基于正交試驗的發(fā)動機排溫優(yōu)化

趙海陽

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院, 上海 201804)

隨著能源短缺與環(huán)境污染的壓力愈發(fā)加劇，油耗限值以及排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，這些外部壓力極大地推動著小排量發(fā)動機在車輛上的應(yīng)用。

由于排量小，相同的車輛運行工況下，發(fā)動機需要運行于更大的負荷區(qū)域。此時，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒會產(chǎn)生大量的熱量，在排氣循環(huán)中，這些熱量會隨著發(fā)動機的排氣進入到排氣系統(tǒng)中，越大的負荷代表著越高的排氣溫度[1]。

不同的發(fā)動機硬件對于發(fā)動機排氣溫度有著嚴(yán)格的限制，排溫超過硬件的承受限值要求會導(dǎo)致零部件的損壞，嚴(yán)重的情況下會損壞發(fā)動機。發(fā)動機排氣溫度保護功能是發(fā)動機開發(fā)中的一步重要工作，該功能是通過預(yù)估車輛在各種工況下的排氣溫度，當(dāng)預(yù)估排氣溫度高于設(shè)定的硬件保護溫度時，通過空燃比加濃的方法降低發(fā)動機排溫，對發(fā)動機硬件進行保護。

但空燃比加濃會導(dǎo)致HC、CO等氣體排放物增加，在標(biāo)準(zhǔn)排放測試循環(huán)中，如果出現(xiàn)空燃比加濃的情況，極易導(dǎo)致排放結(jié)果不滿足國家法規(guī)。

某車型搭載1.0 L增壓發(fā)動機在排放測試循環(huán)中就出現(xiàn)了因空燃比加濃導(dǎo)致排放污染物超標(biāo)的問題。本文以該車型為基礎(chǔ)，研究發(fā)動機點火角、發(fā)動機冷卻液溫度、預(yù)估排溫余量等參數(shù)對預(yù)估排溫的影響，通過正交實驗的方法獲取優(yōu)化參數(shù)，解決因空燃比加濃導(dǎo)致的排放問題。

1 排溫保護邏輯

發(fā)動機的排溫保護是通過發(fā)動機電子控制單元(ECM)來執(zhí)行的，排溫保護邏輯如圖1所示，發(fā)動機運行過程中，ECM首先根據(jù)負荷和發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算出排氣溫度，然后根據(jù)環(huán)境溫度、發(fā)動機點火角、進氣溫度、空燃比和斷油等因素對發(fā)動機排溫模型進行修正，并利用相應(yīng)的時間常數(shù)進行濾波，最終得到與實際排溫相符的預(yù)估排氣溫度。一般情況下，排氣溫度隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增加而上升，當(dāng)空燃比小于14.6時，混合氣加濃，排溫溫度隨混合氣加濃而減少，所以當(dāng)計算所得的預(yù)估排溫超過硬件要求的保護限值后，ECM執(zhí)行空燃比加濃用于降低排氣溫度。

圖1 排溫保護邏輯

2 空燃比加濃對排放的影響

當(dāng)發(fā)動機內(nèi)空燃比過濃時，會導(dǎo)致燃燒不完全，CO和HC會增多[2]。本文研究的車型，在標(biāo)準(zhǔn)排放測試循環(huán)時，車輛在100～130 km/h加速過程中預(yù)估排溫超過950 ℃，進入排溫加濃保護，排放結(jié)果顯示，HC影響較少，但 CO污染物排放量急劇增加。如圖2黑色框內(nèi)所示，紅色線為CO排放量。

圖2 空燃比加濃下的CO排放

3 排溫控制的影響因素

3.1 點火角對排溫的影響

一般情況下，在發(fā)動機相同轉(zhuǎn)速和負荷下，點火角提前可以提高燃燒效率，從而減少排氣能量，排氣溫度將隨之降低[3]。但點火角提前過多會增加發(fā)動機爆震的風(fēng)險，所以優(yōu)化點火角需要在爆震允許范圍內(nèi)進行。

在標(biāo)準(zhǔn)排放測試循環(huán)中，本文研究車輛在100～130 km/h加速過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 800～3 200 rpm，扭矩140～160 N·m。為研究點火角對于發(fā)動機排溫的影響 ，在發(fā)動機臺架上選取2 800 rpm、3 000 rpm、3 200 rpm為測試轉(zhuǎn)速，各轉(zhuǎn)速下選取140 N·m、150 N·m、160 N·m為測試扭矩負荷。使用原始ECM數(shù)據(jù)測量排溫后，在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上分別提前發(fā)動機點火角0.75 ℃A、1.5 ℃A、2.25 ℃A、3 ℃A，測試穩(wěn)態(tài)點排溫，統(tǒng)計排溫結(jié)果，計算平均排溫降低值,和發(fā)動機點火角不提前時的排溫做對比，2 800 rpm排溫降低情況如圖3所示，3 000 rpm排溫降低情況如圖4所示，3 200 rpm排溫降低情況如圖5所示。

圖3 2 800 rpm大負荷下點火角對排溫的影響

圖4 3 000 rpm大負荷下點火角對排溫的影響

圖5 3 200 rpm大負荷下點火角對排溫的影響

3.2 冷卻液溫度對排溫的影響

當(dāng)發(fā)動機帶有智能熱管理系統(tǒng)時，可以根據(jù)工況控制冷卻系統(tǒng)的冷卻液流量，從而控制發(fā)動機冷卻液溫度達到目標(biāo)溫度。由于發(fā)動機冷卻水道流經(jīng)排氣門處，所以理論上冷卻液溫度降低時，對于降低排溫有利，但降低冷卻液溫度對于發(fā)動機油耗不利。

為研究冷卻液水溫對發(fā)動機排溫的影響，臺架上選取和3.1相同的工況，控制冷卻液溫度分別在85 ℃、95 ℃、105 ℃，測量發(fā)動機穩(wěn)態(tài)點排溫降低情況,和水溫110 ℃做對比，2 800 rpm排溫降低情況如圖6所示，3 000 rpm排溫降低情況如圖7所示，3 200 rpm排溫降低情況如圖8所示。

圖6 2 800 rpm大負荷下冷卻液溫度對排溫的影響

圖7 3 000 rpm大負荷下冷卻液溫度對排溫的影響

圖8 3 200 rpm大負荷下冷卻液溫度對排溫的影響

3.3 預(yù)估排溫余量

在排溫模型標(biāo)定時，考慮到硬件散差、測量誤差等因素，為確保排溫模型能在所有產(chǎn)品上保護好硬件，預(yù)估排溫都要比實際排溫高，比實際排溫高的部分叫做預(yù)估排溫余量。

當(dāng)減少預(yù)估排溫余量時，在駕駛過程中進入空燃比加濃保護的概率降低，排溫保護功能對硬件的保護能力減弱[4]。

在動態(tài)的排溫模型中，預(yù)估排溫余量可以通過動態(tài)排溫時間常數(shù)來進行修正，該常數(shù)代表不同進氣量下預(yù)估排溫上升一定溫度所需要的時間。在實車上進行測試，大進氣量下動態(tài)排溫時間常數(shù)分別設(shè)置為1 s、2 s、3 s，測試預(yù)估排溫和實際排溫間的差距，測試結(jié)果如表1所示。

表1 動態(tài)排溫時間常數(shù)對預(yù)估排溫的影響

4 正交實驗

點火角、冷卻液溫度、動態(tài)排溫時間常數(shù)對于解決排放循環(huán)中進入加濃的問題都有幫助，但3個因素的更改對發(fā)動機其他性能都有負面影響，所以需要通過正交試驗找到1組設(shè)計參數(shù)滿足以下兩個條件：

1)為確保所有產(chǎn)品預(yù)估排溫小于硬件保護溫度950 ℃，正交試驗中，排放循環(huán)內(nèi)預(yù)估排溫不得超過930 ℃；

2)在滿足條件1)的基礎(chǔ)上，對點火角、冷卻液溫度、動態(tài)排溫時間常數(shù)的更改越小越好。

4.1 正交試驗設(shè)計

將標(biāo)準(zhǔn)排放工況作為試驗工況，將點火角(A)、冷卻液溫度(B)、動態(tài)排溫時間常數(shù)(C)作為3個控制因子，每個控制因子選擇3水平，正交試驗控制因子水平如表2所示。

由于不同車輛間存在硬件散差，每次試驗過程中存在操作誤差，所以將車輛和試驗員合并作為正交試驗過程中的噪音因子，噪音因子設(shè)置為3水平,分別為車輛和駕駛員N1、車輛和駕駛員N2、車輛和駕駛員N3。

表2 正交試驗控制因子水平

根據(jù)控制因子水平數(shù)計算得到該正交試驗的自由度為7，選擇正交試驗表L9，但考慮到L9有交互作用，所以最終選擇為正交試驗表L18。

4.2 正交試驗結(jié)果

根據(jù)正交試驗設(shè)計安排，完成試驗，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)排放工況下的預(yù)估排溫值，正交試驗結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗結(jié)果

根據(jù)正交試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)有9種組合都滿足預(yù)估排溫均值小于930 ℃?？紤]負面影響中動態(tài)排溫常數(shù)影響發(fā)動機硬件保護，點火角影響爆震，冷卻液溫度影響油耗，最終考慮優(yōu)先更改冷卻液水溫，其次更改點火角，最后更改動態(tài)排溫時間常數(shù)，根據(jù)這一原則，最終選擇的方案為A2,B2,C3(時間常數(shù)2 s，點火角提前1.5 ℃A，冷卻液水溫選擇85 ℃)。

由于方案中更改內(nèi)容都有負面影響，需要對負面影響進行評估，用于確認方案是否可行，在實際的車輛使用中，分別對爆震、油耗、實際排溫進行檢查[5]，檢查結(jié)果顯示該方案可行，檢查結(jié)果如下：

1)在測試過程中，爆震主動退角均小于3 ℃A，并且無明顯爆震聲音發(fā)生。

2)油耗測試顯示，油耗影響小于0.1 L，油耗結(jié)果仍然滿足開發(fā)要求。

3)測試循環(huán)中，實際排溫未出現(xiàn)超過950 ℃的情況，排溫保護滿足要求。

5 驗證

為了驗證方案的有效性，需要在更多的樣本車輛上進行多次試驗，通過統(tǒng)計結(jié)果來確認方案是否有效，預(yù)估排溫統(tǒng)計結(jié)果見圖9，測試結(jié)果顯示，預(yù)估排溫均小于950 ℃，排放循環(huán)中未出現(xiàn)因排溫保護進入空燃比加濃的情況。

圖9 發(fā)動機預(yù)估排溫統(tǒng)計

6 結(jié) 論

1)研究了點火角、冷卻液溫度、動態(tài)排溫時間常數(shù)對排溫的影響，3個因素通過調(diào)整都可以降低發(fā)動機預(yù)估排溫，其中，動態(tài)排溫時間常數(shù)效果最好，冷卻液溫度效果最小。

2)通過正交試驗的方法，可以得到優(yōu)化排溫的方案，數(shù)據(jù)顯示使用優(yōu)化參數(shù)后，正交試驗中預(yù)估排溫不超過930 ℃。

3)方案在不同車輛上驗證，預(yù)估排溫?zé)o超過950 ℃情況，解決了排放循環(huán)中出現(xiàn)由于排溫保護進入空燃比加濃的問題。