基于電控集成智能控制的柴油機(jī)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(jiān)

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

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基于電控集成智能控制的柴油機(jī)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(jiān)1

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

為了進(jìn)一步降低商用車的燃油消耗和CO2排放，開展基于發(fā)動機(jī)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(jī)為研究對象，以發(fā)動機(jī)水溫為反饋，對發(fā)動機(jī)水泵、節(jié)溫器等電控冷卻系統(tǒng)零部件進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)升溫以及正常行駛中發(fā)動機(jī)水溫恒定在最佳溫度，并通過優(yōu)化VGT，改善燃燒過程。試驗(yàn)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(yīng)的最優(yōu)冷卻水溫附近，基于發(fā)動機(jī)工況需求的電控集成優(yōu)化控制可以降低柴油機(jī)油耗3.51%，充分驗(yàn)證了智能控制方案的可行性和有效性。

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

柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由水泵、節(jié)溫器、風(fēng)扇、散熱器等組成，其中，水泵、節(jié)溫器、風(fēng)扇等零部件的現(xiàn)有技術(shù)方案均為機(jī)械控制式結(jié)構(gòu)，其性能參數(shù)在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)固定，不能根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際工況和環(huán)境狀態(tài)對冷卻系統(tǒng)溫度進(jìn)行精確控制，由此造成柴油機(jī)冷卻溫度過高或過低，對柴油機(jī)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(jī)研究的重點(diǎn)，內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jī)集成智能控制技術(shù)是提高發(fā)動機(jī)熱效率和節(jié)能減排的重要技術(shù)，把先進(jìn)燃燒技術(shù)與控制技術(shù)緊密結(jié)合，通過控制發(fā)動機(jī)的可變附件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)燃燒過程保持最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。

本研究以某4缸柴油機(jī)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(jī)集成了電控節(jié)溫器、電子水泵、VGT及控制器?；诎l(fā)動機(jī)工況控制智能熱管理系統(tǒng)和VGT協(xié)同工作，對發(fā)動機(jī)節(jié)能減排進(jìn)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(jì)性

在原車配置下，針對典型城際路況進(jìn)行道路試驗(yàn)，記錄整個(gè)試驗(yàn)過程中各種車速下的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出柴油機(jī)的典型運(yùn)行工況。發(fā)動機(jī)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(jìn)行整車路譜分析時(shí)，主要利用GPS調(diào)查不同路況下的行駛狀況，記錄了汽車實(shí)際道路行駛瞬時(shí)速度、發(fā)動機(jī)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(yīng)用到CRUISE整車模擬計(jì)算中，滿足個(gè)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(jì)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(jì)性分析

1.2 整車路譜的發(fā)動機(jī)工況

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

圖1 發(fā)動機(jī)基本運(yùn)行工況

圖2 柴油機(jī)運(yùn)行工況按時(shí)間出現(xiàn)的分布統(tǒng)計(jì)

2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方案

由于試驗(yàn)條件所限，基本思路是通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)獲得整車模擬的關(guān)鍵試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并把優(yōu)化數(shù)據(jù)輸入到Cruise軟件建模中進(jìn)行整車駕駛模擬。與基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)相比，本研究主要在1臺滿足國Ⅴ排放的柴油機(jī)上進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)冷卻系統(tǒng)工作在最佳溫度壓力點(diǎn)，并在發(fā)動機(jī)起動后迅速達(dá)到理想的溫度附近，另一方面通過VGT優(yōu)化進(jìn)氣，改善燃燒，提高發(fā)動機(jī)熱效率，改善油耗。

圖3 集成方案

2.2 試驗(yàn)裝置

在原發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，把原來的機(jī)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(dú)立水箱和電子風(fēng)扇，整個(gè)試驗(yàn)裝置實(shí)物見圖4，主要試驗(yàn)設(shè)備見表5。

圖4 試驗(yàn)裝置

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

3 試驗(yàn)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(shí)間工作在高效區(qū)域，獲得良好動力性及經(jīng)濟(jì)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(biāo)定空燃比、增壓壓力PID控制參數(shù)、VGT預(yù)置開度、VGT閥限位器等，進(jìn)行了試驗(yàn)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(jī)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(diǎn)，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(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 200 r/min時(shí)，采用VGT的燃油消耗率與原機(jī)相比大幅度下降，在1 500 r/min時(shí)，原機(jī)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(jī)的定速加載響應(yīng)時(shí)間有所改善，在1 000 r/min定速加載中響應(yīng)時(shí)間由原來的3.1 s降低到2.2 s，降幅達(dá)29%。主要原因是：低速時(shí)，減小VGT開度，增加進(jìn)入氣缸的氧氣，高速時(shí)，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(dá)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(jī)的瞬態(tài)性能和燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)快速升溫；當(dāng)發(fā)動機(jī)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(jī)出水溫度穩(wěn)定在目標(biāo)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(jī)出水溫度快速從35 ℃上升到80 ℃，時(shí)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。可以看出，在整個(gè)WHTC循環(huán)實(shí)現(xiàn)了冷卻能力隨發(fā)動機(jī)的散熱需要而自動調(diào)節(jié), 使發(fā)動機(jī)長期處于最佳溫度狀態(tài)。

3.3 對發(fā)動機(jī)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(fù)荷(≥40%)時(shí)發(fā)動機(jī)水溫對油耗影響較大，90 ℃相對于60 ℃燃油消耗降低達(dá)3%；小負(fù)荷(<40%)時(shí)出水溫度對燃油消耗影響不明顯。

圖8 發(fā)動機(jī)出水溫度對燃油消耗的影響

在低轉(zhuǎn)速點(diǎn)(900 r/min)，發(fā)動機(jī)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(yàn)分別測試了原機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于原機(jī)。

3.4 整車路譜的動力性和經(jīng)濟(jì)性分析

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

表6 整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性

從表6可以看出，通過對發(fā)動機(jī)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(dá)3.5%。

4 結(jié)束語

基于發(fā)動機(jī)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(jī)熱管理，使發(fā)動機(jī)起動后水溫迅速上升至目標(biāo)溫度附近，減少了暖機(jī)時(shí)間(170 s)。隨發(fā)動機(jī)的散熱需要可自動精確調(diào)節(jié)出水溫度, 使發(fā)動機(jī)長期處于最佳工作狀態(tài), 降低了發(fā)動機(jī)的傳熱損失和機(jī)械損失, 獲得較為明顯的節(jié)油效果，降低燃油消耗達(dá)3.51%。

[1] 紀(jì)光霧.發(fā)動機(jī)冷卻溫度控制的精確研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),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(jī)電控冷卻系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī),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(jī)經(jīng)濟(jì)性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)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(jī)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