GDI發(fā)動機電子水泵控制系統(tǒng)設計

韓曉峰 韓俊 張士路 趙強 黃偉

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心）

GDI發(fā)動機電子水泵控制系統(tǒng)設計

韓曉峰 韓俊 張士路 趙強 黃偉

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心）

以某1.5 L缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動機為研究對象，分析其冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出一種電子水泵的控制系統(tǒng)并基于整車環(huán)境設計其控制策略，最后進行標定和驗證試驗。結(jié)果表明，所提出的控制策略可以滿足該發(fā)動機搭載的電子水泵在不同運行工況下準確、及時工作的要求，同時能夠滿足冷卻增壓后氣體溫度和增壓器的要求，因此該控制策略可行。

1 前言

為了滿足越來越嚴格的排放和油耗法規(guī)要求，許多先進技術(shù)已應用到汽油發(fā)動機中，其中增壓中冷+缸內(nèi)直噴（GDI）是當前與未來小型化、降低油耗和CO2排放量最為主流的核心技術(shù)路線之一[1]。渦輪增壓結(jié)合缸內(nèi)直噴可以有效提升發(fā)動機的瞬態(tài)扭矩響應，改善傳統(tǒng)增壓技術(shù)的響應延遲，且由于直噴吸熱使得缸內(nèi)溫度降低，充氣系數(shù)提高2%～3%，爆震傾向降低使壓縮比提高1～2，從而可獲得燃油經(jīng)濟性和排放的大幅改善，在節(jié)能和減排方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢[2,3]。但同時，由于其小型化加上GDI帶來的熱負荷較一般發(fā)動機高，采用常規(guī)的發(fā)動機水冷冷卻或者空氣冷卻增壓氣體溫度都無法滿足GDI發(fā)動機對進氣溫度控制的要求[4,5]?，F(xiàn)有的解決方式是采用單獨的冷卻水系統(tǒng)，由電子水泵帶動水循環(huán)，對增壓后的氣體進行冷卻，但針對電子水泵控制的核心技術(shù)都被大眾等跨國公司所掌握。

本文以瑞風S5搭載自主研發(fā)的1.5 L GDI增壓發(fā)動機為研究對象，搭建電子水泵控制系統(tǒng)，并對電子水泵的控制策略進行設計研究。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該1.5 L GDI增壓發(fā)動機冷卻系統(tǒng)采用兩路單獨循環(huán)水路，一路由皮帶驅(qū)動的水泵帶動冷卻水循環(huán)，帶走缸孔和燃燒室周圍產(chǎn)生的多余熱量；另一路由電子水泵帶動冷卻水循環(huán)，帶走增壓后的氣體和增壓器本身的熱量。冷卻系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，冷卻增壓后氣體溫度和增壓器的水路由電子水泵、增壓中冷器、中冷散熱器和冷卻水管組成。

2.2 控制系統(tǒng)設計

電子水泵控制目的是確保增壓后的氣體溫度在合理范圍內(nèi)，防止爆震，并維持發(fā)動機最大的性能要求，同時保護增壓器的溫度不會超過其限值要求，達到保護增壓器的目的。依據(jù)上述目的，并結(jié)合現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計電子水泵控制系統(tǒng)，如圖2所示。發(fā)動機控制模塊（ECM）依據(jù)當前發(fā)動機工作狀態(tài)將通過預先標定獲得的電子水泵泵速發(fā)送給電子水泵，同時電子水泵將相應的工作狀態(tài)發(fā)送給ECM，以便ECM對電子水泵工作狀態(tài)進行判斷；一旦電子水泵出現(xiàn)故障，ECM采取相應措施，從而避免因電子水泵出現(xiàn)故障而導致其它問題的發(fā)生。

3 控制策略設計

依據(jù)電子水泵的控制目的將其控制策略設計分為兩部分：增壓氣體溫度冷卻電子水泵控制和增壓器溫度冷卻電子水泵控制。

3.1 增壓氣體溫度冷卻電子水泵控制

影響電子水泵控制的因素主要有中冷后氣體溫度目標設定和增壓中冷散熱器散熱能力。

3.1.1 中冷后氣體溫度目標值的設定

控制電子水泵泵速的主要目的之一是將中冷后氣體的溫度控制在目標溫度之下。因此，確定中冷后氣體的目標溫度為首要任務。在發(fā)動機臺架上，在不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下，對進氣溫度進行調(diào)整，確定發(fā)動機發(fā)生爆震的臨界進氣溫度點，在此基礎上再以發(fā)揮發(fā)動機最大性能為依據(jù)，確定最終的中冷后氣體溫度的目標值。具體結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖3結(jié)果，按照負荷劃分3個區(qū)域，A為低負荷區(qū)域，進氣溫度與壓氣機出口溫度（環(huán)境溫度）相當，此時要求電子水泵不運轉(zhuǎn)；B為中負荷區(qū)域，增壓器介入工作，增壓后氣體溫度明顯增加，此時要求電子水泵根據(jù)中冷后氣體目標溫度設定值進行不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以達到冷卻效果；C為高負荷區(qū)域，為了確保中冷后氣體溫度在目標設定值以內(nèi)，要求電子水泵泵輪全負荷運轉(zhuǎn)。

3.1.2 增壓中冷散熱器散熱能力

電子水泵帶動水循環(huán)，流經(jīng)增壓中冷散熱器進行散熱，因此增壓中冷散熱器散熱能力的好壞影響冷卻效果。散熱器的散熱能力除了自身的設計外，還與車速、環(huán)境溫度、泵速有關(guān)。在環(huán)境艙中，以車速、泵速和環(huán)境溫度對散熱器冷卻效果的影響進行試驗研究，得出散熱器冷卻效果與環(huán)境溫度之間有一個確定的傳熱系數(shù)，其為車速的函數(shù)，如圖4所示；散熱器冷卻效果與冷卻水水溫之間也有一個確定的傳熱系數(shù)，其為泵速的函數(shù)，如圖5所示。

根據(jù)以上兩個傳熱系數(shù)，計算散熱器出水口溫度的公式如式（1）所示。在環(huán)境艙中，通過預先安裝的溫度傳感器（如散熱器進水口溫度傳感器等），同時模擬不同的環(huán)境溫度、車速和泵速，并通過式（1）可以計算出散熱器出水口溫度，將相應結(jié)果存貯在ECU中，可以解決該系統(tǒng)中沒有安裝散熱器出水口溫度傳感器的問題。

式中，Trad-in為散熱器進水口水溫；Δ為散熱器進水口水溫與環(huán)境溫度差值；Cof1為車速的傳熱系數(shù)；Cof2為泵速的傳熱系數(shù)。

3.1.3 增壓氣體溫度冷卻電子水泵控制策略

增壓氣體溫度冷卻電子水泵控制策略如圖6所示?；舅悸罚和ㄟ^發(fā)動機負荷和發(fā)動機轉(zhuǎn)速確定負荷區(qū)域；通過確定的負荷區(qū)域和環(huán)境溫度確定中冷后氣體的目標溫度；通過中冷后氣體的目標溫度和散熱器出水口溫度，確定基本泵速；同時，將中冷后目標溫度與實際測量的溫度進行比較，通過PID控制得到一個泵速修正；最終泵速由基本泵速和修正泵速兩部分構(gòu)成。其中，散熱器出水口溫度通過公式（1）計算得到。

3.2 增壓器溫度冷卻電子水泵控制

根據(jù)發(fā)動機運行狀態(tài)，將增壓器溫度冷卻電子水泵控制分為發(fā)動機運行狀態(tài)下控制和發(fā)動機停機狀態(tài)下控制。

3.2.1 發(fā)動機運行狀態(tài)

發(fā)動機運行狀態(tài)下冷卻增壓器的電子水泵最小目標轉(zhuǎn)速的控制要能夠保證增壓器溫度不超過限值要求。在環(huán)境艙中，在同一環(huán)境溫度下，控制不同的水泵泵速，使得增壓器的溫度在其限值內(nèi)，得出電子水泵泵速與增壓器溫度成比例關(guān)系，如圖7所示。由此，以增壓器溫度作為參考點，以x軸為增壓器的預估溫度，y軸為電子水泵泵速，在軟件中設計二維查詢表格用來放置基于冷卻增壓器溫度的電子水泵泵速，其中增壓器預估溫度是根據(jù)發(fā)動機在不同運行狀態(tài)下利用現(xiàn)有軟件中的計算模型得出。

3.2.2 發(fā)動機停機狀態(tài)

發(fā)動機停機狀態(tài)下電子水泵運行的主要目的是冷卻增壓器，防止增壓器物理損壞，如避免停機后因溫度過高而使得機油結(jié)焦進而損壞增壓器的現(xiàn)象。此時，電子水泵的泵速設定主要與環(huán)境溫度、增壓器的溫度以及運行時間長短有關(guān)。由此，以環(huán)境溫度和增壓器溫度作為參考點，在軟件中設計一個放置停機后電子水泵運行時間的二維查詢表格。另外，再以運行時間為參考點來放置電子水泵的泵速。

3.2.3 增壓器溫度冷卻電子水泵控制策略

該狀態(tài)下具體的控制策略如圖8所示。其基本思路為首先判斷發(fā)動機運行狀態(tài)，然后根據(jù)不同運行狀態(tài)設定不同的泵速。如發(fā)動機運行狀態(tài)下，根據(jù)增壓器溫度確定電子水泵泵速；發(fā)動機停止狀態(tài)下，先根據(jù)環(huán)境溫度和增壓器溫度，確定運行時間，然后根據(jù)運行時間確定電子水泵泵速。

4 試驗驗證

以搭載1.5 L GDI發(fā)動機的整車為試驗驗證對象，驗證發(fā)動機運行狀態(tài)和停機狀態(tài)下按所設計的控制策略控制電子水泵能否及時有效的將增壓氣體溫度控制在目標溫度范圍內(nèi)，以及能否保護增壓器溫度不超出限值要求。其中，中冷后氣體溫度可以通過傳感器得到；按照增壓器設計指標要求，在其關(guān)鍵位置點安裝溫度傳感器，通過實際測量的溫度值與設計指標進行對比，判斷其是否滿足要求，進而完成增壓器保護的驗證。試驗安排在環(huán)境艙中，環(huán)境溫度設定為30℃，按照NEDC循環(huán)進行試驗，試驗結(jié)果如圖9和圖10所示，其中T1、T2、T3為安裝在增壓器關(guān)鍵位置的溫度傳感器測量值。

由圖9可以看出，不同發(fā)動機運行工況下，電子水泵能夠及時有效控制中冷后氣體的溫度。由圖10可以看出，發(fā)動機停機后，電子水泵運轉(zhuǎn)能夠控制增壓器關(guān)鍵位置點溫度在設計指標范圍內(nèi)。

另外，同時對該控制系統(tǒng)進行環(huán)境適應性試驗，地域范圍覆蓋新疆、云南、海南、重慶、黑龍江等區(qū)域，時間包括夏季和冬季，驗證結(jié)果都能夠滿足設計要求，進一步驗證了該控制系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)束語

基于GDI發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，提出了自主設計的電子水泵控制策略，實現(xiàn)了電子水泵的精確控制，能夠滿足冷卻中冷后氣體溫度和增壓器的要求。環(huán)境艙NEDC循環(huán)試驗和各種環(huán)境下的實車試驗驗證了所提出控制策略的可行性。

1 Kluting M,Missy S,Schwarz C.Turbocharging of a sprayguide gasoline direct injection combustion system a good fit.SAE Paper,2005,5412～5416.

2 Alain Ranini,Gaetan Monnier.Turbocharging a gasoline di?rect injection engine.SAE Paper,2001,736～748.

3 Bertrand Lecointe,GaetanMonnier.Downsizing a gasoline engine using turbocharge with direct injection.SAE Paper, 2003,542～548.

4 Zhao F,Lai MC,Harrington DL.Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines.Progress in Energy and Combustion Science，1999,437～562.

5 陳紅.汽油機廢氣渦輪增壓技術(shù)的研究及發(fā)展前景.內(nèi)燃機，2008，1～3.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年8月1日。

從圖6中可以看出，轉(zhuǎn)向護罩區(qū)域沒有光源，因此可以判斷該組合儀表透明罩不會產(chǎn)生炫目。

從圖5和圖6對比可以看出，基于光路可逆原理的炫目校核方法，避免了對來自各個方向的入射光線進行校核，更加簡潔高效。在此基礎上，根據(jù)校核結(jié)果制作完成組合儀表樣件，并進行了裝車主觀評價，無組合儀表透明罩炫目問題，與校核情況相符。

5 結(jié)束語

a.本文中提到的駕駛員眼橢圓區(qū)域（光線進入該區(qū)域視為炫目），通常是指第95百分位的眼橢圓，但也有企業(yè)定義為第95百分位眼橢圓向外偏移（Offset）一定距離（如40 mm）或第99百分位的眼橢圓。但這不影響光路可逆原理在組合儀表透明罩眩目校核中的使用。

b.由于組合儀表造型及結(jié)構(gòu)設計等方面的原因，組合儀表透明罩的炫目問題往往難以完全避免。對于校核存在的炫目，可以根據(jù)炫目情況嚴重程度，在炫目、造型及結(jié)構(gòu)設計之間做出協(xié)調(diào)。而本文為敘述方便，簡單處理為只要存在炫目就視為不合格。

c.本文提出的基于光路可逆原理的組合儀表透明罩炫目校核方法，同樣適用于汽車駕駛室其它部件（如轎車中普遍使用的DVD顯示屏）的炫目校核。

參考文獻

1 徐灃.汽車內(nèi)部環(huán)境反射.上海汽車,2012（4）.

2 張錫坤,朱俊.光的可逆性原理的一個應用.物理與工程, 2001，（11）6.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年8月1日。

Electronic Pump Control System Design of GDI Engine

Han Xiaofeng,Han Jun,Zhang Shilu,Zhao Qiang,Huang Wei
（Technical Center of JAC）

By studying a 1.5 L turbocharged gasoline direct injection engine and analyzing its cooling system structure,this paper presents an electronic water pump control system and designs the control strategy based on the vehicle environment.Afterwards,the calibration and test verification are carried out.Experiment results show that the control strategy design presented in the paper can help the electronic water pump work accurately and timely under different engine working conditions,meanwhile,it can meet the requirement of cooled and pressurized gas temperature and turbocharger,proving feasibility of this control strategy.

Direct injection engine，Electronic pump，Control strategy

缸內(nèi)直噴發(fā)動機 電子水泵 控制策略

U464.238

A

1000-3703（2015）09-0032-04