車用發動機開關水泵在NEDC試驗中的應用研究

彭世義，黃潛

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

0 引言

汽車發動機冷卻系統對發動機正常運轉、安全行駛及降低油耗與排放有著重要的作用。隨著發動機采用更加緊湊的設計和具有更大的升功率，發動機產生的廢熱密度也隨之明顯增大。一些關鍵區域，如排氣門周圍的散熱問題需優先保證，發動機冷卻系統的散熱能力首先考慮滿足發動機高負荷時的散熱需求。

但是發動機并不是在任何時候都需要冷卻，且不同工況下所需冷卻程度也不同。如：

(1)發動機冷起動時，提高冷卻液溫度可以縮短暖機時間從而降低油耗排放。

(2)部分負荷時，提高冷卻液溫度帶來機油溫度提高，降低摩擦損失；提高冷卻液溫度還有助于改善缸內燃燒，同時降低散熱損失，也達到增強動力性、降低油耗的作用。

(3)大負荷與極限工況時，降低冷卻液溫度，保證發動機安全可靠地運行[1]。

當前大部分發動機冷卻系統設計標準是解決大負荷的散熱問題，忽略冷起動與部分負荷燃油經濟性及排放問題。發動機冷卻系統的核心零件是水泵，傳統發動機水泵工作過程：通過皮帶或鏈條將曲軸動力傳輸給水泵帶輪，水泵帶輪通過軸承傳輸扭矩使葉輪旋轉，冷卻液被葉輪帶動旋轉獲取能量，在冷卻系統水道中形成連續流動循環過程。由于水泵轉速正比于發動機轉速，導致系統內冷卻液流量取決于發動機轉速，而非發動機實際冷卻散熱需求，無法實現對發動機全運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，實現帶輪與水泵(葉輪)扭矩傳輸的連接與切斷。當發動機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，快速達到目標水溫后，開關水泵將保持帶輪與水泵(葉輪)扭矩傳輸，切換為傳統水泵(Conventional Water Pump，CWP)模式。本文作者將介紹開關水泵在整車NEDC(New European Driving Cycle，新歐洲標準測試循環)工況中降低油耗與排放的開發驗證過程，討論開關水泵技術應用的可行性。

1 開關水泵構造原理

開關水泵在帶輪與水泵主軸承之間加裝電磁離合裝置，該裝置由供應商設計。開關水泵的主要結構除包含傳統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。當冷卻液低于工作溫度時，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。當需要轉動水泵時，ECU控制給電磁線圈斷電，則離合裝置與帶輪結合，連通帶輪與水泵(葉輪)之間的扭矩傳輸。即開關水泵加電時，水泵葉輪不轉；斷電時，水泵葉輪轉動。通過加電與斷電之間的切換，則可實現對水泵轉動的控制，進而對冷卻液流量按需調節。

圖1 開關水泵構造

開關水泵可以用PWM信號控制或ON/OFF信號控制，工作電壓7.5～18 V，工作電流0.7～1 A，能在所有發動機轉速范圍(750～6 500 r/min)下工作。開關水泵往往在傳統水泵基礎上改型升級而來，需重新校核殼體強度、軸承壽命，離合器供應商要為開關水泵總成設計耐久驗證試驗，考核開關水泵在不同轉速循環工況下通斷電耐久性能，確保開關水泵達到整車使用的壽命要求。

2 開關水泵NEDC循環工況試驗

2.1 發動機準備工作

為驗證開關水泵對油耗降低影響，在某車型發動機傳統水泵基礎上加裝電磁離合裝置升級為開關水泵，外接ECU對水泵控制。當斷開ECU與開關水泵連接時，水泵完全作為傳統水泵使用。這樣就可以在同一輛車上，對比開關水泵與傳統水泵對發動機暖機、油耗和排放的影響。

開關水泵開發控制系統見圖2。

圖2 開關水泵開發控制系統

在初次開發時，需要在缸蓋金屬內部和冷卻水套內預先布置溫度傳感器，用于監控缸蓋內溫度是否在安全范圍內。開關水泵的控制還需要從CAN總線上讀取發動機轉速、發動機出水口冷卻液溫度、環境溫度、瞬時油耗與車速，綜合各項輸入，以最優的頻率對開關水泵進行通斷控制，控制冷卻液流量；同時，也需要通過車速、轉速、油耗和水溫情況，判斷開關水泵是否需完全切換為傳統水泵模式，保證安全性。

2.2 NEDC循環工況

對比驗證試驗采用NEDC測試循環進行評價，該測試循環為評價燃油經濟性和排放性能的常用測試循環。NEDC測試循環由兩部分組成：第1部分為4個串接起來的市區循環，每個市區循環包含15個工況(怠速、加速、勻速、減速等)，平均車速19 km/h，市區循環試驗的當量距離為4.052 km；第2部分為1個市郊循環，包含13個工況(怠速、加速、勻速、減速等)，平均車速為62.6 km/h，市郊循環試驗的當量距離為6.955 km[2-3]。NEDC測試循環工況見圖3。

圖3 NEDC循環試驗冷卻液溫度對比

試驗前需確保車況良好，至少磨合行駛3 000 km，每次試驗需冷車起動，多次測試取平均值。試驗中確保轉轂臺架試驗室溫度、發動機冷卻液起始溫度以及駕駛員操作的一致性。

3 開關水泵NEDC試驗結果

3.1 暖機速度對比

在同一輛車上分別使用傳統水泵與開關水泵各進行3次NEDC試驗，試驗中實時記錄發動機冷卻液溫度、缸蓋金屬和水套溫度、瞬時油耗等數據，并最終統計整個試驗的油耗與排放情況。

使用開關水泵與傳統水泵，發動機出口冷卻液溫度傳感器位置測得溫度對比結果如圖3所示。

使用開關水泵后，暖機階段冷卻液溫度上升速度加快。在t=200 s時，傳統水泵冷卻液溫度為63 ℃，而開關水泵控制冷卻液溫度可以達到72 ℃。t=360 s時，傳統水泵冷卻液溫度在80 ℃，開關水泵的發動機冷卻液溫度達到90 ℃。但此后開關水泵完全接合運行，不再進行斷開控制，所以冷卻液溫度逐漸與傳統水泵趨于一致。

比較缸蓋金屬溫度傳感器溫度，如圖4所示。

圖4 NEDC循環試驗缸蓋金屬溫度對比

缸蓋金屬溫度相比發動機冷卻液溫度波動更大，同樣暖機階段使用開關水泵，缸蓋金屬溫度上升速度快于傳統水泵，但在暖機完成后，因開關水泵完全結合切換為傳統水泵，開關水泵缸蓋金屬溫度與傳統水泵缸蓋金屬溫度趨于一致。

可以看出使用開關水泵可以有效提升發動機暖機速度。而提升暖機速度的意義在于：

(1)降低摩擦。提升冷起動過程中發動機的本體溫度，包括金屬溫度和潤滑油溫度，減少運動件的摩擦，對冷起動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。

所以提升暖機速度最終獲得的收益是降低油耗與排放。

3.2 開關水泵NEDC循環試驗油耗與排放結果

傳統水泵與開關水泵各進行3次NEDC循環試驗，油耗統計結果如表1所示。

表1 NEDC循環試驗油耗對比

綜合NEDC全工況，使用開關水泵比傳統水泵節油 0.087 L/100 km，節油率1.06%。在開關水泵控制通斷的NEDC第一段工況(4個市區循環)，開關水泵比傳統水泵節油0.202 L/100 km，節油率1.75%。所以使用開關水泵，提高暖機速度可以在NEDC試驗中有效降低油耗，NEDC循環中的市區循環效果尤為明顯。

傳統水泵與開關水泵各進行3次NEDC循環試驗，排放統計結果如表2所示。

表2 NEDC循環試驗排放對比

使用開關水泵提升暖機速度，HC、NMHC(非甲烷碳氫化合物)及CO排放均有15%以上的降低。提升暖機速度改善排放原因如下：

一方面提升暖機速度可以提高燃燒室壁面溫度，改善燃燒。通常發動機燃燒室壁面溫度遠比燃燒火焰溫度低，壁面對火焰的迅速冷卻(稱為冷激反應)使火焰燃燒反應變緩或停止，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，提升暖機速度意味著縮短冷起動時間。由于冷起動過程中噴油的加濃控制，空燃比偏離理論空燃比，發動機排放未能進入閉環控制狀態，所以排放水平很差。有文獻研究表明，發動機起動初始階段的CO和HC的排放占整個測試過程的60%～80%[5]。

因此，通過使發動機快速暖機，縮短冷起動時間，可以有效降低有害成分的排放。

總結試驗結果，在NEDC循環試驗中，外接ECU控制開關水泵，控制冷卻液流量，提升暖機速度，得到油耗降低1%與各排放物均下降的理想效果。

4 開關水泵技術應用分析

開關水泵技術應用在國內各整車廠處于起步階段，分析其技術特點，具有以下優勢：

(1)提升暖機速度，節能減排。控制開關水泵的運轉與停止，即可實現對冷卻液流量的按需調節，尤其在暖機階段可以通過降低冷卻液流量提升暖機速度，所帶來的油耗與排放收益可通過上面的NEDC循環驗證試驗得到直觀認識。對降低油耗和排放的效果是推動開關水泵應用的最大動力。

(2)對水泵自身及周邊零件影響小。開關水泵可在全新開發項目中使用，但其更大的應用優勢在于可將成熟發動機上傳統水泵直接升級為開關水泵。使用開關水泵，對原發動機冷卻系統內部流道無任何影響，無需重新驗證發動機冷卻子系統流量和流阻，開發過程相對簡單。

(3)失效保護是作為傳統水泵使用。開關水泵本質仍為皮帶驅動的機械傳統水泵，加裝離合裝置后實現通電斷開帶輪與水泵連接、斷電帶輪與水泵保持連接。如開關水泵自身發生失效如插頭線束或ECU故障，離合裝置都會在不加電的情況下保持帶輪與水泵連接；如開關水泵之外的水溫傳感器故障或發生局部過熱，開關水泵同樣會保持帶輪與水泵連接，提供最大流量。而當前發動機水泵的另一個發展方向——電子水泵，因其直接依靠電機驅動，失效的后果明顯嚴重于開關水泵。

5 結論

通過對開關水泵NEDC試驗的應用研究可以得出：開關水泵對快速暖機、降低油耗和排放有很好的效果；同時對發動機結構影響較小，升級改造簡單，可以有效推廣應用。