基于电控集成智能控制的柴油机降油耗技术研究

黄应熹

广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林市 537000

摘要：采用发动机集成智能控制技术是提高发动机热效率和节能减排的重要技术，把先进燃烧技术与控制技术紧密结合，通过控制发动机的可变附件系统，实现发动机燃烧过程保持最优的运行状态。

关键词：电控集成智能控制；柴油机；降油耗技术

柴油机冷却系统由水泵、节温器、风扇、散热器等组成，其中，水泵、节温器、风扇等零部件的现有技术方案均为机械控制式结构，其性能参数在设计阶段已固定，不能根据柴油机实际工况和环境状态对冷却系统温度进行精确控制，由此造成柴油机冷却温度过高或过低，对柴油机的工作寿命、燃油消耗和排放均造成不利影响。近年来，降低燃油消耗和废气排放成为乘用车和商用车发动机研究的重点，内燃机热管理及冷却系统的高效低功耗化日渐得到重视，优化冷却系统中的部件，特别是电子水泵，能直接减少驱动功率，并自动调节发动机损失，在降低废气排放和节油方面能获得明显效果。

一、柴油机概述

柴油机是用柴油作燃料的内燃机，属于压缩点火式发动机，它又常以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。柴油机在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500～700℃的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中，与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。

二、常见的柴油机降油耗技术

1、保持柴油机气门间隙的最佳状态是柴油机省油的基本之一。若柴油机的气门间隙不正确，会使进气不充分，排气不干净，不可避免地造成柴油机过量空气系数小，导致燃油燃烧不完全。结果不仅导致柴油机功率不足、冒黑烟等运行故障，还会使油耗显著增加。因此，必须定期检查气门间隙。

2、避免柴油机漏油。燃油系统存在漏油或渗油现象，虽然可能不严重，但日积月累也会造成不小的燃油损失。

3、确保气缸组件总处在最佳配合运行状态。若气缸组件磨损，气缸压缩压力减小，势必导致燃油燃烧环境变得恶劣，从而使油耗明显上升。

4、改变“大马拉小车”做法。很多设备超有“大机器带小负荷，这是一种浪费能源的做法。改进办法：适当加大柴油机皮带轮，在柴油机降速运行情况下提高设备转速，达到功率增加、节能目的。

5、定期检查和保养空气滤芯。若空气滤芯太脏，将使进气不足，其结果与气门间隙不正确效果一样，会导致柴油机油耗增加，出现动力不足与冒黑烟故障。

6、柴油机使用时，尽量不要全高速全负荷运行。一般柴油机有一个经济的运行区间。柴油机铭牌上标有额定转速，而根据柴油机的特性，其最佳经济运行转速是额定转速85％左右，此时在整个转速段中功率/小时耗油量最低。柴油机转速表上标有绿色区域，一般都是该柴油机的经济运行区域。

三、路谱分析

1、整车路谱的动力性和经济性。在原车配置下，针对典型城际路况进行道路试验，记录整个试验过程中各种车速下的柴油机转速和扭矩，并对试验数据进行处理分析，得出柴油机的典型运行工况。

整车路谱分析时，主要利用GPS调查不同路况下的行驶状况，记录汽车实际道路行驶瞬时速度、发动机转速等数据，根据这些数据分析不同道路下汽车行驶工况对油耗的影响，提炼出片断路谱信息，应用到CRUISE整车模拟计算中，满足个性化的动力总成匹配要求。

2、整车路谱的发动机工况。基于上述整车路谱，对发动机基本工况进行分析。发动机运行工况主要集中在转速1700～2500r/min的中低负荷区，这部分工况占据85％左右，发动机运行区域的低转速低负荷占比12％。因此要提高城际高速客车用柴油机的经济性，匹配优化应集中在中低负荷上，尤其是发动机转速1700～2500r/min区域。

四、试验装置与方法

1、试验方案。由于试验条件所限，基本思路是通过发动机台架试验获得整车模拟的关键试验基础数据，并把优化数据输入到Cruise软件建模中进行整车驾驶模拟。与基础发动机相比，本研究主要在1台满足国V排放的柴油机上进行，完成VGT匹配改善燃烧方案和电动附件系统集成优化降附件功控制工作。发动机集成了电控节温器、电子水泵、VGT及控制器，通过控制策略基于发动机工况控制智能热管理系统和VGT协同工作，一方面使发动机冷却系统工作在最佳温度压力点，并在发动机起动后迅速达到理想的温度附近，另一方面通过VGT优化进气，改善燃烧，提高发动机热效率，改善油耗。

2、试验装置。在原发动机基础上，把原来的机械水泵、蜡式节温器、WG增压器分别改为电子水泵、电控节温器、VGT，外接从整车上拆下的独立水箱和电子风扇。

五、试验结果

1、VGT性能的影响。VGT根据排气流通特性合理改变涡轮喷嘴的流通截面积，使增压器长时间工作在高效区域，获得良好动力性及经济性，有效解决传统涡轮增压器无法兼顾全工况的难题。

通过优化标定空燃比、增压压力PID控制参数、VGT预置开度、VGT阀限位器等，进行试验测试，结果表明，几乎在全部外特性工况点，采用VGT增压器比采用旁通阀增压器的燃油消耗率低，特别是当发动机转速高于1200r/min时，采用VGT的燃油消耗率与原机相比大幅度下降，在1500r/min时，原机最低燃油消耗率为201.93g/(kw·h)，采用VGT的外特性最低燃油消耗率196g/(kw·h)，降低约3％。另外，发动机的定速加载响应时间有所改善，在1000r/min定速加载中响应时间由原来的3.1s降低到2.2s，降幅达29％。其原因为：低速时，减小VGT开度，增加进入气缸的氧气，高速时，与旁通阀增压器相比，VGT可利用放气排出的废气驱动涡轮，使达到同样增压压力所需的涡轮前压力降低，减少泵气损失，因此提高了发动机的瞬态性能和燃油经济性。

2、对出水温度的控制。改装后通过电子节温器和电子水泵的联合控制，发动机的冷态WHTC测试循环中出水温度的变化情况。根据工况需求和小功率附件优先控制原则进行控制：在最佳出水温度前，关闭节温器，控制电子水泵的转速和流量，使发动机快速升温；当发动机温度在最佳出水温度附近，联合控制电子水泵和节温器，使发动机出水温度稳定在目标水温。通过电子水泵和电子节温器的联合控制，发动机出水温度快速从35℃上升到80℃，时间相比改装前加快170s，最终稳定在(83±2)℃，水温得到了很好的控制。而且在整个WHTC循环实现了冷却能力随发动机的散热需要而自动调节，使发动机长期处于最佳温度状态。

3、对发动机燃油消耗的影响。中高负荷(≥40％)时发动机水温对油耗影响较大，90℃相对于60℃燃油消耗降低达3％；小负荷(<40％)时出水温度对燃油消耗影响不明显。在低转速点(900r/min)，发动机水温对燃油消耗影响显著，90℃相对于60℃燃油消耗最高降低6％。

通过VGT改善燃烧、降低水泵耗功(由机械水泵耗功的1kw降低到400w)、联合优化控制电子水泵和电子节温器，使发动机工作在最佳温度状态，优化后发动机的稳态性能优于原机。

4、整车路谱的动力性和经济性。利用试验数据在CRUISE中进行性能模拟计算，并输出给定路谱油耗结果。由于采用的是模型计算，其整车阻力只能作为参考，内置程序默认整车是按路谱来运行，但工作不粗暴，而是适度平滑，通过对发动机的优化，在控制整车动力性基本一致情况下，相同路谱的整车100km燃油消耗由原车的17.94L下降到17.31L，降幅达3.5％。

总之，基于发动机工况需求的电控集成优化控制能改善燃烧，优化发动机热管理，使发动机起动后水温迅速上升至目标温度附近，减少了暖机时间。随发动机的散热需要可自动精确调节出水温度，使发动机长期处于最佳工作状态，降低了发动机的传热、机械损失，获得较明显的节油效果，降低燃油消耗达3.51％。

参考文献：

[1]杨帅.冷却介质温度对柴油发动机经济性影响的实验研究[J].实验技术与管理，2016(07)．

[2]梁郑岳.基于电控集成智能控制的柴油机降油耗技术研究[J].车用发动机，2017(03).