某GDI发动机排温保护控制策略研究

张士路，王洪静，吴俊峰，赵强，于海昌



某GDI发动机排温保护控制策略研究

张士路，王洪静，吴俊峰，赵强，于海昌

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230022）

文章对缸内直喷废气涡轮增压发动机的排温保护控制策略进行了研究，通过降低空燃比控制的基础上增加扭矩模块控制，解决超温保护问题。通过道路及NEDC循环测试，表明排温保护功能对发动机性能影响较小，可以有效的降低发动机热负荷。

超温保护；缸内直喷；扭矩控制

1 概述

为满足日益严格的排放可油耗法规要求，在车用汽油电喷发动机领域 ，越来越广泛地采用涡轮增压(Turbo-charg ing)结合缸内直喷(GDI)，可以有效提升发动机瞬态响应，改善传统增压技术的响应延迟，由于直喷吸热使得缸内温度降低，充气系数提高 2%～3%，从而获得了燃油经济性和排放的大幅度改善，小排量废气涡轮增压缸内直喷发动机取代大排量自然吸气发动机，是实现节油与降低碳排放量最为主流的核心技术路线之一。

由于其小型化加上缸内直喷压缩比较大，在大负荷工况下其热负荷相对一般发动机要高很多，若长时间运行在较高的热负荷区域对发动机的润滑系统和零部件本身（如增压器、气门、活塞轴瓦等等）都会带来致命的伤害。

在发动机设计中合理处理好其热负荷影响和优化整车热管理系统以外，从发动机电子控制角度来说，虽然可以利用ECM精确控制发动机空燃比来主动控制排气温度，降低热负荷，但对于GDI发动机空燃比加浓太多时，会有燃油溅到缸壁产生机油稀释问题，长期会降低机油润滑效果，严重的会影响发动机耐久和可靠性。

本文研究以某车型搭载自主研发的1.5L缸内直喷增压器发动机为基础，对排温保护控制策略进行应用分析，探讨对发动机热负荷的影响。

2 排温控制系统设计

排温控制系统结构如图1所示。ECM根据当前整车的工作状态（发动机负荷、发动机转速、车速、进气温度等）通过查询预先通过标定获得表格，通过计算得到预估排气温度，将此温度值与ECM内部设置好的增压器部件最高耐受温度比较，决定是否开启排温保护逻辑。

图1 排温控制系统结构图

3 排温保护策略设计

排温保护控制策略如图2所示，其目的为确保将发动机的热负荷控制在合理范围内，在加浓空燃比的同时，防止机油稀释，通过限制发动机飞轮扭矩，降低排气温度来保护涡轮增压器的涡轮轴承座及蜗壳处不会超过耐受温度。

图2 排温控制策略流程图

3.1 排气温度预估

根据发动机运行参数，准确预估当前发动机实时排温：

上式中T是基础排气预估温度；T表示点火角对排气温度的影响；T表示空燃比对排气温度的影响；T是车速对排气温度的影响。

3.1.1基础排气温度预估

T与发动机转速、负荷有关，通过标定，得到运行在理论空燃比、最佳扭矩点火角下的排气预估温度，它是一张转速与负荷的表格，如表1所示。

表1 基础排温总表

横坐标为负荷，纵坐标为转速，通过定转速扫负荷的方式，精确的预估每个点的基础排温数据。

3.1.2点火角修正

根据所退点火角，算出点火损失，再由点火损失算出点火角对排气温度的影响，如图3所示。

图3 点火角对排温的影响

3.1.3空燃比修正

在台架试验中，以不同空燃比数值，测量与之对应的排气温度，算出两种之间的对应关系，通过加浓空燃比，未被完全燃烧的燃油可以吸收部分热量，能明显降低排气温度，如图4所示。

图4 空燃比对排温的影响

车速的快慢对排气温度也有一定的影响，一般车速越快递，气流对排温的冷却就越明显。

ECU 通过T、T、T对基础预估温度进行实时修正，确保模型预估的准确。

3.2 排温限扭控制策略

当预估温度T大于等于过温保护设定值T（该温度由发动机设计确定），且过温持续时间t超过过温设定时间t（该时间由发动机设计确定），即启动过温保护功能。

对于TGDI发动机，考虑到加浓空燃比对PM和机油稀释产生直接影响，通过机油稀释试验会确定一个空燃比最小限值1im，当实时加浓空燃比λ大于机油稀释临界空燃比1im时，且加浓能使排气温度降低，则ECU只采用加浓空燃比控制方式，当λ等于机油稀释临界空燃比1im时；若排气温度能达标，维持λ=1im。若排气温度持续升高控制不住，则空燃比不在降低，ECU通过控制节气门开度和喷油量来主动降低发动机负荷，即发动机限扭，限扭阈值通过转毂及高温环境路试确定，是关于排气温度和空燃比的二维表，如表2所示，通过限扭降低发动机热负荷，直到排气温度控制在安全阀值内为止。

表2 限扭阈值

注：K为开尔文温度，K及由发动机状态确定

当预估排气温度T降低到退出温度限值T（该限值由发动机设计确定）时，ECU终止退出排温保护功能，发动机回到正常控制模式。

4 试验验证

4.1 转毂环境试验

试验验证某车型搭载1.5L缸内直喷发动机，按照上述设计的控制策略，在环境仓中，环境温度设定为20°C和40°C，分别验证4档、5档，6档试验结果如表3、4所示，从验证结果看，除最高车速及急加速时间稍有影响，限扭后对于整车性能影响较小。

表3 各档位最高车速

表4 各档位加速时间影响

4.2 道路试验

图5 道路排温验证

排气总管处装有可以实测排温的热电偶，用以验证预估排温的准确性，全速全负荷，模拟较为恶劣的驾驶工况，通过试验结果，预估排温与实测排温较为接近，排温保护策略触发后，最终排温可以稳定控制在965℃左右，满足增压器的最高耐受温度980℃要求，如图5所示。

5 结论

本文对排温保护控制策略进行了研究，通过环境仓NEDC循环及实车高温环境试验验证，表明排温保护策略可以有效地降低发动机热负荷，同时对整车的性能影响较小，为匹配同类型发动机控制提供有力的宝贵的经验。在排温保护策略实际运用中我们也发现对以下的问题仍值得深入关注和研究：

5.1 TGDI发动机的发仓布置对热负荷的影响较大，如布置方案不佳增压器散热效果差，同时会导致进气温度升高，衍生出为保护节气门而使用ETC限扭功能；

5.2排温保护策略要充分考虑整车驾驶性及排放法规，如何平衡三者之间的关系，需要经过反复的转毂及道路验证。

[1] KP Tyagi,MN Khan. Effect of Gas Turbine Exhaust Temperature Stack Temperatureand Ambient Temperature on Overall Efficiency of Combine Cycle Power Plant.International Journal of Engineering and Technology.Vol.2(6),2010, 427-429.

[2] AY Karnik, MH Shelby. Effect of Exhaust Gas Temperature Limits on the Peak Power Performance of a Turbocharged Gasoline Engine. Journal of Engineering for Gas Turbines& Power. 2010,132 (11): 2201-2210.

[3] 张子庆,杨友文,王旻等.缸内直喷发动机机油稀释解决方案研究[J].上海汽车.2016(7):27-31.

[4] 林慎之,東條正希,等.应对高排气温度的小型高性能涡轮增压器的研制.国外内燃机.[J].2009(2):55-58.

[5] 王召兵,陈志斌.增压电喷汽油机试验排气温度异常升高分析[J].轻型汽车技术.2013(1):37-39.

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

B

1671-7988(2018)16-183-03

U467.2

B

1671-7988(2018)16-183-03

CLC NO.: U467.2

张士路，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.064