電磁離合器水泵對空調(diào)制熱性能的影響

葛如煒 鄭國勝 陳航

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

汽車工業(yè)的高速發(fā)展已對城市環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，為此，對傳統(tǒng)車節(jié)能減排提出了更高的要求，隨之涌現(xiàn)出各種新技術(shù)。電磁離合器機(jī)械式發(fā)動機(jī)水泵由于受到發(fā)動機(jī)控制模塊的控制，使汽車在暖機(jī)和低負(fù)荷運(yùn)行期間間歇性運(yùn)行，因此可加速發(fā)動機(jī)的暖機(jī)過程，節(jié)省燃料，降低發(fā)動機(jī)的排放污染。但它的間歇性運(yùn)行，使冷卻液循環(huán)量減少，給空調(diào)加熱帶來的負(fù)面影響也突現(xiàn)出來[1]。另外，小排量、高效率發(fā)動機(jī)的推廣運(yùn)用，也給利用發(fā)動機(jī)冷卻余熱加熱的傳統(tǒng)空調(diào)帶來了新挑戰(zhàn)。文章以某轎車為例，運(yùn)用一維分析軟件KULI，提出了改善乘員空調(diào)加熱性能和舒適性能的優(yōu)化方法。

1 電磁離合器水泵工作原理及性能

電磁離合器機(jī)械式發(fā)動機(jī)水泵是在傳統(tǒng)水泵的基礎(chǔ)上集成了一個電磁離合器。當(dāng)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(zhuǎn)動，冷卻液停止流動；當(dāng)給電磁離合器斷電時，水泵帶輪帶動水泵葉輪轉(zhuǎn)動，冷卻液循環(huán)流動，這時與傳統(tǒng)水泵工作沒有區(qū)別。電磁離合器通斷電受發(fā)動機(jī)控制模塊控制，在暖機(jī)和低負(fù)荷運(yùn)行期間，如果發(fā)動機(jī)內(nèi)溫度沒有達(dá)到目標(biāo)溫度設(shè)定值，電磁離合器處于通電狀態(tài)，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(zhuǎn)動，冷卻液停止流動。這可使發(fā)動機(jī)內(nèi)溫度快速升高，縮短暖機(jī)時間，從而達(dá)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(huán)境溫度（25 ℃）下，某發(fā)動機(jī)采用傳統(tǒng)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(tǒng)水泵，當(dāng)發(fā)動機(jī)內(nèi)冷卻液溫度達(dá)到90 ℃時，需要900 s；如采用電磁離合器水泵，由于受到發(fā)動機(jī)的控制，間歇性工作，當(dāng)發(fā)動機(jī)內(nèi)冷卻液溫度達(dá)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(tǒng)水泵節(jié)油0.087 L/100 km，節(jié)油率為1.06%，排放效果也改善明顯，2 種水泵發(fā)動機(jī)排放指標(biāo)，如表1所示。

表1 2 種水泵的發(fā)動機(jī)排放比較

2 空調(diào)加熱性能改進(jìn)應(yīng)對措施

在自動空調(diào)系統(tǒng)中，為了最大限度滿足電磁離合器機(jī)械式發(fā)動機(jī)水泵的間歇運(yùn)行所帶來的燃油節(jié)省，加速發(fā)動機(jī)的暖機(jī)過程，降低發(fā)動機(jī)的排放污染，文章采用的系統(tǒng)裝置工作原理，如圖2 所示[2]。

冬季暖機(jī)時，通過水溫傳感器采集水溫信號進(jìn)入加熱器芯體，輸入給空調(diào)控制模塊，空調(diào)控制模塊可使空調(diào)電加熱器工作，以達(dá)到快速制熱的目的。隨著暖機(jī)過程的延續(xù)，電磁離合器機(jī)械式發(fā)動機(jī)水泵因發(fā)動機(jī)內(nèi)溫度趨于目標(biāo)設(shè)定點，電磁離合器通斷使發(fā)動機(jī)水泵間歇工作而趨于頻繁，致使流經(jīng)加熱器芯體的溫度產(chǎn)生波動，最終導(dǎo)致乘員感到空調(diào)出風(fēng)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(jìn)入加熱器芯體，輸入給空調(diào)控制模塊，空調(diào)控制模塊進(jìn)行邏輯判斷和計算后，控制空調(diào)電加熱器的輸出功率。補(bǔ)償因水溫波動而產(chǎn)生空調(diào)不均勻的出風(fēng)溫度，以滿足乘員舒適性要求。

3 空調(diào)加熱性能改進(jìn)措施模擬計算

運(yùn)用一維分析軟件KULI，對圖2 結(jié)構(gòu)方案進(jìn)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(guān)系，以利于優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能和空調(diào)加熱性能，使整車節(jié)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(yùn)行20 min的加熱過程進(jìn)行模擬分析，以2 組不同情況進(jìn)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(diào)性能的影響。

圖3 中:

A 狀態(tài)為傳統(tǒng)車水泵在極端溫度（-20 ℃）運(yùn)行時，腳部出風(fēng)口溫度的走向趨勢。

B 狀態(tài)為電磁離合器水泵1，按上述工況運(yùn)行，并以運(yùn)行20 s，停止20 s 的頻率，周期運(yùn)行600 s，此時發(fā)動機(jī)水溫達(dá)到90 ℃，此后水泵一直維持常運(yùn)行，可以看出，前600 s 內(nèi)電磁離合器水泵周期運(yùn)行導(dǎo)致出風(fēng)口溫度波動巨大，乘客將會感到空調(diào)腳部出風(fēng)忽冷忽熱。

C 狀態(tài)為在B 狀態(tài)下，增設(shè)輔助電加熱器1（平均功率2.5 kW），前600 s 內(nèi)當(dāng)水泵停止工作時，電加熱器將開啟工作，以補(bǔ)償腳部出風(fēng)口溫度波動。

D 狀態(tài)為在B 狀態(tài)下，增設(shè)輔助電加熱器2（平均功率4 kW），前600 s 內(nèi)當(dāng)水泵停止工作時，電加熱器將開啟工作，以補(bǔ)償腳部出風(fēng)口溫度波動。由圖3 可以看出，此時D 狀態(tài)的腳部出風(fēng)溫度遠(yuǎn)高于A 狀態(tài)腳部出風(fēng)溫度，即此時的輔助電加熱器平均功率補(bǔ)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(diào)性能的影響。

圖4 中:

E 狀態(tài)為電磁離合器水泵2，按上述工況運(yùn)行，在第140 s 開始工作，并維持10 s，之后再關(guān)閉，直至第400 s 后水泵維持常運(yùn)行，第400s 時發(fā)動機(jī)水溫已達(dá)到100 ℃，此后水泵維持常開。從圖4 可以看出，前400 s 內(nèi)電磁離合器水泵周期運(yùn)行導(dǎo)致腳部出風(fēng)口溫度波動大，且腳部出風(fēng)溫度遠(yuǎn)低于虛線表示的傳統(tǒng)車腳部出風(fēng)溫度，即空調(diào)加熱性能較差。

F 狀態(tài)為在E 狀態(tài)下，增設(shè)輔助電加熱器3（平均功率2 kW），前400 s 內(nèi)當(dāng)水泵停止工作時，電加熱器3將開啟，以補(bǔ)償腳部出風(fēng)口溫度波動。

G 狀態(tài)為在E 狀態(tài)下，增設(shè)輔助電加熱器4（平均功率3.5 kW），前400 s 內(nèi)當(dāng)水泵停止工作時，電加熱器將開啟，以補(bǔ)償腳部出風(fēng)口溫度波動。由圖4 可以看出，G 狀態(tài)腳部出風(fēng)溫度遠(yuǎn)高于A 狀態(tài)腳部出風(fēng)口溫度，即此時的輔助電加熱器平均功率補(bǔ)償是過盈的。從圖3 和圖4 可以看出，在自動空調(diào)控制系統(tǒng)中，可通過優(yōu)化調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度風(fēng)門和內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門位置，有效降低輔助電加熱器功率補(bǔ)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(dá)到發(fā)動機(jī)目標(biāo)溫度所需的時間將增加，補(bǔ)償空調(diào)加熱所需輔助電加熱器的功率將下降。環(huán)境溫度、發(fā)動機(jī)目標(biāo)水溫、離合器水泵吸合頻率、空調(diào)系統(tǒng)加熱模式時的風(fēng)量和輔助電加熱器補(bǔ)償功率等之間關(guān)系密切又相互影響。通過系統(tǒng)優(yōu)化匹配，整體上有助于發(fā)動機(jī)的節(jié)能減排，同時又可以減少輔助電加熱功率補(bǔ)償需求，滿足乘客快速加熱和舒適性要求。

4 結(jié)論

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

應(yīng)用一維分析軟件KULI，對實車帶電磁離合器機(jī)械式發(fā)動機(jī)水泵的加熱性能進(jìn)行了模擬，分析發(fā)現(xiàn):帶電磁離合器機(jī)械式發(fā)動機(jī)水泵對整車空調(diào)加熱性能影響很大，需要輔助電加熱器加以補(bǔ)償，但極易造成輔助電加熱器功率補(bǔ)償需求過大，極端情況下可造成電加熱功率75%以上的浪費(fèi)。由此可見，不同環(huán)境溫度、發(fā)動機(jī)目標(biāo)水溫、離合器水泵吸合頻率、空調(diào)系統(tǒng)加熱模式時的風(fēng)量和輔助電加熱器補(bǔ)償功率等因素需要總體匹配優(yōu)化，才能整體上達(dá)到發(fā)動機(jī)節(jié)能減排，并滿足乘客快速加熱和舒適性的要求。文章為后續(xù)優(yōu)化工作提供了一種研究方法和方向。