GDI发动机电子水泵控制系统设计

韩晓峰 韩俊 张士路 赵强 黄伟

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心）

GDI发动机电子水泵控制系统设计

韩晓峰 韩俊 张士路 赵强 黄伟

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心）

以某1.5 L缸内直喷涡轮增压发动机为研究对象，分析其冷却系统结构，提出一种电子水泵的控制系统并基于整车环境设计其控制策略，最后进行标定和验证试验。结果表明，所提出的控制策略可以满足该发动机搭载的电子水泵在不同运行工况下准确、及时工作的要求，同时能够满足冷却增压后气体温度和增压器的要求，因此该控制策略可行。

1 前言

为了满足越来越严格的排放和油耗法规要求，许多先进技术已应用到汽油发动机中，其中增压中冷+缸内直喷（GDI）是当前与未来小型化、降低油耗和CO2排放量最为主流的核心技术路线之一[1]。涡轮增压结合缸内直喷可以有效提升发动机的瞬态扭矩响应，改善传统增压技术的响应延迟，且由于直喷吸热使得缸内温度降低，充气系数提高2%～3%，爆震倾向降低使压缩比提高1～2，从而可获得燃油经济性和排放的大幅改善，在节能和减排方面表现出明显优势[2,3]。但同时，由于其小型化加上GDI带来的热负荷较一般发动机高，采用常规的发动机水冷冷却或者空气冷却增压气体温度都无法满足GDI发动机对进气温度控制的要求[4,5]。现有的解决方式是采用单独的冷却水系统，由电子水泵带动水循环，对增压后的气体进行冷却，但针对电子水泵控制的核心技术都被大众等跨国公司所掌握。

本文以瑞风S5搭载自主研发的1.5 L GDI增压发动机为研究对象，搭建电子水泵控制系统，并对电子水泵的控制策略进行设计研究。

2 控制系统设计

2.1 冷却系统结构

该1.5 L GDI增压发动机冷却系统采用两路单独循环水路，一路由皮带驱动的水泵带动冷却水循环，带走缸孔和燃烧室周围产生的多余热量；另一路由电子水泵带动冷却水循环，带走增压后的气体和增压器本身的热量。冷却系统具体结构如图1所示。其中，冷却增压后气体温度和增压器的水路由电子水泵、增压中冷器、中冷散热器和冷却水管组成。

2.2 控制系统设计

电子水泵控制目的是确保增压后的气体温度在合理范围内，防止爆震，并维持发动机最大的性能要求，同时保护增压器的温度不会超过其限值要求，达到保护增压器的目的。依据上述目的，并结合现有冷却系统结构设计电子水泵控制系统，如图2所示。发动机控制模块（ECM）依据当前发动机工作状态将通过预先标定获得的电子水泵泵速发送给电子水泵，同时电子水泵将相应的工作状态发送给ECM，以便ECM对电子水泵工作状态进行判断；一旦电子水泵出现故障，ECM采取相应措施，从而避免因电子水泵出现故障而导致其它问题的发生。

3 控制策略设计

依据电子水泵的控制目的将其控制策略设计分为两部分：增压气体温度冷却电子水泵控制和增压器温度冷却电子水泵控制。

3.1 增压气体温度冷却电子水泵控制

影响电子水泵控制的因素主要有中冷后气体温度目标设定和增压中冷散热器散热能力。

3.1.1 中冷后气体温度目标值的设定

控制电子水泵泵速的主要目的之一是将中冷后气体的温度控制在目标温度之下。因此，确定中冷后气体的目标温度为首要任务。在发动机台架上，在不同转速、不同负荷下，对进气温度进行调整，确定发动机发生爆震的临界进气温度点，在此基础上再以发挥发动机最大性能为依据，确定最终的中冷后气体温度的目标值。具体结果如图3所示。根据图3结果，按照负荷划分3个区域，A为低负荷区域，进气温度与压气机出口温度（环境温度）相当，此时要求电子水泵不运转；B为中负荷区域，增压器介入工作，增压后气体温度明显增加，此时要求电子水泵根据中冷后气体目标温度设定值进行不同转速调节，以达到冷却效果；C为高负荷区域，为了确保中冷后气体温度在目标设定值以内，要求电子水泵泵轮全负荷运转。

3.1.2 增压中冷散热器散热能力

电子水泵带动水循环，流经增压中冷散热器进行散热，因此增压中冷散热器散热能力的好坏影响冷却效果。散热器的散热能力除了自身的设计外，还与车速、环境温度、泵速有关。在环境舱中，以车速、泵速和环境温度对散热器冷却效果的影响进行试验研究，得出散热器冷却效果与环境温度之间有一个确定的传热系数，其为车速的函数，如图4所示；散热器冷却效果与冷却水水温之间也有一个确定的传热系数，其为泵速的函数，如图5所示。

根据以上两个传热系数，计算散热器出水口温度的公式如式（1）所示。在环境舱中，通过预先安装的温度传感器（如散热器进水口温度传感器等），同时模拟不同的环境温度、车速和泵速，并通过式（1）可以计算出散热器出水口温度，将相应结果存贮在ECU中，可以解决该系统中没有安装散热器出水口温度传感器的问题。

式中，Trad-in为散热器进水口水温；Δ为散热器进水口水温与环境温度差值；Cof1为车速的传热系数；Cof2为泵速的传热系数。

3.1.3 增压气体温度冷却电子水泵控制策略

增压气体温度冷却电子水泵控制策略如图6所示。基本思路：通过发动机负荷和发动机转速确定负荷区域；通过确定的负荷区域和环境温度确定中冷后气体的目标温度；通过中冷后气体的目标温度和散热器出水口温度，确定基本泵速；同时，将中冷后目标温度与实际测量的温度进行比较，通过PID控制得到一个泵速修正；最终泵速由基本泵速和修正泵速两部分构成。其中，散热器出水口温度通过公式（1）计算得到。

3.2 增压器温度冷却电子水泵控制

根据发动机运行状态，将增压器温度冷却电子水泵控制分为发动机运行状态下控制和发动机停机状态下控制。

3.2.1 发动机运行状态

发动机运行状态下冷却增压器的电子水泵最小目标转速的控制要能够保证增压器温度不超过限值要求。在环境舱中，在同一环境温度下，控制不同的水泵泵速，使得增压器的温度在其限值内，得出电子水泵泵速与增压器温度成比例关系，如图7所示。由此，以增压器温度作为参考点，以x轴为增压器的预估温度，y轴为电子水泵泵速，在软件中设计二维查询表格用来放置基于冷却增压器温度的电子水泵泵速，其中增压器预估温度是根据发动机在不同运行状态下利用现有软件中的计算模型得出。

3.2.2 发动机停机状态

发动机停机状态下电子水泵运行的主要目的是冷却增压器，防止增压器物理损坏，如避免停机后因温度过高而使得机油结焦进而损坏增压器的现象。此时，电子水泵的泵速设定主要与环境温度、增压器的温度以及运行时间长短有关。由此，以环境温度和增压器温度作为参考点，在软件中设计一个放置停机后电子水泵运行时间的二维查询表格。另外，再以运行时间为参考点来放置电子水泵的泵速。

3.2.3 增压器温度冷却电子水泵控制策略

该状态下具体的控制策略如图8所示。其基本思路为首先判断发动机运行状态，然后根据不同运行状态设定不同的泵速。如发动机运行状态下，根据增压器温度确定电子水泵泵速；发动机停止状态下，先根据环境温度和增压器温度，确定运行时间，然后根据运行时间确定电子水泵泵速。

4 试验验证

以搭载1.5 L GDI发动机的整车为试验验证对象，验证发动机运行状态和停机状态下按所设计的控制策略控制电子水泵能否及时有效的将增压气体温度控制在目标温度范围内，以及能否保护增压器温度不超出限值要求。其中，中冷后气体温度可以通过传感器得到；按照增压器设计指标要求，在其关键位置点安装温度传感器，通过实际测量的温度值与设计指标进行对比，判断其是否满足要求，进而完成增压器保护的验证。试验安排在环境舱中，环境温度设定为30℃，按照NEDC循环进行试验，试验结果如图9和图10所示，其中T1、T2、T3为安装在增压器关键位置的温度传感器测量值。

由图9可以看出，不同发动机运行工况下，电子水泵能够及时有效控制中冷后气体的温度。由图10可以看出，发动机停机后，电子水泵运转能够控制增压器关键位置点温度在设计指标范围内。

另外，同时对该控制系统进行环境适应性试验，地域范围覆盖新疆、云南、海南、重庆、黑龙江等区域，时间包括夏季和冬季，验证结果都能够满足设计要求，进一步验证了该控制系统的可行性。

5 结束语

基于GDI发动机的冷却系统，提出了自主设计的电子水泵控制策略，实现了电子水泵的精确控制，能够满足冷却中冷后气体温度和增压器的要求。环境舱NEDC循环试验和各种环境下的实车试验验证了所提出控制策略的可行性。

1 Kluting M,Missy S,Schwarz C.Turbocharging of a sprayguide gasoline direct injection combustion system a good fit.SAE Paper,2005,5412～5416.

2 Alain Ranini,Gaetan Monnier.Turbocharging a gasoline di⁃rect injection engine.SAE Paper,2001,736～748.

3 Bertrand Lecointe,GaetanMonnier.Downsizing a gasoline engine using turbocharge with direct injection.SAE Paper, 2003,542～548.

4 Zhao F,Lai MC,Harrington DL.Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines.Progress in Energy and Combustion Science，1999,437～562.

5 陈红.汽油机废气涡轮增压技术的研究及发展前景.内燃机，2008，1～3.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2015年8月1日。

从图6中可以看出，转向护罩区域没有光源，因此可以判断该组合仪表透明罩不会产生炫目。

从图5和图6对比可以看出，基于光路可逆原理的炫目校核方法，避免了对来自各个方向的入射光线进行校核，更加简洁高效。在此基础上，根据校核结果制作完成组合仪表样件，并进行了装车主观评价，无组合仪表透明罩炫目问题，与校核情况相符。

5 结束语

a.本文中提到的驾驶员眼椭圆区域（光线进入该区域视为炫目），通常是指第95百分位的眼椭圆，但也有企业定义为第95百分位眼椭圆向外偏移（Offset）一定距离（如40 mm）或第99百分位的眼椭圆。但这不影响光路可逆原理在组合仪表透明罩眩目校核中的使用。

b.由于组合仪表造型及结构设计等方面的原因，组合仪表透明罩的炫目问题往往难以完全避免。对于校核存在的炫目，可以根据炫目情况严重程度，在炫目、造型及结构设计之间做出协调。而本文为叙述方便，简单处理为只要存在炫目就视为不合格。

c.本文提出的基于光路可逆原理的组合仪表透明罩炫目校核方法，同样适用于汽车驾驶室其它部件（如轿车中普遍使用的DVD显示屏）的炫目校核。

参考文献

1 徐沣.汽车内部环境反射.上海汽车,2012（4）.

2 张锡坤,朱俊.光的可逆性原理的一个应用.物理与工程, 2001，（11）6.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2015年8月1日。

Electronic Pump Control System Design of GDI Engine

Han Xiaofeng,Han Jun,Zhang Shilu,Zhao Qiang,Huang Wei
（Technical Center of JAC）

By studying a 1.5 L turbocharged gasoline direct injection engine and analyzing its cooling system structure,this paper presents an electronic water pump control system and designs the control strategy based on the vehicle environment.Afterwards,the calibration and test verification are carried out.Experiment results show that the control strategy design presented in the paper can help the electronic water pump work accurately and timely under different engine working conditions,meanwhile,it can meet the requirement of cooled and pressurized gas temperature and turbocharger,proving feasibility of this control strategy.

Direct injection engine，Electronic pump，Control strategy

缸内直喷发动机 电子水泵 控制策略

U464.238

A

1000-3703（2015）09-0032-04