客６ 第６期 车技术与研究 ＢＵＳ＆Ｃ０ＡＣＨ ＴＥＣＨＮ０ＬｏＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ 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ｚ，柳建新 ，宋瑞芳 （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） 摘 要：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 关键词：混合动力发动机；排气温度；发动机起停控制；算法 中图分类号：Ｕ４６９．７；Ｕ４６４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—３３３１（２０１５）ｏ６—０００６—０３ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｏｐｐｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｓｈａｎｇ Ｍｉｎｇｌｉ ，Ｚｏｕ Ｙｕｆｅｎｇ２，Ｌｉｕ Ｊｉａｎｘｉｎ。，Ｓｏｎｇ Ｒｕｉｆａｎｇ （１．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｙｕｔｏｎｇ Ｂｕｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００６１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ ｂｕｓ’ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏｗ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｓｔｏｐ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ＮＯｘ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ａｄｄ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ＮＯｘ ｃｏｎｔｅｎｔ 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 ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ ｅｎｇｉｎｅ；ｅｎｈａｕｓｔ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｅｎｇｉｎｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｐｐｉｎｇ；ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 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 －５］。对于市场上常用的混联系 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。 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 。本文针对此问题，通过引入排气温度及ＮＯｘ含 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。 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。 ５）动力电池电量不足时，发动机拖动发电机发电。 １ 整车控制及后处理系统 １．１整车控制原理 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 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 制单元（ＤＣＵ）等组成，如图１所示。 作者简介：尚明利（１９８３一），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。 第６期 尚明利，邹玉凤，柳建新，等：基于排气温度优化的混合动力发动机起停控制算法 ｌＩ －一镰 ‘＿叫ｌ ｕ｝ｃ ： ｌ图１采用ＳＣＲ的柴油机后处理系统 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。 — —排气雷ｌ出 嬖 兰ｌ 系后处理 发 起停动指机令 发２ 动机 出Ｅｌ温度ｌ 统 停 查 机 表 逻 判 辑 断 判 发动机起停指令１ 断 图２基于排气温度优化的发动机起停控制算法框图 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［８１。 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 ＮＯｘ含量高 ＮＯｘ含量中 ＮＯｘ含量低 平均排气温度＜２２０＇１２ 不停机 不停机 可停机 平均排气温度＞２５０￣Ｃ 不停机 可停机 可停机 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ｆ９］，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【 ¨］。 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 ８ 客车技术与研究 ２０１５年１２月 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 ＮＯｘ／（ｇ／ｋｍ） １ ６．５０ｌ ＣＯ／（ｇ／ｋｍ） ２．３６０ ２．０４３ ＴＨＣ／（ｇ／ｋｍ） ０．０２９ ０．０１７ ＰＭ／（ｇ／ｋｍ） Ｏ．Ｏｌ１ Ｏ．００８ 停机时间，％ 柴油消耗量，Ｌ ５８．９０ ６０＿２７ １．３００４ １．２ｌ８ ７ 排温优化控制 算法的整车污 染物排放 ２ ３ 平均值 １ ５．６１５ ５．９６３ ６．０２６ ８．７１５ ２．１８３ ２．１９５ ２．４７２ Ｏ．０２１ ０．０２２ ０．０２５ Ｏ．ｏｏ８ ０．００９ ０．００８ ６１．Ｏ１ ６０．０６ ６５．６７ １．２４６７ １．２５５ ３ １．２０３ ５ 无排温优化控 ２ ３ ８．９４７ ２．６４ｌ ２．５９５ ０．０３０ ０．０２６ ０．０１２ ０．０１０ ６４－８５ ６５．５３ １．２３５ ９ １．２２７ ６ 制算法的整车 污染物排放 ８．７４３ 平均值 ８．８０２ ２．５６９ ０．０２７ ０．０１０ ６５＿３５ １．２２２ ３ 参考文献： 【１】Ａｙｍｅｒｉｃ Ｒｏｕｓｓｅａｕ．Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ ＨＥＶ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎａｌｙ— ｓｉｓ Ｍｏｄｅｌ：ＰＳＡＴ．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ．２００１－０１—０９５３． （１）：２７—３０． ［７］Ｃｈｒｉｓｔｉｅ－Ｊｐｙ Ｂｒｏｄｒｉｃｋ，Ｄａｎｉｅｌ Ｓｐｅｒｌｉｎｇ．Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｆｒｏｍ Ｃｏｎ－ ｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｂｕｓｅｓ Ｔｅｓｔｅｄ ｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｏ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅｓ．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ，２００２—０１— ３１１７． ［２ Ｍａｓ２］ａｋａｚｕ Ｓａｓａｋｉ．Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ—Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆａｃ－ｔｏｒｓ ｏｎ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉ—ｎｅｅｒｉｎｇ．２００５． 【８］赵鹏．ＳＣＲ技术在柴油发动机排放控制中的应用ＩＪ１．石油商 技，２０１２，（５）：１２—１４． ［９１ ＱＣ／Ｔ ８９４—２０１ １，重型混合动力电动汽车污染物排放车载测 量方法［Ｓ］． 【３］Ｓｔａｎ Ｓ．ＧＭ Ｅｎｔｅｒｓ 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—０１一ｌ５００． 【１０】荆莹，郭家坦．驾驶与维护对汽车排放性能的影响『Ｊ１．资源 节约与环保，２０１０，（２）：５８—６０． 【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． ［１１】王云霞．浅析汽车排放性能的检测【Ｊ１．大众科技，２０１０，（１）： ９９—１００． ［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， 修改稿日期：２０１５—０７—２２
