柴油機(jī)電磁水泵控制策略開發(fā)及標(biāo)定驗證

黃永鵬

摘要：為了驗證電磁水泵在商用車柴油機(jī)減少排放和降低油耗方面的潛力，開發(fā)了由水泵需求流量計算、水泵設(shè)定轉(zhuǎn)速計算、水泵控制狀態(tài)計算等模塊組成的電磁水泵控制策略，并在一款達(dá)標(biāo)國六排放的5升柴油機(jī)上進(jìn)行了臺架標(biāo)定驗證。驗證結(jié)果表明，開發(fā)的控制策略能根據(jù)柴油機(jī)不同的運(yùn)行工況調(diào)節(jié)電磁水泵的運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)快速暖機(jī)、合理控制水溫和降低附件功耗。

關(guān)鍵詞：電磁水泵;控制策略;臺架標(biāo)定;水溫控制;附件功耗

0 ?引言

隨著國家對汽車行業(yè)節(jié)能減排的要求越來越嚴(yán)格，促使了發(fā)動機(jī)及其零部件向智能化、電動化發(fā)展。而對發(fā)動機(jī)熱量進(jìn)行精確管理的熱管理技術(shù)是實現(xiàn)整車提高性能、節(jié)約燃油和降低排放的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為商用車動力的大功率柴油機(jī)，為了讓其冷卻系統(tǒng)滿足精度高、響應(yīng)快的技術(shù)要求，使其冷卻系統(tǒng)電控化成為了主要的解決途徑[1]。柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的關(guān)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(shù)方案，但是電磁水泵擁有功率大、成本低、控制簡單等優(yōu)點，從而使其成為了現(xiàn)階段大功率柴油機(jī)的首選[2-3]。

1 ?電磁水泵工作原理

電磁水泵在傳統(tǒng)機(jī)械式水泵基礎(chǔ)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(xiàn)電控化。根據(jù)線圈數(shù)量的多少，電磁水泵可以實現(xiàn)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(jìn)行更精確的控制，因此三速電磁水泵將作為實現(xiàn)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱管理技術(shù)的主要研究對象。當(dāng)三速電磁水泵的兩個線圈都不通電時，水泵葉輪以怠速運(yùn)行。當(dāng)小線圈通電時，電磁水泵以低速運(yùn)行。當(dāng)大線圈通電時，電磁水泵以高速運(yùn)行。當(dāng)發(fā)動機(jī)在起動及運(yùn)行初期，電磁水泵以怠速運(yùn)行，發(fā)動機(jī)能快速暖機(jī)，并達(dá)到最佳的工作溫度。當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在標(biāo)定點等高速大負(fù)荷工況時，電磁水泵葉輪將高速運(yùn)轉(zhuǎn)，以滿足發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱需求。

2 ?控制策略開發(fā)

圖1是為商用車柴油機(jī)開發(fā)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(shè)定轉(zhuǎn)速計算、電磁水泵控制狀態(tài)計算等模塊組成。電磁水泵控制策略根據(jù)當(dāng)前的柴油機(jī)運(yùn)行工況采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)扭矩、噴油量、排氣流量、排氣溫度、進(jìn)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(jīng)過計算獲得電磁水泵的需求流量，然后通過臺架標(biāo)定，獲得電磁水泵需求流量與電磁水泵轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系，從而得到當(dāng)前電磁水泵需求流量下的電磁水泵設(shè)定轉(zhuǎn)速。電磁水泵控制狀態(tài)計算模塊根據(jù)電磁水泵當(dāng)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檔位選擇和驅(qū)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(jī)在當(dāng)前運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)的輸出功率、排氣熱量等數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算得到電磁水泵需求散熱量。當(dāng)確定了柴油機(jī)的出水溫度、進(jìn)水溫度和比熱容后，即可計算出電磁水泵的當(dāng)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(yīng)用場景下，柴油機(jī)運(yùn)行的工況不固定，而且不同排量的柴油機(jī)需要匹配不同流量的水泵，因此需要通過臺架標(biāo)定來確定電磁水泵需求流量與電磁水泵實際轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)計算得到電磁水泵的設(shè)定轉(zhuǎn)速后，就可以根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)確定電磁水泵的檔位，從而輸出電磁水泵驅(qū)動控制狀態(tài)。

3 ?臺架標(biāo)定驗證

3.1 試驗樣機(jī)及驗證方案

試驗柴油機(jī)使用博世高壓共軌燃油系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，后處理系統(tǒng)為EGR+DOC+DPF+SCR，排放達(dá)到國六水平。該柴油機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)見表1。

由于電磁水泵控制功能的實現(xiàn)與所匹配的柴油機(jī)的技術(shù)參數(shù)，以及與柴油機(jī)在不同運(yùn)行工況下的各項性能特性有關(guān)，因此需要針對控制策略中的各個功能模塊進(jìn)行匹配標(biāo)定和功能驗證。

當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在標(biāo)定點工況時，電磁水泵的散熱量應(yīng)占燃燒總熱量的20%～30%，經(jīng)過標(biāo)定的電磁水泵設(shè)定轉(zhuǎn)速及檔位應(yīng)能使發(fā)動機(jī)的出水溫度穩(wěn)定在目標(biāo)水溫附近。

當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在其它工況點時，控制策略應(yīng)能根據(jù)當(dāng)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(jī)械式水泵不能根據(jù)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)當(dāng)前的散熱需求改變水泵轉(zhuǎn)速的缺點，實現(xiàn)合理控制水溫和降低附件功耗的目的。

3.2 驗證結(jié)果及分析

當(dāng)柴油機(jī)起動后，且運(yùn)行時的水溫低于30℃，電磁水泵處于怠速狀態(tài)，這對柴油機(jī)的快速暖機(jī)起到了很好的作用。

經(jīng)過匹配標(biāo)定后，柴油機(jī)在標(biāo)定點工況下的水泵散熱量占燃燒總熱量的27%，對應(yīng)的電磁水泵需求流量為4.72L/s。驗證的結(jié)果符合預(yù)期，從而證明電磁水泵需求流量計算模塊的功能滿足設(shè)計要求。

當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在扭矩為800N·m和轉(zhuǎn)速為1800r/min的工況點時，電磁水泵處于低速運(yùn)行狀態(tài)，此時柴油機(jī)的出水溫度仍能維持在發(fā)動機(jī)最高許可水溫附近。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在扭矩為900N·m和轉(zhuǎn)速為1200r/min的低速扭矩點時，電磁水泵處于低速運(yùn)行狀態(tài)，柴油機(jī)的出水溫度為91℃，低于發(fā)動機(jī)最高許可水溫。驗證的結(jié)果顯示電磁水泵控制策略能根據(jù)發(fā)動機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行工況自動選擇合適的電磁水泵檔位，從而控制發(fā)動機(jī)水溫在一個合理的范圍。

4 ?結(jié)束語

①根據(jù)電磁水泵的特性，開發(fā)了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)計算等模塊組成的控制策略。經(jīng)過離線測試，各個功能模塊能正常工作。②在一款將機(jī)械式水泵改裝為電磁水泵的5升國六發(fā)動機(jī)上應(yīng)用了開發(fā)的控制策略，并進(jìn)行了臺架標(biāo)定和試驗驗證，各項控制功能滿足開發(fā)需求。③臺架驗證結(jié)果表明：通過匹配標(biāo)定的電磁水泵控制策略能使柴油機(jī)實現(xiàn)快速暖機(jī)、合理水溫控制和降低附件功耗，從而為商用車進(jìn)一步的節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]曹占龍，蹇波，曾振宇，等.商用車可變轉(zhuǎn)速電磁離合器水泵研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)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(jī)電磁離合水泵的開發(fā)與驗證[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2015，44（6）：49-52.