張申祥，　陳　瑋，　王善強，　孫　澤，　楊咸珠，　韓　震

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心動力試驗研究院，合肥 230601)

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基于發(fā)動機臺架試驗的整車油耗測試方法

張申祥，陳瑋，王善強，孫澤，楊咸珠，韓震

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心動力試驗研究院，合肥 230601)

隨著國內(nèi)輕型整車油耗限值法規(guī)要求的加嚴，使得整車油耗測量變得非常重要.基于發(fā)動機試驗臺架的一種整車油耗測試方法的應(yīng)用技術(shù)，利用整車法規(guī)循環(huán)工況反算發(fā)動機運行工況，利用電力測功機發(fā)動機試驗臺架編制對應(yīng)的發(fā)動機工況自動循環(huán)程序，利用臺架設(shè)備溫控及附件加載設(shè)備來控制試驗邊界條件，高瞬態(tài)油耗儀測量實時油耗，經(jīng)驗證,測量結(jié)果一致性達到0.5%以內(nèi)，滿足整車油耗測量需求.

發(fā)動機臺架；整車油耗；NEDC循環(huán)

隨著全球和國內(nèi)能源危機的加劇，以及我國新出臺的單車油耗限值(GB 19578-2014)和企業(yè)平均油耗限值(GB 27999-2014)的要求，2016年將實施第四階段油耗限值標準，油耗限值比第三階段加嚴28%[1].因此,各主機廠及零部件廠家都在大力推進節(jié)油技術(shù)研發(fā)，例如發(fā)動機的運動件特殊涂層技術(shù)、分缸燃燒技術(shù)等，此類新節(jié)油技術(shù)較多，一般節(jié)油效果都在5%以內(nèi)，有的節(jié)油效果只有1%左右.另外,在整車轉(zhuǎn)轂試驗驗證時，由于駕駛員習(xí)慣等問題造成其一致性偏差大于1%.如果這些新節(jié)油技術(shù)節(jié)油效果驗證都通過整車法規(guī)測試方法來實現(xiàn)，在新技術(shù)開發(fā)周期和效果驗證上都存在很大弊端.文中基于整車NEDC測試循環(huán)進行闡述.

1　整車NEDC循環(huán)發(fā)動機工況數(shù)據(jù)獲取[2]

整車在轉(zhuǎn)轂運行NEDC測試循環(huán)時，發(fā)動機邊界條件如水溫、機油溫度等需要通過監(jiān)測ECU數(shù)據(jù)或者直接測試獲取，而發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩特性可通過兩種方式來獲取，一種是整車跑NEDC循環(huán)時監(jiān)控發(fā)動機ECU數(shù)據(jù)獲得，另一種是利用整車參數(shù)輸入的軟件計算獲得，兩種方式獲得的數(shù)據(jù)基本一致.鑒于整車轉(zhuǎn)轂試驗時一致性較差，因此，發(fā)動機工作邊界條件數(shù)據(jù)通過整車跑循環(huán)監(jiān)測ECU數(shù)據(jù)獲取，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩工況變化數(shù)據(jù)則通過軟件反算得出.

1.1整車循環(huán)監(jiān)測發(fā)動機運行邊界條件

整車在運行NEDC循環(huán)時，利用ECU監(jiān)控軟件讀取需要的發(fā)動機工作邊界條件變化，主要是水溫、進氣溫度等，另外可根據(jù)需求監(jiān)測發(fā)動機附件如發(fā)電機、真空泵等的工作情況，監(jiān)測的發(fā)動機邊界條件運行數(shù)據(jù)見圖1.

圖1　整車NEDC循環(huán)發(fā)動機邊界

1.2軟件反算發(fā)動機工況

使用AVL Cruise軟件利用已有整車參數(shù)數(shù)據(jù)進行反算整車跑NEDC循環(huán)時發(fā)動機工況點變化.

1.2.1計算原理

(1)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的求取

發(fā)動機轉(zhuǎn)速僅與汽車行駛速度、輪胎半徑和傳動系速比有關(guān)，與當前車輛狀態(tài)如加速、減速或等速等是沒有關(guān)系的.

Ua=0.377 r·n/igi0，

(1)

式中:Ua為汽車行駛速度，km/h；r為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；n為車輪半徑，m；ig為變速器傳動比；i0為主減速器傳動比.

已知車輛當前的行駛車速和檔位狀態(tài)，可求得對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速.

(2)發(fā)動機扭矩的求取

汽車沿行駛方向所受的力有驅(qū)動力和行駛阻力.驅(qū)動力是由發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系傳至驅(qū)動輪上得到的.行駛阻力包含滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和坡道阻力.

Ft=∑F=Ff+Fω+Fi+Fj,

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:Ft為車輛驅(qū)動力，N；∑F為總行駛阻力，N；Ff為滾動阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fi為坡道阻力，N；Fj為加速阻力，N；Ttq為發(fā)動機的輸出扭矩，N·m；ηT為傳動系的效率；F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2為道路滑行阻力系數(shù)；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為汽車質(zhì)量，kg.

上述諸阻力中，滾動阻力和空氣阻力是在任何行駛條件下均存在的，坡道阻力和加速阻力僅在一定行駛條件下存在.按試驗循環(huán)運行時，坡道阻力Fi等于0，此時車輛只有滾動阻力Ff，空氣阻力Fw和加速阻力Fj.其中，車輛的滾動阻力和空氣阻力Fw即為道路滑行阻力.

發(fā)動機的輸出扭矩的計算公式如下：

.(6)

1)等速行駛工況：等速行駛時，加速阻力Fj是不存在的.已知車輛當前的行駛車速和檔位，可求得發(fā)動機扭矩.

3)減速工況：減速行駛時，發(fā)動機的輸出扭矩僅與轉(zhuǎn)速相關(guān).在發(fā)動機臺架上模擬時，這部分數(shù)據(jù)是不需要添加的.

1.2.2整車參數(shù)輸入

整車反算發(fā)動機工況點所需類型數(shù)據(jù)見表1.

表1　整車NEDC循環(huán)計算參數(shù)

1.2.3工況點識別

M1、M2 類汽車油耗試驗均按NEDC 循環(huán)進行.每個NEDC 循環(huán)由4 個城市循環(huán)和1 個市郊循環(huán)組成，每個城市循環(huán)運行195s，市郊循環(huán)運行400s，整個NEDC 循環(huán)運行共計1 180 s.

如變速箱為6 檔手動變速箱，市郊循環(huán)部分按6 檔運行.如變速箱為自動變速箱，則按照換擋規(guī)律運行，車速仍為NEDC 規(guī)定車速.

1.2.4軟件計算和發(fā)動機工況點輸出

在Cruise 整車模型主界面(如圖2所示)輸入車輛、變速箱和主減等總成的參數(shù).在Cruise 計算任務(wù)主界面中輸入發(fā)動機初始狀態(tài)、車輛的阻力表征方式、換擋要求設(shè)置和循環(huán)工況設(shè)置.在Cruise 計算任務(wù)步長設(shè)置主界面中設(shè)置數(shù)據(jù)輸出、時間和車速步長.

在計算結(jié)果中找尋3個參數(shù)(車速、轉(zhuǎn)速和發(fā)動機扭矩)輸出，即可獲得圖3所示的整車反算的發(fā)動機工況點，為了更精確模擬，每0.1 s一個工況變化.

圖2　Cruise軟件整車模型主界面

圖3　軟件反算得出的發(fā)動機工況點

2　臺架模擬循環(huán)程序建立

對圖3計算得出的試驗工況進行工況擬合，從NEDC循環(huán)工況可得知城市工況和城郊工況，而城市工況為4個同一循環(huán)組成，同時對加速、減速等變工況數(shù)據(jù)可直接在臺架以兩個工況在一定時間內(nèi)的穩(wěn)步轉(zhuǎn)化來擬合.采用以上原則擬合后的其中單一城市循環(huán)工況變化如圖4所示.

利用AVL臺架控制軟件的自動循環(huán)程序?qū)⑸鲜鰯M合后的試驗工況進行程序編制，NEDC循環(huán)1 180 s時間工況變化都編入到臺架自動循環(huán)程序里，程序編制中加入邊界條件控制和限值控制，同時整個試驗工況加入記錄器用于測量存儲試驗數(shù)據(jù)，主要包含轉(zhuǎn)速、扭矩、瞬態(tài)油耗等，測量存儲頻率大于10 Hz.編制的程序如圖5所示.

圖4　擬合后的單一城市工況變化圖

圖5　NEDC循環(huán)工況臺架程序

3　試驗建立

本NEDC循環(huán)測試系統(tǒng)依托高動態(tài)電力測功機、高精度瞬態(tài)測量油耗儀、高精控溫設(shè)備以及附件加載設(shè)備的發(fā)動機臺架試驗設(shè)備平臺，搭建模擬出發(fā)動機在整車上運行NEDC循環(huán)的運行狀態(tài)[3].

高瞬態(tài)電力測功機可以以0.1 s 一個工況控制NEDC循環(huán)發(fā)動機工況變化，±1 ℃控制精度的溫控設(shè)備對發(fā)動機工作邊界條件進行模擬控制，根據(jù)NEDC循環(huán)監(jiān)測發(fā)動機附件運行情況如發(fā)電機等，使用附件加載設(shè)備進行自動加載和控制，最終實現(xiàn)整車NEDC循環(huán)工況變化.最后以臺架的高精度瞬態(tài)油耗儀用于測量瞬態(tài)油耗，0.1 s(和工況變化保持一致)測量一次油耗值FV，然后,通過積分法計算得出循環(huán)總油耗量F.

F=∫FV/36 000.

(7)

4　試驗驗證

通過一磨合后性能穩(wěn)定的1.5 L排量的汽油發(fā)動機和匹配此發(fā)動機和6MT變速箱的整車，整車在轉(zhuǎn)轂上進行NEDC循環(huán)測試，發(fā)動機在按照上述方法在臺架上進行多次NEDC循環(huán)試驗，一方面通過臺架的試驗結(jié)果一致性進行評估，另一方面通過臺架數(shù)據(jù)和整車的數(shù)據(jù)結(jié)果進行比對.

4.1臺架試驗準備

4.1.1發(fā)動機工況變化程序建立

匹配此1.5 L樣機和6MT變速箱的樣車參數(shù),輸入Cruise軟件，輸出NEDC循環(huán)發(fā)動機工況變化數(shù)據(jù)，使用此發(fā)動機工況數(shù)據(jù)進行臺架程序編制出同樣變化規(guī)律的臺架NEDC循環(huán)，冷態(tài)和熱態(tài)NEDC會有所區(qū)別.

4.1.2發(fā)動機循環(huán)邊界條件設(shè)定

依據(jù)此整車跑熱態(tài)NEDC循環(huán)時的實際發(fā)動機運行狀態(tài)來定義發(fā)動機臺架試驗邊界，如主要有燃油、機油及冷卻液(見表2)等.如果是冷態(tài)NEDC循環(huán)，則臺架上是依據(jù)冷態(tài)NEDC試驗監(jiān)測要求的邊界條件控制.

表2　臺架試驗邊界(熱態(tài))

4.1.3臺架和整車試驗

按照編制好的對應(yīng)臺架NEDC循環(huán)和邊界條件控制進行多次(6次以上)發(fā)動機臺架NEDC循環(huán)試驗，同時進行整車的多次(3次以上)轉(zhuǎn)轂NEDC循環(huán)試驗.

4.2臺架試驗一致性驗證

計算出臺架多次試驗結(jié)果平均值，驗證其試驗循環(huán)測試結(jié)果一致性，經(jīng)驗證其一致性偏差控制在0.5%以內(nèi)，如果發(fā)動機試驗臺架邊界控制更精準，其一致性結(jié)果精度會得到進一步提升，其中一組試驗結(jié)果如表3所示.

表3　臺架NEDC循環(huán)一致性試驗驗證結(jié)果

4.3與轉(zhuǎn)轂試驗對比驗證

表2中發(fā)動機臺架測試結(jié)果數(shù)據(jù)和其匹配的整車轉(zhuǎn)轂油耗測試結(jié)果(表4)進行比對，轉(zhuǎn)轂結(jié)果數(shù)據(jù)6.42L與臺架油耗6.33L比對偏差為1.4%，處于轉(zhuǎn)轂的油耗測試精度允許范圍內(nèi)，即驗證基于發(fā)動機臺架的整車油耗測試方法可滿足整車油耗測試需求，適用于整車油耗驗證測試，而其一致性結(jié)果約優(yōu)于轉(zhuǎn)轂試驗50%以上.

表4　整車轉(zhuǎn)轂測量值

5　結(jié)　論

節(jié)能法規(guī)的加嚴，使得整車油耗測量成為整車和整機設(shè)計中最重要的指標之一，基于發(fā)動機試驗臺架的整車油耗測試方法應(yīng)用技術(shù)，可在不具備在線仿真軟硬件的條件下，其總油耗量測量一致性可控制在0.5%以內(nèi)，在發(fā)動機開發(fā)設(shè)計階段就可以為整車油耗保證提供了一個很好的油耗測量驗證數(shù)據(jù)，也為節(jié)油技術(shù)研究提供了有效驗證方法，節(jié)省了開發(fā)時間.另外，此方法可推廣到其他整車法規(guī)油耗測試方法技術(shù)應(yīng)用，如FTP75等.

[1]GB 27999-2014乘用車燃料消耗量評價方法及指標[S].

[2]GB 18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[S].

[3]張宏超.基于發(fā)動機在環(huán)的整車油耗測試方法的研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2012,41(6):24-26.

Test Method of Vehicle Fuel Consumption on Engine Bench

ZHANG Shen-xiang, CHEN Wei, WANG Shan-qiang, SUN Ze, YANG Xian-zhu, HAN Zhen

(Anhui Jianghuai Automobile CO., LTD. Technical Center，Hefei 230601，China)

With the increasingly strictregulations on the fuel consumption limit for the light-duty vehicles, the measurement of the fuel consumption for a vehicle becomes very important. Anapplication techniqueis put forward to measurethe fuel consumption of the vehicle through an engine test bench. According to the driving cycles of the vehicle from the regulations, the operating conditions of its engine are obtained by the back computation. The automaticcycle programsof the correspondingconditions of the engine are prepared on a dynamometer test stand, the boundary conditions of the test are controlled by the temperature control equipment and its accessories of the bench, and the real-time fuel consumption is measured by a high transient fuel consumption instrument. The consistency of the resultsis verified within0.5%, meeting the demand of a vehicle fuel consumption measurement.

engine testbed; vehicle fuel consumption; NEDC cycle

1009-4687(2016)02-0012-06

2015-7-7

張申祥(1982-)，男，本科，研究方向為內(nèi)燃機及其零部件測試技術(shù).

TJ811

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