應用溫控系統汽車發動機各工況最佳溫度分析

沙 印，劉鵬厚

（1.江陰職業技術學院，江蘇 江陰 214400；2.青島工學院機電工程學院，山東 青島 266300）

1 引言

發動機在適宜的溫度下工作，才能充分發揮其效率且可以減緩水垢的形成，有效防止機件過熱而縮短發動機的壽命，并提高發動機的動力性和燃油經濟性。催化轉化器要達到一定的溫度才能起到催化轉化作用，故在發動機起動前適當升高其溫度有利于減少HC的排放[1]。此外，為避免偏低的冷卻水溫度，可減少散熱損失，提高整機的動力性和經濟性。其直接影響到發動機及整車的經濟性、動力性、排放性及駕駛性。因此，對不同工況下發動機的最佳工作溫度進行研究，具有重要意義。

國內外學者開展一定研究：文獻[2]采用發動機試驗臺，獲取最大扭矩工況，不同環境溫度的對油耗的影響；文獻[3]采用一維發動機模型，獲取油門開度變化，對發動機溫度和輸出扭矩的影響規律；文獻[4]采用試驗仿真相結合方式，獲取冷卻液進口溫度變化，對發動機油耗和輸出特性的影響規律；文獻[5]采用發動機熱管理模型，分析冷卻系統參數設置對發動機效率的影響規律。

針對發動機溫度控制單元ECU分析的基礎上，對發動機模型和溫控系統進行研究，建立控制系統模型；搭建發動機性能測控系統試驗臺，根據溫度控制系統模型設置參數采集點，對怠速工況和部分負荷工況發動機的最佳工作溫度進行測試；通過調整油門開度、發動機轉速等，獲取5 個工況點的油耗、扭矩及排放參數，最終獲取不同工況下基于動力性及經濟性的最佳工作溫度點。

2 發動機溫度控制單元ECU

2.1 控制系統結構

作為發動機溫度控制模塊，主要有三大部分構成，溫度測試單元的傳感器，調整控制溫度的執行單元，以及整個系統的核心ECU模塊。整個系統需要采集各部分的溫度參數，包括冷卻散熱系統和進排放系統，采集到的信號轉換為可被ECU讀取的電信號，通過算法設置的控溫范圍，發出動作信號，調整執行機構的動作[6?7]。同時具有故障診斷工作，當溫度過高，發出故障信號或停止運行。整個系統結構，如圖1所示。

圖1 發動機可控式冷卻系統Fig.1 Engine Controllable Cooling System

整個控制系統的信號來源為冷卻系統和排放系統，主要通過布置傳感器進行溫度采集，前者可以布置在發動機缸體、冷卻液進出口及節溫器等位置處，后者布置在進氣歧管位置[8]，各自的電路圖，如圖2所示。

圖2 傳感器控制電路Fig.2 Sensor Control Circuit

2.2 控制系統模型

2.2.1 發動機模型

發動機運行包括怠速工況、負荷工況[9]。怠速工況的燃油消耗量為：

式中：Gi—怠速時小時燃油消耗量；tw—怠速時間。

加速運行時的燃油消耗量為：

式中：gei—發動機燃油消耗率；Pi—發動機功率。

勻速運行時，燃油消耗量為：

式中：gei—某轉速下的燃油消耗率。

發動機主要作為動力輸出機構，不同的油門，則輸出不同的扭矩和轉速，將曲線擬合為轉速的二次曲線，可寫作：

式中：Te—輸出轉矩，N·m；Qe—油耗，kg/h；ne—轉速，r/min；at、bt、ct—扭矩待擬合系數；aq、bq、cq—油耗待擬合系數。

2.2.2 控制系統模型

整個控制系統采集溫度信號，而執行機構是發動機的油門，電信號最終轉變為動作信號[10]，整個過程的能量傳遞框圖，如圖3所示。

圖3 控制系統框圖Fig.3 Control System Block Diagram

該系統比較環節的數學模型為：

在系統中采用增量式PID 控制器，其控制算法為：

式中：Δu（k）=u（k）?u（k?1）；kp、ki、kd—常數。

系統采用它激式直流電動機，電機的傳遞函數方程為：

式中：Ce—電勢常數；Td—電磁時間常數；Tm—機電時間常數。

系統選用蝸輪蝸桿減速機構[11?12]，其傳遞函數為：

式中：k2—比例常數。控制系統的傳遞函數可寫作：

3 發動機最佳溫度確定

3.1 發動機性能測控系統試驗臺

根據發動機溫控系統ECU的原理圖，搭建如圖4所示的試驗測控系統，數據采集采用LMS SCADAS系統，如圖4所示。本系統發動機為QSL19，最大功率272 kW（2100rpm），最大扭矩/轉速1500Nm（1500rpm）。以發動機為實驗對象，采用FC2000發動機自動測控系統及FLA?502 尾氣分析儀獲取不同工況的最佳溫度。為便于參數采集，根據控制系統模型，搭建系統框圖，設置關鍵參數采集點。

圖4 發動機性能測試系統Fig.4 Engine Performance Test System

3.2 怠速工況分析

通過比較不同怠速工作溫度下的發動機性能，尋找怠速工況下的最佳溫度點[13]。

在正常20℃、45%濕度的環境工況下，發動機正常運行后，調節速度在850rpm的怠速工況下，獲取85℃、87℃、91℃、93℃、95℃和97℃等溫度點的油耗，不同溫度點獲取20 組參數，求取平均值，則可得不同溫度點的油耗，如表1所示。

表1 平均耗油量與溫度的關系Tab.1 Relationship between Average Fuel Consumption and Temperature

表中結果可知，93℃時，油耗值的均值為0.633kg/h，為各個點的最小值，表明發動機此時的燃油經濟性最高。

測試油耗的時候，對排放物濃度進行測試，主要獲取碳氫、碳氧及碳氮化合物的濃度，結果，如表2所示。

表2 排放濃度與溫度關系Tab.2 Relationship between Emission Concentration and Temperature

由表中結果可知，隨著溫度的變化，各排放物濃度變化較小，基本無太大變化。綜合實驗結果可知，怠速工況下，93℃時，燃油消耗最低位0.633 Kg/L，此時為溫度最佳工作點。

3.3 部分負荷工況分析

通過調節發動機后端的測功機和勵磁電機及消耗電阻，實現負荷的調整，而通過調整油門開度，則可以對發動機輸出進行調整。選取油門開度為30%、45%工況進行測試，獲取油耗和輸出扭矩進行對比，選取最佳溫度工作點。選取相同的周圍環境，20℃、45%濕度的環境，自動記錄20組數據。

3.3.1 工況一

油門30%開度，轉速為1600rpm，發動機溫度為89℃、91℃、93℃、95℃、97℃時的參數，平均值結果，如表3所示。

表3 油耗、扭矩與溫度的關系Tab.3 Relationship between Fuel Consumption，Torque and Temperature

3.3.2 工況二

油門30%開度，轉速為2450rpm，發動機溫度為89℃、91℃、93℃、95℃、97℃時的參數，平均值結果，如表4所示。

表4 油耗、扭矩與溫度的關系Tab.4 Relationship between Fuel Consumption，Torque and Temperature

3.3.3 工況三

油門45%開度，轉速為2100rpm，發動機溫度為89℃、91℃、93℃、95℃、97℃時的參數，平均值結果，如表5所示。

表5 油耗、扭矩與溫度的關系Tab.5 Relationship between Fuel Consumption，Torque and Temperature

3.3.4 工況四

油門45%開度，轉速為2550rpm，發動機溫度為89℃、91℃、93℃、95℃、97℃時的參數，平均值結果，如表6所示。

表6 油耗、扭矩與溫度的關系Tab.6 Relationship between Fuel Consumption，Torque and Temperature

對以上各工況的結果進行對比分析，獲取燃油消耗最低工況，動力扭矩輸出最大工況，對比分析結果，如表7所示。

表7 最佳溫度對比Tab.7 Optimum Temperature Comparison

根據各工況的對比可知，扭矩達到最大時，發動機的工作溫度小于油耗最低時，究其原因是由于溫度的變化影響發動機的進氣效率，進而影響動力輸出；當轉速和油門開度發生變化時，最佳工作溫度也發生了變化；從表中數據可知，燃油經濟性最佳的工作溫度為93℃，而輸出動力最佳的工作溫度為91℃。選擇不同的工作模式時，可將發動機的工作溫度控制在相應的范圍內。

4 結論

（1）發動機怠速工況下，工作溫度為92℃時，平均油耗量為最低值0.633kg/h，溫度對尾氣平均排放量的影響不大；

（2）發動機在部分負荷工況下，最佳性能的目標工況不同，對應的發動機的最佳溫度點也不完全相同，存在一定的差異；

（3）發動機燃油經濟性最佳的工作溫度為93℃，而輸出動力最佳的工作溫度為91℃；當選擇不同的工作模式時，可將發動機的工作溫度控制在相應的范圍內。