柴油機電磁水泵控制策略開發及標定驗證

黃永鵬

摘要：為了驗證電磁水泵在商用車柴油機減少排放和降低油耗方面的潛力，開發了由水泵需求流量計算、水泵設定轉速計算、水泵控制狀態計算等模塊組成的電磁水泵控制策略，并在一款達標國六排放的5升柴油機上進行了臺架標定驗證。驗證結果表明，開發的控制策略能根據柴油機不同的運行工況調節電磁水泵的運行狀態，實現快速暖機、合理控制水溫和降低附件功耗。

關鍵詞：電磁水泵;控制策略;臺架標定;水溫控制;附件功耗

0 ?引言

隨著國家對汽車行業節能減排的要求越來越嚴格，促使了發動機及其零部件向智能化、電動化發展。而對發動機熱量進行精確管理的熱管理技術是實現整車提高性能、節約燃油和降低排放的關鍵技術之一。作為商用車動力的大功率柴油機，為了讓其冷卻系統滿足精度高、響應快的技術要求，使其冷卻系統電控化成為了主要的解決途徑[1]。柴油機冷卻系統的關鍵零部件為水泵，雖然電控水泵有電子水泵、電控硅油水泵和電磁水泵等技術方案，但是電磁水泵擁有功率大、成本低、控制簡單等優點，從而使其成為了現階段大功率柴油機的首選[2-3]。

1 ?電磁水泵工作原理

電磁水泵在傳統機械式水泵基礎上增加了電磁離合器，通過對電磁離合器的通斷控制，使之實現電控化。根據線圈數量的多少，電磁水泵可以實現兩速或三速的檔位控制。由于三速電磁水泵能對需求流量進行更精確的控制，因此三速電磁水泵將作為實現柴油機冷卻系統熱管理技術的主要研究對象。當三速電磁水泵的兩個線圈都不通電時，水泵葉輪以怠速運行。當小線圈通電時，電磁水泵以低速運行。當大線圈通電時，電磁水泵以高速運行。當發動機在起動及運行初期，電磁水泵以怠速運行，發動機能快速暖機，并達到最佳的工作溫度。當發動機運行在標定點等高速大負荷工況時，電磁水泵葉輪將高速運轉，以滿足發動機冷卻系統的散熱需求。

2 ?控制策略開發

圖1是為商用車柴油機開發的電磁水泵控制策略，其由電磁水泵需求流量計算、電磁水泵設定轉速計算、電磁水泵控制狀態計算等模塊組成。電磁水泵控制策略根據當前的柴油機運行工況采集發動機轉速、發動機扭矩、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水泵需求流量計算模塊的輸入，經過計算獲得電磁水泵的需求流量，然后通過臺架標定，獲得電磁水泵需求流量與電磁水泵轉速之間的對應關系，從而得到當前電磁水泵需求流量下的電磁水泵設定轉速。電磁水泵控制狀態計算模塊根據電磁水泵當前的設定轉速判斷電磁離合器線圈的通斷狀態需求，然后輸出電磁水泵的檔位選擇和驅動控制信號。

在電磁水泵需求流量計算模塊中，首先需要采集柴油機在當前運行工況下的轉速、扭矩、噴油量、排氣流量等信號，然后通過計算獲得燃油燃燒釋放的總熱量、發動機的輸出功率、排氣熱量等數據，最后經過數學運算得到電磁水泵需求散熱量。當確定了柴油機的出水溫度、進水溫度和比熱容后，即可計算出電磁水泵的當前需求流量。如圖2為電磁水泵需求流量計算模塊的控制策略。

由于在商用車的應用場景下，柴油機運行的工況不固定，而且不同排量的柴油機需要匹配不同流量的水泵，因此需要通過臺架標定來確定電磁水泵需求流量與電磁水泵實際轉速之間的對應關系。當計算得到電磁水泵的設定轉速后，就可以根據發動機的運行狀態確定電磁水泵的檔位，從而輸出電磁水泵驅動控制狀態。

3 ?臺架標定驗證

3.1 試驗樣機及驗證方案

試驗柴油機使用博世高壓共軌燃油系統和電控系統，后處理系統為EGR+DOC+DPF+SCR，排放達到國六水平。該柴油機的基本技術參數見表1。

由于電磁水泵控制功能的實現與所匹配的柴油機的技術參數，以及與柴油機在不同運行工況下的各項性能特性有關，因此需要針對控制策略中的各個功能模塊進行匹配標定和功能驗證。

當發動機運行在標定點工況時，電磁水泵的散熱量應占燃燒總熱量的20%～30%，經過標定的電磁水泵設定轉速及檔位應能使發動機的出水溫度穩定在目標水溫附近。

當發動機運行在其它工況點時，控制策略應能根據當前的電磁水泵需求流量自動控制電磁水泵檔位的切換，克服機械式水泵不能根據柴油機冷卻系統當前的散熱需求改變水泵轉速的缺點，實現合理控制水溫和降低附件功耗的目的。

3.2 驗證結果及分析

當柴油機起動后，且運行時的水溫低于30℃，電磁水泵處于怠速狀態，這對柴油機的快速暖機起到了很好的作用。

經過匹配標定后，柴油機在標定點工況下的水泵散熱量占燃燒總熱量的27%，對應的電磁水泵需求流量為4.72L/s。驗證的結果符合預期，從而證明電磁水泵需求流量計算模塊的功能滿足設計要求。

當柴油機運行在扭矩為800N·m和轉速為1800r/min的工況點時，電磁水泵處于低速運行狀態，此時柴油機的出水溫度仍能維持在發動機最高許可水溫附近。當柴油機運行在扭矩為900N·m和轉速為1200r/min的低速扭矩點時，電磁水泵處于低速運行狀態，柴油機的出水溫度為91℃，低于發動機最高許可水溫。驗證的結果顯示電磁水泵控制策略能根據發動機當前的運行工況自動選擇合適的電磁水泵檔位，從而控制發動機水溫在一個合理的范圍。

4 ?結束語

①根據電磁水泵的特性，開發了由電磁水泵需求流量計算、電磁水泵設定轉速計算、電磁水泵控制狀態計算等模塊組成的控制策略。經過離線測試，各個功能模塊能正常工作。②在一款將機械式水泵改裝為電磁水泵的5升國六發動機上應用了開發的控制策略，并進行了臺架標定和試驗驗證，各項控制功能滿足開發需求。③臺架驗證結果表明：通過匹配標定的電磁水泵控制策略能使柴油機實現快速暖機、合理水溫控制和降低附件功耗，從而為商用車進一步的節能減排做出貢獻。

參考文獻：

[1]駱清國，冉光政，劉紅彬，等.柴油機智能化控制冷卻系統試驗研究[J].內燃機工程，2013，34（5）：76-80，86.

[2]曹占龍，蹇波，曾振宇，等.商用車可變轉速電磁離合器水泵研究[J].湖北汽車工業學院學報，2018，32（4）：41-43，48.

[3]常培松，李劍，薩如拉，等.基于控制策略的某柴油機電磁離合水泵的開發與驗證[J].小型內燃機與車輛技術，2015，44（6）：49-52.