基于4種節(jié)油技術(shù)的整車協(xié)同節(jié)油策略與量產(chǎn)應(yīng)用研究

李衛(wèi)兵，吳 瓊，吳 哲

(安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點實驗室， 安徽 合肥 230601)

節(jié)能與減排一直是汽車行業(yè)研究的重點問題，GB 27999-2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》[1]實施后，推動了各種車用節(jié)油技術(shù)的應(yīng)用，使整車油耗不斷降低。但作者在實際工作中研究發(fā)現(xiàn)：在對多項節(jié)油技術(shù)進行集成應(yīng)用時，由于各項節(jié)油技術(shù)之間相互耦合，會對節(jié)油效果產(chǎn)生不利影響。如果沒有合理的協(xié)同控制策略，進行各項技術(shù)間相互耦合參數(shù)的優(yōu)化標定，會導(dǎo)致各項技術(shù)之間以及各項技術(shù)與整車控制策略之間不能相互融合，甚至會產(chǎn)生適得其反的節(jié)油效果，達不到預(yù)期的節(jié)油目標。

本文作者針對上述問題，研究開關(guān)式水泵、電子節(jié)溫器、智能發(fā)電機和怠速起停等4項節(jié)油技術(shù)集成應(yīng)用后相互之間耦合影響，并提出整車協(xié)同節(jié)油策略，在一款SUV車型匹配2.0T汽油發(fā)動機上應(yīng)用研究，使其相互耦合參數(shù)的匹配更精準，節(jié)油效果更好。

1 各節(jié)油技術(shù)及相互間的耦合

采用開關(guān)式水泵和電子節(jié)溫器可解決發(fā)動機暖機時間較長、部分負荷階段發(fā)動機工作水溫偏低、燃油經(jīng)濟性不佳[2-3]等問題。發(fā)動機控制單元(Engine Control Unit：ECU)通過控制開關(guān)式水泵離合器的吸合與斷開控制水泵工作，間接控制發(fā)動機水套中的冷卻液循環(huán)加速發(fā)動機暖機過程；同時，ECU通過控制電子節(jié)溫器加熱元件，精確控制電子節(jié)溫器的開閉，使發(fā)動機的溫度控制更加靈活。研究表明兩項技術(shù)聯(lián)合使用在NEDC(New European Driving Cycle：NEDC)測試工況能夠節(jié)油2%[4]。但是，由于發(fā)動機水溫上升速率與發(fā)動機暖機控制過程、怠速轉(zhuǎn)速是強相關(guān)的，需要協(xié)同控制，才能更好地發(fā)揮二者的節(jié)油作用[5]。

自動起停技術(shù)通過增加起停功能必備的硬件和安全控制策略，在熱機狀態(tài)下實現(xiàn)發(fā)動機怠速自動停機與啟動。該項技術(shù)在NEDC循環(huán)中，可產(chǎn)生3～4%的節(jié)油效果，在實際駕駛循環(huán)中節(jié)油效果更可觀。

開關(guān)式水泵與電子節(jié)溫器能夠快速實現(xiàn)暖機，自動起停能夠做動的時間會提前，因此需要相互之間協(xié)調(diào)控制防止出現(xiàn)排放惡化[6-7]。同時，自動起停功能需要配合整車控制策略，以減少熱機啟動過程中的燃油消耗。

智能發(fā)電機的發(fā)電效率更高，且其發(fā)電電壓可控。ECU可根據(jù)車輛加、減速，電池狀態(tài)等參數(shù)控制發(fā)電機電壓。加速時降低發(fā)電機輸出電壓，減少發(fā)動機負載；減速時提高發(fā)電機輸出電壓，使車輛動能轉(zhuǎn)化成電能儲存在蓄電池。研究表明[8]：采用智能發(fā)電機可降低發(fā)動機發(fā)電負荷和提高油電轉(zhuǎn)化效率。在NEDC測試循環(huán)中，節(jié)油效果可達1%。但是，發(fā)電電壓的控制，需要配合發(fā)動機啟動過程控制策略，才能實現(xiàn)節(jié)油效果。

智能發(fā)電機電壓可控，但會對發(fā)動機負荷產(chǎn)生影響；采用增強型硬件系統(tǒng)的自動起停系統(tǒng)，對整車啟動策略與性能均產(chǎn)生影響。如果不進行大量試驗驗證和精細化的參數(shù)匹配，簡單地通過疊加上述的節(jié)油技術(shù)，并不能起到好的節(jié)油效果。

以上各節(jié)油控制軟件均集成在ECU內(nèi)，在整車開發(fā)過程中，通過對各節(jié)油技術(shù)控制策略以及發(fā)動機啟動、怠速、排放、駕駛性策略結(jié)合，制定專門的協(xié)同控制策略，才能使各節(jié)油技術(shù)相互融合，降低整車的油耗。

2 整車協(xié)同節(jié)油控制策略

本文作者按照GB/T19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》[9]進行油耗試驗，在分析多次測試數(shù)據(jù)后，制定整車協(xié)同節(jié)油控制策略并精細匹配優(yōu)化參數(shù)，進一步提高整車節(jié)油效果。所采用的具體策略如下：

1)降低冷機啟動與暖機過程中的目標怠速轉(zhuǎn)速。采用開關(guān)式水泵，發(fā)動機冷啟動后，水溫會很快上升。由于發(fā)動機水溫上升快，暖機時間更短，發(fā)動機暖機過程中消耗燃油更少。通過精確標定發(fā)動機進氣量和空燃比降低冷機啟動上沖轉(zhuǎn)速能夠降低啟動過程中的燃油消耗，實現(xiàn)節(jié)油。降低暖機過程中的怠速轉(zhuǎn)速，減少怠速過程中發(fā)動機噴油次數(shù)，也起到節(jié)油的作用。

2)自動起停功能做動時間提前。在NEDC循環(huán)中，達到起停最低的做動水溫限制會提前，需要重新優(yōu)化起停工作的初始時間，盡快使起停功能做動。

3)降低發(fā)動機自動啟動上沖轉(zhuǎn)速。自動起停功能使用增強型啟動機、AMG蓄電池，這些硬件會使發(fā)動機的啟動性能增強，啟動可靠性增加。增強型啟動機能夠很快將發(fā)動機轉(zhuǎn)速拖動至啟動轉(zhuǎn)速，降低發(fā)動機啟動轉(zhuǎn)速上沖轉(zhuǎn)速，ECU控制噴油量會減少，起到節(jié)油的作用。同時由于啟動過程中噪音與振動會更小，用戶體驗也好。

4)智能發(fā)電機啟動過程中不發(fā)電。啟動過程中，智能發(fā)電機不發(fā)電，減少發(fā)動機啟動與暖機過程中發(fā)電機附件阻力。發(fā)動機阻力變小后，需要發(fā)動機通過燃燒做功變少，最后對應(yīng)的節(jié)氣門開度與噴油量均變小從而實現(xiàn)節(jié)油的作用。

以上協(xié)同控制策略均不需要重新開發(fā)節(jié)油技術(shù)與整車控制軟件，僅通過參數(shù)協(xié)調(diào)、集成匹配優(yōu)化，即可提高整車燃油經(jīng)濟性。這是一種在整車標定開發(fā)過程中值得推廣的方法。

3 協(xié)同優(yōu)化過程

上述協(xié)同控制優(yōu)化與驗證過程的實施流程如圖1所示。

圖1 協(xié)同策略標定及驗證過程

ECU基礎(chǔ)標定：在進行協(xié)同優(yōu)化之前，需要完成發(fā)動機冷機啟動、暖機啟動、熱機啟動、不同水溫下怠速穩(wěn)定性標定、開關(guān)式水泵與電子節(jié)溫器標定、智能發(fā)電機目標電壓完成標定、起停功能標定等ECU各項基礎(chǔ)功能與性能標定。

整車油耗與排放試驗采用相同的測試工況。如果排放性能不達標，節(jié)油協(xié)同標定也沒有任何意義[9-10]；因此，首先需要完成排放性能標定。排放標定單純從排放控制參數(shù)本身進行標定，不涉及油耗相關(guān)參數(shù)，在多車多次排放結(jié)果一致性與穩(wěn)定性符合要求后，才可開展協(xié)同控制策略標定工作[11-14]。

為了得到最優(yōu)的節(jié)油效果，需要進行協(xié)同控制優(yōu)化標定。根據(jù)多輛車輛在NEDC循環(huán)中冷機啟動參數(shù)、暖機過程參數(shù)、水溫特性參數(shù)、智能發(fā)電機發(fā)電參數(shù)、排放分析儀的數(shù)據(jù)綜合分析，確定協(xié)同策略具體如下：

1)降低冷機啟動空燃比、節(jié)氣門開度、點火提前角和發(fā)動機上沖轉(zhuǎn)速，將啟動上沖轉(zhuǎn)速由1 800 r/min降低至1 500 r/min左右，并驗證啟動性能穩(wěn)定性，將發(fā)動機暖機過程中水溫20～60 ℃的目標轉(zhuǎn)速降低至200 r/min，實現(xiàn)策略1的控制要求。

2)將發(fā)動機暖機過程中怠速起停使能時間縮短30 s，實現(xiàn)策略2控制要求。

3)通過進氣量和空燃比的協(xié)同優(yōu)化，使自動啟動時，發(fā)動機的上沖轉(zhuǎn)速降低至1 200 r/min，實現(xiàn)策略3控制要求。

4)當蓄電池電量大于80%時，設(shè)定冷機啟動30 s以內(nèi)智能發(fā)電機目標電壓12 V，發(fā)電機不發(fā)電減小發(fā)動機負載，實現(xiàn)策略4控制要求。

由于優(yōu)化啟動與怠速控制等相關(guān)標定參數(shù)涉及到整車的相關(guān)性能，這些性能需要在不同環(huán)境溫度與不同海拔環(huán)境下進行驗證，以確認集成優(yōu)化后的參數(shù)能夠適應(yīng)不同環(huán)境要求；因此，該項工作在整車開發(fā)過程中的三高標定中給予確認完成。

以上協(xié)同優(yōu)化完成后，還需進行節(jié)油效果對比測試和相關(guān)性的驗證。

4 協(xié)同優(yōu)化效果

當各項參數(shù)完成優(yōu)化后，進行節(jié)油效果對比測試，為此，選擇兩輛量產(chǎn)車(車輛關(guān)鍵參數(shù)如表1所示)。為減少車輛對油耗測試結(jié)果產(chǎn)生較大影響，要求試驗車輛經(jīng)過1萬 km充分磨合與保養(yǎng)，同一駕駛員連續(xù)3次油耗試驗結(jié)果誤差不超過3%，油耗測試結(jié)果穩(wěn)定。使用協(xié)同優(yōu)化節(jié)油策略油耗結(jié)果對比與節(jié)油效果如表2所示。

表1 車輛關(guān)鍵參數(shù)

表2 節(jié)油效果對比測試結(jié)果

說明：無協(xié)同策略是指該車采用了4種節(jié)油技術(shù)沒有進行專門協(xié)同優(yōu)化開發(fā)。

通過多次試驗平均值分析計算，第1臺車輛的節(jié)油效果提升2.53%，第2臺車的節(jié)油效果提升1.94%，說明優(yōu)化控制參數(shù)可以取得較好的節(jié)油效果。

圖2和圖3是NEDC循環(huán)中目標電壓與發(fā)動機轉(zhuǎn)速優(yōu)化的結(jié)果。由圖2可知，目標電壓在剛啟動時設(shè)置為12.5 V，持續(xù)30 s；減速過程中，目標電壓14.5 V起到能量回收作用，加速過程中設(shè)置為13.5 V，以減少發(fā)動機負載，起到節(jié)油的作用。圖3表明，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在啟動、起步過程控制合理，沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下跌等異常情況。

圖2 油耗測試過程中目標電壓結(jié)果

圖3 油耗測試過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速結(jié)果

由測試結(jié)果可知，在沒有任何硬件和軟件投入的前提下，使用本文提出的協(xié)同控制策略，通過標定數(shù)據(jù)優(yōu)化，可額外得到2%左右的節(jié)油效果。該方法為整車節(jié)油控制提供了一種新途徑，可進一步推廣應(yīng)用。

5 參數(shù)優(yōu)化對車輛其他性能的影響

上述試驗結(jié)果表明，通過對控制參數(shù)的集成優(yōu)化，可取得進一步的節(jié)油效果。但是，也有可能會對整車排放性能、駕駛性能和動力性能產(chǎn)生影響。為了滿足整車設(shè)計指標要求，在標定完成后，需進行試驗驗證，確保整車性能能夠滿足法規(guī)與設(shè)計指標要求。

5.1 法規(guī)性

GB 18352.5-2013法規(guī)要求整車常溫排放、老化排放和OBD診斷性能必須滿足限值要求，優(yōu)化后驗證各項測試結(jié)果如表3、4、5所示。

表3為使用新車催化器做的常溫排放結(jié)果。兩臺車連續(xù)4次排放結(jié)果均滿足法規(guī)限值×70%的一次性通過指標要求。

表3 新鮮催化器排放測試結(jié)果

數(shù)據(jù)來源：NEDC循環(huán)常溫(25℃)排放試驗結(jié)果，污染物單位為g/km。

表4為使用模擬老化催化器，模擬整車使用16萬km后排放結(jié)果。2臺車連續(xù)4次的排放結(jié)果均滿足法規(guī)限值100%的要求。

表4 老化催化器常溫排放測試結(jié)果

數(shù)據(jù)來源：NEDC循環(huán)常溫(25℃)排放試驗結(jié)果，污染物單位為g/km。

表5為整車OBD演示試驗結(jié)果。演示過程中排放滿足法規(guī)要求，整個排放循環(huán)過程中能夠報出故障碼，符合法規(guī)要求[15-16]。

表5 OBD診斷演示試驗結(jié)果

數(shù)據(jù)來源：OBD診斷演示試驗結(jié)果，污染物單位為g/km。

在OBD 演示試驗中，記錄各診斷參數(shù)的變動情況，結(jié)果表明分母和分子計數(shù)器增加正常，診斷率(In-Use Performance Ratio,IUPR)符合法規(guī)要求。通過以上演示過程及其結(jié)果可知，通過集成優(yōu)化完成后，OBD各項性能滿足法規(guī)要求。

5.2 駕駛性

在優(yōu)化過程中修改發(fā)動機啟動、怠速、起步加速等駕駛性相關(guān)控制參數(shù)，這些參數(shù)會對整車駕駛性產(chǎn)生影響。為了評估這些參數(shù)變化對駕駛性的影響，使用專門開發(fā)的AVL-Drive整車駕駛性客觀評價系統(tǒng)(如圖4所示)對優(yōu)化后整車駕駛性進行客觀評價分析[17]。

AVL-DRIVE系統(tǒng)通過布置在車輛上各種振動、速度、位置等傳感器以及通過Can總線獲取車輛上關(guān)鍵評估參數(shù)。按照規(guī)定的測試工況進行試驗，并將試驗數(shù)據(jù)與評價系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較與分析，最終得出該車型的駕駛性評分。該方法不依靠駕駛員的經(jīng)驗進行評價，是一種基于大數(shù)據(jù)的科學合理駕駛性客觀評價方法。

圖4 AVL-DRIVE評價測試系統(tǒng)[17]

按照評價方法與流程分別對起步、加速、啟動等9個方面進行測試評價，結(jié)果如表6所示。將測試結(jié)果與AVL-Drive數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行比較分析，每個評價工況單項得分按照不同權(quán)重進行加權(quán)計算最終評價得分為7.29分，大于企業(yè)對整車量產(chǎn)上市駕駛性性能指標大于7分的要求。

表6 駕駛客觀評價得分結(jié)果

5.3 起步加速動力性

為了得到更優(yōu)節(jié)油效果，修改ECU怠速和駕駛性控制參數(shù)，這些參數(shù)變化會對整車起步加速動力性產(chǎn)生影響。按照整車動力性測試規(guī)范要求進行30%、50%、70%和全油門開度起步加速試驗，模擬客戶駕駛車輛從0加速至50 km/h的加速過程，并記錄車速和加速時間數(shù)據(jù)，前后對比數(shù)據(jù)如表7所示。結(jié)果表明：修改的標定數(shù)據(jù)對整車起步加速性能產(chǎn)生影響較小，部分油門在5%左右，全油門影響2%。它是以整車犧牲部分動力性換取整車燃油經(jīng)濟性的體現(xiàn)，各項結(jié)果滿足整車動力性的設(shè)計指標要求。

表7 動力性試驗對比結(jié)果

通過對最終標定數(shù)據(jù)試驗驗證，確認常溫排放、老化排放和OBD均滿足國家法規(guī)要求，整車駕駛性和起步加速動力性也滿足整車設(shè)計指標要求。

6 結(jié)論

本文首先研究4種節(jié)油技術(shù)之間相互耦合及影響，并制定整車協(xié)同節(jié)油策略。試驗結(jié)果表明整車協(xié)同節(jié)油策略在NEDC測試循環(huán)可以取得2%節(jié)油效果。由于是量產(chǎn)車型，又針對整車需要達到的各項性能進行評估與試驗。結(jié)果表明：經(jīng)協(xié)同優(yōu)化后，整車相關(guān)性能達到設(shè)計指標要求。

該方法在沒有增加任何硬件與軟件情況下通過集成優(yōu)化關(guān)鍵耦合參數(shù)實現(xiàn)節(jié)油，是所有節(jié)油措施中投資回報率最高的一種方法，現(xiàn)在已推廣至其他產(chǎn)品開發(fā)過程中。