基于排氣溫度優(yōu)化的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂扑惴?/h1>

2015-08-25 11:39:21尚明利鄒玉鳳柳建新宋瑞芳

客車(chē)技術(shù)與研究訂閱 2015年6期 收藏

關(guān)鍵詞：后處理停機(jī)控制算法

尚明利，鄒玉鳳，柳建新，宋瑞芳

基于排氣溫度優(yōu)化的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂扑惴?/p>

尚明利1，鄒玉鳳2，柳建新1，宋瑞芳1

（1.鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，鄭州450061；2.鄭州交通技師學(xué)院，鄭州450016）

針對(duì)混合動(dòng)力客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)所導(dǎo)致的排氣溫度偏低引起NOx排放升高的問(wèn)題，通過(guò)引入排氣溫度及NOx含量等信號(hào)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起停優(yōu)化控制，提升整車(chē)排氣溫度，降低NOx等污染物排放量。利用實(shí)車(chē)臺(tái)架對(duì)比測(cè)試，結(jié)果充分驗(yàn)證了控制算法的有效性。

混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)；排氣溫度；發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制；算法

對(duì)于混合動(dòng)力及插電式混合動(dòng)力客車(chē)，由于增加了電機(jī)純電驅(qū)動(dòng)及助力的狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)與常規(guī)動(dòng)力車(chē)輛存在較大的差異［1-5］。對(duì)于市場(chǎng)上常用的混聯(lián)系統(tǒng)配置SCR系統(tǒng)的混合動(dòng)力車(chē)輛，因其具有純電驅(qū)動(dòng)及怠速起停功能，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間超過(guò)50%，導(dǎo)致整車(chē)排氣溫度較低，引起發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)NOx污染物排放量較高，整車(chē)污染物減排效果并不像其油耗那樣具有明顯優(yōu)勢(shì)［6-7］。本文針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)引入排氣溫度及NOx含量等信號(hào)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起停優(yōu)化控制，提升整車(chē)的排氣溫度，降低NOx等污染物排放量。

1　整車(chē)控制及后處理系統(tǒng)

1.1整車(chē)控制原理

本文研究的混合動(dòng)力客車(chē)為雙電機(jī)系統(tǒng)，依據(jù)其構(gòu)型特點(diǎn)，可將整車(chē)的行駛狀態(tài)分為起動(dòng)（即低速）、中高速、全面加速、制動(dòng)及停車(chē)5個(gè)狀態(tài)。其各狀態(tài)下的工作方式如下：

1）車(chē)速為0～23 km/h之間時(shí)，用電機(jī)直驅(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)；動(dòng)力電池SOC低于一定限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)并給電池充電。

2）車(chē)速達(dá)到23 km/h后，電控離合器接合，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，加速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)整車(chē)。

3）中、高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高效直接驅(qū)動(dòng)。

4）制動(dòng)及滑行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

5）動(dòng)力電池電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

1.2后處理系統(tǒng)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的國(guó)四重型柴油機(jī)的后處理系統(tǒng)普遍采用SCR方案。SCR系統(tǒng)主要由催化消聲器、計(jì)量噴射泵（UDS）、添藍(lán)罐、添藍(lán)噴嘴、壓縮空氣濾清器、后處理控制單元（DCU）等組成，如圖1所示。

2　基于排氣溫度優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂扑惴?/h2>

2.1控制思想

在整車(chē)控制算法中引入排氣管入口、出口溫度，計(jì)算整車(chē)的排氣溫度，結(jié)合NOx濃度判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否需要起停，最后結(jié)合由車(chē)輛狀態(tài)決定的發(fā)動(dòng)機(jī)起停指令，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的起?？刂?。這樣可以在實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)性的前提下，減少整車(chē)的NOx等污染物排放量。

基于排氣溫度優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂扑惴?，主要由排氣溫度計(jì)算、后處理系統(tǒng)查表判斷及發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)邏輯判斷3個(gè)模塊組成。具體的架構(gòu)形式如圖2所示。

2.2后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂?/p>

配置SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)后處理系統(tǒng)只有在一定的溫度下限之上工作時(shí)方能起到對(duì)NOx的催化還原反應(yīng)，從而降低整車(chē)的排放。在溫度偏低時(shí)，噴射過(guò)多的尿素不僅催化還原效果差，且易導(dǎo)致氨氣泄露及尿素結(jié)晶［8］。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)起停需求判斷的基本原則是：排氣溫度高時(shí)，只要NOx含量不高，發(fā)動(dòng)機(jī)即可停機(jī)；排氣溫度低時(shí)，除非NOx含量低，否則發(fā)動(dòng)機(jī)不可停機(jī)。具體的控制邏輯如表1所示。

表1　由排氣溫度及NOx含量決定的發(fā)動(dòng)機(jī)起停需求

2.3發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)邏輯判斷

依據(jù)車(chē)速、動(dòng)力電池SOC及整車(chē)需求功率等車(chē)輛狀態(tài)，整車(chē)控制策略會(huì)決策一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)起停指令1，結(jié)合后處理系統(tǒng)排氣溫度及NOx含量決策的發(fā)動(dòng)機(jī)起停指令2，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)邏輯判斷模塊中進(jìn)行最終決策，輸出最終的發(fā)動(dòng)機(jī)起停機(jī)指令，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的起?？刂啤＞唧w的決策過(guò)程：發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)指令輸出優(yōu)先考慮后處理系統(tǒng)決策的停機(jī)指令，即如后處理決策發(fā)動(dòng)機(jī)不停機(jī)，則最終的輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)不停機(jī)；如后處理決策發(fā)動(dòng)機(jī)可停機(jī)，則按車(chē)輛狀態(tài)決策的發(fā)動(dòng)機(jī)起停機(jī)進(jìn)行控制。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1測(cè)試方法

針對(duì)所制定的控制算法，在中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。參照文獻(xiàn)［9］，整車(chē)加載到滿載的65%（12 m車(chē)為16 500 kg），在中國(guó)典型城市工況下，針對(duì)排氣溫度優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂扑惴ㄅc無(wú)排氣溫度控制優(yōu)化的控制算法進(jìn)行整車(chē)排放對(duì)比測(cè)試［10-11］。

測(cè)試前，混合動(dòng)力客車(chē)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使動(dòng)力電池SOC達(dá)到上限；測(cè)試后，同樣通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使動(dòng)力電池SOC達(dá)到上限值，以保證測(cè)試前后車(chē)載能源電量平衡。

3.2數(shù)據(jù)處理及測(cè)試結(jié)果分析

首先對(duì)轉(zhuǎn)轂上采集的車(chē)輛排放特征數(shù)據(jù)（排氣流量、HC、CO、NOx及PM等）及行駛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步匹配，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行突變值平滑及缺失值插值處理，保證數(shù)據(jù)的精度和代表性。兩種車(chē)輛整車(chē)3次測(cè)試的數(shù)據(jù)、每公里平均排放及柴油消耗量如表2所示。

由表2可知，排溫優(yōu)化控制算法的整車(chē)污染物排放均低于無(wú)排溫優(yōu)化控制算法的整車(chē)污染物排放，其中NOx降低30%，而油耗由于整車(chē)停機(jī)時(shí)間的降低，導(dǎo)致油耗會(huì)增大2%左右。

4　結(jié)束語(yǔ)

基于整車(chē)的排氣溫度，結(jié)合后處理系統(tǒng)的NOx含量，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起?？刂七M(jìn)行優(yōu)化，可有效維持整車(chē)的排氣溫度在一個(gè)合理范圍內(nèi)，增強(qiáng)NOx的催化還原能力，降低整車(chē)的NOx等污染物排放。利用整車(chē)轉(zhuǎn)轂進(jìn)行實(shí)車(chē)對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，基于排氣溫度優(yōu)化控制算法的整車(chē)NOx可降低30%左右。

表2　整車(chē)排放測(cè)試結(jié)果對(duì)比

［1］Aymeric Rousseau.Validation Process of a HEV System Analysis Model：PSAT.SAE Paper，2001-01-0953.

［2］Masakazu Sasaki.Hybrid Vehicle Technology-Current Status and Future Challenges-Effect of Hybrid System Fac-tors on Vehicle Efficiency.ReviewofAutomotive Engi-neering.2005.

［3］Stan S.GMEnters the Hybrid Arena.Motor Age.2005.

［4］Ming Lang Kuang.An Investigation of Engine Start-Stop NVHin a Power Split Powertrain Hybrid Electric Vehicle.SAE Paper，2006-01-1500.

［5］Feng An.Aymeric Rousseau.Integration of a Modal Energy and E-missions Model into a PNGV Vehicle Simulation Model PSAT.SAE Paper，2001-01-0954.

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［7］Christie-Jpy Brodrick，Daniel Sperling.Emissions from Conventional and Hybrid Electric Transit Buses Tested on Standard and San FrancisoSpecific DrivingCycles.SAE Paper，2002-01-3117.

［8］趙鵬.SCR技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制中的應(yīng)用［J］.石油商技，2012，（5）：12-14.

［9］QC/T894-2011，重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)污染物排放車(chē)載測(cè)量方法［S］.

［10］荊瑩，郭家坦.駕駛與維護(hù)對(duì)汽車(chē)排放性能的影響［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2010，（2）：58-60.

［11］王云霞.淺析汽車(chē)排放性能的檢測(cè)［J］.大眾科技，2010，（1）：99-100.

修改稿日期：2015-07-22

Control Algorithm of Hybrid Engine Starting and Stopping System Based on Exhaust Gas Temperature Optimization

ShangMingli1，Zou Yufeng2，Liu Jianxin1，SongRuifang1
（1.Zhengzhou YutongBus Co.，Ltd，Zhengzhou 450061，China；2.Zhengzhou College ofTraffic Technicians，Zhengzhou 450016，China）

For the hybrid bus'problemthat the lowexhaust gas temperature because ofthe engine stop results in the NOxpollutant increasing，the authors add exhaust gas temperature signal and NOXcontent signal to the input signals to optimally control the engine starting and stopping in order to raise the exhaust gas temperature and reduce the NOx pollutant emissions.By using the real vehicle bench test，the comparison results fully showthe effectiveness of this control strategy.

hybrid engine；enhaust gas temperature；engine startingand stopping；control algorithm

U469.7；U464

A

1006-3331（2015）06-0006-03

尚明利（1983-），男，博士；工程師；動(dòng)力系統(tǒng)工程師；研究方向：新能源客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配及控制。

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