夏 言 董 浩 劉敬平 李洋洋 宋融峰

（1-湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 湖南 長沙 410007 2-湖南大學(xué)先進(jìn)動力總成技術(shù)研究中心 3-湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室）

引言

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確測量對缸內(nèi)燃燒的狀態(tài)評估以及控制十分重要，轉(zhuǎn)矩的在線檢測與發(fā)動機(jī)自動控制、排放監(jiān)控和故障診斷密切相關(guān)。無論是傳統(tǒng)燃油車還是混合動力汽車，在實車運行狀態(tài)下對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩實時精確監(jiān)測以及控制都是提高發(fā)動機(jī)熱-功轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)動機(jī)油耗及排放的關(guān)鍵[1-2]。

當(dāng)前，整車狀態(tài)下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩檢測主要有2種方式：

1）通過整車通訊協(xié)議實時讀取電子控制單元（ECU）中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩值。但一方面，此方法存在采樣頻率及信號可信度低的問題，難以捕捉發(fā)動機(jī)在瞬態(tài)工況下的轉(zhuǎn)矩變化；另一方面，此方法只適用于標(biāo)定公司或提供通信協(xié)議的公司，對于第三方來說，無法借此獲取發(fā)動機(jī)實時轉(zhuǎn)矩。

2）在無通信協(xié)議的情況下，通過對影響發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的運行、控制參數(shù)進(jìn)行定性或定量研究，推演出能夠預(yù)測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的模型。

眾多學(xué)者對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確測量開展了相關(guān)研究，結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)工作時可被表示為動態(tài)控制的體積腔[3]，因此可以通過對影響發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的參數(shù)進(jìn)行分析、建模，達(dá)到預(yù)測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。DU C.等人[4]和Tadashi I.等人[5]分別采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）和混沌理論（chaos）開發(fā)出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型。Togun N.等人[6]和Arcaklioglu E.等人[7]則采用基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（backpropagation neural network，BPNN）的轉(zhuǎn)矩預(yù)測方法。Taraz D.建立了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的統(tǒng)計模型[8-9]。Ali S.等人基于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用頻率響應(yīng)函數(shù)（frequency response function，F(xiàn)RF）估算曲軸動態(tài)轉(zhuǎn)速，達(dá)到了預(yù)測每一循環(huán)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的[10]。Li Zhixiong 等人提出基于離散滑模觀測器（sliding model observer，SMO）的在線估計算法來預(yù)測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩[11]。然而，現(xiàn)有的預(yù)測方法仍存在學(xué)習(xí)速度慢、容錯能力差、算法不完備、樣本數(shù)據(jù)量大等缺點。

此外，還有一種通過在輸出軸上加裝轉(zhuǎn)矩傳感器實測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方式。但轉(zhuǎn)矩傳感器不僅價格昂貴，而且在整車狀態(tài)下安裝難度大、通用性差（針對每一輛車，輸出軸都需進(jìn)行重新標(biāo)定），甚至?xí)霈F(xiàn)因發(fā)動機(jī)輸出軸與變速器之間的布置空間太小而導(dǎo)致無法安裝的問題。因此，如何在整車環(huán)境下獲取真實可信的高頻率發(fā)動機(jī)瞬態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩，關(guān)系到車載環(huán)境發(fā)動機(jī)熱效率測試、混合動力系統(tǒng)動態(tài)協(xié)調(diào)控制、整車能量流評價等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

本文提出一種基于信號實測與數(shù)模仿真耦合的車用發(fā)動機(jī)動態(tài)轉(zhuǎn)矩的整車在線檢測與評價方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)不能精確地在線檢測發(fā)動機(jī)變工況下實時轉(zhuǎn)矩的問題。

1 方法和原理

發(fā)動機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換效率主要由換氣過程、缸內(nèi)燃燒過程決定，還與運動件的摩擦損失、各種相關(guān)附件損失有關(guān)[12-13]。燃燒放熱過程的相位以及燃燒效率反映了熱功轉(zhuǎn)換的質(zhì)量，這主要取決于混合氣燃燒產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換成活塞指示功的效率，即指示熱效率。對于換氣過程，換氣結(jié)束時進(jìn)氣量的多少和換氣過程中的泵氣損失是影響發(fā)動機(jī)熱功轉(zhuǎn)換過程的主要因素。一般情況下，附件損失很小，大約在300 W左右。運動件的摩擦損失主要與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增高而增大。總之，對發(fā)動機(jī)熱效率影響最大的是燃燒放熱過程，也是熱功轉(zhuǎn)換過程中最重要的部分。

每個曲軸轉(zhuǎn)角都有對應(yīng)的瞬時氣缸容積。可以根據(jù)發(fā)動機(jī)活塞的行程和氣缸直徑等參數(shù)來計算瞬時氣缸容積。

氣缸的瞬時容積采用如下公式計算：

式中：V 為瞬時氣缸容積，L；S 為行程，mm；D 為缸徑，mm；λ 為曲柄連桿比；ε 為壓縮比；φ 為曲軸轉(zhuǎn)角，（°）CA。

四沖程發(fā)動機(jī)的一個完整工作循環(huán)包括高壓循環(huán)和低壓循環(huán)。進(jìn)氣過程和排氣過程組成低壓循環(huán)，壓縮過程和燃燒膨脹過程組成高壓循環(huán)。高壓循環(huán)的平均指示壓力計算公式為：

式中：IMEPHP為發(fā)動機(jī)高壓循環(huán)平均指示壓力（下標(biāo)“HP”代表“高壓”，書寫時通常省略），一般表示為IMEP；p（φ）為缸內(nèi)動態(tài)壓力在曲軸轉(zhuǎn)角為φ 時所對應(yīng)的瞬時壓力，kPa；Vh為氣缸的有效工作容積，L；dV 為氣缸工作容積的微分；此處將曲軸轉(zhuǎn)角零點默認(rèn)為點火上止點。

低壓循環(huán)過程的平均泵氣損失壓力計算公式為：

式中：PMEP 為發(fā)動機(jī)的平均泵氣損失壓力，kPa；p（φ）為缸內(nèi)動態(tài)壓力在曲軸轉(zhuǎn)角為φ 位置時對應(yīng)的瞬時壓力，kPa；dV 為氣缸工作容積的微分；Vh為氣缸的有效工作容積，L。

因此，在一個完整的工作循環(huán)中，發(fā)動機(jī)的凈平均指示壓力計算公式為：

式中：IMEP 為發(fā)動機(jī)的高壓循環(huán)平均指示壓力，kPa；PMEP 為發(fā)動機(jī)低壓循環(huán)平均泵氣損失壓力，kPa；NMEP 為發(fā)動機(jī)一個完整工作循環(huán)的凈平均指示壓力，kPa。

瞬態(tài)工況下的機(jī)械損失壓力（FMEP）可由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力進(jìn)行插值得到。其中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力主要在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)臺架上獲取。如無法獲取穩(wěn)態(tài)發(fā)動機(jī)性能MAP，則可以通過已獲得的同類型發(fā)動機(jī)完整的萬有特性性能數(shù)據(jù)，總結(jié)共性規(guī)律得出[14]。

因此，發(fā)動機(jī)的平均有效壓力（BMEP）可采用如下公式計算：

式中：FMEP 為瞬態(tài)工況下的機(jī)械損失壓力，kPa。

發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩可采用如下公式計算：

式中：Ttq為發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩，N·m；τ 為沖程數(shù)（對于四沖程內(nèi)燃機(jī)：τ=4，對于二沖程內(nèi)燃機(jī)：τ=2）。

2 測試裝置及流程

基于信號實測與數(shù)模仿真耦合的車用發(fā)動機(jī)動態(tài)轉(zhuǎn)矩的整車在線檢測裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要部件為進(jìn)氣側(cè)動態(tài)壓力傳感器、氣缸動態(tài)壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電荷放大器、瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算機(jī)等。

圖1 在線檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

測試過程為：通過并聯(lián)屏蔽線束的方式，將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號輸出到瞬態(tài)數(shù)據(jù)檢測設(shè)備中。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動1 圈所產(chǎn)生的360 個曲軸轉(zhuǎn)角脈沖信號中，包含1 個幅值高于其它脈沖的觸發(fā)信號，通過讀取該脈沖信號確定發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

計算機(jī)與瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過數(shù)據(jù)線連接，接收瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備所采集的對應(yīng)數(shù)據(jù)（讀值），獲取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣側(cè)壓力、缸內(nèi)動態(tài)壓力，并計算出發(fā)動機(jī)的IMEP 和PMEP；另外，依據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與進(jìn)氣側(cè)壓力插值得到FMEP，計算發(fā)動機(jī)的BMEP；最后基于公式（6）計算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

利用上述檢測裝置，可實現(xiàn)車用發(fā)動機(jī)動態(tài)轉(zhuǎn)矩的整車在線檢測與評價，能夠準(zhǔn)確檢測發(fā)動機(jī)在整車狀態(tài)下運行時的實時輸出轉(zhuǎn)矩。該在線檢測方法實施流程如圖2 所示。

圖2 在線檢測方法的流程圖

包括如下步驟：

1）起動發(fā)動機(jī)運行，并完成各個信號處理器調(diào)試。起動發(fā)動機(jī)，根據(jù)試驗規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷，使其在預(yù)定試驗工況下運行；調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的各項試驗參數(shù)指標(biāo)，記錄試驗數(shù)據(jù)；起動檢測儀，確認(rèn)上述對應(yīng)的傳感器與檢測儀的端口一一接好，在檢測儀中輸入發(fā)動機(jī)基本參數(shù)及傳感器的參數(shù)。在進(jìn)行正式試驗之前，需調(diào)整上止點，并將上止點信息儲存在檢測軟件中，避免發(fā)動機(jī)重啟后丟失上止點。

2）檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè)壓力、缸內(nèi)動態(tài)壓力。通過轉(zhuǎn)速傳感器讀取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，通過進(jìn)氣壓力傳感器讀取發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè)壓力，通過缸內(nèi)動態(tài)壓力傳感器采集缸內(nèi)動態(tài)壓力。

3）根據(jù)缸內(nèi)動態(tài)壓力與氣缸容積變化率的乘積積分，分別得到循環(huán)做功量、泵氣損失功，除以排量即得到IMEP、PMEP，NMEP=IMEP-PMEP。

4）基于實測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力，在發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)臺架性能實測MAP 上插值得到機(jī)械損失壓力，用FMEP 表示。

5）根據(jù)計算出的IMEP 和PMEP，結(jié)合插值得到的FMEP，計算發(fā)動機(jī)的平均有效壓力BMEP，并結(jié)合發(fā)動機(jī)的排量計算出發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩。

3 各缸均勻性分析

由于本方法只選取了一個氣缸的氣缸壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，所以需要考慮瞬態(tài)工況下多缸發(fā)動機(jī)各缸之間的差異性。

以某四缸汽油機(jī)為例，在每一個氣缸均安裝動態(tài)壓力傳感器，同時測量所有4 個氣缸中的瞬態(tài)氣缸壓力。圖3 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間的變化，圖4 為瞬態(tài)工況下發(fā)動機(jī)每個氣缸的IMEP 變化。圖5 為瞬態(tài)工況下發(fā)動機(jī)每個氣缸的IMEP 循環(huán)變動率。圖6 為每個氣缸的過量空氣系數(shù)。圖7 對比了每個氣缸的過量空氣系數(shù)循環(huán)變動率?？梢钥闯?，各缸IMEP 之間的差異主要來自于各缸之間循環(huán)進(jìn)氣量與噴油量的細(xì)微差別；另外，循環(huán)變動率也是導(dǎo)致多缸發(fā)動機(jī)各缸性能不均勻的誘因。總的來說，各缸IMEP 與IMEP 平均值的差別不大于5%；且各缸IMEP 與IMEP 平均值的差別模式固定：即低于平均值者總是低于平均值，反之亦然。

圖3 瞬態(tài)工況下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化

圖4 瞬態(tài)工況下發(fā)動機(jī)各缸IMEP 循環(huán)均勻性的對比

圖5 瞬態(tài)工況下發(fā)動機(jī)各缸IMEP 循環(huán)變動率

圖6 瞬態(tài)工況下發(fā)動機(jī)各缸過量空氣系數(shù)Φat 對比

圖7 瞬態(tài)工況下某發(fā)動機(jī)各缸過量空氣系數(shù)Φat 循環(huán)變動率

因此，可以通過對一個氣缸的氣缸壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來表征整個發(fā)動機(jī)的性能。

4 方法驗證

為驗證本文提出的基于信號實測與數(shù)模仿真耦合的車用發(fā)動機(jī)動態(tài)轉(zhuǎn)矩檢測方法的準(zhǔn)確度與精度，分別開展了發(fā)動機(jī)臺架瞬態(tài)（Load step）試驗以及整車道路循環(huán)試驗。

4.1 臺架瞬態(tài)試驗

發(fā)動機(jī)臺架瞬態(tài)性能可認(rèn)為是臺架穩(wěn)態(tài)工況到整車瞬態(tài)工況之間的過渡。因此，針對某柴油機(jī)開展典型轉(zhuǎn)速（1 800 r/min、2 000 r/min、2 200 r/min、2 400 r/min 等）下恒轉(zhuǎn)速全負(fù)荷加載瞬態(tài)試驗研究，試驗發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

將上述發(fā)動機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩檢測技術(shù)應(yīng)用于該試驗，試驗方法為：首先將發(fā)動機(jī)穩(wěn)定在各種轉(zhuǎn)速下的某一小負(fù)荷工況；然后節(jié)氣門在預(yù)定時間內(nèi)（0.2 s、5 s 等）全開，測功機(jī)按等轉(zhuǎn)速控制模式運行；之后全程記錄發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)；壓力傳感器采集的瞬態(tài)氣缸壓力和進(jìn)氣壓力信號通過電荷放大器轉(zhuǎn)換后輸入瞬態(tài)檢測分析儀，轉(zhuǎn)速信號由專用通道輸入瞬態(tài)檢測分析儀；瞬態(tài)檢測分析儀獲取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號后，將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為曲軸轉(zhuǎn)角信號，然后基于曲軸轉(zhuǎn)角信號記錄氣缸壓力、進(jìn)氣壓力等瞬態(tài)信號；然后，瞬態(tài)氣缸壓力和進(jìn)氣壓力信號實時耦合到瞬態(tài)檢測分析儀里的計算程序（軟件）。由此可以得到IMEP、PMEP 等性能參數(shù)，繼而得到發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩。

圖8 為發(fā)動機(jī)臺架上恒轉(zhuǎn)速、0～全負(fù)荷瞬態(tài)加載（Load-Step）試驗中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩計算值與AVL 動態(tài)測功機(jī)臺架實測值對比的結(jié)果。從圖8 可以看出，基于氣缸壓力計算的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)臺架的實測結(jié)果吻合良好，表明所開發(fā)的基于信號實測與數(shù)模仿真耦合的車用發(fā)動機(jī)動態(tài)轉(zhuǎn)矩在線檢測技術(shù)具有相當(dāng)高的精度和可信度。

圖8 臺架瞬態(tài)試驗轉(zhuǎn)矩計算值與實測值對比

4.2 整車道路循環(huán)試驗

對2 輛樣車開展整車道路循環(huán)試驗并對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩檢測方法的精度進(jìn)行驗證，試驗樣車主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。主要設(shè)備參數(shù)如表3 所示。在車輛驅(qū)動軸上安裝轉(zhuǎn)矩儀（由應(yīng)變片、信號輸出設(shè)備和信號接收器組成），記錄車輛運行時輸出的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，如圖9 所示。

表2 試驗樣車主要技術(shù)參數(shù)

表3 測試設(shè)備規(guī)格

圖9 整車試驗的動力性能測試方法示意圖

圖10 為整車NEDC 循環(huán)工況下轉(zhuǎn)矩計算值與實測值的對比。

圖10 道路工況下樣車輪端轉(zhuǎn)矩實測結(jié)果與基于本方法計算結(jié)果對比

由圖10 可知，基于發(fā)動機(jī)氣缸壓力計算的轉(zhuǎn)矩與實測值高度吻合，總體偏差小于4%，驗證了本方法的準(zhǔn)確度及精度。

5 結(jié)論

1）通過耦合先進(jìn)傳感器技術(shù)以及發(fā)動機(jī)工作過程的數(shù)值仿真技術(shù)，將較難實現(xiàn)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的直接測試轉(zhuǎn)化成相對較容易實現(xiàn)的動態(tài)氣缸壓力測試，提供了一種道路工況下連續(xù)、在線檢測車用發(fā)動機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的簡化方法。

2）汽油機(jī)各缸的工作均勻性（IMEP）誤差在5%以內(nèi)，且各缸之間IMEP 的相對差別的形態(tài)不隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化而變化。因此，采用一個動態(tài)氣缸壓力傳感器代替每缸一個氣缸壓力傳感器，可進(jìn)一步降低本方法的傳感器費用，而帶來的誤差在可接受的范圍內(nèi)。

3）本方法無需在輸出軸上加裝轉(zhuǎn)矩傳感器即可對發(fā)動機(jī)飛輪端的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行在線檢測，可用于整車測量，應(yīng)用范圍更加廣泛。

4）通過與臺架瞬態(tài)工況測試結(jié)果和采用應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩儀在整車上實測的結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了本方法的準(zhǔn)確度及精度，為整車運行條件下發(fā)動機(jī)的實際工作狀態(tài)的辨識、分析和優(yōu)化調(diào)整提供了一種基礎(chǔ)手段。