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摘要：为了验证电磁水泵在商用车柴油机减少排放和降低油耗方面的潜力，开发了由水泵需求流量计算、水泵设定转速计算、水泵控制状态计算等模块组成的电磁水泵控制策略，并在一款达标国六排放的5升柴油机上进行了台架标定验证。验证结果表明，开发的控制策略能根据柴油机不同的运行工况调节电磁水泵的运行状态，实现快速暖机、合理控制水温和降低附件功耗。
关键词：电磁水泵;控制策略;台架标定;水温控制;附件功耗
0 引言
随着国家对汽车行业节能减排的要求越来越严格，促使了发动机及其零部件向智能化、电动化发展。而对发动机热量进行精确管理的热管理技术是实现整车提高性能、节约燃油和降低排放的关键技术之一。作为商用车动力的大功率柴油机，为了让其冷却系统满足精度高、响应快的技术要求，使其冷却系统电控化成为了主要的解决途径[1]。柴油机冷却系统的关键零部件为水泵，虽然电控水泵有电子水泵、电控硅油水泵和电磁水泵等技术方案，但是电磁水泵拥有功率大、成本低、控制简单等优点，从而使其成为了现阶段大功率柴油机的首选[2-3]。
1 电磁水泵工作原理
电磁水泵在传统机械式水泵基础上增加了电磁离合器，通过对电磁离合器的通断控制，使之实现电控化。根据线圈数量的多少，电磁水泵可以实现两速或三速的档位控制。由于三速电磁水泵能对需求流量进行更精确的控制，因此三速电磁水泵将作为实现柴油机冷却系统热管理技术的主要研究对象。当三速电磁水泵的两个线圈都不通电时，水泵叶轮以怠速运行。当小线圈通电时，电磁水泵以低速运行。当大线圈通电时，电磁水泵以高速运行。当发动机在起动及运行初期，电磁水泵以怠速运行，发动机能快速暖机，并达到最佳的工作温度。当发动机运行在标定点等高速大负荷工况时，电磁水泵叶轮将高速运转，以满足发动机冷却系统的散热需求。
2 控制策略开发
图1是为商用车柴油机开发的电磁水泵控制策略，其由电磁水泵需求流量计算、电磁水泵设定转速计算、电磁水泵控制状态计算等模块组成。电磁水泵控制策略根据当前的柴油机运行工况采集发动机转速、发动机扭矩、喷油量、排气流量、排气温度、进水温度、出水温度等信号作为电磁水泵需求流量计算模块的输入，经过计算获得电磁水泵的需求流量，然后通过台架标定，获得电磁水泵需求流量与电磁水泵转速之间的对应关系，从而得到当前电磁水泵需求流量下的电磁水泵设定转速。电磁水泵控制状态计算模块根据电磁水泵当前的设定转速判断电磁离合器线圈的通断状态需求，然后输出电磁水泵的档位选择和驱动控制信号。
在电磁水泵需求流量计算模块中，首先需要采集柴油机在当前运行工况下的转速、扭矩、喷油量、排气流量等信号，然后通过计算获得燃油燃烧释放的总热量、发动机的输出功率、排气热量等数据，最后经过数学运算得到电磁水泵需求散热量。当确定了柴油机的出水温度、进水温度和比热容后，即可计算出电磁水泵的当前需求流量。如图2为电磁水泵需求流量计算模块的控制策略。
由于在商用车的应用场景下，柴油机运行的工况不固定，而且不同排量的柴油机需要匹配不同流量的水泵，因此需要通过台架标定来确定电磁水泵需求流量与电磁水泵实际转速之间的对应关系。当计算得到电磁水泵的设定转速后，就可以根据发动機的运行状态确定电磁水泵的档位，从而输出电磁水泵驱动控制状态。
3 台架标定验证
3.1 试验样机及验证方案
试验柴油机使用博世高压共轨燃油系统和电控系统，后处理系统为EGR+DOC+DPF+SCR，排放达到国六水平。该柴油机的基本技术参数见表1。
由于电磁水泵控制功能的实现与所匹配的柴油机的技术参数，以及与柴油机在不同运行工况下的各项性能特性有关，因此需要针对控制策略中的各个功能模块进行匹配标定和功能验证。
当发动机运行在标定点工况时，电磁水泵的散热量应占燃烧总热量的20%～30%，经过标定的电磁水泵设定转速及档位应能使发动机的出水温度稳定在目标水温附近。
当发动机运行在其它工况点时，控制策略应能根据当前的电磁水泵需求流量自动控制电磁水泵档位的切换，克服机械式水泵不能根据柴油机冷却系统当前的散热需求改变水泵转速的缺点，实现合理控制水温和降低附件功耗的目的。
3.2 验证结果及分析
当柴油机起动后，且运行时的水温低于30℃，电磁水泵处于怠速状态，这对柴油机的快速暖机起到了很好的作用。
经过匹配标定后，柴油机在标定点工况下的水泵散热量占燃烧总热量的27%，对应的电磁水泵需求流量为4.72L/s。验证的结果符合预期，从而证明电磁水泵需求流量计算模块的功能满足设计要求。
当柴油机运行在扭矩为800N·m和转速为1800r/min的工况点时，电磁水泵处于低速运行状态，此时柴油机的出水温度仍能维持在发动机最高许可水温附近。当柴油机运行在扭矩为900N·m和转速为1200r/min的低速扭矩点时，电磁水泵处于低速运行状态，柴油机的出水温度为91℃，低于发动机最高许可水温。验证的结果显示电磁水泵控制策略能根据发动机当前的运行工况自动选择合适的电磁水泵档位，从而控制发动机水温在一个合理的范围。
4 结束语
①根据电磁水泵的特性，开发了由电磁水泵需求流量计算、电磁水泵设定转速计算、电磁水泵控制状态计算等模块组成的控制策略。经过离线测试，各个功能模块能正常工作。②在一款将机械式水泵改装为电磁水泵的5升国六发动机上应用了开发的控制策略，并进行了台架标定和试验验证，各项控制功能满足开发需求。③台架验证结果表明：通过匹配标定的电磁水泵控制策略能使柴油机实现快速暖机、合理水温控制和降低附件功耗，从而为商用车进一步的节能减排做出贡献。
参考文献：
[1]骆清国，冉光政，刘红彬，等.柴油机智能化控制冷却系统试验研究[J].内燃机工程，2013，34（5）：76-80，86.
[2]曹占龙，蹇波，曾振宇，等.商用车可变转速电磁离合器水泵研究[J].湖北汽车工业学院学报，2018，32（4）：41-43，48.
[3]常培松，李剑，萨如拉，等.基于控制策略的某柴油机电磁离合水泵的开发与验证[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（6）：49-52.
关键词：电磁水泵;控制策略;台架标定;水温控制;附件功耗
0 引言
随着国家对汽车行业节能减排的要求越来越严格，促使了发动机及其零部件向智能化、电动化发展。而对发动机热量进行精确管理的热管理技术是实现整车提高性能、节约燃油和降低排放的关键技术之一。作为商用车动力的大功率柴油机，为了让其冷却系统满足精度高、响应快的技术要求，使其冷却系统电控化成为了主要的解决途径[1]。柴油机冷却系统的关键零部件为水泵，虽然电控水泵有电子水泵、电控硅油水泵和电磁水泵等技术方案，但是电磁水泵拥有功率大、成本低、控制简单等优点，从而使其成为了现阶段大功率柴油机的首选[2-3]。
1 电磁水泵工作原理
电磁水泵在传统机械式水泵基础上增加了电磁离合器，通过对电磁离合器的通断控制，使之实现电控化。根据线圈数量的多少，电磁水泵可以实现两速或三速的档位控制。由于三速电磁水泵能对需求流量进行更精确的控制，因此三速电磁水泵将作为实现柴油机冷却系统热管理技术的主要研究对象。当三速电磁水泵的两个线圈都不通电时，水泵叶轮以怠速运行。当小线圈通电时，电磁水泵以低速运行。当大线圈通电时，电磁水泵以高速运行。当发动机在起动及运行初期，电磁水泵以怠速运行，发动机能快速暖机，并达到最佳的工作温度。当发动机运行在标定点等高速大负荷工况时，电磁水泵叶轮将高速运转，以满足发动机冷却系统的散热需求。
2 控制策略开发
图1是为商用车柴油机开发的电磁水泵控制策略，其由电磁水泵需求流量计算、电磁水泵设定转速计算、电磁水泵控制状态计算等模块组成。电磁水泵控制策略根据当前的柴油机运行工况采集发动机转速、发动机扭矩、喷油量、排气流量、排气温度、进水温度、出水温度等信号作为电磁水泵需求流量计算模块的输入，经过计算获得电磁水泵的需求流量，然后通过台架标定，获得电磁水泵需求流量与电磁水泵转速之间的对应关系，从而得到当前电磁水泵需求流量下的电磁水泵设定转速。电磁水泵控制状态计算模块根据电磁水泵当前的设定转速判断电磁离合器线圈的通断状态需求，然后输出电磁水泵的档位选择和驱动控制信号。
在电磁水泵需求流量计算模块中，首先需要采集柴油机在当前运行工况下的转速、扭矩、喷油量、排气流量等信号，然后通过计算获得燃油燃烧释放的总热量、发动机的输出功率、排气热量等数据，最后经过数学运算得到电磁水泵需求散热量。当确定了柴油机的出水温度、进水温度和比热容后，即可计算出电磁水泵的当前需求流量。如图2为电磁水泵需求流量计算模块的控制策略。
由于在商用车的应用场景下，柴油机运行的工况不固定，而且不同排量的柴油机需要匹配不同流量的水泵，因此需要通过台架标定来确定电磁水泵需求流量与电磁水泵实际转速之间的对应关系。当计算得到电磁水泵的设定转速后，就可以根据发动機的运行状态确定电磁水泵的档位，从而输出电磁水泵驱动控制状态。
3 台架标定验证
3.1 试验样机及验证方案
试验柴油机使用博世高压共轨燃油系统和电控系统，后处理系统为EGR+DOC+DPF+SCR，排放达到国六水平。该柴油机的基本技术参数见表1。
由于电磁水泵控制功能的实现与所匹配的柴油机的技术参数，以及与柴油机在不同运行工况下的各项性能特性有关，因此需要针对控制策略中的各个功能模块进行匹配标定和功能验证。
当发动机运行在标定点工况时，电磁水泵的散热量应占燃烧总热量的20%～30%，经过标定的电磁水泵设定转速及档位应能使发动机的出水温度稳定在目标水温附近。
当发动机运行在其它工况点时，控制策略应能根据当前的电磁水泵需求流量自动控制电磁水泵档位的切换，克服机械式水泵不能根据柴油机冷却系统当前的散热需求改变水泵转速的缺点，实现合理控制水温和降低附件功耗的目的。
3.2 验证结果及分析
当柴油机起动后，且运行时的水温低于30℃，电磁水泵处于怠速状态，这对柴油机的快速暖机起到了很好的作用。
经过匹配标定后，柴油机在标定点工况下的水泵散热量占燃烧总热量的27%，对应的电磁水泵需求流量为4.72L/s。验证的结果符合预期，从而证明电磁水泵需求流量计算模块的功能满足设计要求。
当柴油机运行在扭矩为800N·m和转速为1800r/min的工况点时，电磁水泵处于低速运行状态，此时柴油机的出水温度仍能维持在发动机最高许可水温附近。当柴油机运行在扭矩为900N·m和转速为1200r/min的低速扭矩点时，电磁水泵处于低速运行状态，柴油机的出水温度为91℃，低于发动机最高许可水温。验证的结果显示电磁水泵控制策略能根据发动机当前的运行工况自动选择合适的电磁水泵档位，从而控制发动机水温在一个合理的范围。
4 结束语
①根据电磁水泵的特性，开发了由电磁水泵需求流量计算、电磁水泵设定转速计算、电磁水泵控制状态计算等模块组成的控制策略。经过离线测试，各个功能模块能正常工作。②在一款将机械式水泵改装为电磁水泵的5升国六发动机上应用了开发的控制策略，并进行了台架标定和试验验证，各项控制功能满足开发需求。③台架验证结果表明：通过匹配标定的电磁水泵控制策略能使柴油机实现快速暖机、合理水温控制和降低附件功耗，从而为商用车进一步的节能减排做出贡献。
参考文献：
[1]骆清国，冉光政，刘红彬，等.柴油机智能化控制冷却系统试验研究[J].内燃机工程，2013，34（5）：76-80，86.
[2]曹占龙，蹇波，曾振宇，等.商用车可变转速电磁离合器水泵研究[J].湖北汽车工业学院学报，2018，32（4）：41-43，48.
[3]常培松，李剑，萨如拉，等.基于控制策略的某柴油机电磁离合水泵的开发与验证[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（6）：49-52.