天然气发动机高温停机保护策略测试

山曙光 张宗英 马令然 刘近报

摘要：  为解决常年高温地区易出现的发动机高温故障，分析发动机高温原因及危害；通过逻辑分析，制定发动机保护机制，提出当发动机过热时将转矩强制置0、设置转速限值触发燃料供给限制、强制锁定节气门开度为初始状态3种保护策略并进行测试；选择最优控制策略增加延迟停机动作进行实车试验验证。结果表明：发动机出现高温故障时，3种控制策略中，设置转速限值触发燃料供给的保护策略效果最好；在此策略基础上延迟停机时间为150 s，停机后冷卻水的最高温度为98.5 ℃，满足使用需求。

关键词： 高温故障；发动机保护；延迟停机；控制策略

中图分类号：TK438 文献标志码：A 文章编号：1673-6397（2024）01-0081-06

引用格式：  山曙光，张宗英，马令然，等. 天然气发动机高温停机保护策略测试［J］.内燃机与动力装置，2024，41（1）：81-86.

SHAN Shuguang， ZHANG Zongying， MA Lingran， et al. Test on protection strategy for high temperature shutdown of a natural gas engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：81-86.

0 引言

为减少环境污染，清洁燃料逐渐取代化石燃料成为一种必然[1]。天然气具有资源、成本和应用技术日趋完善等方面的优势，天然气作为石油的替代燃料，不仅可以降低燃料成本，而且作为清洁能源，还可以大大降低环境污染，因此很多国家使用天然气代替了化石燃料[2]。

近年来非洲某国一批旧的公交车改制，将柴油机更换为天然气发动机，由于该国家常年处于高温状态，车辆交付时，个别车辆出现发动机水温过高故障。虽然车辆触发了限制转矩动作且故障灯点亮，但司机并没有停车检查，而是继续行驶，导致发动机严重损坏。当前在用的发动机内部控制策略为：当发动机出现高温报警时，限制发动机转矩、不停机。高温环境加速了发动机损坏，因此该控制策略不适用于全年高温地区，应设计新的控制策略保护发动机。本文中针对常年高温国家易出现的发动机水温过高的原因进行分析，设计安全可靠的发动机保护控制策略，解决高温环境下发动机水温过高故障，降低发动机故障率，延长发动机使用寿命，保障人员出行安全。

1 发动机高温原因分析及控制逻辑

发动机水温过高故障现象主要包括水温超过报警水温、膨胀水箱出现喷水的开锅情况、行驶中发动机发出清脆的爆震敲击声、发动机易熄火等[3-5]。

1.1 高温危害

发动机水温过高的危害主要包括：1）冷却液温度过高，进入缸内的燃气提前燃烧，发动机做功能力下降，功率减小；2）高温使发动机部件膨胀，配合空隙发生改变，如发动机衬套与缸盖是过盈配合，在高温时部件膨胀，温度降低后部件收缩，造成密封不严，容易导致气缸进水，严重时导致发动机损坏；3）发动机温度过高，机油黏度减小，导致各部件的润滑不足，加剧运动副磨损，降低发动机运行寿命；4）发动机温度过高使橡胶材料的密封件烧化、变形，导致密封不良，气缸容易进水或进油[4-9]。

1.2 原因分析

发动机水温过高的原因可以从冷却系统的机械结构和电控单元两方面进行分析。

1.2.1 冷却系统机械结构

冷却系统机械结构故障大多由冷却系统的水泄漏引起，冷却效果不足，导致发动机油温、水温迅速升高[10-12]，水温过高的主要原因为：1） 发动机中冷器内部污垢堵塞、风扇栅格堵塞，散热能力降低，水温散热器和发动机水套水垢太多，导致散热不良，水温升高；2）节温器故障，导致在水温过高时，无法正常打开，不能由小循环切换到大循环，水温快速升高，发动机过热；3） 发动机与风扇的传动皮带处配合不良，皮带打滑，风扇不能正常运转，散热能力减弱，导致发动机温度迅速升高；4）发动机水管漏水，无法冷却；5） 冷却系统水循环内有气体，水循环不流畅；6）气缸密封件老化破坏，导致缸内的高热量燃气进入冷却系统，造成水温快速升高；7）冷却系统密封不好，水管卡箍连接处的冷却液泄露。

1.2.2 冷却系统电控单元

冷却系统电控单元导致的水温过高原因主要包括：1） 风扇匹配不当，风扇转速达不到冷却要求，散热效果不佳，风扇没有挡位转换，强风冷无效，水温升高；2）电子控制单元（electronic control unit，ECU）中的数据标定错误，电控风扇等冷却设备不能正常运转，发动机散热不足，导致发动机温度过高；3）电控风扇接插件损坏，或继电器存在故障，需要散热时风扇不能运转，水温升高；4）空调故障，电控风扇不按正常的转速运转，发动机载荷增加，冷却系统散热不足，导致水温升高，空调内部缺少制冷剂导致散热能力不足；5） 水温传感器故障，传感器将错误的水温发送给ECU，发动机不响应散热，导致发动机水温不正常[13-15]。

1.3 高温保护逻辑对比

经过现场排查，该天然气发动机冷却系统缺少冷却液，温度过高，导致发动机损坏。若检查水箱中是否有水，需安装液位传感器；但考虑到成本，客户拒绝安装液位传感器。因此根据市场应用需求，初步制定以下保护策略：当水温传感器或油压传感器损坏以及水温 t 过高报警时，发动机由高转速直接回落到怠速转速，并在一定时间内停机。修改前、后发动机保护策略流程图如图1所示，图中 T 为发动机转矩， T  m为发动机额定转矩。

原发动机保护逻辑是：当 t ≥96 ℃时，限制发动机转矩为额定转矩的60%；当 t ≥100 ℃时，过热故障报警，限制发动机转矩为额定转矩的20%。修改后发动机保护逻辑是：当 t ≥96 ℃时，限制发动机转矩为额定转矩的60%；当 t ≥100 ℃时，发动机过热故障报警，发动机转速回落到怠速转速并在一定时间内停机。

2 测试方案及结果

2.1 测试方案

本次测试实现在触发高温故障时，转速回落到怠速转速并延迟停机。经研究及逻辑分析，初步确定3种发动机由高转速回落至怠速转速的方案。方案1：当发动机出现高温故障时，触发发动机转矩为0的动作。方案2：设置发动机怠速模式下燃料供给的转速上限及非怠速模式的转速下限，当转速高于非怠速模式下的转速下限时，发动机停止燃料供给，低于该转速下限时，发动机恢复燃料供给；即当转速高于怠速模式转速上限时停止燃料供给，低于该转速上限时恢复燃料供给；当发动机出现高温故障时，高转速下停止燃料供给，低转速下恢复燃料供给。方案3：当触发高温故障时，使发动机节气门锁定为初始状态。

高温状态下的发动机不能立刻停机，应使发动机在怠速模式下运转一定时间，待发动机热量散出后再熄火，因此设定发动机延迟停机时间。

2.2 测试过程及结果

2.2.1 方案1

在ECU数据中标定4级转矩限值为0，测试时标定水温报警温度为70 ℃，标定油压传感器损坏及水温高于限值时均触发该动作。拔掉油压传感器，起动发动机测试，记录相关路谱，测试结果如图2所示。

由图2可知：当拔掉油压传感器后，起动车辆后，触发限制转矩动作，增大油门，发动机转速不上升，节气门开度基本没有变化，满足要求。分析原因为：当拔掉油压传感器后，增大油门开度，发动机转矩无法增大，根據发动机外特性map图可知，转矩与节气门开度相对应，节气门开度不变进入气缸内的空气量不变，空燃比不变，使得发动机转速保持在怠速转速，不增大。

恢复油压传感器，将油门增加至最大，测试水温超上限时发动机转速，测试结果如图3所示。

由图3可知：当水温上升到水温报警温度70 ℃时，发动机转速迅速下降，并在450～650 r/min波动；油门开度为0时，发动机转速剧烈波动。这种转速波动容易造成发动机熄火，效果不理想。因为当触发动作时，发动机高转速运行时强制将转矩置0，限制了节气门开度，没有维持高转速的燃料供给，发动机转速迅速下降，此时受比例积分微分（proportional integral derivative，PID）控制，转速降低幅度较大，如果此时车辆挂挡行驶，因转速较低导致车辆熄火。

2.2.2 方案2

在ECU中标定：非怠速模式下，燃料供给转速上限为800 r/min；怠速模式下，燃料供给转速上限为750 r/min；水温报警温度为70 ℃；油压传感器损坏及水温超上限时均触发该动作。拔掉油压传感器，起动发动机测试，测试结果如图4所示。

由图4可知：拔掉油压传感器触发燃料供给限制动作，油门开度为0时，发动机转速稳定在630 r/min，当油门开度增大时，发动机转速波动，最大转速不超过1 000 r/min，满足测试要求。分析原因为：发动机因故障触发该动作时，发动机为怠速运行模式，增大油门后，发动机转速高于750 r/min时，发动机停止燃料供给，导致转速下降，转速低于750 r/min时恢复燃料供给，增大油门时发动机转速波动，不增大油门时转速稳定。

恢复油压传感器，增大油门，测试水温超过70 ℃时发动机转速变化，测试结果如图5所示。

由图5可知：当发动机水温达到临界报警温度时，发动机转速迅速降低，踩油门踏板，发动机转速在1 000 r/min以下波动；停止踩油门踏板时，发动机转速稳定在630 r/min左右，结果符合要求。

当发动机高转速时触发该动作时，发动机处于非怠速模式，停止燃料供给，发动机转速直线下降；当转速下降到800 r/min时，恢复燃料供给；当稳定在800 r/min时，进入怠速控制模式，停止燃料供给，转速低于750 r/min，恢复燃料供给，使发动机转速稳定在怠速转速。

2.2.3 方案3

在ECU数据中标定油压传感器损坏及水温超上限时触发切断节气门动作。拔掉油压传感器，起动发动机测试，结果如图6所示。由图6可知：发动机转速稳定在580 r/min，踩油门，转速不变。分析原因为：锁定节气门初始开度，无论油门如何变化，节气门开度不变，发动机转矩不变，使转速稳定在怠速转速。

恢复油压传感器，增大油门，测试当水温超过报警温度70 ℃时的发动机转速，结果如图7所示。

由图7可知：当发动机水温达到临界报警温度时，发动机转速迅速降低，踩油门踏板，发动机转速不变，稳定在565 r/min左右，如果此时车辆在挂挡行驶过程中，因转速偏低易导致车辆熄火；发动机转速较高时，锁定节气门开度，燃料供给有限，导致发动机转速回落幅度较大，转速迅速降低为565 r/min。

2.2.4 最优方案

根据以上测试结果可知：方案3转速回落稳定性最优，方案1转速波动最大；转速回落后，方案1转速在450～650 r/min之间波动，方案2的转速约为630 r/min，方案3转速约为565 r/min，方案2的转速最接近怠速转速，其他2种方案容易引起停机。综合考虑，选择方案2为最优方案。

2.3 实车验证

测试步骤为：1）拆除风扇，确保水温在行驶过程中可以超过100 ℃（测试不再使用限值），触发发动机保护策略；2）在ECU中设置延迟停机时间分别为90、120、150 s，依此测试验证；3）记录路谱，分别验证发动机保护功能触发，并对比测试结果，确定最优方案。不同延迟停机时间的路谱如图8所示。

由图8可知：1）车辆行驶过程中，当发动机水温升高到100 ℃时，触发发动机高温保护机制，发动机转速正常回落到怠速转速。2）延迟90 s停机，停机后最高水温为104.6 ℃；延迟120 s停机，停机后最高水温为102.4 ℃；延迟150 s停机，停机后最高水温为98.5 ℃。

通过测试，发动机保护机制在水温较高时均可以正常触发，并按照设定的方式正常停机；发动机延迟停机时间为150 s时，发动机停机后水温最低，故选择150 s为最佳延迟停机时间。

当触发高温故障时，发动机停机后，可以检查维修，避免发动机严重损坏；待维修完成后，只需将ECU断电1 min后即可重新起动，无需清除历史故障。

该控制策略可以为常年高温环境中发动机正常运行提供保障，降低发动机故障率，延长发动机使用寿命，保障人员的出行安全。

3 结论

针对常年在高温地区运行的车辆发动机水温过高问题，分析高温产生的原因；在不增加成本的前提下，制定发动机保护策略，保证发动机运行安全。

1）当发动机过热时设置转速限值触发燃料供给限制策略，可以使转速回落至怠速转速，且转速的稳定性较好。

2）发动机怠速模式下运行150 s后停机，最高水温为98.5 ℃，效果较好，满足使用需求。

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Test on protection strategy for high temperature

shutdown of a natural gas engine

SHAN Shuguang， ZHANG Zongying， MA Lingran， LIU Jinbao

Weichai Power Co. ， Ltd. ， Weifang 261061， China

Abstract： In order to solve the high temperature failure of the engine that occurs in high temperature areas， the cause and harm of the high temperature of the engine is investigated. By logical analysis， the engine protection mechanism is formulated， and the torque is limited when the engine is overheated. Lock the throttle openness in the initial state of 3 protection strategies and test it， select the best of the three control strategies to increase the delayed parking action for real car test verification. The results show that the protection strategy of setting up speed limit triggering fuel supply is the best effect among the 3 control strategies. On the basis of this strategy， when the shutdown time is delayed by 150 s， the maximum temperature of the cooling water after shutdown is 98.5 ℃， which meets the needs of use.

Keywords： high temperature fault; engine protection; delay shutdown;control strategy   （責任编辑：刘丽君）