電磁離合器水泵對空調制熱性能的影響

葛如煒 鄭國勝 陳航

（泛亞汽車技術中心有限公司）

汽車工業的高速發展已對城市環境造成了嚴重污染，為此，對傳統車節能減排提出了更高的要求，隨之涌現出各種新技術。電磁離合器機械式發動機水泵由于受到發動機控制模塊的控制，使汽車在暖機和低負荷運行期間間歇性運行，因此可加速發動機的暖機過程，節省燃料，降低發動機的排放污染。但它的間歇性運行，使冷卻液循環量減少，給空調加熱帶來的負面影響也突現出來[1]。另外，小排量、高效率發動機的推廣運用，也給利用發動機冷卻余熱加熱的傳統空調帶來了新挑戰。文章以某轎車為例，運用一維分析軟件KULI，提出了改善乘員空調加熱性能和舒適性能的優化方法。

1 電磁離合器水泵工作原理及性能

電磁離合器機械式發動機水泵是在傳統水泵的基礎上集成了一個電磁離合器。當給電磁離合器通電時，電磁離合器使水泵帶輪與水泵斷開扭矩，水泵葉輪將停止轉動，冷卻液停止流動；當給電磁離合器斷電時，水泵帶輪帶動水泵葉輪轉動，冷卻液循環流動，這時與傳統水泵工作沒有區別。電磁離合器通斷電受發動機控制模塊控制，在暖機和低負荷運行期間，如果發動機內溫度沒有達到目標溫度設定值，電磁離合器處于通電狀態，電磁離合器使水泵帶輪與水泵斷開扭矩，水泵葉輪將停止轉動，冷卻液停止流動。這可使發動機內溫度快速升高，縮短暖機時間，從而達到減少燃油消耗和降低排放污染的目的。

圖1 示出在相同環境溫度（25 ℃）下，某發動機采用傳統水泵和電磁離合器水泵時冷卻液溫度變化曲線。從圖1 可以看出，采用傳統水泵，當發動機內冷卻液溫度達到90 ℃時，需要900 s；如采用電磁離合器水泵，由于受到發動機的控制，間歇性工作，當發動機內冷卻液溫度達到90 ℃時，僅需300 s。

通過綜合NEDC 全工況對比試驗，電磁離合器水泵比傳統水泵節油0.087 L/100 km，節油率為1.06%，排放效果也改善明顯，2 種水泵發動機排放指標，如表1所示。

表1 2 種水泵的發動機排放比較

2 空調加熱性能改進應對措施

在自動空調系統中，為了最大限度滿足電磁離合器機械式發動機水泵的間歇運行所帶來的燃油節省，加速發動機的暖機過程，降低發動機的排放污染，文章采用的系統裝置工作原理，如圖2 所示[2]。

冬季暖機時，通過水溫傳感器采集水溫信號進入加熱器芯體，輸入給空調控制模塊，空調控制模塊可使空調電加熱器工作，以達到快速制熱的目的。隨著暖機過程的延續，電磁離合器機械式發動機水泵因發動機內溫度趨于目標設定點，電磁離合器通斷使發動機水泵間歇工作而趨于頻繁，致使流經加熱器芯體的溫度產生波動，最終導致乘員感到空調出風溫度忽冷忽熱，不均勻，舒適性降低。

圖2 工況中，通過水溫傳感器采集水溫信號進入加熱器芯體，輸入給空調控制模塊，空調控制模塊進行邏輯判斷和計算后，控制空調電加熱器的輸出功率。補償因水溫波動而產生空調不均勻的出風溫度，以滿足乘員舒適性要求。

3 空調加熱性能改進措施模擬計算

運用一維分析軟件KULI，對圖2 結構方案進行模擬分析。比較相同試驗工況下，不同水泵吸合頻率與電加熱器功率需求之間的相互匹配關系，以利于優化發動機性能和空調加熱性能，使整車節能、減排性能最大化，同時滿足乘員對快速加熱和舒適性的需求。

以某轎車為例，按工況-20 ℃，40 km/h 運行20 min的加熱過程進行模擬分析，以2 組不同情況進行比較，電磁離合器水泵1，2 的吸合頻率不同；電加熱器1，2，3，4 的功率不同。圖3 示出第1 組不同電磁離合器水泵電加熱器組合對空調性能的影響。

圖3 中:

A 狀態為傳統車水泵在極端溫度（-20 ℃）運行時，腳部出風口溫度的走向趨勢。

B 狀態為電磁離合器水泵1，按上述工況運行，并以運行20 s，停止20 s 的頻率，周期運行600 s，此時發動機水溫達到90 ℃，此后水泵一直維持常運行，可以看出，前600 s 內電磁離合器水泵周期運行導致出風口溫度波動巨大，乘客將會感到空調腳部出風忽冷忽熱。

C 狀態為在B 狀態下，增設輔助電加熱器1（平均功率2.5 kW），前600 s 內當水泵停止工作時，電加熱器將開啟工作，以補償腳部出風口溫度波動。

D 狀態為在B 狀態下，增設輔助電加熱器2（平均功率4 kW），前600 s 內當水泵停止工作時，電加熱器將開啟工作，以補償腳部出風口溫度波動。由圖3 可以看出，此時D 狀態的腳部出風溫度遠高于A 狀態腳部出風溫度，即此時的輔助電加熱器平均功率補償是過盈的。

圖4 示出第2 組不同電磁離合器水泵電加熱器組合對空調性能的影響。

圖4 中:

E 狀態為電磁離合器水泵2，按上述工況運行，在第140 s 開始工作，并維持10 s，之后再關閉，直至第400 s 后水泵維持常運行，第400s 時發動機水溫已達到100 ℃，此后水泵維持常開。從圖4 可以看出，前400 s 內電磁離合器水泵周期運行導致腳部出風口溫度波動大，且腳部出風溫度遠低于虛線表示的傳統車腳部出風溫度，即空調加熱性能較差。

F 狀態為在E 狀態下，增設輔助電加熱器3（平均功率2 kW），前400 s 內當水泵停止工作時，電加熱器3將開啟，以補償腳部出風口溫度波動。

G 狀態為在E 狀態下，增設輔助電加熱器4（平均功率3.5 kW），前400 s 內當水泵停止工作時，電加熱器將開啟，以補償腳部出風口溫度波動。由圖4 可以看出，G 狀態腳部出風溫度遠高于A 狀態腳部出風口溫度，即此時的輔助電加熱器平均功率補償是過盈的。從圖3 和圖4 可以看出，在自動空調控制系統中，可通過優化調節鼓風機轉速、溫度風門和內外循環風門位置，有效降低輔助電加熱器功率補償需求。

綜上，在極端溫度（-20 ℃）下，隨著離合器水泵吸合頻率升高，達到發動機目標溫度所需的時間將增加，補償空調加熱所需輔助電加熱器的功率將下降。環境溫度、發動機目標水溫、離合器水泵吸合頻率、空調系統加熱模式時的風量和輔助電加熱器補償功率等之間關系密切又相互影響。通過系統優化匹配，整體上有助于發動機的節能減排，同時又可以減少輔助電加熱功率補償需求，滿足乘客快速加熱和舒適性要求。

4 結論

文章介紹了一種在使用電磁離合器機械式發動機水泵的條件下，實用可行的空調制熱系統解決方案:即采用輔助電加熱器芯體和空調控制模塊。

應用一維分析軟件KULI，對實車帶電磁離合器機械式發動機水泵的加熱性能進行了模擬，分析發現:帶電磁離合器機械式發動機水泵對整車空調加熱性能影響很大，需要輔助電加熱器加以補償，但極易造成輔助電加熱器功率補償需求過大，極端情況下可造成電加熱功率75%以上的浪費。由此可見，不同環境溫度、發動機目標水溫、離合器水泵吸合頻率、空調系統加熱模式時的風量和輔助電加熱器補償功率等因素需要總體匹配優化，才能整體上達到發動機節能減排，并滿足乘客快速加熱和舒適性的要求。文章為后續優化工作提供了一種研究方法和方向。