孟慶江，徐京莉，劉海朋，張文通，馬海川，胡清

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

水泵是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的重要組成部分。隨著發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，冷卻系統(tǒng)不再是以冷卻為唯一目的輔助裝置，而是一個保證發(fā)動機滿足排放標準以及經(jīng)濟性、動力性、可靠性、耐久性需求的綜合性系統(tǒng)。

目前市場上商用車普遍采用機械水泵作為整車冷卻系統(tǒng)的動力源，但機械水泵與發(fā)動機曲軸為剛性連接，其轉(zhuǎn)速完全受限于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，能耗和適應(yīng)性表現(xiàn)均欠佳[1-4]。與機械水泵相比，電磁離合水泵可根據(jù)水溫靈活控制水泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)快速暖機，有效控制發(fā)動機水溫，減少水泵的工作時長及附件能量消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。目前，電磁離合水泵在國內(nèi)重型商用車領(lǐng)域應(yīng)用較少，但國外MAN、DAF等發(fā)動機已經(jīng)將其作為標配。為推進汽車節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的工作，我國對商用車燃油經(jīng)濟性的要求愈加嚴格，以3.5～25.0 t的客車為例，文獻[5]規(guī)定的三階段油耗限值比二階段降低10.7%～15.2%。商用車廠商面對降低油耗的壓力越來越大，進一步研究和開發(fā)電磁離合水泵對降低油耗十分重要。

1 整車冷卻系統(tǒng)及電磁離合水泵

1.1 整車冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)示意圖如圖1所示。當發(fā)動機工作時，曲軸皮帶輪帶動風扇及水泵旋轉(zhuǎn)，水泵將冷卻液泵入發(fā)動機，對發(fā)動機進行冷卻；出水管出水終端與節(jié)溫器連接，節(jié)溫器的另外兩端分別與水泵進水口和冷卻液箱進水管相接；冷卻液溫度由節(jié)溫器自動調(diào)節(jié)，將整車水溫控制在合適的范圍內(nèi)[6]。

a)結(jié)構(gòu)示意圖 b)3D裝配圖

整車冷卻液循環(huán)分為大、小2個循環(huán)。大循環(huán)時冷卻液經(jīng)過水箱散熱器；小循環(huán)時冷卻液直接進入水泵進水口，使柴油機迅速升溫，達到正常運行所要求的熱狀態(tài)。汽車行駛的迎面風和風扇吸入的風冷卻散熱水箱，帶走散熱水箱的熱量，保持發(fā)動機處于正常的工作溫度[7-8]。

1.2 電磁離合水泵

某款電磁離合水泵主體結(jié)構(gòu)與普通機械水泵基本一致，主要增加了電磁離合器及其電控插件，如圖2所示。該電磁離合水泵可實現(xiàn)兩速控制，二速狀態(tài)與普通機械水泵工作轉(zhuǎn)速一致，一速狀態(tài)與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無線性關(guān)系，約為二速狀態(tài)轉(zhuǎn)速的30%～50%。

圖2 電磁水泵構(gòu)成圖

電磁離合水泵控制系統(tǒng)由電磁水泵需求流量計算、電磁水泵設(shè)定轉(zhuǎn)速計算、電磁水泵控制狀態(tài)計算等模塊組成，如圖3所示。根據(jù)當前柴油機的運行工況采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、噴油量、排氣流量、排氣溫度、進水溫度、出水溫度等信號作為電磁離合水泵需求流量計算模塊的輸入，經(jīng)過計算獲得電磁離合水泵的需求流量，然后通過臺架標定，獲得電磁離合水泵需求流量與電磁離合水泵轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系，得到當前需求流量下的電磁離合水泵設(shè)定轉(zhuǎn)速；電磁離合水泵控制狀態(tài)計算模塊根據(jù)電磁水泵當前的設(shè)定轉(zhuǎn)速判斷電磁離合器線圈的通斷狀態(tài)需求，然后輸出電磁水泵的擋位選擇和驅(qū)動控制信號，實現(xiàn)電磁水泵驅(qū)動控制[9-11]。

圖3 電磁離合水泵控制系統(tǒng)

2 整車經(jīng)濟性試驗

通過試驗對比分析2種不同狀態(tài)電磁離合水泵及普通機械水泵對燃油經(jīng)濟性的影響。為避免水泵本身狀態(tài)的影響，試驗用電磁離合水泵，除電磁離合系統(tǒng)外，水泵本體與使用的機械水泵完全一致，安裝尺寸完全相同，皮帶輪直徑、速比均一致，皮帶輪一槽距離相同。

2.1 試驗設(shè)備及樣車

試驗設(shè)備主要有轉(zhuǎn)鼓試驗臺、數(shù)據(jù)采集設(shè)備。試驗用某發(fā)動機后置客車樣車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樣車參數(shù)表

2.2 試驗方案

2.2.1 試驗策劃

采用普通機械水泵和電磁離合水泵進行對比試驗，采集水泵在全轉(zhuǎn)及電控2種不同狀態(tài)下的發(fā)動機油耗，試驗策劃信息見表2。共進行3輪試驗，每輪試驗均采用機械節(jié)溫器，節(jié)溫器在水溫為82 ℃時初開，水溫為92 ℃時全開。

表2 試驗策劃表

2.2.2 試驗工況

本次試驗采用國內(nèi)主流整車廠現(xiàn)行工況，分為城市、國道、高速3個工況，如圖4所示，可覆蓋國內(nèi)商用車常規(guī)運營工況，共計2549 s。城市工況模擬國內(nèi)市區(qū)運行工況，平均車速為26 km/h，該工況下加減速頻繁；國道工況模擬國內(nèi)國道運行工況，平均車速為50 km/h，常用車速為65 km/h；高速工況模擬國內(nèi)高速運行工況，平均車速為84 km/h，常用車速為95 km/h；綜合工況為城市、國道、高速3個工況按照一定比例加權(quán)所得，平均車速為57 km/h。

圖4 主流整車廠現(xiàn)行試驗工況分布 圖5 C-WTVC 工況分布

文獻[5]中推薦使用中國重型商用車瞬態(tài)循環(huán)(adapted world transient vehicle cycle，C-WTVC)，是商用車進行油耗認證的標準工作循環(huán)，工況具體分布如圖5所示。相比于C-WTVC工況，主流整車廠現(xiàn)行工況更能反映實際路況，其整車試驗結(jié)論更具有代表性。

2.2.3 試驗過程控制

為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，需嚴格控制試驗過程。

1)由同一駕駛員完成3輪試驗，試驗過程中換擋轉(zhuǎn)速控制為1500 r/min，排除司機駕駛習(xí)慣對整車油耗的影響。

2)每輪試驗至少開展3組，按照文獻[12]的要求對試驗路譜和油耗數(shù)據(jù)進行重復(fù)性檢驗，并對最終油耗結(jié)果進行修正。

3)每輪試驗開展之前，進行不低于50 km的暖機循環(huán)，確保試驗前車輛水溫不低于85 ℃，保證整車和轉(zhuǎn)鼓已充分熱機。

4)試驗期間，轉(zhuǎn)鼓試驗室環(huán)境溫度保持恒溫，溫度控制在(25±2)℃；

5)轉(zhuǎn)鼓試驗需要預(yù)先確定與速度無關(guān)的常數(shù)項阻力系數(shù)A、與速度一次項有關(guān)的阻力系數(shù)B、與速度二次項有關(guān)的阻力系數(shù)C。通過實車滑行試驗得到：A=713.600 N、B=14.681 N/(km·h-1)、C=0.054 N/(km·h-1)2。

3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)束后，計算綜合工況油耗。綜合工況油耗為城市、國道、高速3個工況油耗按照一定比例加權(quán)計算得到，加權(quán)系數(shù)參照文獻[12]中C-WTVC工況推薦的權(quán)重，市區(qū)工況、國道工況、高速工況的加權(quán)系數(shù)分別為0.1、0.2、0.7。以試驗1為基準計算試驗2、3的節(jié)油率，節(jié)油率分別為試驗1和試驗2、3的油耗差與試驗1油耗的比值。經(jīng)濟性試驗與節(jié)油率計算結(jié)果如表3所示。

表3 經(jīng)濟性試驗油耗與節(jié)油率計算結(jié)果

由表3可知：1)相對于試驗1，試驗2各工況節(jié)油率變化不大，說明電磁離合水泵全轉(zhuǎn)狀態(tài)下與普通水泵功耗基本一致，二者的功率基本一致，水泵本體狀態(tài)水平一致；2)相對試驗1，試驗3節(jié)油率變化比較明顯，其中國道工況節(jié)油率為1.98%，高速工況節(jié)油率為1.11%，綜合工況節(jié)油率為1.12%，市區(qū)工況無明顯節(jié)油效果，表明電磁離合水泵在電控狀態(tài)下可有效降低整車油耗水平。

4 結(jié)論

為提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，通過試驗研究發(fā)動機電磁離合水泵在城市工況、國道工況、高速工況下對整車油耗的影響。

1)電磁離合水泵全轉(zhuǎn)狀態(tài)下與普通水泵功耗基本一致，無節(jié)油效果；在電控狀態(tài)下可有效降低整車油耗水平，綜合節(jié)油率約為1.12%。

2)電磁離合水泵在國道工況(平均車速為50 km/h)節(jié)油效果最好，節(jié)油率為1.98%；在高速工況(平均車速為84 km/h左右)節(jié)油率約為1.11%；在市區(qū)(平均車速為26 km/h左右)沒有節(jié)油效果。