电磁离合器水泵对空调制热性能的影响

葛如炜 郑国胜 陈航

（泛亚汽车技术中心有限公司）

汽车工业的高速发展已对城市环境造成了严重污染，为此，对传统车节能减排提出了更高的要求，随之涌现出各种新技术。电磁离合器机械式发动机水泵由于受到发动机控制模块的控制，使汽车在暖机和低负荷运行期间间歇性运行，因此可加速发动机的暖机过程，节省燃料，降低发动机的排放污染。但它的间歇性运行，使冷却液循环量减少，给空调加热带来的负面影响也突现出来[1]。另外，小排量、高效率发动机的推广运用，也给利用发动机冷却余热加热的传统空调带来了新挑战。文章以某轿车为例，运用一维分析软件KULI，提出了改善乘员空调加热性能和舒适性能的优化方法。

1 电磁离合器水泵工作原理及性能

电磁离合器机械式发动机水泵是在传统水泵的基础上集成了一个电磁离合器。当给电磁离合器通电时，电磁离合器使水泵带轮与水泵断开扭矩，水泵叶轮将停止转动，冷却液停止流动；当给电磁离合器断电时，水泵带轮带动水泵叶轮转动，冷却液循环流动，这时与传统水泵工作没有区别。电磁离合器通断电受发动机控制模块控制，在暖机和低负荷运行期间，如果发动机内温度没有达到目标温度设定值，电磁离合器处于通电状态，电磁离合器使水泵带轮与水泵断开扭矩，水泵叶轮将停止转动，冷却液停止流动。这可使发动机内温度快速升高，缩短暖机时间，从而达到减少燃油消耗和降低排放污染的目的。

图1 示出在相同环境温度（25 ℃）下，某发动机采用传统水泵和电磁离合器水泵时冷却液温度变化曲线。从图1 可以看出，采用传统水泵，当发动机内冷却液温度达到90 ℃时，需要900 s；如采用电磁离合器水泵，由于受到发动机的控制，间歇性工作，当发动机内冷却液温度达到90 ℃时，仅需300 s。

通过综合NEDC 全工况对比试验，电磁离合器水泵比传统水泵节油0.087 L/100 km，节油率为1.06%，排放效果也改善明显，2 种水泵发动机排放指标，如表1所示。

表1 2 种水泵的发动机排放比较

2 空调加热性能改进应对措施

在自动空调系统中，为了最大限度满足电磁离合器机械式发动机水泵的间歇运行所带来的燃油节省，加速发动机的暖机过程，降低发动机的排放污染，文章采用的系统装置工作原理，如图2 所示[2]。

冬季暖机时，通过水温传感器采集水温信号进入加热器芯体，输入给空调控制模块，空调控制模块可使空调电加热器工作，以达到快速制热的目的。随着暖机过程的延续，电磁离合器机械式发动机水泵因发动机内温度趋于目标设定点，电磁离合器通断使发动机水泵间歇工作而趋于频繁，致使流经加热器芯体的温度产生波动，最终导致乘员感到空调出风温度忽冷忽热，不均匀，舒适性降低。

图2 工况中，通过水温传感器采集水温信号进入加热器芯体，输入给空调控制模块，空调控制模块进行逻辑判断和计算后，控制空调电加热器的输出功率。补偿因水温波动而产生空调不均匀的出风温度，以满足乘员舒适性要求。

3 空调加热性能改进措施模拟计算

运用一维分析软件KULI，对图2 结构方案进行模拟分析。比较相同试验工况下，不同水泵吸合频率与电加热器功率需求之间的相互匹配关系，以利于优化发动机性能和空调加热性能，使整车节能、减排性能最大化，同时满足乘员对快速加热和舒适性的需求。

以某轿车为例，按工况-20 ℃，40 km/h 运行20 min的加热过程进行模拟分析，以2 组不同情况进行比较，电磁离合器水泵1，2 的吸合频率不同；电加热器1，2，3，4 的功率不同。图3 示出第1 组不同电磁离合器水泵电加热器组合对空调性能的影响。

图3 中:

A 状态为传统车水泵在极端温度（-20 ℃）运行时，脚部出风口温度的走向趋势。

B 状态为电磁离合器水泵1，按上述工况运行，并以运行20 s，停止20 s 的频率，周期运行600 s，此时发动机水温达到90 ℃，此后水泵一直维持常运行，可以看出，前600 s 内电磁离合器水泵周期运行导致出风口温度波动巨大，乘客将会感到空调脚部出风忽冷忽热。

C 状态为在B 状态下，增设辅助电加热器1（平均功率2.5 kW），前600 s 内当水泵停止工作时，电加热器将开启工作，以补偿脚部出风口温度波动。

D 状态为在B 状态下，增设辅助电加热器2（平均功率4 kW），前600 s 内当水泵停止工作时，电加热器将开启工作，以补偿脚部出风口温度波动。由图3 可以看出，此时D 状态的脚部出风温度远高于A 状态脚部出风温度，即此时的辅助电加热器平均功率补偿是过盈的。

图4 示出第2 组不同电磁离合器水泵电加热器组合对空调性能的影响。

图4 中:

E 状态为电磁离合器水泵2，按上述工况运行，在第140 s 开始工作，并维持10 s，之后再关闭，直至第400 s 后水泵维持常运行，第400s 时发动机水温已达到100 ℃，此后水泵维持常开。从图4 可以看出，前400 s 内电磁离合器水泵周期运行导致脚部出风口温度波动大，且脚部出风温度远低于虚线表示的传统车脚部出风温度，即空调加热性能较差。

F 状态为在E 状态下，增设辅助电加热器3（平均功率2 kW），前400 s 内当水泵停止工作时，电加热器3将开启，以补偿脚部出风口温度波动。

G 状态为在E 状态下，增设辅助电加热器4（平均功率3.5 kW），前400 s 内当水泵停止工作时，电加热器将开启，以补偿脚部出风口温度波动。由图4 可以看出，G 状态脚部出风温度远高于A 状态脚部出风口温度，即此时的辅助电加热器平均功率补偿是过盈的。从图3 和图4 可以看出，在自动空调控制系统中，可通过优化调节鼓风机转速、温度风门和内外循环风门位置，有效降低辅助电加热器功率补偿需求。

综上，在极端温度（-20 ℃）下，随着离合器水泵吸合频率升高，达到发动机目标温度所需的时间将增加，补偿空调加热所需辅助电加热器的功率将下降。环境温度、发动机目标水温、离合器水泵吸合频率、空调系统加热模式时的风量和辅助电加热器补偿功率等之间关系密切又相互影响。通过系统优化匹配，整体上有助于发动机的节能减排，同时又可以减少辅助电加热功率补偿需求，满足乘客快速加热和舒适性要求。

4 结论

文章介绍了一种在使用电磁离合器机械式发动机水泵的条件下，实用可行的空调制热系统解决方案:即采用辅助电加热器芯体和空调控制模块。

应用一维分析软件KULI，对实车带电磁离合器机械式发动机水泵的加热性能进行了模拟，分析发现:带电磁离合器机械式发动机水泵对整车空调加热性能影响很大，需要辅助电加热器加以补偿，但极易造成辅助电加热器功率补偿需求过大，极端情况下可造成电加热功率75%以上的浪费。由此可见，不同环境温度、发动机目标水温、离合器水泵吸合频率、空调系统加热模式时的风量和辅助电加热器补偿功率等因素需要总体匹配优化，才能整体上达到发动机节能减排，并满足乘客快速加热和舒适性的要求。文章为后续优化工作提供了一种研究方法和方向。