解小超，曹慧穎

開關(guān)式水泵降噪控制策略研究

解小超，曹慧穎

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對開關(guān)式水泵在汽車發(fā)動機上應(yīng)用過程中的噪聲問題，文章對ECU的驅(qū)動方式進(jìn)行了分析并研究了一套降噪策略，在水泵工作狀態(tài)切換過程中采用PWM信號驅(qū)動開關(guān)式水泵的方式來實現(xiàn)降噪的目的，通過試驗驗證了優(yōu)化策略的有效性。

開關(guān)式水泵；驅(qū)動方式；降噪策略

概述

汽車發(fā)動機在工作中受環(huán)境溫度變化、使用維護(hù)狀況、運行、負(fù)荷等因素的綜合影響，易出現(xiàn)預(yù)熱緩慢、過熱等現(xiàn)象，主要原因是冷卻系統(tǒng)的水泵大部分都是采用機械式驅(qū)動、傳動比固定的結(jié)構(gòu)，在低溫啟動后的初始階段，水泵運轉(zhuǎn)，循環(huán)的冷卻水迅速帶走氣缸周圍的熱量，并通過散熱器經(jīng)風(fēng)扇冷卻風(fēng)和車輛行駛迎面風(fēng)的吹送，釋放到空氣中，造成發(fā)動機預(yù)熱時間延長[1-2]。為了實現(xiàn)快速暖機，減少傳熱損失和低溫摩擦損失，國內(nèi)外開始研究并應(yīng)用一種開關(guān)式水泵（swit- chable water pump）[3]。該水泵由發(fā)動機ECU引腳驅(qū)動，僅有常轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)，ECU根據(jù)不同工況下的冷卻需求通過控制引腳使水泵內(nèi)部線圈通/斷電來實現(xiàn)水泵工作狀態(tài)的切換，因而可以縮短低溫啟動后的暖機時間，降低油耗。然而由于水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高低電平切換過程中會導(dǎo)致機械噪聲。本文基于一款1.5DVVT發(fā)動機對降噪測量進(jìn)行了研究設(shè)計，以提升車輛NVH性能。

1 開關(guān)式水泵控制系統(tǒng)

1.1 開關(guān)式水泵結(jié)構(gòu)及工作原理

本文所述開關(guān)式水泵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。水泵皮帶輪中包含常閉電磁離合器，離合器的吸合和斷開可實現(xiàn)連接水泵葉輪的軸承與皮帶輪同步運動或分離。水泵工作狀態(tài)有兩種：當(dāng)線圈不通電時，即自然狀態(tài)下，離合器吸合，皮帶輪與軸承同步運動，水泵常轉(zhuǎn)；線圈通電使離合器斷開，軸承脫離皮帶輪的帶動，水泵停轉(zhuǎn)。

1.2 開關(guān)式水泵控制系統(tǒng)

開關(guān)式水泵線圈中是否通過電流并產(chǎn)生電磁力直接決定了水泵工作狀態(tài)。水泵控制系統(tǒng)如圖2 所示，水泵線圈電源為主繼電器供電，發(fā)動機ECU采集發(fā)動機工作過程中各種工作參數(shù)，如水溫、環(huán)境溫度、車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等，基于這些參數(shù)及預(yù)先設(shè)計的邏輯和程序運算，確定當(dāng)前工況下水泵應(yīng)工作在何種狀態(tài)，并通過圖3所示的驅(qū)動電路實現(xiàn)相應(yīng)的控制。

圖1 電控式水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電控式水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 驅(qū)動電路示意圖

2 降噪控制策略設(shè)計

2.1 常規(guī)驅(qū)動策略

根據(jù)開關(guān)式水泵本體設(shè)計，常規(guī)驅(qū)動策略為：一旦確定當(dāng)前水泵的目標(biāo)工作狀態(tài)為停轉(zhuǎn)，ECU內(nèi)部芯片給圖3中的A點加電壓驅(qū)動MOS管導(dǎo)通；當(dāng)前水泵目標(biāo)工作狀態(tài)為常轉(zhuǎn)時，A點斷電使MOS管關(guān)斷。驅(qū)動信號如圖4所示，水泵常轉(zhuǎn)時MOS管A點斷電；水泵停轉(zhuǎn)時MOS管A點加高電壓。

在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在該驅(qū)動方式下，水泵內(nèi)部離合器吸和/斷開狀態(tài)切換時水泵內(nèi)部會產(chǎn)生機械運動噪聲。

圖4 MOS管驅(qū)動信號

2.2 驅(qū)動策略優(yōu)化

為避免或降低噪聲水泵機械運動噪聲，將MOS管驅(qū)動信號改為PWM占空比信號，在開關(guān)式水泵停轉(zhuǎn)/常轉(zhuǎn)狀態(tài)切換過程中設(shè)計PWM占空比緩沖過渡階段，通過合理的參數(shù)設(shè)置即可保證水泵的可靠驅(qū)動，又可降低切換噪聲。

2.2.1開關(guān)式水泵停轉(zhuǎn)

驅(qū)動信號示意圖如圖5所示。驅(qū)動信號占空比D計算公式如下：

式中，D1、D均為與當(dāng)前蓄電池電壓和發(fā)動機水溫相關(guān)的標(biāo)定量，可分別在軟件中設(shè)計的二維查詢表格MAP_Dup1（電池電壓，發(fā)動機水溫）、MAP_Dhd（電池電壓，發(fā)動機水溫）中查找獲得；t、R為標(biāo)定常數(shù)；t可根據(jù)D1、D2、R計算獲得：

式中，D2為與當(dāng)前電池電壓和發(fā)動機水溫相關(guān)的標(biāo)定量，可在軟件中設(shè)計的二維查詢表格MAPDup2（電池電壓，發(fā)動機水溫）中查找獲得；t為軟件周期。

圖5 優(yōu)化后MOS管驅(qū)動信號——水泵停轉(zhuǎn)

一旦開關(guān)式水泵目標(biāo)狀態(tài)為停轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號的占空比立即設(shè)置為D1，然后占空比按照斜率R上升至D2后跳變?yōu)?00%。100%的占空比將保持t時間以確保線圈電流達(dá)到最大值使水泵可靠停轉(zhuǎn)，然后占空比即可降至足以維持水泵離合器狀態(tài)的占空比D。開關(guān)式水泵離合器可能在占空比上升的t時間中的任何一個時間點吸合。

2.2.2開關(guān)式水泵常轉(zhuǎn)

驅(qū)動信號示意圖如圖6所示。驅(qū)動信號占空比D計算公式為：

式中，Ddw1為與當(dāng)前電池電壓和發(fā)動機水溫相關(guān)的標(biāo)定量，可在軟件中設(shè)計的二維查詢表格MAP_Ddw1（電池電壓，發(fā)動機水溫）中查找獲得；Rdw為可標(biāo)定量；tdw可根據(jù)Ddw1、Ddw2、Rdw計算獲得：

式中，D2為與當(dāng)前電池電壓和發(fā)動機水溫相關(guān)的標(biāo)定量，可在軟件中設(shè)計的二維查詢表格MAP_Ddw2（電池電壓，發(fā)動機水溫）中查找獲得。

一旦開關(guān)式水泵的目標(biāo)狀態(tài)為常轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號的占空比立即將為D1，然后占空比按照斜率R將至D2后跳變?yōu)?%。開關(guān)式水泵離合器可能在占空比下降的t時間中的任何一個時間點斷開。

3 試驗驗證

以搭載開關(guān)式水泵的1.5DVVT發(fā)動機為試驗驗證對象，驗證發(fā)動機怠速狀態(tài)下按所設(shè)計的降噪策略控制開關(guān)式水泵能否有效地降低水泵狀態(tài)切換時產(chǎn)生的機械噪聲。試驗前將相關(guān)標(biāo)定MAP及參數(shù)設(shè)定如下：t=0.2 s；R=R=200 %/s； t=10 ms。

表1 MAP_Dup1標(biāo)定表

電池電壓/V發(fā)動機水溫/℃ 04080100 1042475153 1234384042 1428323435

表2 MAP_Dup2標(biāo)定表

電池電壓/V發(fā)動機水溫/℃ 04080100 1093100100100 1270788690 1463707881

表3 MAP_Dhd標(biāo)定表

電池電壓/V發(fā)動機水溫/℃ 04080100 107786100100 1254647175 1448556368

表4 MAP_Ddw1標(biāo)定表

電池電壓/V發(fā)動機水溫/℃ 04080100 1064718083 1244506063 1439455356

表5 MAP_Ddw2標(biāo)定表

電池電壓/V發(fā)動機水溫/℃ 04080100 1018202222 1214161819 1412131516

圖7 優(yōu)化前噪聲頻譜

采集的噪聲對比頻譜如圖7、圖8所示。優(yōu)化前開關(guān)式水泵離合器吸合/斷開切換瞬間可聽到較為明顯的機械噪聲，間隔1 s左右，激起了離合等部件的結(jié)構(gòu)共振輻射，詳見圖7；優(yōu)化后，開關(guān)式水泵離合器吸合/斷開切換瞬間撞擊能量明顯減弱，詳見圖8。

圖8 優(yōu)化后噪聲頻譜

4 結(jié)束語

在節(jié)能減排和日趨嚴(yán)格的油耗限值的大形勢下，如何實現(xiàn)車輛的快速暖機，降低低溫啟動階段的油耗將是發(fā)動機節(jié)油技術(shù)研究的方向之一，開關(guān)式水泵的應(yīng)用會越來越多地出現(xiàn)在汽車發(fā)動機上，對開關(guān)式水泵控制策略的研究也會逐漸深入。由于開關(guān)式水泵本身的結(jié)構(gòu)問題，常規(guī)的驅(qū)動方式會產(chǎn)生機械噪聲，本文通過對驅(qū)動信號的優(yōu)化設(shè)計以及合理的標(biāo)定參數(shù)設(shè)置，對開關(guān)室水泵應(yīng)用過程中產(chǎn)生的機械噪聲起了明顯的改善作用。

[1] 岳海麗,卞建宇,張奠忠.一種適用于汽車內(nèi)燃發(fā)動機中的電控冷卻水泵:204492954 U[P].2015-07-22.

[2] 郭新民,高平,吳海榮,等.汽車發(fā)動機電控冷卻系統(tǒng)的試驗研究[J].內(nèi)燃機,2006(03):28-30.

[3] Stephen Paul Levijoki(Swartz Creek MI US). System and method for diagnosing a fault in a switchable water pump for an engine based on a change in crankshaft speed: US,09228482b2[P].2016-01-05.

Study on Noise Reduction Method of Switchable Water Pump

XIE Xiaochao, CAO Huiying

( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Based on the noise problem during the use of switchable water pump on the vehicle engine, the drive mode of ECU is analyzed and a noise reduction method is studied by using PWM signal to drive the switchable water pump when the pump need to be switched,a test shows that the method achieve better performance.

Switchable water pump; Drive mode; Noise reduction method

U464

A

1671-7988(2021)23-72-04

U464

A

1671-7988(2021)23-72-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.020

解小超，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。