沙 印，劉鵬厚

（1.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214400；2.青島工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜的溫度下工作，才能充分發(fā)揮其效率且可以減緩水垢的形成，有效防止機(jī)件過熱而縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。催化轉(zhuǎn)化器要達(dá)到一定的溫度才能起到催化轉(zhuǎn)化作用，故在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前適當(dāng)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(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。其直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性及駕駛性。因此，對不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作溫度進(jìn)行研究，具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者開展一定研究：文獻(xiàn)[2]采用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，獲取最大扭矩工況，不同環(huán)境溫度的對油耗的影響；文獻(xiàn)[3]采用一維發(fā)動(dòng)機(jī)模型，獲取油門開度變化，對發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和輸出扭矩的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[4]采用試驗(yàn)仿真相結(jié)合方式，獲取冷卻液進(jìn)口溫度變化，對發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和輸出特性的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[5]采用發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理模型，分析冷卻系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響規(guī)律。

針對發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制單元ECU分析的基礎(chǔ)上，對發(fā)動(dòng)機(jī)模型和溫控系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立控制系統(tǒng)模型；搭建發(fā)動(dòng)機(jī)性能測控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)溫度控制系統(tǒng)模型設(shè)置參數(shù)采集點(diǎn)，對怠速工況和部分負(fù)荷工況發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作溫度進(jìn)行測試；通過調(diào)整油門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，獲取5 個(gè)工況點(diǎn)的油耗、扭矩及排放參數(shù)，最終獲取不同工況下基于動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的最佳工作溫度點(diǎn)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制單元ECU

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制模塊，主要有三大部分構(gòu)成，溫度測試單元的傳感器，調(diào)整控制溫度的執(zhí)行單元，以及整個(gè)系統(tǒng)的核心ECU模塊。整個(gè)系統(tǒng)需要采集各部分的溫度參數(shù)，包括冷卻散熱系統(tǒng)和進(jìn)排放系統(tǒng)，采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被ECU讀取的電信號(hào)，通過算法設(shè)置的控溫范圍，發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作[6?7]。同時(shí)具有故障診斷工作，當(dāng)溫度過高，發(fā)出故障信號(hào)或停止運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)可控式冷卻系統(tǒng)Fig.1 Engine Controllable Cooling System

整個(gè)控制系統(tǒng)的信號(hào)來源為冷卻系統(tǒng)和排放系統(tǒng)，主要通過布置傳感器進(jìn)行溫度采集，前者可以布置在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、冷卻液進(jìn)出口及節(jié)溫器等位置處，后者布置在進(jìn)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(tǒng)模型

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行包括怠速工況、負(fù)荷工況[9]。怠速工況的燃油消耗量為：

式中：Gi—怠速時(shí)小時(shí)燃油消耗量；tw—怠速時(shí)間。

加速運(yùn)行時(shí)的燃油消耗量為：

式中：gei—發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率；Pi—發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

勻速運(yùn)行時(shí)，燃油消耗量為：

式中：gei—某轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率。

發(fā)動(dòng)機(jī)主要作為動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，不同的油門，則輸出不同的扭矩和轉(zhuǎn)速，將曲線擬合為轉(zhuǎn)速的二次曲線，可寫作：

式中：Te—輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Qe—油耗，kg/h；ne—轉(zhuǎn)速，r/min；at、bt、ct—扭矩待擬合系數(shù)；aq、bq、cq—油耗待擬合系數(shù)。

2.2.2 控制系統(tǒng)模型

整個(gè)控制系統(tǒng)采集溫度信號(hào)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的油門，電信號(hào)最終轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)作信號(hào)[10]，整個(gè)過程的能量傳遞框圖，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Control System Block Diagram

該系統(tǒng)比較環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為：

在系統(tǒng)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(shù)。

系統(tǒng)采用它激式直流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的傳遞函數(shù)方程為：

式中：Ce—電勢常數(shù)；Td—電磁時(shí)間常數(shù)；Tm—機(jī)電時(shí)間常數(shù)。

系統(tǒng)選用蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)[11?12]，其傳遞函數(shù)為：

式中：k2—比例常數(shù)。控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可寫作：

3 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳溫度確定

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能測控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫控系統(tǒng)ECU的原理圖，搭建如圖4所示的試驗(yàn)測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集采用LMS SCADAS系統(tǒng)，如圖4所示。本系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)為QSL19，最大功率272 kW（2100rpm），最大扭矩/轉(zhuǎn)速1500Nm（1500rpm）。以發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，采用FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測控系統(tǒng)及FLA?502 尾氣分析儀獲取不同工況的最佳溫度。為便于參數(shù)采集，根據(jù)控制系統(tǒng)模型，搭建系統(tǒng)框圖，設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)采集點(diǎn)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)性能測試系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)性能，尋找怠速工況下的最佳溫度點(diǎn)[13]。

在正常20℃、45%濕度的環(huán)境工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行后，調(diào)節(jié)速度在850rpm的怠速工況下，獲取85℃、87℃、91℃、93℃、95℃和97℃等溫度點(diǎn)的油耗，不同溫度點(diǎn)獲取20 組參數(shù)，求取平均值，則可得不同溫度點(diǎn)的油耗，如表1所示。

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

表中結(jié)果可知，93℃時(shí)，油耗值的均值為0.633kg/h，為各個(gè)點(diǎn)的最小值，表明發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性最高。

測試油耗的時(shí)候，對排放物濃度進(jìn)行測試，主要獲取碳?xì)?、碳氧及碳氮化合物的濃度，結(jié)果，如表2所示。

表2 排放濃度與溫度關(guān)系Tab.2 Relationship between Emission Concentration and Temperature

由表中結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，怠速工況下，93℃時(shí)，燃油消耗最低位0.633 Kg/L，此時(shí)為溫度最佳工作點(diǎn)。

3.3 部分負(fù)荷工況分析

通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)后端的測功機(jī)和勵(lì)磁電機(jī)及消耗電阻，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)整，而通過調(diào)整油門開度，則可以對發(fā)動(dòng)機(jī)輸出進(jìn)行調(diào)整。選取油門開度為30%、45%工況進(jìn)行測試，獲取油耗和輸出扭矩進(jìn)行對比，選取最佳溫度工作點(diǎn)。選取相同的周圍環(huán)境，20℃、45%濕度的環(huán)境，自動(dòng)記錄20組數(shù)據(jù)。

3.3.1 工況一

油門30%開度，轉(zhuǎn)速為1600rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度為89℃、91℃、93℃、95℃、97℃時(shí)的參數(shù)，平均值結(jié)果，如表3所示。

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

3.3.2 工況二

油門30%開度，轉(zhuǎn)速為2450rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度為89℃、91℃、93℃、95℃、97℃時(shí)的參數(shù)，平均值結(jié)果，如表4所示。

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

3.3.3 工況三

油門45%開度，轉(zhuǎn)速為2100rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度為89℃、91℃、93℃、95℃、97℃時(shí)的參數(shù)，平均值結(jié)果，如表5所示。

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

3.3.4 工況四

油門45%開度，轉(zhuǎn)速為2550rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度為89℃、91℃、93℃、95℃、97℃時(shí)的參數(shù)，平均值結(jié)果，如表6所示。

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

對以上各工況的結(jié)果進(jìn)行對比分析，獲取燃油消耗最低工況，動(dòng)力扭矩輸出最大工況，對比分析結(jié)果，如表7所示。

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

根據(jù)各工況的對比可知，扭矩達(dá)到最大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度小于油耗最低時(shí)，究其原因是由于溫度的變化影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率，進(jìn)而影響動(dòng)力輸出；當(dāng)轉(zhuǎn)速和油門開度發(fā)生變化時(shí)，最佳工作溫度也發(fā)生了變化；從表中數(shù)據(jù)可知，燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的工作溫度為93℃，而輸出動(dòng)力最佳的工作溫度為91℃。選擇不同的工作模式時(shí)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下，工作溫度為92℃時(shí)，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(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工況下，最佳性能的目標(biāo)工況不同，對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳溫度點(diǎn)也不完全相同，存在一定的差異；

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的工作溫度為93℃，而輸出動(dòng)力最佳的工作溫度為91℃；當(dāng)選擇不同的工作模式時(shí)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)。