基于4種節油技術的整車協同節油策略與量產應用研究

李衛兵，吳 瓊，吳 哲

(安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，汽車智能網聯技術安徽省重點實驗室， 安徽 合肥 230601)

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

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

1 各節油技術及相互間的耦合

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

自動起停技術通過增加起停功能必備的硬件和安全控制策略，在熱機狀態下實現發動機怠速自動停機與啟動。該項技術在NEDC循環中，可產生3～4%的節油效果，在實際駕駛循環中節油效果更可觀。

開關式水泵與電子節溫器能夠快速實現暖機，自動起停能夠做動的時間會提前，因此需要相互之間協調控制防止出現排放惡化[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。

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

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

以上各節油控制軟件均集成在ECU內，在整車開發過程中，通過對各節油技術控制策略以及發動機啟動、怠速、排放、駕駛性策略結合，制定專門的協同控制策略，才能使各節油技術相互融合，降低整車的油耗。

2 整車協同節油控制策略

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，在分析多次測試數據后，制定整車協同節油控制策略并精細匹配優化參數，進一步提高整車節油效果。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速。采用開關式水泵，發動機冷啟動后，水溫會很快上升。由于發動機水溫上升快，暖機時間更短，發動機暖機過程中消耗燃油更少。通過精確標定發動機進氣量和空燃比降低冷機啟動上沖轉速能夠降低啟動過程中的燃油消耗，實現節油。降低暖機過程中的怠速轉速，減少怠速過程中發動機噴油次數，也起到節油的作用。

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

3)降低發動機自動啟動上沖轉速。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動機轉速拖動至啟動轉速，降低發動機啟動轉速上沖轉速，ECU控制噴油量會減少，起到節油的作用。同時由于啟動過程中噪音與振動會更小，用戶體驗也好。

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

以上協同控制策略均不需要重新開發節油技術與整車控制軟件，僅通過參數協調、集成匹配優化，即可提高整車燃油經濟性。這是一種在整車標定開發過程中值得推廣的方法。

3 協同優化過程

上述協同控制優化與驗證過程的實施流程如圖1所示。

圖1 協同策略標定及驗證過程

ECU基礎標定：在進行協同優化之前，需要完成發動機冷機啟動、暖機啟動、熱機啟動、不同水溫下怠速穩定性標定、開關式水泵與電子節溫器標定、智能發電機目標電壓完成標定、起停功能標定等ECU各項基礎功能與性能標定。

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，節油協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本身進行標定，不涉及油耗相關參數，在多車多次排放結果一致性與穩定性符合要求后，才可開展協同控制策略標定工作[11-14]。

為了得到最優的節油效果，需要進行協同控制優化標定。根據多輛車輛在NEDC循環中冷機啟動參數、暖機過程參數、水溫特性參數、智能發電機發電參數、排放分析儀的數據綜合分析，確定協同策略具體如下：

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

2)將發動機暖機過程中怠速起停使能時間縮短30 s，實現策略2控制要求。

3)通過進氣量和空燃比的協同優化，使自動啟動時，發動機的上沖轉速降低至1 200 r/min，實現策略3控制要求。

4)當蓄電池電量大于80%時，設定冷機啟動30 s以內智能發電機目標電壓12 V，發電機不發電減小發動機負載，實現策略4控制要求。

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

以上協同優化完成后，還需進行節油效果對比測試和相關性的驗證。

4 協同優化效果

當各項參數完成優化后，進行節油效果對比測試，為此，選擇兩輛量產車(車輛關鍵參數如表1所示)。為減少車輛對油耗測試結果產生較大影響，要求試驗車輛經過1萬 km充分磨合與保養，同一駕駛員連續3次油耗試驗結果誤差不超過3%，油耗測試結果穩定。使用協同優化節油策略油耗結果對比與節油效果如表2所示。

表1 車輛關鍵參數

表2 節油效果對比測試結果

說明：無協同策略是指該車采用了4種節油技術沒有進行專門協同優化開發。

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

圖2和圖3是NEDC循環中目標電壓與發動機轉速優化的結果。由圖2可知，目標電壓在剛啟動時設置為12.5 V，持續30 s；減速過程中，目標電壓14.5 V起到能量回收作用，加速過程中設置為13.5 V，以減少發動機負載，起到節油的作用。圖3表明，發動機轉速在啟動、起步過程控制合理，沒有出現轉速下跌等異常情況。

圖2 油耗測試過程中目標電壓結果

圖3 油耗測試過程中發動機轉速結果

由測試結果可知，在沒有任何硬件和軟件投入的前提下，使用本文提出的協同控制策略，通過標定數據優化，可額外得到2%左右的節油效果。該方法為整車節油控制提供了一種新途徑，可進一步推廣應用。

5 參數優化對車輛其他性能的影響

上述試驗結果表明，通過對控制參數的集成優化，可取得進一步的節油效果。但是，也有可能會對整車排放性能、駕駛性能和動力性能產生影響。為了滿足整車設計指標要求，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與設計指標要求。

5.1 法規性

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

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

表3 新鮮催化器排放測試結果

數據來源：NEDC循環常溫(25℃)排放試驗結果，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后排放結果。2臺車連續4次的排放結果均滿足法規限值100%的要求。

表4 老化催化器常溫排放測試結果

數據來源：NEDC循環常溫(25℃)排放試驗結果，污染物單位為g/km。

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

表5 OBD診斷演示試驗結果

數據來源：OBD診斷演示試驗結果，污染物單位為g/km。

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

5.2 駕駛性

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

AVL-DRIVE系統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總線獲取車輛上關鍵評估參數。按照規定的測試工況進行試驗，并將試驗數據與評價系統數據庫中的數據進行比較與分析，最終得出該車型的駕駛性評分。該方法不依靠駕駛員的經驗進行評價，是一種基于大數據的科學合理駕駛性客觀評價方法。

圖4 AVL-DRIVE評價測試系統[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，結果如表6所示。將測試結果與AVL-Drive數據庫中數據進行比較分析，每個評價工況單項得分按照不同權重進行加權計算最終評價得分為7.29分，大于企業對整車量產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果

5.3 起步加速動力性

為了得到更優節油效果，修改ECU怠速和駕駛性控制參數，這些參數變化會對整車起步加速動力性產生影響。按照整車動力性測試規范要求進行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據，前后對比數據如表7所示。結果表明：修改的標定數據對整車起步加速性能產生影響較小，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濟性的體現，各項結果滿足整車動力性的設計指標要求。

表7 動力性試驗對比結果

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

6 結論

本文首先研究4種節油技術之間相互耦合及影響，并制定整車協同節油策略。試驗結果表明整車協同節油策略在NEDC測試循環可以取得2%節油效果。由于是量產車型，又針對整車需要達到的各項性能進行評估與試驗。結果表明：經協同優化后，整車相關性能達到設計指標要求。

該方法在沒有增加任何硬件與軟件情況下通過集成優化關鍵耦合參數實現節油，是所有節油措施中投資回報率最高的一種方法，現在已推廣至其他產品開發過程中。