張士路，王洪靜，吳俊峰，趙強，于海昌

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某GDI發(fā)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(shù)中心，安徽 合肥 230022）

文章對缸內(nèi)直噴廢氣渦輪增壓發(fā)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(chǔ)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(huán)測試，表明排溫保護功能對發(fā)動機性能影響較小，可以有效的降低發(fā)動機熱負(fù)荷。

超溫保護；缸內(nèi)直噴；扭矩控制

1 概述

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

由于其小型化加上缸內(nèi)直噴壓縮比較大，在大負(fù)荷工況下其熱負(fù)荷相對一般發(fā)動機要高很多，若長時間運行在較高的熱負(fù)荷區(qū)域?qū)Πl(fā)動機的潤滑系統(tǒng)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(fā)動機設(shè)計中合理處理好其熱負(fù)荷影響和優(yōu)化整車熱管理系統(tǒng)以外，從發(fā)動機電子控制角度來說，雖然可以利用ECM精確控制發(fā)動機空燃比來主動控制排氣溫度，降低熱負(fù)荷，但對于GDI發(fā)動機空燃比加濃太多時，會有燃油濺到缸壁產(chǎn)生機油稀釋問題，長期會降低機油潤滑效果，嚴(yán)重的會影響發(fā)動機耐久和可靠性。

本文研究以某車型搭載自主研發(fā)的1.5L缸內(nèi)直噴增壓器發(fā)動機為基礎(chǔ)，對排溫保護控制策略進行應(yīng)用分析，探討對發(fā)動機熱負(fù)荷的影響。

2 排溫控制系統(tǒng)設(shè)計

排溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。ECM根據(jù)當(dāng)前整車的工作狀態(tài)（發(fā)動機負(fù)荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、進氣溫度等）通過查詢預(yù)先通過標(biāo)定獲得表格，通過計算得到預(yù)估排氣溫度，將此溫度值與ECM內(nèi)部設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 排溫保護策略設(shè)計

排溫保護控制策略如圖2所示，其目的為確保將發(fā)動機的熱負(fù)荷控制在合理范圍內(nèi)，在加濃空燃比的同時，防止機油稀釋，通過限制發(fā)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(yù)估

根據(jù)發(fā)動機運行參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)估當(dāng)前發(fā)動機實時排溫：

上式中T是基礎(chǔ)排氣預(yù)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(chǔ)排氣溫度預(yù)估

T與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷有關(guān)，通過標(biāo)定，得到運行在理論空燃比、最佳扭矩點火角下的排氣預(yù)估溫度，它是一張轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的表格，如表1所示。

表1 基礎(chǔ)排溫總表

橫坐標(biāo)為負(fù)荷，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，通過定轉(zhuǎn)速掃負(fù)荷的方式，精確的預(yù)估每個點的基礎(chǔ)排溫數(shù)據(jù)。

3.1.2點火角修正

根據(jù)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(shù)值，測量與之對應(yīng)的排氣溫度，算出兩種之間的對應(yīng)關(guān)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(chǔ)預(yù)估溫度進行實時修正，確保模型預(yù)估的準(zhǔn)確。

3.2 排溫限扭控制策略

當(dāng)預(yù)估溫度T大于等于過溫保護設(shè)定值T（該溫度由發(fā)動機設(shè)計確定），且過溫持續(xù)時間t超過過溫設(shè)定時間t（該時間由發(fā)動機設(shè)計確定），即啟動過溫保護功能。

對于TGDI發(fā)動機，考慮到加濃空燃比對PM和機油稀釋產(chǎn)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(dāng)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(dāng)λ等于機油稀釋臨界空燃比1im時；若排氣溫度能達標(biāo)，維持λ=1im。若排氣溫度持續(xù)升高控制不住，則空燃比不在降低，ECU通過控制節(jié)氣門開度和噴油量來主動降低發(fā)動機負(fù)荷，即發(fā)動機限扭，限扭閾值通過轉(zhuǎn)轂及高溫環(huán)境路試確定，是關(guān)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(fā)動機熱負(fù)荷，直到排氣溫度控制在安全閥值內(nèi)為止。

表2 限扭閾值

注：K為開爾文溫度，K及由發(fā)動機狀態(tài)確定

當(dāng)預(yù)估排氣溫度T降低到退出溫度限值T（該限值由發(fā)動機設(shè)計確定）時，ECU終止退出排溫保護功能，發(fā)動機回到正?？刂颇Ｊ?。

4 試驗驗證

4.1 轉(zhuǎn)轂環(huán)境試驗

試驗驗證某車型搭載1.5L缸內(nèi)直噴發(fā)動機，按照上述設(shè)計的控制策略，在環(huán)境倉中，環(huán)境溫度設(shè)定為20°C和40°C，分別驗證4檔、5檔，6檔試驗結(jié)果如表3、4所示，從驗證結(jié)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(yù)估排溫的準(zhǔn)確性，全速全負(fù)荷，模擬較為惡劣的駕駛工況，通過試驗結(jié)果，預(yù)估排溫與實測排溫較為接近，排溫保護策略觸發(fā)后，最終排溫可以穩(wěn)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(jié)論

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

5.1 TGDI發(fā)動機的發(fā)倉布置對熱負(fù)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(dǎo)致進氣溫度升高，衍生出為保護節(jié)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(guī)，如何平衡三者之間的關(guān)系，需要經(jīng)過反復(fù)的轉(zhuǎn)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

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1671-7988(2018)16-183-03

U467.2

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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(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.064