基于發(fā)動機(jī)冷卻需求的電子水泵應(yīng)用與研究

林承伯，吳廣權(quán)，喬艷菊，張旭，董春艷

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著能源轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排的需求日益高漲，全球?qū)ζ囉秃?、廢氣排放的要求越來越高，相關(guān)法規(guī)的實(shí)施對下一代發(fā)動機(jī)是嚴(yán)峻的考驗(yàn)，傳統(tǒng)車型向混動車型的轉(zhuǎn)變趨勢已經(jīng)開始明朗，如何開發(fā)兼顧高效率和高性能的混動汽車發(fā)動機(jī)是一個重要課題[1-3]。

冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的重要組成之一，對發(fā)動機(jī)熱平衡起調(diào)節(jié)作用，其中水泵是冷卻系統(tǒng)的動力來源，以往的機(jī)械水泵(Mechanical Water Pump，MWP)流量無法主動調(diào)節(jié)，發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷工況下受到較大的限制[4-7]，故過往冷卻系統(tǒng)的主要功能是保障發(fā)動機(jī)的可靠性，避免發(fā)動機(jī)溫度過高而損壞。隨著零部件的電氣化發(fā)展，發(fā)動機(jī)上越來越多的工作參數(shù)變成可調(diào)參數(shù)，電控單元(Electronic Centrol Unit,ECU)通過對工況的甄別，能夠使多個參數(shù)之間的配合達(dá)到最優(yōu)，冷卻系統(tǒng)也因此能夠?qū)崿F(xiàn)主動熱管理，盡可能讓發(fā)動機(jī)運(yùn)行在最合適的溫度下，以期優(yōu)化爆震、摩擦等性能參數(shù)?；诖?，文中提出了電子水泵(Electric Water Pump，EWP)結(jié)構(gòu)，成為冷卻系統(tǒng)電氣化的主要途徑之一[7]。

1 電子水泵簡介

傳統(tǒng)的MWP由曲軸通過附件驅(qū)動，由于整車低速爬坡通常是熱害風(fēng)險最大的工況，發(fā)動機(jī)對應(yīng)在中轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷點(diǎn)，如保證該點(diǎn)的冷卻需求，則因流量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系，MWP在高轉(zhuǎn)速區(qū)間將出現(xiàn)盈余。此外MWP的流量與發(fā)動機(jī)負(fù)荷無關(guān)，轉(zhuǎn)速確定時，冷卻需求隨負(fù)荷升高而升高，這也將導(dǎo)致中低負(fù)荷時，流量存在較大的盈余。流量的過剩意味著機(jī)械功、熱量的額外消耗，最終會對油耗、排放造成負(fù)面影響。

EWP使用電機(jī)驅(qū)動，通過ECU控制，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)工況解耦。在設(shè)計(jì)功率時，只需確保最高流量滿足發(fā)動機(jī)的最大散熱需求即可，EWP通過標(biāo)定能夠依據(jù)實(shí)際需求調(diào)整流量，在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷工況時提供較小的流量避免多余的消耗，在高負(fù)荷工況時提供較高的流量以避免發(fā)動機(jī)過熱[8-10]。

EWP的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含4個部分：驅(qū)動電機(jī)、葉輪、控制板以及水泵殼體。

圖1 EWP 構(gòu)型

基于不同的設(shè)計(jì)理念，目前市面上的EWP有多種形態(tài)，主要區(qū)別在于電機(jī)形式、控制板的散熱形式，以及裝配方式[11-15]。

電機(jī)是EWP的核心。市面EWP使用的均為無刷直流電機(jī)，一般分為定子、轉(zhuǎn)子兩部分。圖2所示為濕式電機(jī)，通常使用罩殼分離定子、轉(zhuǎn)子。

圖2 濕式電機(jī)

定子長期保持干燥，而由于罩殼前端即為葉輪，轉(zhuǎn)子會長期浸泡在水中。溫式電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，無須軸承、水封，但由于轉(zhuǎn)子與定子之間被罩殼隔開，電機(jī)氣隙較大，功率密度以及效率都會受到影響。

圖3所示為干式電機(jī)。其結(jié)構(gòu)與MWP類似，電機(jī)通過軸聯(lián)軸承驅(qū)動葉輪，由水封阻擋冷卻液進(jìn)入電機(jī)室。該電機(jī)中定子、轉(zhuǎn)子均能保持干燥，且由于沒有罩殼，氣隙更小，電機(jī)可以達(dá)到更高的性能。

圖3 干式電機(jī)

控制板的散熱也是影響EWP設(shè)計(jì)的主要因素之一。整車機(jī)艙環(huán)境溫度較高，當(dāng)發(fā)動機(jī)工況惡劣時，需要EWP全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)也將持續(xù)發(fā)熱，如無法及時對驅(qū)動電路、控制芯片進(jìn)行散熱，將導(dǎo)致EWP出現(xiàn)故障。通常來說散熱途徑主要有兩種:

(1)風(fēng)冷方案(圖4)。功率較小的發(fā)動機(jī)發(fā)熱量小，對EWP需求較小，此種EWP本身發(fā)熱量不高，可使用風(fēng)冷方案，通過散熱硅膠，將控制板上的熱量傳遞給鋁制外殼，最后通過熱交換由外部空氣帶走。風(fēng)冷方案的內(nèi)部設(shè)計(jì)較為簡單，布置朝向沒有限制，主要受限于外部環(huán)境溫度，如外部環(huán)境溫度較高，與內(nèi)部環(huán)境無明顯溫差時，散熱效果將受到影響，故該方案對EWP的安裝位置有較高要求。

圖4 風(fēng)冷方案

(2)水冷方案(圖5)。一般超過400 W的EWP需要使用水冷方案，其通過冷卻液直接散熱，水冷方案在EWP上設(shè)計(jì)若干個通孔形成水路，引導(dǎo)外部高壓區(qū)的冷卻液流入腔室內(nèi)的低壓區(qū)，直接冷卻控制板，最后流入冷卻循環(huán)。

圖5 水冷方案

這種散熱方式要求EWP有合適的朝向，冷卻液在重力的作用下能夠流往內(nèi)部腔室冷卻控制板，由于內(nèi)部水溫一般不會超過120 ℃，遠(yuǎn)低于芯片耐溫上限，受限較小。

EWP視裝配形式不同，還可分為罐式和開式水泵兩種。如圖1和圖2所示為開式水泵，水泵側(cè)僅有蝸殼的1/2，另外1/2則設(shè)計(jì)在水泵支架或缸體上；而如圖3—5所示均為罐式水泵，其蝸殼設(shè)計(jì)在水泵內(nèi)部，對外僅保留進(jìn)出水口。通常舊機(jī)型升級時，如蝸殼集成在缸體上不便更改，可使用開式水泵與之匹配，冷卻液可直接流入發(fā)動機(jī)內(nèi)，亦可節(jié)約水管，減少冷卻液容積，但罐式水泵通常在布置上有更多的自由度。

2 EWP的試驗(yàn)研究

EWP的控制，視應(yīng)用可以分為快速暖機(jī)、發(fā)動機(jī)以及整車三部分內(nèi)容。文中在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時，也主要從這三個方向入手。

2.1 快速暖機(jī)

發(fā)動機(jī)冷啟后，壁溫較低影響燃燒，機(jī)油溫度較低影響摩擦，催化器也未能起燃，因而讓發(fā)動機(jī)迅速達(dá)到正常工作的溫度，不僅能夠有效節(jié)能減排，還能夠避免低溫時的機(jī)油劣化，冷卻系統(tǒng)電氣化以后快速暖機(jī)也就成了主要目標(biāo)之一。

快速暖機(jī)的策略通常有兩種形式：(1)滿足限定條件。比如，水溫低于某個值時斷開冷卻循環(huán)，在系統(tǒng)零流量或接近零流量的狀態(tài)下讓缸體迅速升溫，此種策略通常通過熱管理模塊等閥類技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但由于零流量時，外部的水溫傳感器只能讀到當(dāng)?shù)厮疁?，無法體現(xiàn)缸內(nèi)的實(shí)際情況，需要新增內(nèi)部的水溫傳感器，又或控制方案上較為復(fù)雜。(2)以EWP為主體的策略。由于EWP的電機(jī)實(shí)際上存在最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速，故其最低流量是確定的，且通常很難達(dá)到“零流量”的水平，為了切實(shí)實(shí)現(xiàn)“快速暖機(jī)”的效果，且避免在缸內(nèi)新增水溫傳感器，則要求EWP進(jìn)行間歇工作，盡可能低頻地為冷卻提供循環(huán)，以避免局部沸騰。

設(shè)計(jì)策略時，間歇工作的開啟、時間分配，以及相關(guān)的閾值是比較重要的參數(shù)，合理地開啟、關(guān)閉時間比例應(yīng)當(dāng)在1∶5～1∶3。

如圖6所示，暖機(jī)階段通?？梢苑譃?個階段。

圖6 快速暖機(jī)策略

狹義上的快速暖機(jī)是在第一階段實(shí)現(xiàn)的，節(jié)溫器初開后進(jìn)入階段二，此時大循環(huán)的冷水和小循環(huán)的熱水開始混合，適當(dāng)加速循環(huán)可以縮短這個過程，混合均勻后進(jìn)入階段三，流量越小則水溫越高。對應(yīng)不同的水溫區(qū)間，可以適配不同的時間比例和水泵轉(zhuǎn)速。文中以上述策略為基礎(chǔ)對暖機(jī)效果進(jìn)行了測試，試驗(yàn)環(huán)境溫度為28 ℃，整車怠速，如圖7所示，水溫由30 ℃持續(xù)上升至92 ℃為止，EWP相比MWP在暖機(jī)時間上節(jié)省了約20%。

圖7 快速暖機(jī)測試結(jié)果

快速暖機(jī)的效果不一定能從水溫的上升過程當(dāng)中體現(xiàn)，客觀評價快速暖機(jī)的效果相對困難，應(yīng)當(dāng)結(jié)合壁溫、油溫等參數(shù)，水溫測點(diǎn)的位置對結(jié)果也有很大影響。但是水溫上升能夠加速，則一定是快速暖機(jī)的表征[16-17]。

2.2 發(fā)動機(jī)工況分析

發(fā)動機(jī)每個特定的工況，都有其工作的最佳條件。改變傳熱損失，發(fā)動機(jī)的能量流分配隨之改變，最后會達(dá)到新的熱平衡。對于熱管理而言，減少尾氣、冷卻傳熱等能量，提高有效輸出功的占比是最終目的。假定發(fā)動機(jī)散熱量固定，若流量下降，如式(1)所示溫差將被擴(kuò)大，最終體現(xiàn)為水溫上升。實(shí)際水溫控制與節(jié)溫器、散熱器的邏輯強(qiáng)相關(guān)，此處僅討論EWP的影響。

Qdissipation=c·m·ΔT=c·ΔT·ρ·qflow

(1)

使用EWP的主要目的在于避免流量過盈，相比MWP，EWP可以降低過剩的機(jī)械功耗，但在設(shè)計(jì)流量時應(yīng)充分考慮到水溫改變對發(fā)動機(jī)的影響。

文中在常溫下對發(fā)動機(jī)各個工況進(jìn)行水溫掃描。如圖8所示，在發(fā)動機(jī)中低負(fù)荷區(qū)域，隨著水溫升高，壁溫、機(jī)油溫度均有所升高，由于摩擦下降、燃燒得到改善，油耗呈下降趨勢，出水溫度由80 ℃提升至110 ℃時，油耗約可下降10 g/(kW·h)。但在高負(fù)荷區(qū)域，隨水溫升高油耗適當(dāng)滑落后，因壁溫過高爆震風(fēng)險提高而逐漸上升，點(diǎn)火角開始推移，此時膨脹做功不完全，油耗整體呈拋物線趨勢。

圖8 水溫對BSFC的影響

可見，在中低負(fù)荷區(qū)域，使用EWP適當(dāng)下調(diào)流量不僅可以降低機(jī)械功，對提升整體溫度水平、降低油耗，也有所幫助。而在高負(fù)荷、外特性區(qū)域，適當(dāng)提高流量，不僅可以確保發(fā)動機(jī)不過熱，也可以避免爆震。發(fā)動機(jī)對熱環(huán)境的需求與EWP的使用趨勢基本一致，故策略上可以基于發(fā)動機(jī)各個工況的最佳水溫點(diǎn)，對EWP的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡可能讓水溫處于油耗最低點(diǎn)。

但有些特殊情況需要對水溫的設(shè)定有更多考量：

(1)低負(fù)荷時熱量不足，水溫并不能上升到最優(yōu)點(diǎn)，需要結(jié)合熱管理模塊、電子節(jié)溫器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)；

(2)中負(fù)荷區(qū)域水溫上升至120 ℃，油耗可能仍在下降，需要結(jié)合壁溫是否耐受等信息選取最佳水溫；

(3)在使用雙節(jié)溫器的分流冷卻的方案里，通常會有缸蓋冷卻，而缸體不冷卻的情況，策略上需要對缸體水溫進(jìn)行預(yù)判。

在完成目標(biāo)溫度與EWP轉(zhuǎn)速的關(guān)系設(shè)定以后，ECU可以依據(jù)實(shí)際情況對EWP完成閉環(huán)控制。閉環(huán)控制主要根據(jù)實(shí)際水溫與目標(biāo)水溫的偏差，對調(diào)速信號進(jìn)行修正。在實(shí)際水溫開始升高向目標(biāo)水溫逼近的過程中，修正曲線可緩慢向0逼近，斜率越低，修正幅度越小，控制越精確。而當(dāng)實(shí)際水溫高于目標(biāo)水溫時，因目標(biāo)水溫已經(jīng)設(shè)置在較高水平，為避免過熱，修正信號增長斜率可適當(dāng)調(diào)大。

2.3 整車試驗(yàn)

整車散熱器確定后，散熱性能取決于流量和迎風(fēng)，若忽略風(fēng)速，則迎風(fēng)取決于車速。行車工況穩(wěn)定后，如前所述，調(diào)整流量改變熱平衡就能夠?qū)囟冗M(jìn)行調(diào)節(jié)。由圖9可見，整車在各個車速下，EWP的流量由最小值至最大值變化時，流量與水溫呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖9 流量、車速對水溫的影響

如圖10及式(1)所示，以最小流量時的水溫為基準(zhǔn)，隨流量增大溫度逐漸降低， ΔT逐漸增大。圖中可見在中低流量區(qū)間，水溫變化的速度遠(yuǎn)快于大流量區(qū)間。原因主要有兩個：(1)流量超過一定值時，壁面熱量可及時被帶走，換熱趨于穩(wěn)定，此時冷卻性能已足夠；(2)流量過大時，受節(jié)溫器影響，水溫難以繼續(xù)下降， ΔT最終趨于穩(wěn)定。

如圖10所示，車速20 km/h與60 km/h相比，60 km/h的ΔT變化更慢，而進(jìn)一步提升車速到100 km/h時，ΔT變化重新加快?？芍?，低速工況時風(fēng)速幾乎可忽略，高速工況下迎風(fēng)已超過散熱器正常換熱所需，此兩種情況下冷卻流量起主導(dǎo)作用，而中速工況時，迎風(fēng)影響較流量更大。

圖10 流量、車速對溫差的影響

即流量、風(fēng)速較低時，水溫對流量、風(fēng)速的變化均較為敏感。而一般行車過程，中低流量區(qū)間是EWP的主要調(diào)節(jié)區(qū)間，在設(shè)定控制信號與EWP轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系時，可適當(dāng)提高該區(qū)間的控制精度。

此外，結(jié)合圖8和圖9可知，車速在20～100 km/h變化時，水溫可調(diào)范圍均可達(dá)到6～10 ℃，對于中低速高負(fù)荷爬坡等極限工況而言，該裕度能夠?yàn)闊岷π阅軒碜銐虻母纳?，而從熱平衡的角度觀察，油耗則能夠得到3 g/kW·h左右的收益。

整車的另一部分收益，來自于EWP對機(jī)械功耗的節(jié)省。依據(jù)第2.2節(jié)的結(jié)果，中低負(fù)荷工況水溫可以適當(dāng)調(diào)高，但低負(fù)荷因?yàn)闊崃坎蛔汶y以達(dá)到最佳值。

如以實(shí)際情況為準(zhǔn)，則目標(biāo)水溫整體表現(xiàn)為低負(fù)荷區(qū)域低、中負(fù)荷區(qū)域高、高負(fù)荷區(qū)域低。而實(shí)際行車過程，中、低負(fù)荷區(qū)域的工況切換極為頻繁，當(dāng)工況由中負(fù)荷切換為低負(fù)荷時，目標(biāo)水溫由高切換為低，EWP反而會自行調(diào)大流量讓水溫下降，這種情況是不必要的。圖11中的左側(cè)曲線，左上方為車速，左下方為流量，可見流量隨發(fā)動機(jī)工況調(diào)整非常頻繁。

圖11 瞬態(tài)工況修正

如若將低負(fù)荷工況的目標(biāo)修改至中負(fù)荷水平，盡管該目標(biāo)不能達(dá)到，卻能大幅改善頻繁調(diào)整的情況。圖11中可見，右側(cè)修改策略后，EWP在大部分工況下僅需保持在最低流量的工作狀態(tài)即可。

以上述策略為基礎(chǔ)，文中對整車的NEDC表現(xiàn)進(jìn)行了評估。

如圖12所示，在整個NEDC循環(huán)里，EWP消耗的機(jī)械功遠(yuǎn)低于MWP需求，循環(huán)平均功耗僅為17～21 W。故僅機(jī)械功消耗的效果，節(jié)油即可達(dá)到1.75%?？紤]其在水溫、油溫、壁溫的影響，另有0.5%～1%的效果。

事實(shí)上EWP在暖機(jī)階段的間歇工作狀態(tài)，普通的離合式、開關(guān)式水泵均能完成，但僅持續(xù)20 min的NEDC循環(huán)基本全程都處于暖機(jī)過程，將導(dǎo)致EWP的效果與離合式、開關(guān)式水泵難以區(qū)分，在整車完成熱機(jī)以后，EWP調(diào)整流量的優(yōu)越性方可得到體現(xiàn)。即NEDC未能客觀體現(xiàn)EWP的優(yōu)勢，實(shí)際行車綜合預(yù)期將高于此值。

3 結(jié)論

(1)EWP可以依據(jù)發(fā)動機(jī)工況的實(shí)際冷卻需求調(diào)整流量，在發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷工況可以解決MWP流量過盈的問題，降低機(jī)械功的消耗，在外特性工況可以輔助緩解爆震的發(fā)生；

(2)EWP作為冷卻系統(tǒng)電氣化的主要技術(shù)，可以通過以O(shè)n-Off為主的工作模式實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)，常溫下暖機(jī)時間可縮短約20%；

(3)EWP的使用策略以發(fā)動機(jī)各個工況的適配水溫為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)定，中低負(fù)荷適配高水溫，高負(fù)荷適配低水溫，未達(dá)到目標(biāo)溫度時，控制以精確控制為主，超過目標(biāo)溫度時，控制以考慮可靠性為主;

(4)整車條件下，EWP的收益之一，是通過調(diào)整流量對水溫造成的影響，通過摩擦、燃燒改善油耗，NEDC循環(huán)下，此類收益有0.5%～1%；

(5)整車條件下，EWP的收益之二，是通過解決流量盈余的問題從而節(jié)省機(jī)械功，NEDC循環(huán)下此類收益約有1.75%。