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0 前言

在為2022—2025年輕型車溫室氣體排放(GHG)[1]制定標(biāo)準(zhǔn)時，美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)借鑒了來自全球工程咨詢公司Ricardo的2011年輕型汽車仿真研究。這項研究提供了全方位的車輛模擬，能夠預(yù)測未來先進(jìn)技術(shù)的有效性。

2017-2025年輕型汽車溫室氣體排放法規(guī)要求全面地評估前瞻技術(shù)(即中期評估)。對于汽車制造商來說，評估可應(yīng)用的前瞻技術(shù)可以影響潛在的成本和結(jié)果變化。對于中期評估，EPA計劃利用整車仿真模型即先進(jìn)輕型車動力總成和混合動力分析工具(ALPHA)[2]，補(bǔ)充和拓展在聯(lián)邦法案制定過程中采納的研究成果。如果有必要的話，ALPHA將被用來確認(rèn)以前的研究數(shù)據(jù)，更新包括先進(jìn)小型渦輪增壓器和自然吸氣發(fā)動機(jī)的最新油耗結(jié)果。ALPHA也被用來分析原聯(lián)邦法案制定過程中沒有考慮的先進(jìn)技術(shù)對油耗的貢獻(xiàn)，如無級變速和阿特金森循環(huán)。

為了模擬駕駛循環(huán)的性能，ALPHA模型需要將各種車輛參數(shù)作為輸入條件，包括車輛的慣性和道路負(fù)荷，組件的效率和車輛運行工況。本文對標(biāo)研究利用發(fā)動機(jī)臺架來測量發(fā)動機(jī)的效率，然后作為ALPHA模型的輸入?yún)?shù)。本文介紹了EPA整車連接發(fā)動機(jī)的臺架測試方法，1臺雪佛蘭4.3 L LV3?發(fā)動機(jī)被安裝在測功機(jī)臺架上，延長發(fā)動機(jī)線束，與1輛實驗室外的完整2014款雪佛蘭Silverado整車連接。這種方法保證了發(fā)動機(jī)測試可以利用現(xiàn)有的電子控制單元(ECU)和標(biāo)定數(shù)據(jù)。

對2014款雪佛蘭Silverado進(jìn)行了完整的對標(biāo)工作，包括整車轉(zhuǎn)轂測試以確定發(fā)動機(jī)和變速器的運行特點，以及發(fā)動機(jī)臺架試驗。EPA計劃利用整車數(shù)據(jù)來驗證基于2014款Silverado車搭建的ALPHA模型。采用大量的轉(zhuǎn)轂試驗結(jié)果來驗證模型是必要的，但這不屬于本文介紹范圍。

1 測試方法

本項目使用的發(fā)動機(jī)是2014款雪佛蘭Silverado 4.3 L自然吸氣缸內(nèi)直噴汽油機(jī)。該發(fā)動機(jī)與位于實驗室外的車輛相連，以便使用現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)和車輛控制器。表1列出了本試驗中使用的車輛系統(tǒng)信息。

表1 車輛和發(fā)動機(jī)信息匯總

2 試驗地點

本試驗是在位于美國密歇根州安娜堡市的國家機(jī)動車燃油和排放實驗室(NVFEL)輕型車用發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行的。實驗室設(shè)備和儀器在表2中列出。

表2 實驗室設(shè)備和儀器

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實驗室數(shù)據(jù)采集和測功機(jī)控制采用A&D公司開發(fā)的1個軟件包iTest。燃燒數(shù)據(jù)是由MTS燃燒分析系統(tǒng)(CAS)采集和分析。輔助數(shù)據(jù)采集軟件為RPECS-IV由SwRI開發(fā)。RPECS直接測量和記錄發(fā)動機(jī)ECU輸入/輸出(I/O)，以及實驗室數(shù)據(jù)。溫度、壓力和實驗室的數(shù)據(jù)通過CAN從iTest發(fā)送到RPECS。CAS燃燒數(shù)據(jù)也通過CAN發(fā)送到RPECS，該數(shù)據(jù)形成1個單一的輸出文件。發(fā)動機(jī)控制軟件包匯總見表3。

4 車輛信息

在現(xiàn)代汽車上，ECU需要與車身控制模塊(BCM)通訊，以便能夠監(jiān)控整個車輛運行(安全、進(jìn)入、上電、儀表信號等)。由于ECU控制需要來自BCM的信號，車輛的BCM信號被傳送到實驗室內(nèi)的ECU，因此ECU將可以接收到車輛正常運行的信號。在對標(biāo)試驗中，連接發(fā)動機(jī)和整車的線束被加長了，所以在測功機(jī)臺架上的發(fā)動機(jī)可以與實驗室外的汽車連接。圖1所示為這種接法的線束。ECU控制發(fā)動機(jī)的所有信號線束都被用上，所以信號可以被監(jiān)控或采集，具體取決于特定的傳感器或執(zhí)行器需要什么信號。

表3 發(fā)動機(jī)控制與分析軟件

圖1 整車和發(fā)動機(jī)連接線束

5 發(fā)動機(jī)臺架

圖2給出了在測功機(jī)實驗室內(nèi)發(fā)動機(jī)的安裝和傳感器的布置。在圖右上角用彩色標(biāo)注的傳感器表示哪些系統(tǒng)被監(jiān)測。

圖2 測功機(jī)臺架和4.3 L LV3?發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)傳感器位置示意圖

6 發(fā)動機(jī)系統(tǒng)

搭建的發(fā)動機(jī)臺架盡可能使用現(xiàn)有的各種發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，但在實驗室中為發(fā)動機(jī)附加連接了一些控制和傳感系統(tǒng)：(1)進(jìn)氣，現(xiàn)有的空濾和管路，以及與空濾入口相連的層流流量計(LFE)；(2)排氣，使用現(xiàn)有的排氣系統(tǒng)，包括催化器和消聲器，排氣系統(tǒng)出口通過直徑2 in①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。的管子連接到排放通道，按照美國聯(lián)邦法規(guī)排放通道壓力控制為大氣壓(+/-1.2 kPa)；(3)冷卻系統(tǒng)，采用現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)，但將散熱器替換為冷卻塔，使用了發(fā)動機(jī)現(xiàn)有的節(jié)溫器控制發(fā)動機(jī)冷卻液溫度，實驗室控制系統(tǒng)將冷卻塔控制在85 ℃；(4)機(jī)油系統(tǒng)，機(jī)油冷卻器與冷卻水系統(tǒng)相連，并通過實驗室將系統(tǒng)溫度控制在90 ℃；(5)附件系統(tǒng)，使用現(xiàn)有的皮帶和輪系附件系統(tǒng)；(6)發(fā)電機(jī)，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行了更改，拆除勵磁線圈，使發(fā)電機(jī)不發(fā)電；(7)飛輪和殼體，將現(xiàn)有的手動檔飛輪帶有鋁適配器板與傳動軸相連，飛輪殼是1個裝配了后懸置安裝襯墊的殼體。

7 燃油

對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了2種燃油的試驗，分別為辛烷值(RON)88的E10燃油和RON 92的E0燃油，試驗燃油特性見表4。

表4 試驗用燃油

8 油耗測試工況點

根據(jù)表1中的額定值選取測試該發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的工況點，即發(fā)動機(jī)的扭矩和速度范圍。這些工況點包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～3 500 r/min，步長250 r/min；轉(zhuǎn)速3 500～5 500 r/min，步長為500 r/min。

發(fā)動機(jī)的扭矩范圍為0～30 N·m時，步長5 N·m；30～240 N·m時，步長10 N·m。在更高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的工況下，需要的數(shù)據(jù)點較少，所以減少了轉(zhuǎn)速4 000 r/min以上測試點的數(shù)量。測試工況點如圖3所示。

9 數(shù)據(jù)設(shè)置定義

數(shù)據(jù)記錄包括扭矩、燃油流量、排放、溫度、壓力、缸內(nèi)壓力和車載診斷系統(tǒng)(OBD)/epid CAN總數(shù)據(jù)。大部分?jǐn)?shù)據(jù)是每一個發(fā)動機(jī)循環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄1次，在每個測試工況點會生成1個新的輸出文件。數(shù)據(jù)后處理是必需的，可以從連續(xù)的數(shù)據(jù)中生成油耗脈譜的單個數(shù)據(jù)點。

10 數(shù)據(jù)采集程序

對每一個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，控制程序自動運行1組扭矩并記錄數(shù)據(jù)。之后，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速每遞增250 r/min，再重復(fù)測試1次該組扭矩。在每一個轉(zhuǎn)速和扭矩工況點，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)燃油流量和扭矩到達(dá)穩(wěn)定時，記錄10 s。

11 試驗程序

發(fā)動機(jī)和整車通過如前所述的線束連接，在發(fā)動機(jī)測功機(jī)臺架上進(jìn)行試驗。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速由測功機(jī)設(shè)定進(jìn)行控制，發(fā)動機(jī)負(fù)荷由ECU控制。輸入給ECU的車輛踏板信號由iTest控制器代替。實際車輛的踏板信號被斷開。變速箱檔位(PRNDL)設(shè)置在空檔，以便起動和設(shè)置所需的發(fā)動機(jī)負(fù)荷。

12 數(shù)據(jù)后處理

在整個試驗記錄過程中數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的。有效燃油消耗率(BSFC)根據(jù)式(1)計算，式中參數(shù)值來自數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

(1)

式(1)中：qm為油耗儀測量的燃油流量(g/s)，P為發(fā)動機(jī)功率(W)，τ為扭矩傳感器測量的發(fā)動機(jī)扭矩(N·m)，ω為發(fā)動機(jī)角速度(rad/s)。

代入已知試驗燃油熱值，有效熱效率(BTE)根據(jù)式(2)計算得到：

(2)

式(2)中：hv為試驗燃油熱值(kJ/g)。

在進(jìn)行比油耗和熱效率計算后，在每個工況點再次計算基于時間序列的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和循環(huán)變動(COV)。在每次試驗中的所有參數(shù)值都進(jìn)行了平均，這樣每個參數(shù)都得到1個平均值。

13 數(shù)據(jù)質(zhì)量保證(QA)

圖3為發(fā)動機(jī)測試全部的速度和扭矩工況點。在QA最后一步，測試中任何參數(shù)的COV大于10%則被剔除。例如，如果燃油流量的COV大于10%，該值會從測試值中刪除，也不會再計算比油耗。這些工況點被認(rèn)為是來自發(fā)動機(jī)和臺架的不穩(wěn)定因素，不是可靠的數(shù)據(jù)。在非常低的負(fù)荷(扭矩小于10 N·m)工況下，這是典型的問題，原因是測功機(jī)控制器不能夠穩(wěn)定地維持在這一負(fù)荷。

圖3 發(fā)動機(jī)測試工況點

14 基礎(chǔ)脈譜結(jié)果

在圖3中所示的平均扭矩、轉(zhuǎn)速和燃油流量被用來生成1個有效熱效率的基本等高線圖。對停缸和不停缸的有效熱效率脈譜都進(jìn)行了測試。圖4給出了不停缸的有效熱效率。停缸的脈譜測試結(jié)果將在下一小節(jié)中介紹。

圖4 燃用E10燃油4.3 L發(fā)動機(jī)的不停缸有效熱效率

15 轉(zhuǎn)轂和發(fā)動機(jī)臺架停缸測試

在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行FTP工況循環(huán)(僅冷起動階段1和瞬態(tài)階段2)和高速公路油耗測試循環(huán)進(jìn)行停缸測試。對于每一個發(fā)動機(jī)循環(huán)，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)被采集并記錄于RPECS系統(tǒng)中。圖5和圖6上的每一點都代表1個發(fā)動機(jī)循環(huán)。

圖5 FTP循環(huán)測試數(shù)據(jù)

圖6 高速公路循環(huán)測試數(shù)據(jù)

在發(fā)動機(jī)測功機(jī)臺架上也進(jìn)行了停缸研究，如圖7所示。停缸區(qū)域由方框和區(qū)域號標(biāo)記，見圖5和圖6。方框的邊界為測試循環(huán)中轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的最大值和最小值。圖5顯示的是FTP循環(huán)階段1和階段2停缸。而圖6顯示的是高速公路油耗測試循環(huán)停缸。即使停缸可出現(xiàn)在這些速度和負(fù)荷范圍內(nèi)，但不會在駕駛循環(huán)的每一個工況點實施。

圖7 發(fā)動機(jī)臺架停缸穩(wěn)態(tài)試驗工況點

區(qū)域1內(nèi)都可以實施停缸，由發(fā)動機(jī)臺架穩(wěn)態(tài)測試決定。當(dāng)發(fā)動機(jī)在臺架上進(jìn)行試驗，使用GM公司的多功能診斷接口檢修/檢查工具來實現(xiàn)啟用或禁用停缸。這個工具允許用戶控制停缸，可以測試停缸和不停缸的穩(wěn)態(tài)點。而當(dāng)車輛在底盤測功機(jī)上試驗，停缸則是由ECU控制。

停缸區(qū)域由發(fā)動機(jī)ECU限制在較低的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍。圖7所示為EPA在發(fā)動機(jī)臺架穩(wěn)態(tài)測試中得到的停缸區(qū)域。應(yīng)該指出的是，發(fā)動機(jī)是能夠在轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min時運行停缸模式的，如圖5和圖6所示。然而，EPA在初始測試程序中沒有采集該數(shù)據(jù)，但計劃在后續(xù)的發(fā)動機(jī)和變速箱總成測試程序中采集該數(shù)據(jù)。

區(qū)域2代表在循環(huán)測試中得到的停缸區(qū)域，與在測功機(jī)臺架上由檢查工具測試的停缸區(qū)進(jìn)行了比較。區(qū)域3表示1個示例，表示運行停缸比例最高的區(qū)域之一。停缸比例是由停缸工況點數(shù)(發(fā)動機(jī)循環(huán))除表5所示區(qū)間內(nèi)所有工況點數(shù)計算而得。

圖8 轉(zhuǎn)速1 250 r/min時停缸對有效熱效率的影響

16 停缸對有效熱效率的影響

2014款雪佛蘭Silverado 4.3 L LV3?停缸發(fā)動機(jī)通過降低低負(fù)荷時的泵氣損失來提高熱效率。圖8所示為在轉(zhuǎn)速1 250 r/min時，發(fā)動機(jī)停缸對熱效率影響的臺架數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，停缸可以提高有效熱效率。例如，在某一平均有效壓力點,有效熱效率從27.5%增加到30.6%，效率相對提升了11%。

表5 區(qū)域內(nèi)停缸比例(發(fā)動機(jī)循環(huán))

該4.3 L發(fā)動機(jī)停缸策略為同時暫停第三缸和第六缸，停缸會被RPECS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測到(圖9)。RPECS監(jiān)測和記錄基于曲軸轉(zhuǎn)角采樣的CAN總線信號。該發(fā)動機(jī)還在第一缸和第三缸安裝了 Kistler公司的缸內(nèi)壓力傳感器。

圖9 4.3 L發(fā)動機(jī)燃用E10燃油停缸時的有效熱效率

17 燃油對熱效率的影響

對該4.3 L LV3?發(fā)動機(jī)進(jìn)行了2種不同的燃油測試，分別為RON 88的E10和RON 92的E0。具體燃油規(guī)格參見表4。

將每種燃油在穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了重復(fù)測試。測試前，對每種燃油發(fā)動機(jī)和ECU進(jìn)行了調(diào)試，從而使ECU數(shù)據(jù)適應(yīng)辛烷值和乙醇含量的變化，在此過程中發(fā)動機(jī)長時間在中高負(fù)荷區(qū)域運行。整車上的燃油系統(tǒng)通過1個燃油傳感器來檢測乙醇的含量。這個含量值可以通過GM公司檢修檢查工具讀取。此傳感器被安裝到實驗室中，以檢測進(jìn)入發(fā)動機(jī)中的燃油。

通過比較圖4和圖10這兩種燃油的測試結(jié)果可知，兩種燃油在穩(wěn)態(tài)測試下的有效熱效率并沒有顯著差異。此外，圖11給出了1個例子，在轉(zhuǎn)速2 000 r/min時，兩種不同燃油對有效熱效率的影響很小。

圖10 4.3 L發(fā)動機(jī)燃用E0燃油不停缸時的有效熱效率

18 結(jié)論

本文介紹了一種發(fā)動機(jī)測試方法，即在發(fā)動機(jī)臺架上延長線束與車輛連接。特別關(guān)注了真實車輛的模擬行駛情況，目的是保證臺架上發(fā)動機(jī)ECU的工作與在行駛的車輛上一致。發(fā)動機(jī)ECU控制的關(guān)鍵是包括電信號集成在內(nèi)的臺架設(shè)置細(xì)節(jié)。

圖11 在轉(zhuǎn)速2 000 r/min時，不同燃油對有效熱效率的影響

對標(biāo)試驗結(jié)果包含的發(fā)動機(jī)油耗脈譜展示了停缸技術(shù)的效果。ECU控制發(fā)動機(jī)在中低轉(zhuǎn)速和中低負(fù)荷時實現(xiàn)停缸。停缸可使發(fā)動機(jī)效率最大提升11%。

發(fā)動機(jī)臺架穩(wěn)態(tài)測試表明停缸有利于提高有效熱效率，轉(zhuǎn)轂試驗揭示了實施停缸的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和停缸比例。整車循環(huán)測試結(jié)果顯示在FTP循環(huán)冷起動階段1和瞬態(tài)工況階段2下，停缸循環(huán)比例占40%，在高速公路循環(huán)中該比例為44%。結(jié)果表明，即使發(fā)動機(jī)在可能停缸的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況范圍內(nèi)也因為受到限制沒有停缸。將穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)輸入到ALPHA模型進(jìn)行模擬時要考慮到這些限制。

進(jìn)行了兩種燃油對有效熱效率影響的試驗研究，RON 88的E10(LEV Ⅲ級)和RON 92的E0(Tier2)對有效熱效率影響很小。

本試驗中發(fā)動機(jī)的運行和油耗測試結(jié)果是可靠的。為了進(jìn)行2022-2025年輕型車溫室氣體排放法規(guī)的中期評估，將試驗發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)作為ALPHA模型的輸入數(shù)據(jù)，以預(yù)測整車轉(zhuǎn)轂試驗的油耗。