某GDI發動機排溫保護控制策略研究

張士路，王洪靜，吳俊峰，趙強，于海昌

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某GDI發動機排溫保護控制策略研究

張士路，王洪靜，吳俊峰，趙強，于海昌

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230022）

文章對缸內直噴廢氣渦輪增壓發動機的排溫保護控制策略進行了研究，通過降低空燃比控制的基礎上增加扭矩模塊控制，解決超溫保護問題。通過道路及NEDC循環測試，表明排溫保護功能對發動機性能影響較小，可以有效的降低發動機熱負荷。

超溫保護；缸內直噴；扭矩控制

1 概述

為滿足日益嚴格的排放可油耗法規要求，在車用汽油電噴發動機領域 ，越來越廣泛地采用渦輪增壓(Turbo-charg ing)結合缸內直噴(GDI)，可以有效提升發動機瞬態響應，改善傳統增壓技術的響應延遲，由于直噴吸熱使得缸內溫度降低，充氣系數提高 2%～3%，從而獲得了燃油經濟性和排放的大幅度改善，小排量廢氣渦輪增壓缸內直噴發動機取代大排量自然吸氣發動機，是實現節油與降低碳排放量最為主流的核心技術路線之一。

由于其小型化加上缸內直噴壓縮比較大，在大負荷工況下其熱負荷相對一般發動機要高很多，若長時間運行在較高的熱負荷區域對發動機的潤滑系統和零部件本身（如增壓器、氣門、活塞軸瓦等等）都會帶來致命的傷害。

在發動機設計中合理處理好其熱負荷影響和優化整車熱管理系統以外，從發動機電子控制角度來說，雖然可以利用ECM精確控制發動機空燃比來主動控制排氣溫度，降低熱負荷，但對于GDI發動機空燃比加濃太多時，會有燃油濺到缸壁產生機油稀釋問題，長期會降低機油潤滑效果，嚴重的會影響發動機耐久和可靠性。

本文研究以某車型搭載自主研發的1.5L缸內直噴增壓器發動機為基礎，對排溫保護控制策略進行應用分析，探討對發動機熱負荷的影響。

2 排溫控制系統設計

排溫控制系統結構如圖1所示。ECM根據當前整車的工作狀態（發動機負荷、發動機轉速、車速、進氣溫度等）通過查詢預先通過標定獲得表格，通過計算得到預估排氣溫度，將此溫度值與ECM內部設置好的增壓器部件最高耐受溫度比較，決定是否開啟排溫保護邏輯。

圖1 排溫控制系統結構圖

3 排溫保護策略設計

排溫保護控制策略如圖2所示，其目的為確保將發動機的熱負荷控制在合理范圍內，在加濃空燃比的同時，防止機油稀釋，通過限制發動機飛輪扭矩，降低排氣溫度來保護渦輪增壓器的渦輪軸承座及蝸殼處不會超過耐受溫度。

圖2 排溫控制策略流程圖

3.1 排氣溫度預估

根據發動機運行參數，準確預估當前發動機實時排溫：

上式中T是基礎排氣預估溫度；T表示點火角對排氣溫度的影響；T表示空燃比對排氣溫度的影響；T是車速對排氣溫度的影響。

3.1.1基礎排氣溫度預估

T與發動機轉速、負荷有關，通過標定，得到運行在理論空燃比、最佳扭矩點火角下的排氣預估溫度，它是一張轉速與負荷的表格，如表1所示。

表1 基礎排溫總表

橫坐標為負荷，縱坐標為轉速，通過定轉速掃負荷的方式，精確的預估每個點的基礎排溫數據。

3.1.2點火角修正

根據所退點火角，算出點火損失，再由點火損失算出點火角對排氣溫度的影響，如圖3所示。

圖3 點火角對排溫的影響

3.1.3空燃比修正

在臺架試驗中，以不同空燃比數值，測量與之對應的排氣溫度，算出兩種之間的對應關系，通過加濃空燃比，未被完全燃燒的燃油可以吸收部分熱量，能明顯降低排氣溫度，如圖4所示。

圖4 空燃比對排溫的影響

車速的快慢對排氣溫度也有一定的影響，一般車速越快遞，氣流對排溫的冷卻就越明顯。

ECU 通過T、T、T對基礎預估溫度進行實時修正，確保模型預估的準確。

3.2 排溫限扭控制策略

當預估溫度T大于等于過溫保護設定值T（該溫度由發動機設計確定），且過溫持續時間t超過過溫設定時間t（該時間由發動機設計確定），即啟動過溫保護功能。

對于TGDI發動機，考慮到加濃空燃比對PM和機油稀釋產生直接影響，通過機油稀釋試驗會確定一個空燃比最小限值1im，當實時加濃空燃比λ大于機油稀釋臨界空燃比1im時，且加濃能使排氣溫度降低，則ECU只采用加濃空燃比控制方式，當λ等于機油稀釋臨界空燃比1im時；若排氣溫度能達標，維持λ=1im。若排氣溫度持續升高控制不住，則空燃比不在降低，ECU通過控制節氣門開度和噴油量來主動降低發動機負荷，即發動機限扭，限扭閾值通過轉轂及高溫環境路試確定，是關于排氣溫度和空燃比的二維表，如表2所示，通過限扭降低發動機熱負荷，直到排氣溫度控制在安全閥值內為止。

表2 限扭閾值

注：K為開爾文溫度，K及由發動機狀態確定

當預估排氣溫度T降低到退出溫度限值T（該限值由發動機設計確定）時，ECU終止退出排溫保護功能，發動機回到正常控制模式。

4 試驗驗證

4.1 轉轂環境試驗

試驗驗證某車型搭載1.5L缸內直噴發動機，按照上述設計的控制策略，在環境倉中，環境溫度設定為20°C和40°C，分別驗證4檔、5檔，6檔試驗結果如表3、4所示，從驗證結果看，除最高車速及急加速時間稍有影響，限扭后對于整車性能影響較小。

表3 各檔位最高車速

表4 各檔位加速時間影響

4.2 道路試驗

圖5 道路排溫驗證

排氣總管處裝有可以實測排溫的熱電偶，用以驗證預估排溫的準確性，全速全負荷，模擬較為惡劣的駕駛工況，通過試驗結果，預估排溫與實測排溫較為接近，排溫保護策略觸發后，最終排溫可以穩定控制在965℃左右，滿足增壓器的最高耐受溫度980℃要求，如圖5所示。

5 結論

本文對排溫保護控制策略進行了研究，通過環境倉NEDC循環及實車高溫環境試驗驗證，表明排溫保護策略可以有效地降低發動機熱負荷，同時對整車的性能影響較小，為匹配同類型發動機控制提供有力的寶貴的經驗。在排溫保護策略實際運用中我們也發現對以下的問題仍值得深入關注和研究：

5.1 TGDI發動機的發倉布置對熱負荷的影響較大，如布置方案不佳增壓器散熱效果差，同時會導致進氣溫度升高，衍生出為保護節氣門而使用ETC限扭功能；

5.2排溫保護策略要充分考慮整車駕駛性及排放法規，如何平衡三者之間的關系，需要經過反復的轉轂及道路驗證。

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Exhaust manifold over temperature protection control strategy of GDI engine

Zhang Shilu, Wang Hongjing, Wu Junfeng, Zhao Qiang, Yu Haichang

（Technique center, Anhui Jianghuai Automobile group CO., LTD, Anhui Hefei 230022）

The exhaust temperature protection control strategy was studied on a turbocharged gasoline injection engine. Increasing torque module control based on reduction of air-fuel ratio control. In order to solve the over temperature protection. Through the road and NEDC cycle test. It shows that engine performance is less affected by temperature protection,but it can effectively reduce the Engine thermal load.

Over temperature protection; Direct injection; Torque control

B

1671-7988(2018)16-183-03

U467.2

B

1671-7988(2018)16-183-03

CLC NO.: U467.2

張士路，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.064