0和1控制水泵的挡位，0为半速，1为全速。

1)根据外部因素即整车运行工况、环境等因素控制水泵挡位；2)根据发动机的废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)、空压机、机油、冷却水等因素控制水泵挡位；3)根据整车因素(即暖风、尿素解冻、液力缓速器等因素)控制水泵挡位。

由图2可知，各因素对水泵挡位需求取逻辑“或”后，输出水泵挡位最终控制信号。优化前的控制策略只根据发动机出水温度控制电磁离合器水泵的转速，而优化后的控制策略加入了更多的整车因素，通过各因素的综合调控，满足整车热管理需求，保证整车的可靠性、降低油耗。

2 电磁离合器水泵对整车热管理的影响

本文中从整车角度对电磁离合器水泵及其控制策略进行优化，并在配备13 L直列六缸柴油机的某牵引车上进行整车试验，重点验证电磁离合器水泵及其控制策略优化前后对整车热管理和经济性的影响，同时对发动机热管理的影响也做了仿真与验证。

2.1 缸盖和缸套可靠性评估

进行机体缸盖一体化仿真计算[13-14]，缸盖、缸套的原始温度场计算结果和水温降低、水泵流量减半后温度场计算结果对比如图3所示(图中单位为℃)。由图3可知，优化后缸盖最高温度升高为8.9 ℃，缸套一环位置的最高温度保持不变，使用电磁离合器水泵，缸盖、缸套温度均未超限值。

对优化策略后的电磁离合器水泵进行试验，由试验结果可知优化后缸盖最高温度升高9.0 ℃，缸套第一环最高温度升高2.0 ℃，仿真结果与试验值相符。

2.2 EGR和空压机可靠性试验

台架稳态测温试验中，优化前EGR冷却器水侧最高温升和空压机水侧最高温升均偏高，均存在局部过热风险；优化后能有效解决EGR冷却器和空压机局部过热问题，对比试验结果如表2所示。

图3 缸盖、缸套温度场仿真结果

表2 EGR冷却器和空压机测温对比试验结果℃

2.3 尿素解冻试验

尿素解冻系统是从发动机出水管取水，在尿素箱流经管式加热器时对尿素解冻，水泵流量对尿素解冻时间有较大影响。根据文献[15]相关要求，对水泵控制策略优化前后的整车进行尿素解冻对比试验，试验结果如表3所示。由表3可知，优化后尿素解冻时间比优化前缩短了23%。

表3 尿素箱解冻试验结果对比

2.4 暖风除霜试验

暖风系统是在发动机出水管取水，在热交换器位置由风机将热气吹入驾驶室，形成暖风。冬天利用暖风对车窗除霜，水泵流量对整车暖风除霜效果影响很大。当环境温度低于-15 ℃时，整车在原地进行优化前后除霜对比试验，试验结果表明，在40 min内，优化前除霜面积为0，优化后除霜面积为100%。

图4 整车道路试验曲线

2.5 液力缓速器应用试验

液力缓速器主要用于辅助制动，制动功率高达500 kW，工作时需要大量的水对其进行冷却。进行整车道路试验，对比优化前后液力缓速器开启后水温温升速率，试验结果如图4中所示，图中水泵状态为0时是运行优化前控制策略，水泵状态为1时是运行优化后控制策略。由图4可知，液力缓速器开启后，使用优化前的策略运行，出水水温升温速率高达0.37～0.62 ℃/s；使用优化后的策略运行，水温未出现明显升高。

2.6 整车经济性试验

整车满载进行重毂试验，运行平原高速路谱，该路谱下82%的时间水泵处于半速状态，试验结果如表4所示。由表4可知：优化后，整车百km油耗降低了1%左右，风扇运行时间未明显增加。

表4 电磁离合器水泵经济性试验结果

3 结论

从整车角度优化设计了一款电磁离合器水泵及其控制策略，通过整车试验，重点验证电磁离合器水泵及其控制策略优化前后对整车热管理和经济性的影响。试验结果表明，优化后的电磁离合器水泵及其控制策略综合了整车、整机、环境等多方面因素，能够满足整车热管理需求，保证发动机可靠性，而且整车平原高速百km油耗降低了约1%。