应用温控系统汽车发动机各工况最佳温度分析

沙 印，刘鹏厚

（1.江阴职业技术学院，江苏 江阴 214400；2.青岛工学院机电工程学院，山东 青岛 266300）

1 引言

发动机在适宜的温度下工作，才能充分发挥其效率且可以减缓水垢的形成，有效防止机件过热而缩短发动机的寿命，并提高发动机的动力性和燃油经济性。催化转化器要达到一定的温度才能起到催化转化作用，故在发动机起动前适当升高其温度有利于减少HC的排放[1]。此外，为避免偏低的冷却水温度，可减少散热损失，提高整机的动力性和经济性。其直接影响到发动机及整车的经济性、动力性、排放性及驾驶性。因此，对不同工况下发动机的最佳工作温度进行研究，具有重要意义。

国内外学者开展一定研究：文献[2]采用发动机试验台，获取最大扭矩工况，不同环境温度的对油耗的影响；文献[3]采用一维发动机模型，获取油门开度变化，对发动机温度和输出扭矩的影响规律；文献[4]采用试验仿真相结合方式，获取冷却液进口温度变化，对发动机油耗和输出特性的影响规律；文献[5]采用发动机热管理模型，分析冷却系统参数设置对发动机效率的影响规律。

针对发动机温度控制单元ECU分析的基础上，对发动机模型和温控系统进行研究，建立控制系统模型；搭建发动机性能测控系统试验台，根据温度控制系统模型设置参数采集点，对怠速工况和部分负荷工况发动机的最佳工作温度进行测试；通过调整油门开度、发动机转速等，获取5 个工况点的油耗、扭矩及排放参数，最终获取不同工况下基于动力性及经济性的最佳工作温度点。

2 发动机温度控制单元ECU

2.1 控制系统结构

作为发动机温度控制模块，主要有三大部分构成，温度测试单元的传感器，调整控制温度的执行单元，以及整个系统的核心ECU模块。整个系统需要采集各部分的温度参数，包括冷却散热系统和进排放系统，采集到的信号转换为可被ECU读取的电信号，通过算法设置的控温范围，发出动作信号，调整执行机构的动作[6−7]。同时具有故障诊断工作，当温度过高，发出故障信号或停止运行。整个系统结构，如图1所示。

图1 发动机可控式冷却系统Fig.1 Engine Controllable Cooling System

整个控制系统的信号来源为冷却系统和排放系统，主要通过布置传感器进行温度采集，前者可以布置在发动机缸体、冷却液进出口及节温器等位置处，后者布置在进气歧管位置[8]，各自的电路图，如图2所示。

图2 传感器控制电路Fig.2 Sensor Control Circuit

2.2 控制系统模型

2.2.1 发动机模型

发动机运行包括怠速工况、负荷工况[9]。怠速工况的燃油消耗量为：

式中：Gi—怠速时小时燃油消耗量；tw—怠速时间。

加速运行时的燃油消耗量为：

式中：gei—发动机燃油消耗率；Pi—发动机功率。

匀速运行时，燃油消耗量为：

式中：gei—某转速下的燃油消耗率。

发动机主要作为动力输出机构，不同的油门，则输出不同的扭矩和转速，将曲线拟合为转速的二次曲线，可写作：

式中：Te—输出转矩，N·m；Qe—油耗，kg/h；ne—转速，r/min；at、bt、ct—扭矩待拟合系数；aq、bq、cq—油耗待拟合系数。

2.2.2 控制系统模型

整个控制系统采集温度信号，而执行机构是发动机的油门，电信号最终转变为动作信号[10]，整个过程的能量传递框图，如图3所示。

图3 控制系统框图Fig.3 Control System Block Diagram

该系统比较环节的数学模型为：

在系统中采用增量式PID 控制器，其控制算法为：

式中：Δu（k）=u（k）−u（k−1）；kp、ki、kd—常数。

系统采用它激式直流电动机，电机的传递函数方程为：

式中：Ce—电势常数；Td—电磁时间常数；Tm—机电时间常数。

系统选用蜗轮蜗杆减速机构[11−12]，其传递函数为：

式中：k2—比例常数。控制系统的传递函数可写作：

3 发动机最佳温度确定

3.1 发动机性能测控系统试验台

根据发动机温控系统ECU的原理图，搭建如图4所示的试验测控系统，数据采集采用LMS SCADAS系统，如图4所示。本系统发动机为QSL19，最大功率272 kW（2100rpm），最大扭矩/转速1500Nm（1500rpm）。以发动机为实验对象，采用FC2000发动机自动测控系统及FLA−502 尾气分析仪获取不同工况的最佳温度。为便于参数采集，根据控制系统模型，搭建系统框图，设置关键参数采集点。

图4 发动机性能测试系统Fig.4 Engine Performance Test System

3.2 怠速工况分析

通过比较不同怠速工作温度下的发动机性能，寻找怠速工况下的最佳温度点[13]。

在正常20℃、45%湿度的环境工况下，发动机正常运行后，调节速度在850rpm的怠速工况下，获取85℃、87℃、91℃、93℃、95℃和97℃等温度点的油耗，不同温度点获取20 组参数，求取平均值，则可得不同温度点的油耗，如表1所示。

表1 平均耗油量与温度的关系Tab.1 Relationship between Average Fuel Consumption and Temperature

表中结果可知，93℃时，油耗值的均值为0.633kg/h，为各个点的最小值，表明发动机此时的燃油经济性最高。

测试油耗的时候，对排放物浓度进行测试，主要获取碳氢、碳氧及碳氮化合物的浓度，结果，如表2所示。

表2 排放浓度与温度关系Tab.2 Relationship between Emission Concentration and Temperature

由表中结果可知，随着温度的变化，各排放物浓度变化较小，基本无太大变化。综合实验结果可知，怠速工况下，93℃时，燃油消耗最低位0.633 Kg/L，此时为温度最佳工作点。

3.3 部分负荷工况分析

通过调节发动机后端的测功机和励磁电机及消耗电阻，实现负荷的调整，而通过调整油门开度，则可以对发动机输出进行调整。选取油门开度为30%、45%工况进行测试，获取油耗和输出扭矩进行对比，选取最佳温度工作点。选取相同的周围环境，20℃、45%湿度的环境，自动记录20组数据。

3.3.1 工况一

油门30%开度，转速为1600rpm，发动机温度为89℃、91℃、93℃、95℃、97℃时的参数，平均值结果，如表3所示。

表3 油耗、扭矩与温度的关系Tab.3 Relationship between Fuel Consumption，Torque and Temperature

3.3.2 工况二

油门30%开度，转速为2450rpm，发动机温度为89℃、91℃、93℃、95℃、97℃时的参数，平均值结果，如表4所示。

表4 油耗、扭矩与温度的关系Tab.4 Relationship between Fuel Consumption，Torque and Temperature

3.3.3 工况三

油门45%开度，转速为2100rpm，发动机温度为89℃、91℃、93℃、95℃、97℃时的参数，平均值结果，如表5所示。

表5 油耗、扭矩与温度的关系Tab.5 Relationship between Fuel Consumption，Torque and Temperature

3.3.4 工况四

油门45%开度，转速为2550rpm，发动机温度为89℃、91℃、93℃、95℃、97℃时的参数，平均值结果，如表6所示。

表6 油耗、扭矩与温度的关系Tab.6 Relationship between Fuel Consumption，Torque and Temperature

对以上各工况的结果进行对比分析，获取燃油消耗最低工况，动力扭矩输出最大工况，对比分析结果，如表7所示。

表7 最佳温度对比Tab.7 Optimum Temperature Comparison

根据各工况的对比可知，扭矩达到最大时，发动机的工作温度小于油耗最低时，究其原因是由于温度的变化影响发动机的进气效率，进而影响动力输出；当转速和油门开度发生变化时，最佳工作温度也发生了变化；从表中数据可知，燃油经济性最佳的工作温度为93℃，而输出动力最佳的工作温度为91℃。选择不同的工作模式时，可将发动机的工作温度控制在相应的范围内。

4 结论

（1）发动机怠速工况下，工作温度为92℃时，平均油耗量为最低值0.633kg/h，温度对尾气平均排放量的影响不大；

（2）发动机在部分负荷工况下，最佳性能的目标工况不同，对应的发动机的最佳温度点也不完全相同，存在一定的差异；

（3）发动机燃油经济性最佳的工作温度为93℃，而输出动力最佳的工作温度为91℃；当选择不同的工作模式时，可将发动机的工作温度控制在相应的范围内。