彭世義，黃潛

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、安全行駛及降低油耗與排放有著重要的作用。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)采用更加緊湊的設(shè)計(jì)和具有更大的升功率，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱密度也隨之明顯增大。一些關(guān)鍵區(qū)域，如排氣門周圍的散熱問題需優(yōu)先保證，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力首先考慮滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)的散熱需求。

但是發(fā)動(dòng)機(jī)并不是在任何時(shí)候都需要冷卻，且不同工況下所需冷卻程度也不同。如：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，提高冷卻液溫度可以縮短暖機(jī)時(shí)間從而降低油耗排放。

(2)部分負(fù)荷時(shí)，提高冷卻液溫度帶來機(jī)油溫度提高，降低摩擦損失；提高冷卻液溫度還有助于改善缸內(nèi)燃燒，同時(shí)降低散熱損失，也達(dá)到增強(qiáng)動(dòng)力性、降低油耗的作用。

(3)大負(fù)荷與極限工況時(shí)，降低冷卻液溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠地運(yùn)行[1]。

當(dāng)前大部分發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是解決大負(fù)荷的散熱問題，忽略冷起動(dòng)與部分負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性及排放問題。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心零件是水泵，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵工作過程：通過皮帶或鏈條將曲軸動(dòng)力傳輸給水泵帶輪，水泵帶輪通過軸承傳輸扭矩使葉輪旋轉(zhuǎn)，冷卻液被葉輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)獲取能量，在冷卻系統(tǒng)水道中形成連續(xù)流動(dòng)循環(huán)過程。由于水泵轉(zhuǎn)速正比于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)冷卻液流量取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，而非發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際冷卻散熱需求，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全運(yùn)行工況冷卻液溫度的合理控制。

一種帶離合器裝置的水泵，又名開關(guān)水泵(Switchable Water Pump，SWP)，在水泵帶輪與水泵之間加裝電磁離合裝置，實(shí)現(xiàn)帶輪與水泵(葉輪)扭矩傳輸?shù)倪B接與切斷。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度需要快速升溫，ECU控制電磁離合裝置按一定頻率斷開水泵(葉輪)扭矩傳輸，控制冷卻液以小流量流動(dòng)，快速達(dá)到目標(biāo)水溫后，開關(guān)水泵將保持帶輪與水泵(葉輪)扭矩傳輸，切換為傳統(tǒng)水泵(Conventional Water Pump，CWP)模式。本文作者將介紹開關(guān)水泵在整車NEDC(New European Driving Cycle，新歐洲標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán))工況中降低油耗與排放的開發(fā)驗(yàn)證過程，討論開關(guān)水泵技術(shù)應(yīng)用的可行性。

1 開關(guān)水泵構(gòu)造原理

開關(guān)水泵在帶輪與水泵主軸承之間加裝電磁離合裝置，該裝置由供應(yīng)商設(shè)計(jì)。開關(guān)水泵的主要結(jié)構(gòu)除包含傳統(tǒng)水泵的本體和帶輪外，增加了電磁線圈、離合裝置及密封罩，見圖1。當(dāng)冷卻液低于工作溫度時(shí)，ECU控制給電磁線圈通電，電磁線圈促使離合裝置與帶輪脫開，則斷開帶輪與水泵(葉輪)之間的扭矩傳輸路徑。當(dāng)需要轉(zhuǎn)動(dòng)水泵時(shí)，ECU控制給電磁線圈斷電，則離合裝置與帶輪結(jié)合，連通帶輪與水泵(葉輪)之間的扭矩傳輸。即開關(guān)水泵加電時(shí)，水泵葉輪不轉(zhuǎn)；斷電時(shí)，水泵葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。通過加電與斷電之間的切換，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，進(jìn)而對(duì)冷卻液流量按需調(diào)節(jié)。

圖1 開關(guān)水泵構(gòu)造

開關(guān)水泵可以用PWM信號(hào)控制或ON/OFF信號(hào)控制，工作電壓7.5～18 V，工作電流0.7～1 A，能在所有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍(750～6 500 r/min)下工作。開關(guān)水泵往往在傳統(tǒng)水泵基礎(chǔ)上改型升級(jí)而來，需重新校核殼體強(qiáng)度、軸承壽命，離合器供應(yīng)商要為開關(guān)水泵總成設(shè)計(jì)耐久驗(yàn)證試驗(yàn)，考核開關(guān)水泵在不同轉(zhuǎn)速循環(huán)工況下通斷電耐久性能，確保開關(guān)水泵達(dá)到整車使用的壽命要求。

2 開關(guān)水泵NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)備工作

為驗(yàn)證開關(guān)水泵對(duì)油耗降低影響，在某車型發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)水泵基礎(chǔ)上加裝電磁離合裝置升級(jí)為開關(guān)水泵，外接ECU對(duì)水泵控制。當(dāng)斷開ECU與開關(guān)水泵連接時(shí)，水泵完全作為傳統(tǒng)水泵使用。這樣就可以在同一輛車上，對(duì)比開關(guān)水泵與傳統(tǒng)水泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)、油耗和排放的影響。

開關(guān)水泵開發(fā)控制系統(tǒng)見圖2。

圖2 開關(guān)水泵開發(fā)控制系統(tǒng)

在初次開發(fā)時(shí)，需要在缸蓋金屬內(nèi)部和冷卻水套內(nèi)預(yù)先布置溫度傳感器，用于監(jiān)控缸蓋內(nèi)溫度是否在安全范圍內(nèi)。開關(guān)水泵的控制還需要從CAN總線上讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)出水口冷卻液溫度、環(huán)境溫度、瞬時(shí)油耗與車速，綜合各項(xiàng)輸入，以最優(yōu)的頻率對(duì)開關(guān)水泵進(jìn)行通斷控制，控制冷卻液流量；同時(shí)，也需要通過車速、轉(zhuǎn)速、油耗和水溫情況，判斷開關(guān)水泵是否需完全切換為傳統(tǒng)水泵模式，保證安全性。

2.2 NEDC循環(huán)工況

對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)采用NEDC測試循環(huán)進(jìn)行評(píng)價(jià)，該測試循環(huán)為評(píng)價(jià)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能的常用測試循環(huán)。NEDC測試循環(huán)由兩部分組成：第1部分為4個(gè)串接起來的市區(qū)循環(huán)，每個(gè)市區(qū)循環(huán)包含15個(gè)工況(怠速、加速、勻速、減速等)，平均車速19 km/h，市區(qū)循環(huán)試驗(yàn)的當(dāng)量距離為4.052 km；第2部分為1個(gè)市郊循環(huán)，包含13個(gè)工況(怠速、加速、勻速、減速等)，平均車速為62.6 km/h，市郊循環(huán)試驗(yàn)的當(dāng)量距離為6.955 km[2-3]。NEDC測試循環(huán)工況見圖3。

圖3 NEDC循環(huán)試驗(yàn)冷卻液溫度對(duì)比

試驗(yàn)前需確保車況良好，至少磨合行駛3 000 km，每次試驗(yàn)需冷車起動(dòng)，多次測試取平均值。試驗(yàn)中確保轉(zhuǎn)轂臺(tái)架試驗(yàn)室溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液起始溫度以及駕駛員操作的一致性。

3 開關(guān)水泵NEDC試驗(yàn)結(jié)果

3.1 暖機(jī)速度對(duì)比

在同一輛車上分別使用傳統(tǒng)水泵與開關(guān)水泵各進(jìn)行3次NEDC試驗(yàn)，試驗(yàn)中實(shí)時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、缸蓋金屬和水套溫度、瞬時(shí)油耗等數(shù)據(jù)，并最終統(tǒng)計(jì)整個(gè)試驗(yàn)的油耗與排放情況。

使用開關(guān)水泵與傳統(tǒng)水泵，發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度傳感器位置測得溫度對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

使用開關(guān)水泵后，暖機(jī)階段冷卻液溫度上升速度加快。在t=200 s時(shí)，傳統(tǒng)水泵冷卻液溫度為63 ℃，而開關(guān)水泵控制冷卻液溫度可以達(dá)到72 ℃。t=360 s時(shí)，傳統(tǒng)水泵冷卻液溫度在80 ℃，開關(guān)水泵的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度達(dá)到90 ℃。但此后開關(guān)水泵完全接合運(yùn)行，不再進(jìn)行斷開控制，所以冷卻液溫度逐漸與傳統(tǒng)水泵趨于一致。

比較缸蓋金屬溫度傳感器溫度，如圖4所示。

圖4 NEDC循環(huán)試驗(yàn)缸蓋金屬溫度對(duì)比

缸蓋金屬溫度相比發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度波動(dòng)更大，同樣暖機(jī)階段使用開關(guān)水泵，缸蓋金屬溫度上升速度快于傳統(tǒng)水泵，但在暖機(jī)完成后，因開關(guān)水泵完全結(jié)合切換為傳統(tǒng)水泵，開關(guān)水泵缸蓋金屬溫度與傳統(tǒng)水泵缸蓋金屬溫度趨于一致。

可以看出使用開關(guān)水泵可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)速度。而提升暖機(jī)速度的意義在于：

(1)降低摩擦。提升冷起動(dòng)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的本體溫度，包括金屬溫度和潤滑油溫度，減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦，對(duì)冷起動(dòng)過程中的油耗有很大影響。

(2)改善燃燒。提高缸蓋燃燒室和進(jìn)氣道周圍的金屬溫度，有利于加速燃油霧化，燃燒充分，降低油耗與排放。

所以提升暖機(jī)速度最終獲得的收益是降低油耗與排放。

3.2 開關(guān)水泵NEDC循環(huán)試驗(yàn)油耗與排放結(jié)果

傳統(tǒng)水泵與開關(guān)水泵各進(jìn)行3次NEDC循環(huán)試驗(yàn)，油耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 NEDC循環(huán)試驗(yàn)油耗對(duì)比

綜合NEDC全工況，使用開關(guān)水泵比傳統(tǒng)水泵節(jié)油 0.087 L/100 km，節(jié)油率1.06%。在開關(guān)水泵控制通斷的NEDC第一段工況(4個(gè)市區(qū)循環(huán))，開關(guān)水泵比傳統(tǒng)水泵節(jié)油0.202 L/100 km，節(jié)油率1.75%。所以使用開關(guān)水泵，提高暖機(jī)速度可以在NEDC試驗(yàn)中有效降低油耗，NEDC循環(huán)中的市區(qū)循環(huán)效果尤為明顯。

傳統(tǒng)水泵與開關(guān)水泵各進(jìn)行3次NEDC循環(huán)試驗(yàn)，排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 NEDC循環(huán)試驗(yàn)排放對(duì)比

使用開關(guān)水泵提升暖機(jī)速度，HC、NMHC(非甲烷碳?xì)浠衔?及CO排放均有15%以上的降低。提升暖機(jī)速度改善排放原因如下：

一方面提升暖機(jī)速度可以提高燃燒室壁面溫度，改善燃燒。通常發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面溫度遠(yuǎn)比燃燒火焰溫度低，壁面對(duì)火焰的迅速冷卻(稱為冷激反應(yīng))使火焰燃燒反應(yīng)變緩或停止，火焰不能一直傳播到燃燒室壁面，而在表面上留下一薄層未燃燒或不完全燃燒的可燃混合氣，這是未燃HC、NMHC的主要來源[4]。

另一方面，提升暖機(jī)速度意味著縮短冷起動(dòng)時(shí)間。由于冷起動(dòng)過程中噴油的加濃控制，空燃比偏離理論空燃比，發(fā)動(dòng)機(jī)排放未能進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)，所以排放水平很差。有文獻(xiàn)研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始階段的CO和HC的排放占整個(gè)測試過程的60%～80%[5]。

因此，通過使發(fā)動(dòng)機(jī)快速暖機(jī)，縮短冷起動(dòng)時(shí)間，可以有效降低有害成分的排放。

總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，在NEDC循環(huán)試驗(yàn)中，外接ECU控制開關(guān)水泵，控制冷卻液流量，提升暖機(jī)速度，得到油耗降低1%與各排放物均下降的理想效果。

4 開關(guān)水泵技術(shù)應(yīng)用分析

開關(guān)水泵技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)各整車廠處于起步階段，分析其技術(shù)特點(diǎn)，具有以下優(yōu)勢：

(1)提升暖機(jī)速度，節(jié)能減排。控制開關(guān)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液流量的按需調(diào)節(jié)，尤其在暖機(jī)階段可以通過降低冷卻液流量提升暖機(jī)速度，所帶來的油耗與排放收益可通過上面的NEDC循環(huán)驗(yàn)證試驗(yàn)得到直觀認(rèn)識(shí)。對(duì)降低油耗和排放的效果是推動(dòng)開關(guān)水泵應(yīng)用的最大動(dòng)力。

(2)對(duì)水泵自身及周邊零件影響小。開關(guān)水泵可在全新開發(fā)項(xiàng)目中使用，但其更大的應(yīng)用優(yōu)勢在于可將成熟發(fā)動(dòng)機(jī)上傳統(tǒng)水泵直接升級(jí)為開關(guān)水泵。使用開關(guān)水泵，對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)部流道無任何影響，無需重新驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻子系統(tǒng)流量和流阻，開發(fā)過程相對(duì)簡單。

(3)失效保護(hù)是作為傳統(tǒng)水泵使用。開關(guān)水泵本質(zhì)仍為皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傳統(tǒng)水泵，加裝離合裝置后實(shí)現(xiàn)通電斷開帶輪與水泵連接、斷電帶輪與水泵保持連接。如開關(guān)水泵自身發(fā)生失效如插頭線束或ECU故障，離合裝置都會(huì)在不加電的情況下保持帶輪與水泵連接；如開關(guān)水泵之外的水溫傳感器故障或發(fā)生局部過熱，開關(guān)水泵同樣會(huì)保持帶輪與水泵連接，提供最大流量。而當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的另一個(gè)發(fā)展方向——電子水泵，因其直接依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，失效的后果明顯嚴(yán)重于開關(guān)水泵。

5 結(jié)論

通過對(duì)開關(guān)水泵NEDC試驗(yàn)的應(yīng)用研究可以得出：開關(guān)水泵對(duì)快速暖機(jī)、降低油耗和排放有很好的效果；同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)影響較小，升級(jí)改造簡單，可以有效推廣應(yīng)用。