基于排气温度优化的混合动力发动机起停控制算法

尚明利，邹玉凤，柳建新，宋瑞芳

基于排气温度优化的混合动力发动机起停控制算法

尚明利1，邹玉凤2，柳建新1，宋瑞芳1

（1.郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061；2.郑州交通技师学院，郑州450016）

针对混合动力客车发动机停机所导致的排气温度偏低引起NOx排放升高的问题，通过引入排气温度及NOx含量等信号进行发动机起停优化控制，提升整车排气温度，降低NOx等污染物排放量。利用实车台架对比测试，结果充分验证了控制算法的有效性。

混合动力发动机；排气温度；发动机起停控制；算法

对于混合动力及插电式混合动力客车，由于增加了电机纯电驱动及助力的状态，发动机工作状态与常规动力车辆存在较大的差异［1-5］。对于市场上常用的混联系统配置SCR系统的混合动力车辆，因其具有纯电驱动及怠速起停功能，发动机停机时间超过50%，导致整车排气温度较低，引起发动机工作时NOx污染物排放量较高，整车污染物减排效果并不像其油耗那样具有明显优势［6-7］。本文针对此问题，通过引入排气温度及NOx含量等信号，进行发动机起停优化控制，提升整车的排气温度，降低NOx等污染物排放量。

1　整车控制及后处理系统

1.1整车控制原理

本文研究的混合动力客车为双电机系统，依据其构型特点，可将整车的行驶状态分为起动（即低速）、中高速、全面加速、制动及停车5个状态。其各状态下的工作方式如下：

1）车速为0～23 km/h之间时，用电机直驱，发动机停机；动力电池SOC低于一定限值时，发动机起动并给电池充电。

2）车速达到23 km/h后，电控离合器接合，同时发动机起动，加速过程中发动机与驱动电机共同驱动整车。

3）中、高速行驶时，发动机高效直接驱动。

4）制动及滑行时，驱动电机发电进行制动能量回收。

5）动力电池电量不足时，发动机拖动发电机发电。

1.2后处理系统

当前国内的国四重型柴油机的后处理系统普遍采用SCR方案。SCR系统主要由催化消声器、计量喷射泵（UDS）、添蓝罐、添蓝喷嘴、压缩空气滤清器、后处理控制单元（DCU）等组成，如图1所示。

2　基于排气温度优化的发动机起停控制算法

2.1控制思想

在整车控制算法中引入排气管入口、出口温度，计算整车的排气温度，结合NOx浓度判断发动机是否需要起停，最后结合由车辆状态决定的发动机起停指令，进行发动机的起停控制。这样可以在实现最佳经济性的前提下，减少整车的NOx等污染物排放量。

基于排气温度优化的发动机起停控制算法，主要由排气温度计算、后处理系统查表判断及发动机停机逻辑判断3个模块组成。具体的架构形式如图2所示。

2.2后处理系统的发动机起停控制

配置SCR系统的柴油机后处理系统只有在一定的温度下限之上工作时方能起到对NOx的催化还原反应，从而降低整车的排放。在温度偏低时，喷射过多的尿素不仅催化还原效果差，且易导致氨气泄露及尿素结晶［8］。因此，发动机起停需求判断的基本原则是：排气温度高时，只要NOx含量不高，发动机即可停机；排气温度低时，除非NOx含量低，否则发动机不可停机。具体的控制逻辑如表1所示。

表1　由排气温度及NOx含量决定的发动机起停需求

2.3发动机停机逻辑判断

依据车速、动力电池SOC及整车需求功率等车辆状态，整车控制策略会决策一个发动机起停指令1，结合后处理系统排气温度及NOx含量决策的发动机起停指令2，在发动机停机逻辑判断模块中进行最终决策，输出最终的发动机起停机指令，进行发动机的起停控制。具体的决策过程：发动机的停机指令输出优先考虑后处理系统决策的停机指令，即如后处理决策发动机不停机，则最终的输出为发动机不停机；如后处理决策发动机可停机，则按车辆状态决策的发动机起停机进行控制。

3　试验结果及分析

3.1测试方法

针对所制定的控制算法，在中国汽车技术研究中心重型混合动力电动汽车底盘测功机的转毂试验台上进行对比试验。参照文献［9］，整车加载到满载的65%（12 m车为16 500 kg），在中国典型城市工况下，针对排气温度优化的发动机起停控制算法与无排气温度控制优化的控制算法进行整车排放对比测试［10-11］。

测试前，混合动力客车通过发动机带动发电机发电，使动力电池SOC达到上限；测试后，同样通过发动机带动发电机发电，使动力电池SOC达到上限值，以保证测试前后车载能源电量平衡。

3.2数据处理及测试结果分析

首先对转毂上采集的车辆排放特征数据（排气流量、HC、CO、NOx及PM等）及行驶工况数据进行时间同步匹配，然后对数据进行突变值平滑及缺失值插值处理，保证数据的精度和代表性。两种车辆整车3次测试的数据、每公里平均排放及柴油消耗量如表2所示。

由表2可知，排温优化控制算法的整车污染物排放均低于无排温优化控制算法的整车污染物排放，其中NOx降低30%，而油耗由于整车停机时间的降低，导致油耗会增大2%左右。

4　结束语

基于整车的排气温度，结合后处理系统的NOx含量，针对发动机的起停控制进行优化，可有效维持整车的排气温度在一个合理范围内，增强NOx的催化还原能力，降低整车的NOx等污染物排放。利用整车转毂进行实车对比测试，结果表明，基于排气温度优化控制算法的整车NOx可降低30%左右。

表2　整车排放测试结果对比

［1］Aymeric Rousseau.Validation Process of a HEV System Analysis Model：PSAT.SAE Paper，2001-01-0953.

［2］Masakazu Sasaki.Hybrid Vehicle Technology-Current Status and Future Challenges-Effect of Hybrid System Fac-tors on Vehicle Efficiency.ReviewofAutomotive Engi-neering.2005.

［3］Stan S.GMEnters the Hybrid Arena.Motor Age.2005.

［4］Ming Lang Kuang.An Investigation of Engine Start-Stop NVHin a Power Split Powertrain Hybrid Electric Vehicle.SAE Paper，2006-01-1500.

［5］Feng An.Aymeric Rousseau.Integration of a Modal Energy and E-missions Model into a PNGV Vehicle Simulation Model PSAT.SAE Paper，2001-01-0954.

［6］李孟良，刘伏萍，陈燕涛，等.基于PEMS的混合动力客车排放和油耗性能评价［J］.江苏大学学报：自然科学版，2006，（1）：27-30.

［7］Christie-Jpy Brodrick，Daniel Sperling.Emissions from Conventional and Hybrid Electric Transit Buses Tested on Standard and San FrancisoSpecific DrivingCycles.SAE Paper，2002-01-3117.

［8］赵鹏.SCR技术在柴油发动机排放控制中的应用［J］.石油商技，2012，（5）：12-14.

［9］QC/T894-2011，重型混合动力电动汽车污染物排放车载测量方法［S］.

［10］荆莹，郭家坦.驾驶与维护对汽车排放性能的影响［J］.资源节约与环保，2010，（2）：58-60.

［11］王云霞.浅析汽车排放性能的检测［J］.大众科技，2010，（1）：99-100.

修改稿日期：2015-07-22

Control Algorithm of Hybrid Engine Starting and Stopping System Based on Exhaust Gas Temperature Optimization

ShangMingli1，Zou Yufeng2，Liu Jianxin1，SongRuifang1
（1.Zhengzhou YutongBus Co.，Ltd，Zhengzhou 450061，China；2.Zhengzhou College ofTraffic Technicians，Zhengzhou 450016，China）

For the hybrid bus'problemthat the lowexhaust gas temperature because ofthe engine stop results in the NOxpollutant increasing，the authors add exhaust gas temperature signal and NOXcontent signal to the input signals to optimally control the engine starting and stopping in order to raise the exhaust gas temperature and reduce the NOx pollutant emissions.By using the real vehicle bench test，the comparison results fully showthe effectiveness of this control strategy.

hybrid engine；enhaust gas temperature；engine startingand stopping；control algorithm

U469.7；U464

A

1006-3331（2015）06-0006-03

尚明利（1983-），男，博士；工程师；动力系统工程师；研究方向：新能源客车动力系统匹配及控制。