尚明利，鄒玉鳳，柳建新，宋瑞芳

基于排氣溫度優(yōu)化的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制算法

尚明利1，鄒玉鳳2，柳建新1，宋瑞芳1

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061；2.鄭州交通技師學(xué)院，鄭州450016）

針對混合動(dòng)力客車發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)所導(dǎo)致的排氣溫度偏低引起NOx排放升高的問題，通過引入排氣溫度及NOx含量等信號進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起停優(yōu)化控制，提升整車排氣溫度，降低NOx等污染物排放量。利用實(shí)車臺架對比測試，結(jié)果充分驗(yàn)證了控制算法的有效性。

混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)；排氣溫度；發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂?；算法

對于混合動(dòng)力及插電式混合動(dòng)力客車，由于增加了電機(jī)純電驅(qū)動(dòng)及助力的狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)與常規(guī)動(dòng)力車輛存在較大的差異［1-5］。對于市場上常用的混聯(lián)系統(tǒng)配置SCR系統(tǒng)的混合動(dòng)力車輛，因其具有純電驅(qū)動(dòng)及怠速起停功能，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間超過50%，導(dǎo)致整車排氣溫度較低，引起發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)NOx污染物排放量較高，整車污染物減排效果并不像其油耗那樣具有明顯優(yōu)勢［6-7］。本文針對此問題，通過引入排氣溫度及NOx含量等信號，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起停優(yōu)化控制，提升整車的排氣溫度，降低NOx等污染物排放量。

1　整車控制及后處理系統(tǒng)

1.1整車控制原理

本文研究的混合動(dòng)力客車為雙電機(jī)系統(tǒng)，依據(jù)其構(gòu)型特點(diǎn)，可將整車的行駛狀態(tài)分為起動(dòng)（即低速）、中高速、全面加速、制動(dòng)及停車5個(gè)狀態(tài)。其各狀態(tài)下的工作方式如下：

1）車速為0～23 km/h之間時(shí)，用電機(jī)直驅(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)；動(dòng)力電池SOC低于一定限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)并給電池充電。

2）車速達(dá)到23 km/h后，電控離合器接合，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)整車。

3）中、高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高效直接驅(qū)動(dòng)。

4）制動(dòng)及滑行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

5）動(dòng)力電池電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

1.2后處理系統(tǒng)

當(dāng)前國內(nèi)的國四重型柴油機(jī)的后處理系統(tǒng)普遍采用SCR方案。SCR系統(tǒng)主要由催化消聲器、計(jì)量噴射泵（UDS）、添藍(lán)罐、添藍(lán)噴嘴、壓縮空氣濾清器、后處理控制單元（DCU）等組成，如圖1所示。

2　基于排氣溫度優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂扑惴?/h2>

2.1控制思想

在整車控制算法中引入排氣管入口、出口溫度，計(jì)算整車的排氣溫度，結(jié)合NOx濃度判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否需要起停，最后結(jié)合由車輛狀態(tài)決定的發(fā)動(dòng)機(jī)起停指令，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的起停控制。這樣可以在實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)性的前提下，減少整車的NOx等污染物排放量。

基于排氣溫度優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂扑惴?，主要由排氣溫度計(jì)算、后處理系統(tǒng)查表判斷及發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)邏輯判斷3個(gè)模塊組成。具體的架構(gòu)形式如圖2所示。

2.2后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂?/p>

配置SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)后處理系統(tǒng)只有在一定的溫度下限之上工作時(shí)方能起到對NOx的催化還原反應(yīng)，從而降低整車的排放。在溫度偏低時(shí)，噴射過多的尿素不僅催化還原效果差，且易導(dǎo)致氨氣泄露及尿素結(jié)晶［8］。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)起停需求判斷的基本原則是：排氣溫度高時(shí)，只要NOx含量不高，發(fā)動(dòng)機(jī)即可停機(jī)；排氣溫度低時(shí)，除非NOx含量低，否則發(fā)動(dòng)機(jī)不可停機(jī)。具體的控制邏輯如表1所示。

表1　由排氣溫度及NOx含量決定的發(fā)動(dòng)機(jī)起停需求

2.3發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)邏輯判斷

依據(jù)車速、動(dòng)力電池SOC及整車需求功率等車輛狀態(tài)，整車控制策略會(huì)決策一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)起停指令1，結(jié)合后處理系統(tǒng)排氣溫度及NOx含量決策的發(fā)動(dòng)機(jī)起停指令2，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)邏輯判斷模塊中進(jìn)行最終決策，輸出最終的發(fā)動(dòng)機(jī)起停機(jī)指令，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的起?？刂啤＞唧w的決策過程：發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)指令輸出優(yōu)先考慮后處理系統(tǒng)決策的停機(jī)指令，即如后處理決策發(fā)動(dòng)機(jī)不停機(jī)，則最終的輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)不停機(jī)；如后處理決策發(fā)動(dòng)機(jī)可停機(jī)，則按車輛狀態(tài)決策的發(fā)動(dòng)機(jī)起停機(jī)進(jìn)行控制。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1測試方法

針對所制定的控制算法，在中國汽車技術(shù)研究中心重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車底盤測功機(jī)的轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺上進(jìn)行對比試驗(yàn)。參照文獻(xiàn)［9］，整車加載到滿載的65%（12 m車為16 500 kg），在中國典型城市工況下，針對排氣溫度優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制算法與無排氣溫度控制優(yōu)化的控制算法進(jìn)行整車排放對比測試［10-11］。

測試前，混合動(dòng)力客車通過發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使動(dòng)力電池SOC達(dá)到上限；測試后，同樣通過發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使動(dòng)力電池SOC達(dá)到上限值，以保證測試前后車載能源電量平衡。

3.2數(shù)據(jù)處理及測試結(jié)果分析

首先對轉(zhuǎn)轂上采集的車輛排放特征數(shù)據(jù)（排氣流量、HC、CO、NOx及PM等）及行駛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步匹配，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行突變值平滑及缺失值插值處理，保證數(shù)據(jù)的精度和代表性。兩種車輛整車3次測試的數(shù)據(jù)、每公里平均排放及柴油消耗量如表2所示。

由表2可知，排溫優(yōu)化控制算法的整車污染物排放均低于無排溫優(yōu)化控制算法的整車污染物排放，其中NOx降低30%，而油耗由于整車停機(jī)時(shí)間的降低，導(dǎo)致油耗會(huì)增大2%左右。

4　結(jié)束語

基于整車的排氣溫度，結(jié)合后處理系統(tǒng)的NOx含量，針對發(fā)動(dòng)機(jī)的起停控制進(jìn)行優(yōu)化，可有效維持整車的排氣溫度在一個(gè)合理范圍內(nèi)，增強(qiáng)NOx的催化還原能力，降低整車的NOx等污染物排放。利用整車轉(zhuǎn)轂進(jìn)行實(shí)車對比測試，結(jié)果表明，基于排氣溫度優(yōu)化控制算法的整車NOx可降低30%左右。

表2　整車排放測試結(jié)果對比

［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，劉伏萍，陳燕濤，等.基于PEMS的混合動(dòng)力客車排放和油耗性能評價(jià)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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］趙鵬.SCR技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制中的應(yīng)用［J］.石油商技，2012，（5）：12-14.

［9］QC/T894-2011，重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車污染物排放車載測量方法［S］.

［10］荊瑩，郭家坦.駕駛與維護(hù)對汽車排放性能的影響［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2010，（2）：58-60.

［11］王云霞.淺析汽車排放性能的檢測［J］.大眾科技，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；工程師；動(dòng)力系統(tǒng)工程師；研究方向：新能源客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及控制。