基于電控集成智能控制的柴油機降油耗技術(shù)研究

梁鄭岳， 楊劍， 潘斯寧， 劉易， 康興裕， 朱榮， 田淋瑕， 陳中柱， 班智博， 張松， 林鐵堅

(1. 廣西玉柴機器股份有限公司工程研究院， 廣西 玉林 537005；2. 中國科學院力學研究所， 北京 100190)

?

基于電控集成智能控制的柴油機降油耗技術(shù)研究

梁鄭岳1， 楊劍1， 潘斯寧2， 劉易1， 康興裕1， 朱榮1， 田淋瑕1， 陳中柱1， 班智博1， 張松1， 林鐵堅1

(1. 廣西玉柴機器股份有限公司工程研究院， 廣西 玉林 537005；2. 中國科學院力學研究所， 北京 100190)

為了進一步降低商用車的燃油消耗和CO2排放，開展基于發(fā)動機工況需求的電控集成優(yōu)化控制研究。以某直列4缸電控共軌柴油機為研究對象，以發(fā)動機水溫為反饋，對發(fā)動機水泵、節(jié)溫器等電控冷卻系統(tǒng)零部件進行綜合調(diào)節(jié)，實現(xiàn)快速暖機升溫以及正常行駛中發(fā)動機水溫恒定在最佳溫度，并通過優(yōu)化VGT，改善燃燒過程。試驗結(jié)果表明，采用智能控制系統(tǒng)可將冷卻水溫控制在各工況所對應的最優(yōu)冷卻水溫附近，基于發(fā)動機工況需求的電控集成優(yōu)化控制可以降低柴油機油耗3.51%，充分驗證了智能控制方案的可行性和有效性。

燃油消耗； 發(fā)動機熱管理； 冷卻系統(tǒng)； 集成控制； 可變截面渦輪增壓器

柴油機冷卻系統(tǒng)主要由水泵、節(jié)溫器、風扇、散熱器等組成，其中，水泵、節(jié)溫器、風扇等零部件的現(xiàn)有技術(shù)方案均為機械控制式結(jié)構(gòu)，其性能參數(shù)在設計階段已經(jīng)固定，不能根據(jù)柴油機的實際工況和環(huán)境狀態(tài)對冷卻系統(tǒng)溫度進行精確控制，由此造成柴油機冷卻溫度過高或過低，對柴油機的工作壽命、燃油消耗和排放均造成不利的影響[1-3]。近年來，降低燃油消耗和廢氣排放成為乘用車和商用車發(fā)動機研究的重點，內(nèi)燃機熱管理以及冷卻系統(tǒng)的高效低功耗化日漸得到重視，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)中的部件，特別是電子水泵，能直接減少驅(qū)動功率，并自動調(diào)節(jié)發(fā)動機的損失，在降低廢氣排放和節(jié)油方面能獲得明顯的效果[4-5]。

采用發(fā)動機集成智能控制技術(shù)是提高發(fā)動機熱效率和節(jié)能減排的重要技術(shù)，把先進燃燒技術(shù)與控制技術(shù)緊密結(jié)合，通過控制發(fā)動機的可變附件系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)動機燃燒過程保持最優(yōu)的運行狀態(tài)。

本研究以某4缸柴油機為研究對象，研究VGT改善燃燒和電動附件系統(tǒng)集成優(yōu)化降附件功控制工作。發(fā)動機集成了電控節(jié)溫器、電子水泵、VGT及控制器?；诎l(fā)動機工況控制智能熱管理系統(tǒng)和VGT協(xié)同工作，對發(fā)動機節(jié)能減排進一步發(fā)展有十分重要的意義。

1 路譜分析

1.1 整車路譜的動力性和經(jīng)濟性

在原車配置下，針對典型城際路況進行道路試驗，記錄整個試驗過程中各種車速下的柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩，并對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，得出柴油機的典型運行工況。發(fā)動機基本參數(shù)見表1，整車基本參數(shù)見表2。

表2 整車主要基本參數(shù)

在進行整車路譜分析時，主要利用GPS調(diào)查不同路況下的行駛狀況，記錄了汽車實際道路行駛瞬時速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析不同道路下汽車行駛工況對油耗的影響。提煉出片斷路譜信息，應用到CRUISE整車模擬計算中，滿足個性化的動力總成匹配要求。整車動力性結(jié)果分析見表3，經(jīng)濟性結(jié)果分析見表4。

表3 整車動力性結(jié)果

表4 整車經(jīng)濟性分析

1.2 整車路譜的發(fā)動機工況

基于上述整車路譜，對發(fā)動機基本工況進行分析。圖1示出柴油機運行工況散點圖，圖2示出柴油機運行工況按時間出現(xiàn)的分布圖。從這兩個圖可以看出，發(fā)動機的運行工況主要集中在轉(zhuǎn)速1 700～2 500 r/min的中低負荷區(qū)，這部分工況占據(jù)85%左右，發(fā)動機運行區(qū)域的低轉(zhuǎn)速低負荷占比12%。因此要提高城際高速客車用柴油機的經(jīng)濟性，匹配優(yōu)化應該集中在中低負荷上，尤其是發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 700～2 500 r/min區(qū)域。

圖1 發(fā)動機基本運行工況

圖2 柴油機運行工況按時間出現(xiàn)的分布統(tǒng)計

2 試驗裝置和試驗方法

2.1 試驗方案

由于試驗條件所限，基本思路是通過發(fā)動機臺架試驗獲得整車模擬的關(guān)鍵試驗基礎數(shù)據(jù)，并把優(yōu)化數(shù)據(jù)輸入到Cruise軟件建模中進行整車駕駛模擬。與基礎發(fā)動機相比，本研究主要在1臺滿足國Ⅴ排放的柴油機上進行，完成VGT匹配改善燃燒方案和電動附件系統(tǒng)集成(見圖3)優(yōu)化降附件功控制工作。發(fā)動機集成了電控節(jié)溫器、電子水泵、VGT及控制器，通過控制策略基于發(fā)動機工況控制智能熱管理系統(tǒng)和VGT協(xié)同工作，一方面使發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作在最佳溫度壓力點，并在發(fā)動機起動后迅速達到理想的溫度附近，另一方面通過VGT優(yōu)化進氣，改善燃燒，提高發(fā)動機熱效率，改善油耗。

圖3 集成方案

2.2 試驗裝置

在原發(fā)動機基礎上，把原來的機械水泵、蠟式節(jié)溫器、WG增壓器分別改為電子水泵、電控節(jié)溫器、VGT，外接從整車上拆下的獨立水箱和電子風扇，整個試驗裝置實物見圖4，主要試驗設備見表5。

圖4 試驗裝置

名稱型號參數(shù)測功機INDYS50-4/3001-1BS-10～3000N·m氣體分析儀AMAI60NOx量程0～10000×10-6進氣流量計ABB14243-1110010～4000kg/h煙度計AVL415S0～10FSN

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 VGT性能的影響

VGT根據(jù)排氣流通特性合理改變渦輪噴嘴的流通截面積，使增壓器長時間工作在高效區(qū)域，獲得良好動力性及經(jīng)濟性，有效解決傳統(tǒng)渦輪增壓器無法兼顧全工況的難題。

通過優(yōu)化標定空燃比、增壓壓力PID控制參數(shù)、VGT預置開度、VGT閥限位器等，進行了試驗測試，測試結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 兩種增壓器外特性燃油消耗率對比

圖6 兩種增壓器發(fā)動機定速加載對比

從圖5可以看出，幾乎在全部的外特性工況點，采用VGT增壓器比采用旁通閥增壓器的燃油消耗率低，特別是當發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于1 200 r/min時，采用VGT的燃油消耗率與原機相比大幅度下降，在1 500 r/min時，原機最低燃油消耗率為201.93 g/(kW·h)，采用VGT的外特性最低燃油消耗率196 g/(kW·h)，降低約3%。從圖6可以看出，發(fā)動機的定速加載響應時間有所改善，在1 000 r/min定速加載中響應時間由原來的3.1 s降低到2.2 s，降幅達29%。主要原因是：低速時，減小VGT開度，增加進入氣缸的氧氣，高速時，與旁通閥增壓器相比，VGT可以利用放氣排出的廢氣驅(qū)動渦輪，使達到同樣增壓壓力所需的渦輪前壓力降低，減少泵氣損失，因此提高了發(fā)動機的瞬態(tài)性能和燃油經(jīng)濟性。

3.2 對出水溫度的控制

改裝后通過電子節(jié)溫器和電子水泵的聯(lián)合控制，發(fā)動機的冷態(tài)WHTC測試循環(huán)中出水溫度的變化情況見圖7。

圖7 WHTC循環(huán)發(fā)動機出水溫度的變化

根據(jù)工況需求和小功率附件優(yōu)先控制原則進行控制：在最佳出水溫度之前，關(guān)閉節(jié)溫器，控制電子水泵的轉(zhuǎn)速和流量，使發(fā)動機快速升溫；當發(fā)動機溫度在最佳出水溫度附近，聯(lián)合控制電子水泵和節(jié)溫器，使發(fā)動機出水溫度穩(wěn)定在目標水溫。從圖7可以看出，通過電子水泵和電子節(jié)溫器的聯(lián)合控制，發(fā)動機出水溫度快速從35 ℃上升到80 ℃，時間相比改裝前加快170 s，最終穩(wěn)定在(83±2) ℃，水溫得到了很好的控制?？梢钥闯觯谡麄€WHTC循環(huán)實現(xiàn)了冷卻能力隨發(fā)動機的散熱需要而自動調(diào)節(jié), 使發(fā)動機長期處于最佳溫度狀態(tài)。

3.3 對發(fā)動機燃油消耗的影響

出水溫度對燃油消耗的影響見圖8。從圖8可以看出，中高負荷(≥40%)時發(fā)動機水溫對油耗影響較大，90 ℃相對于60 ℃燃油消耗降低達3%；小負荷(<40%)時出水溫度對燃油消耗影響不明顯。

圖8 發(fā)動機出水溫度對燃油消耗的影響

在低轉(zhuǎn)速點(900 r/min)，發(fā)動機水溫對燃油消耗影響顯著，90 ℃相對于60 ℃燃油消耗最高降低6%。

試驗分別測試了原機和改裝優(yōu)化后方案的萬有特性，測試結(jié)果見圖9。

圖9 改裝前后發(fā)動機燃油消耗率萬有特性對比

從圖9可以看出，通過VGT改善燃燒、降低水泵耗功(由機械水泵耗功的1 kW降低到400 W)、聯(lián)合優(yōu)化控制電子水泵和電子節(jié)溫器，使發(fā)動機工作在最佳溫度狀態(tài)，根據(jù)圖9萬有特性對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于原機。

3.4 整車路譜的動力性和經(jīng)濟性分析

利用試驗數(shù)據(jù)在CRUISE中進行性能模擬計算，并輸出給定路譜油耗結(jié)果。由于采用的是模型計算，其整車阻力只能作為參考，內(nèi)置程序默認整車是按路譜來運行，但工作不粗暴，而是適度平滑，計算結(jié)果見表6。

表6 整車的動力性和經(jīng)濟性

從表6可以看出，通過對發(fā)動機優(yōu)化，在控制整車動力性基本一致的情況下，相同路譜的整車100 km燃油消耗由原車的17.94 L下降到17.31 L，降幅達3.5%。

4 結(jié)束語

基于發(fā)動機工況需求的電控集成優(yōu)化控制可以改善燃燒，優(yōu)化發(fā)動機熱管理，使發(fā)動機起動后水溫迅速上升至目標溫度附近，減少了暖機時間(170 s)。隨發(fā)動機的散熱需要可自動精確調(diào)節(jié)出水溫度, 使發(fā)動機長期處于最佳工作狀態(tài), 降低了發(fā)動機的傳熱損失和機械損失, 獲得較為明顯的節(jié)油效果，降低燃油消耗達3.51%。

[1] 紀光霧.發(fā)動機冷卻溫度控制的精確研究[D].南京:南京林業(yè)大學,2007.

[2] Alexandre Choukroun,Matthieu Chanfreau.Automatic Control of Electronic Actuators for an Optimized Engine Cooling Thermal Management[C].SAE Paper 2001-01-1758.

[3] 郭新民，高平，吳海榮，等.汽車發(fā)動機電控冷卻系統(tǒng)的實驗研究[J].內(nèi)燃機,2006(3):27-30.

[4] Morel T.Integrated simulation of engine,vehicle and cooling for system analysis and component selection[J].MTZ,2008,71(11):794-798.

[5] 楊帥.冷卻介質(zhì)溫度對柴油發(fā)動機經(jīng)濟性影響的實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(7):55-70.

[編輯: 李建新]

Fuel Saving Technology of Diesel Engine Based on Electronic Integrated Intelligent Control

LIANG Zhengyue1, YANG Jian1, PAN Sining2, LIU Yi1, KANG Xingyu1, ZHU Rong1, TIAN Linxia1, CHEN Zhongzhu1, BAN Zhibo1, ZHANG Song1, LIN Tiejian1

(1. Yuchai Machinery Co., Ltd., Yulin 537005, China; 2. Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In order to reduce the fuel consumption of commercial vehicle and resulting CO2emissions further, the research on electronic integrated control based on engine operating conditions was conducted. Taking an in-line 4-cylinder common rail diesel engine as the research object, the electronic cooling system including engine water pump and thermostat was regulated according to the engine water temperature to warm the engine quickly and keep the optimal temperature during the driving. In addition, the combustion process could be improved through the optimization of VGT. The test results show that the cooling water temperature can be controlled near the corresponding optimal value under various conditions by the control system. The system can improve the fuel consumption of diesel engine by about 3.51%, which verifies the feasibility and effectiveness of intelligent control scheme.

fuel consumption； engine thermal management； cooling system； integrated control； variable geometry turbocharger (VGT)

2016-11-28;

2017-06-07

梁鄭岳(1982—)，男，工程師，主要從事柴油機燃燒開發(fā)及排放控制方面的研究；zhengyueliang1101@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.016

TK421.7

B

1001-2222(2017)03-0088-05