張明朗 鄒康權(quán) 陳曾雄 符良才 張志強

摘 要：車輛行駛條件下，發(fā)動機運行參數(shù)復(fù)雜多變，以瞬態(tài)工況為主，其瞬態(tài)動力輸出一般通過CAN線讀取，無法精確測量。文章通過對發(fā)動機燃燒原理和摩擦理論的研究，提出了通過缸壓傳感器檢測瞬時缸壓及建立發(fā)動機摩擦扭矩模型來計算發(fā)動機瞬態(tài)輸出扭矩的方法，并使用發(fā)動機臺架穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種試驗對本計算模型進行驗證。試驗結(jié)果表明：該方法操作簡單，精度高，最高相對誤差僅為1.65%，具有很高的可行性，為實現(xiàn)整車路試工況瞬態(tài)動力性能測試、校正CAN讀取的瞬態(tài)動力輸出值、競品車整車狀態(tài)下瞬態(tài)動力性能測試提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：整車;發(fā)動機;瞬態(tài)工況;動力性;測試研究

中圖分類號：U262.13 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-107-05

Abstract： The engine operating parameters are complex and changeable under vehicle driving conditions， and the engine in mainly in transient condition， its power output is usually read from the CAN line and connot be accurately measured. In this paper， a method of calculating transient torque of engine by detecting instantaneous cylinder pressure with cylinder pressure sensor and establishing the friction torque model of engine is presented based on studies of combustion principle and friction theory of the engine， and the steady state and transient tests of the engine bench test are used to verify the calculation model. Results of the trial indicated that this method is simple to operate， has high precision， and the maximum relative error is only 1.65%， so it is highly feasible. It provides theoretical guidance and technical support for realizing transient power performance test under road test conditions， calibration of the transient power output read from the CAN line， transient power performance test of complete vehicle of competing products.

Keywords： Vehicle; Engine; Transient condition; Power performance; Testing research

CLC NO.： U262.13 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-107-05

前言

發(fā)動機作為燃油車和雙模電動車主要的動力裝置，其性能開發(fā)、運行參數(shù)的標定和優(yōu)化、及各項性能的檢測通常是在臺架試驗中完成[1]，例如外特性、萬有特性等臺架試驗。但在實車行駛條件下，瞬態(tài)工況約占40%-75%，特別是在復(fù)雜的城市工況中，約50%-80%的工況是瞬態(tài)工況，值得注意的是40%-80%的排放物來自于瞬態(tài)工況。而且中國輕型車第六階段排放標準確定采用WLPC工況，WLPC工況屬于瞬態(tài)循環(huán)，車輛在單循環(huán)的1800s中幾乎全處于變加速、變減速工況，不同于NEDC有少量的勻速工況。因此對整車而言，車輛常處于加減速等瞬態(tài)工況，導(dǎo)致在行駛狀態(tài)下，發(fā)動機的性能有很大的波動。整車實際運行過程中發(fā)動機運行狀態(tài)以瞬態(tài)工況為主，其瞬態(tài)性能的好壞對發(fā)動機實際動力性、經(jīng)濟型和排放新的影響至關(guān)重要，因此對汽油機瞬態(tài)工況性能的研究有著重要的意義。

然而在整車實際道路過程中，發(fā)動機瞬態(tài)工況動力性能的檢測存在眾多難點，有些參數(shù)例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、機油溫度、進排氣溫度等易于測量，而有些參數(shù)需特定設(shè)備才能測量，如瞬態(tài)扭矩[2]。

為實現(xiàn)對整車狀態(tài)下發(fā)動機瞬態(tài)工況性能的動力性測試，本文通過研究發(fā)動機燃燒原理和摩擦理論，對發(fā)動機動力性做了詳細分析，分解了發(fā)動機熱功轉(zhuǎn)換過程，得出缸內(nèi)各壓力指標與實測缸內(nèi)壓力的數(shù)學(xué)關(guān)系，并對發(fā)動機摩擦扭矩進行建模得到摩擦損失平均壓力，然后通過各壓力之間的關(guān)系式求得有效平均壓力，從而得到發(fā)動機的瞬態(tài)輸出扭矩。同時進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種試驗驗證了發(fā)動機瞬態(tài)動力輸出測試方法的可行性。因缸壓傳感器在整車上安裝方便，且測試精度高，本文提出的方法為整車狀態(tài)下發(fā)動機瞬態(tài)動力輸出和競品車瞬態(tài)動力性能測試提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 發(fā)動機動力性及熱功轉(zhuǎn)換概述

本文主要討論發(fā)動機的動力性指標，這些指標大體可分為兩大類，即指示性能指標和有效性能指標。發(fā)動機的動力性常以指示平均壓力、有效平均壓力以及轉(zhuǎn)矩、功率、升轉(zhuǎn)矩和升功率等來評價，熱效率作為評價熱功轉(zhuǎn)換過程好壞的重要指標，常常也表示著動力性的好壞。熱功轉(zhuǎn)換過程的優(yōu)劣一定程度上體現(xiàn)了發(fā)動機的動力性的好壞，要想研究發(fā)動機動力性就必須研究熱功轉(zhuǎn)換中的做功情況[3]。

1.1 指示性能指標與有效性能指標

發(fā)動機缸內(nèi)工質(zhì)在每一個沖程中都要對活塞做功。在進氣和膨脹沖程中，缸內(nèi)工質(zhì)對活塞做正功，在排氣和壓縮沖程中做負功。在一個循環(huán)中，所有沖程做功加起來就是循環(huán)功。

在發(fā)動機的一個工作循環(huán)內(nèi)缸內(nèi)工質(zhì)對活塞所做的功稱為指示功，指示功包括了曲軸輸出的有效功、機械摩擦損失功及泵氣損失功。單位氣缸工作容積所作的指示功稱為指示平均壓力。單位氣缸工作容積所做的有效功（即曲軸輸出的有效功）稱為有效平均壓力。同理，還可以定義機械損失平均壓力。

1.2 發(fā)動機的熱功轉(zhuǎn)換過程分解

通常采用P-V示功圖來分析發(fā)動機的熱功轉(zhuǎn)換過程，這也是最有效的方法之一。

2.1 摩擦扭矩影響因素分析

發(fā)動機的扭矩非常特殊，其摩擦副種類較多，包括曲軸組、活塞組、氣門機構(gòu)和附件（如：機油泵、高壓油泵、水泵、風(fēng)扇等）[5]。

曲軸組中的摩擦扭矩主要有主軸承、曲軸油封進而潤滑油在泵油過程振動產(chǎn)生的摩擦三部分組成，其摩擦扭矩和轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，另外機油黏度也是影響主軸承部分摩擦扭矩的主要因素。

活塞組的運動方式主要是往復(fù)運動，其摩擦扭矩在發(fā)動機整體摩擦扭矩中占比最大?；钊M的摩擦扭矩主要包括活塞裙部、活塞環(huán)和連桿，其中活塞環(huán)摩擦扭矩占比最大。其摩擦扭矩主要與活塞平均速度，即發(fā)動機轉(zhuǎn)速油管，機油黏度對軸承和活塞環(huán)的影響較大。

氣門組摩擦扭矩主要包括凸輪軸、凸輪從動件和氣門執(zhí)行機構(gòu)三大部分，該類摩擦扭矩主要與機油黏度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速有關(guān)。

附件組主要包括機油泵、水泵和燃油泵。其摩擦扭矩與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，同時機油黏度也有較大影響。

基于上述各子系統(tǒng)的摩擦扭矩機理分析，發(fā)動機的摩擦扭矩主要與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和機油黏度油管，而黏度項主要與機油溫度相關(guān)，故建立發(fā)動機摩擦扭矩模型時，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速、機油溫度作為輸入項，發(fā)動機摩擦扭矩作為模型輸出項。

2.2 實驗平臺和試驗原理

試驗在我司某款發(fā)動機上開展，包括之后的驗證試驗也采用同型號發(fā)動機。采用我司自主研發(fā)的ECU實現(xiàn)發(fā)動機控制，試驗用的實驗室臺架配置基本都是進口的設(shè)備，設(shè)備包含了測功機、機油恒溫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)、油耗儀等。

倒拖采用的是電力測功機，可進行發(fā)動機的倒拖實驗。測功機所用的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能強大且可以在對測功機控制的同時進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集時長也可進行自主調(diào)整，并記錄所采集時間段內(nèi)的平均測量值，此種方式采集的數(shù)據(jù)可靠性較高。

通過電力測功機讀出發(fā)動機的內(nèi)部摩擦損失功率Pf，缸內(nèi)氣體功通過采集每缸缸內(nèi)氣體壓力，并進行數(shù)值積分得到PG。

2.3 摩擦扭矩曲線擬合

為驗證摩擦扭矩基本模型的有效性和普適性，盡可能多地獲取發(fā)動機各個穩(wěn)態(tài)點的摩擦扭矩。但是考慮到機油溫度過低時，在高轉(zhuǎn)速段機油壓力過大會影響發(fā)動機密封性，同時也參考了整車上發(fā)動機運行時的機油溫度范圍，倒拖采集的試驗點覆蓋了機油溫度從60℃到80℃，誤差為±1℃，轉(zhuǎn)速從1000r/min到5200r/min，共采集了40個試驗點。對于發(fā)動機每一個工況點，均測量300個工作循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)，然后對這300個循環(huán)的數(shù)據(jù)平均值進行分析，這樣可以降低因燃燒不穩(wěn)定而造成的實驗數(shù)據(jù)誤差。

試驗中記錄發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、出水溫度、機油溫度、以及所有缸氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。摩擦扭矩隨機油溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化情況如表1所示，摩擦扭矩單位為N?m。

將上述試驗數(shù)據(jù)代入已建立的摩擦扭矩模型擬合摩擦扭矩曲線，如圖3所示，模型采用六階多項式進行擬合，Lag -range插值法摩擦扭矩模型在差值節(jié)點處各測試的落在其擬合的摩擦扭矩曲線上，且曲線在各試驗點處連續(xù)光滑，模型R-square無限接近1。

綜上所述，已知發(fā)動機的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速和機油溫度，即可擬合出相應(yīng)的摩擦扭矩，通過式（5）計算可得到與摩擦對應(yīng)的FMEP，加上通過缸壓傳感器測得發(fā)動機缸壓計算的IMEP、PMEP值，最后通過式（6）和式（5），即可得到整車狀態(tài)下發(fā)動機的瞬態(tài)輸出扭矩。

3 基于缸壓的發(fā)動機扭矩測試驗證

為驗證缸壓傳感器檢測瞬時缸壓及建立發(fā)動機摩擦扭矩模型來計算發(fā)動機瞬時輸出扭矩的有效性，設(shè)計了發(fā)動機臺架穩(wěn)態(tài)試驗和動態(tài)試驗，其中動態(tài)試驗又分為熱機和冷機到熱機（即暖機）兩種不同狀態(tài)。

3.1 試驗設(shè)備與試驗要求

驗證試驗使用的發(fā)動機與倒拖試驗使用的發(fā)動機為同一型號，試驗用的實驗室臺架配置也保持與倒拖試驗的一致性。

本試驗中采用的缸壓傳感器，該傳感器將火花塞和缸壓傳感器集成與一體，既由火花塞點或功能，同時可以實時監(jiān)測發(fā)動機缸內(nèi)壓力。此外，該傳感器基于GaPO4材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)缸內(nèi)壓力測量，具有耐高溫、響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點。試驗中還需要用到缸壓傳感器的配套設(shè)備，統(tǒng)稱為燃燒分析儀，其測試架構(gòu)示意圖如圖4所示。

燃燒分析儀可以直接參與曲軸轉(zhuǎn)角信號的相關(guān)處理，該功能可應(yīng)用于發(fā)動機的動態(tài)實驗研究和各種與曲軸轉(zhuǎn)角或時間相關(guān)的信號的高速測量和分析。對燃燒分析儀測量得到的示功圖以及壓縮壓力曲線的數(shù)據(jù)處理，可得到與發(fā)動機瞬態(tài)輸出扭矩對應(yīng)IMEP。

因為本試驗所用的發(fā)動機為4缸發(fā)動機，所以試驗中每隔缸都會產(chǎn)生各自的IMEP值，在后續(xù)的驗證中出現(xiàn)的IMEP均為4缸的IMEP平均值。

3.2 測試結(jié)果對比與分析

使用FMEP損失模型驗證發(fā)動機扭矩輸出與臺架實測值對比，驗證損失模型的可行性。

3.2.1 臺架穩(wěn)態(tài)試驗驗證

采用臺架對上文提出的發(fā)動機瞬態(tài)動力輸出方法進行臺架穩(wěn)態(tài)試驗驗證，試驗來源于某發(fā)動機排放標定試驗，轉(zhuǎn)速試驗點僅覆蓋了中、低轉(zhuǎn)速。

用穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行驗證，需要的參數(shù)有：發(fā)動機轉(zhuǎn)速、機油溫度、IMEP。將其擬合計算出的發(fā)動機輸出扭矩與測功機實測扭矩（即發(fā)動機輸出扭矩）比較分析，單個工況取5組數(shù)據(jù)，求出平均誤差誤差情況如下表所示：

3.2.2 動態(tài)驗證

試驗同樣在臺架上進行，動態(tài)驗證試驗熱機和冷機到熱機兩種不同狀態(tài)，先對發(fā)動機進行熱機狀態(tài)試驗，保持保持機油溫度恒定在90℃左右，發(fā)動機油門全開，轉(zhuǎn)速由2000r/ min加速到3000r/min，試驗用時25s，其中變轉(zhuǎn)速用時約10s。擬合計算的發(fā)動機瞬態(tài)輸出扭矩與臺架實時監(jiān)測的輸出扭矩隨時間變化關(guān)系如圖5所示。

紅色為擬合計算值，藍色為測功機實測值，由圖可知，在勻速工況下，計算值與實測值基本保持一致，在變轉(zhuǎn)速工況下之處存在稍許差異，計算值與實測值最大誤差為1.4%。

再對發(fā)動機進行冷機到熱機狀態(tài)試驗，采用機油恒溫系統(tǒng)控制機油溫度從室溫增加到90℃，用臺架控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速先維持在2000r/min不變，隨后突然增大到3000r/min，最后降為0，擬合計算的發(fā)動機瞬態(tài)輸出扭矩與臺架實時監(jiān)測的輸出扭矩隨時間變化關(guān)系如圖6所示。

紅色為擬合計算值，藍色為測功機實測值，由圖可知，機油溫度42℃時，發(fā)動機計算扭矩和實測扭矩大幅度上升，可能原因是該機油在42℃左右黏度發(fā)生較大變化，導(dǎo)致摩擦扭矩大幅度下降。發(fā)動機勻速階段，計算輸出扭矩與實測輸出扭矩基本保持一致，發(fā)動機加速階段，實測輸出扭矩變化較大，計算輸出扭矩跟隨一起變化，雖然輸出扭矩波動很大，但計算值與實測值相對誤差很小，最大誤差僅為1.5%。

總體來說，通過臺架穩(wěn)態(tài)試驗和動態(tài)試驗對本文的提出的計算發(fā)動機瞬態(tài)輸出動力的方法進行驗證，將基于本方法的輸出扭矩計算值與臺架的輸出扭矩實測值進行對比分析，結(jié)果表明：該方法精度高，操作簡單，具有很高的可行性。

4 結(jié)論

本文通過對發(fā)動機燃燒原理和摩擦理論的研究，解決了發(fā)動機瞬態(tài)工況動力性檢測這一技術(shù)難題。通過本方法，可以反映發(fā)動機全工況的動力性能，實現(xiàn)了整車狀態(tài)下發(fā)動機瞬態(tài)動力輸出的檢測?；诒菊撐牡难芯抗ぷ?，可以得到以下幾點結(jié)論：

（1）根據(jù)本文所建立的摩擦扭矩模型表明，摩擦扭矩隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升而逐漸增大，隨機油溫度的上升而逐漸減小;

（2）本方法操作簡單，易于實現(xiàn)，僅需在整車上的發(fā)動機安裝缸壓傳感器，不需要拆下發(fā)動機進行改裝，也不需要安裝特制工裝;

（3）基于缸壓檢測和摩擦扭矩模型計算得到的發(fā)動機瞬態(tài)動力輸出的方法可行性高，其值與測功機測得的真值相比，最高相對誤差僅為1.65%，本方法對整車上通過CAN讀取的發(fā)動機動力輸出值進行校準;

通過本文的研究，為實現(xiàn)整車路試工況瞬態(tài)動力性能測試、校正CAN讀取的瞬態(tài)動力輸出值、競品車整車狀態(tài)下瞬態(tài)動力性能測試提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

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