基于电控集成智能控制的柴油机降油耗技术研究

梁郑岳， 杨剑， 潘斯宁， 刘易， 康兴裕， 朱荣， 田淋瑕， 陈中柱， 班智博， 张松， 林铁坚

(1. 广西玉柴机器股份有限公司工程研究院， 广西 玉林 537005；2. 中国科学院力学研究所， 北京 100190)



基于电控集成智能控制的柴油机降油耗技术研究

梁郑岳1， 杨剑1， 潘斯宁2， 刘易1， 康兴裕1， 朱荣1， 田淋瑕1， 陈中柱1， 班智博1， 张松1， 林铁坚1

(1. 广西玉柴机器股份有限公司工程研究院， 广西 玉林 537005；2. 中国科学院力学研究所， 北京 100190)

为了进一步降低商用车的燃油消耗和CO2排放，开展基于发动机工况需求的电控集成优化控制研究。以某直列4缸电控共轨柴油机为研究对象，以发动机水温为反馈，对发动机水泵、节温器等电控冷却系统零部件进行综合调节，实现快速暖机升温以及正常行驶中发动机水温恒定在最佳温度，并通过优化VGT，改善燃烧过程。试验结果表明，采用智能控制系统可将冷却水温控制在各工况所对应的最优冷却水温附近，基于发动机工况需求的电控集成优化控制可以降低柴油机油耗3.51%，充分验证了智能控制方案的可行性和有效性。

燃油消耗； 发动机热管理； 冷却系统； 集成控制； 可变截面涡轮增压器

柴油机冷却系统主要由水泵、节温器、风扇、散热器等组成，其中，水泵、节温器、风扇等零部件的现有技术方案均为机械控制式结构，其性能参数在设计阶段已经固定，不能根据柴油机的实际工况和环境状态对冷却系统温度进行精确控制，由此造成柴油机冷却温度过高或过低，对柴油机的工作寿命、燃油消耗和排放均造成不利的影响[1-3]。近年来，降低燃油消耗和废气排放成为乘用车和商用车发动机研究的重点，内燃机热管理以及冷却系统的高效低功耗化日渐得到重视，优化冷却系统中的部件，特别是电子水泵，能直接减少驱动功率，并自动调节发动机的损失，在降低废气排放和节油方面能获得明显的效果[4-5]。

采用发动机集成智能控制技术是提高发动机热效率和节能减排的重要技术，把先进燃烧技术与控制技术紧密结合，通过控制发动机的可变附件系统，实现发动机燃烧过程保持最优的运行状态。

本研究以某4缸柴油机为研究对象，研究VGT改善燃烧和电动附件系统集成优化降附件功控制工作。发动机集成了电控节温器、电子水泵、VGT及控制器。基于发动机工况控制智能热管理系统和VGT协同工作，对发动机节能减排进一步发展有十分重要的意义。

1 路谱分析

1.1 整车路谱的动力性和经济性

在原车配置下，针对典型城际路况进行道路试验，记录整个试验过程中各种车速下的柴油机转速和扭矩，并对试验数据进行处理和分析，得出柴油机的典型运行工况。发动机基本参数见表1，整车基本参数见表2。

表2 整车主要基本参数

在进行整车路谱分析时，主要利用GPS调查不同路况下的行驶状况，记录了汽车实际道路行驶瞬时速度、发动机转速等数据，根据这些数据分析不同道路下汽车行驶工况对油耗的影响。提炼出片断路谱信息，应用到CRUISE整车模拟计算中，满足个性化的动力总成匹配要求。整车动力性结果分析见表3，经济性结果分析见表4。

表3 整车动力性结果

表4 整车经济性分析

1.2 整车路谱的发动机工况

基于上述整车路谱，对发动机基本工况进行分析。图1示出柴油机运行工况散点图，图2示出柴油机运行工况按时间出现的分布图。从这两个图可以看出，发动机的运行工况主要集中在转速1 700～2 500 r/min的中低负荷区，这部分工况占据85%左右，发动机运行区域的低转速低负荷占比12%。因此要提高城际高速客车用柴油机的经济性，匹配优化应该集中在中低负荷上，尤其是发动机转速1 700～2 500 r/min区域。

图1 发动机基本运行工况

图2 柴油机运行工况按时间出现的分布统计

2 试验装置和试验方法

2.1 试验方案

由于试验条件所限，基本思路是通过发动机台架试验获得整车模拟的关键试验基础数据，并把优化数据输入到Cruise软件建模中进行整车驾驶模拟。与基础发动机相比，本研究主要在1台满足国Ⅴ排放的柴油机上进行，完成VGT匹配改善燃烧方案和电动附件系统集成(见图3)优化降附件功控制工作。发动机集成了电控节温器、电子水泵、VGT及控制器，通过控制策略基于发动机工况控制智能热管理系统和VGT协同工作，一方面使发动机冷却系统工作在最佳温度压力点，并在发动机起动后迅速达到理想的温度附近，另一方面通过VGT优化进气，改善燃烧，提高发动机热效率，改善油耗。

图3 集成方案

2.2 试验装置

在原发动机基础上，把原来的机械水泵、蜡式节温器、WG增压器分别改为电子水泵、电控节温器、VGT，外接从整车上拆下的独立水箱和电子风扇，整个试验装置实物见图4，主要试验设备见表5。

图4 试验装置

名称型号参数测功机INDYS50-4/3001-1BS-10～3000N·m气体分析仪AMAI60NOx量程0～10000×10-6进气流量计ABB14243-1110010～4000kg/h烟度计AVL415S0～10FSN

3 试验结果和分析

3.1 VGT性能的影响

VGT根据排气流通特性合理改变涡轮喷嘴的流通截面积，使增压器长时间工作在高效区域，获得良好动力性及经济性，有效解决传统涡轮增压器无法兼顾全工况的难题。

通过优化标定空燃比、增压压力PID控制参数、VGT预置开度、VGT阀限位器等，进行了试验测试，测试结果见图5和图6。

图5 两种增压器外特性燃油消耗率对比

图6 两种增压器发动机定速加载对比

从图5可以看出，几乎在全部的外特性工况点，采用VGT增压器比采用旁通阀增压器的燃油消耗率低，特别是当发动机转速高于1 200 r/min时，采用VGT的燃油消耗率与原机相比大幅度下降，在1 500 r/min时，原机最低燃油消耗率为201.93 g/(kW·h)，采用VGT的外特性最低燃油消耗率196 g/(kW·h)，降低约3%。从图6可以看出，发动机的定速加载响应时间有所改善，在1 000 r/min定速加载中响应时间由原来的3.1 s降低到2.2 s，降幅达29%。主要原因是：低速时，减小VGT开度，增加进入气缸的氧气，高速时，与旁通阀增压器相比，VGT可以利用放气排出的废气驱动涡轮，使达到同样增压压力所需的涡轮前压力降低，减少泵气损失，因此提高了发动机的瞬态性能和燃油经济性。

3.2 对出水温度的控制

改装后通过电子节温器和电子水泵的联合控制，发动机的冷态WHTC测试循环中出水温度的变化情况见图7。

图7 WHTC循环发动机出水温度的变化

根据工况需求和小功率附件优先控制原则进行控制：在最佳出水温度之前，关闭节温器，控制电子水泵的转速和流量，使发动机快速升温；当发动机温度在最佳出水温度附近，联合控制电子水泵和节温器，使发动机出水温度稳定在目标水温。从图7可以看出，通过电子水泵和电子节温器的联合控制，发动机出水温度快速从35 ℃上升到80 ℃，时间相比改装前加快170 s，最终稳定在(83±2) ℃，水温得到了很好的控制。可以看出，在整个WHTC循环实现了冷却能力随发动机的散热需要而自动调节, 使发动机长期处于最佳温度状态。

3.3 对发动机燃油消耗的影响

出水温度对燃油消耗的影响见图8。从图8可以看出，中高负荷(≥40%)时发动机水温对油耗影响较大，90 ℃相对于60 ℃燃油消耗降低达3%；小负荷(<40%)时出水温度对燃油消耗影响不明显。

图8 发动机出水温度对燃油消耗的影响

在低转速点(900 r/min)，发动机水温对燃油消耗影响显著，90 ℃相对于60 ℃燃油消耗最高降低6%。

试验分别测试了原机和改装优化后方案的万有特性，测试结果见图9。

图9 改装前后发动机燃油消耗率万有特性对比

从图9可以看出，通过VGT改善燃烧、降低水泵耗功(由机械水泵耗功的1 kW降低到400 W)、联合优化控制电子水泵和电子节温器，使发动机工作在最佳温度状态，根据图9万有特性对比，发现优化后发动机的稳态性能优于原机。

3.4 整车路谱的动力性和经济性分析

利用试验数据在CRUISE中进行性能模拟计算，并输出给定路谱油耗结果。由于采用的是模型计算，其整车阻力只能作为参考，内置程序默认整车是按路谱来运行，但工作不粗暴，而是适度平滑，计算结果见表6。

表6 整车的动力性和经济性

从表6可以看出，通过对发动机优化，在控制整车动力性基本一致的情况下，相同路谱的整车100 km燃油消耗由原车的17.94 L下降到17.31 L，降幅达3.5%。

4 结束语

基于发动机工况需求的电控集成优化控制可以改善燃烧，优化发动机热管理，使发动机起动后水温迅速上升至目标温度附近，减少了暖机时间(170 s)。随发动机的散热需要可自动精确调节出水温度, 使发动机长期处于最佳工作状态, 降低了发动机的传热损失和机械损失, 获得较为明显的节油效果，降低燃油消耗达3.51%。

[1] 纪光雾.发动机冷却温度控制的精确研究[D].南京:南京林业大学,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，吴海荣，等.汽车发动机电控冷却系统的实验研究[J].内燃机,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] 杨帅.冷却介质温度对柴油发动机经济性影响的实验研究[J].实验技术与管理,2016,33(7):55-70.

[编辑: 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

梁郑岳(1982—)，男，工程师，主要从事柴油机燃烧开发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