鄭春芳，李騰騰，汪曉偉，吳琳琳

發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)一致性與真實(shí)性研究

鄭春芳，李騰騰，汪曉偉，吳琳琳

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300000）

文章以某款柴油重型車為研究對(duì)象，先通過對(duì)C-WTVC試驗(yàn)進(jìn)入條件的控制進(jìn)行一致性研究，又通過控制中冷后進(jìn)氣溫度、后處理排溫等條件開展了油耗、排放真實(shí)性分析。研究結(jié)果表明，EIL平臺(tái)試驗(yàn)一致性好，能夠滿足整車開發(fā)對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性、試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性、試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確性需求；在與真實(shí)試驗(yàn)條件基本相同前提下，油耗及排放水平非常接近實(shí)際整車的數(shù)據(jù)結(jié)果，EIL平臺(tái)能夠評(píng)估實(shí)際整車開發(fā)過程中油耗及排放水平。

一致性；真實(shí)性；重復(fù)性；重型車

前言

《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法》（中國(guó)第六階段）[1]新增實(shí)際道路排放形式認(rèn)證及在用車符合性要求，重型柴油車具有車型多、配置復(fù)雜等特點(diǎn)，需要大量整車實(shí)際道路測(cè)試，而整車試驗(yàn)又在實(shí)際環(huán)境中，一致性比較差。加之重型車整車油耗一直是企業(yè)及用戶十分關(guān)注的問題，四階段油耗限值法規(guī)即將頒布，對(duì)整車油耗開發(fā)提出新的挑戰(zhàn)。基于整車企業(yè)面臨的開發(fā)難題，國(guó)外早已經(jīng)引進(jìn)了一種新的開發(fā)方法-發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)（Engine-in-Loop，EIL），將真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)及ECU硬件與虛擬整車及虛擬駕駛員結(jié)合模擬整車道路工況，國(guó)外在輕型車領(lǐng)域中BOSCH公司通過EIL模擬實(shí)際道路狀況，通過模擬道路交通及路面信息，保證RDE（real driving emission）測(cè)試的重復(fù)性，從而有利于整車油耗與排放聯(lián)合優(yōu)化。在重型車領(lǐng)域中康明斯通過EIL仿真平臺(tái)已經(jīng)著手研究重型車混合動(dòng)力油耗及排放的評(píng)估；AVL與VOLVO聯(lián)合將EIL技術(shù)應(yīng)用到新型卡車中，EIL平臺(tái)與實(shí)際道路測(cè)試油耗偏差2%左右[2]。迄今為止，國(guó)內(nèi)EIL仿真還處于起步階段，在輕型車方向像吉利、長(zhǎng)安、一汽、江鈴等整車企業(yè)開始RDE開發(fā)方法研究，但開發(fā)方法尚未成熟。在重型車方向，之前尚無企業(yè)研究，目前本文基于重型車循環(huán)研究尚屬首例，為了滿足重型車開發(fā)需求，本文通過AVL的VSM（Vehicle Simulation Model，VSM）軟件建立整車模型、駕駛員模型、工況模型，在EIL仿真平臺(tái)進(jìn)行重型車工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性與真實(shí)性研究，探究EIL方法是否具有可行性，能否評(píng)估實(shí)際整車油耗、排放水平。

1 試驗(yàn)方法研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文地試驗(yàn)研究是基于EIL仿真平臺(tái)軟、硬件設(shè)備，該平臺(tái)具體測(cè)試設(shè)備名稱如表1。

表1 EIL試驗(yàn)設(shè)備名稱

1.2 試驗(yàn)循環(huán)

本試驗(yàn)所采用的循環(huán)為 GB/T 27840-2011《商用車燃料消耗量測(cè)量方法》推薦的重型柴油車整車綜合油耗測(cè)量所使用的工況（C-WTVC 循環(huán)）[3-4]，C-WTVC是以世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)WTVC（World Transient Vehicle Cycle）為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)，測(cè)試曲線如圖1所示。

圖1 C-WTVC循環(huán)速度曲線

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 EIL一致性試驗(yàn)方案

表2 試驗(yàn)邊界條件

為了保證一致性數(shù)據(jù)有效，本文要求每次試驗(yàn)前需要將標(biāo)定點(diǎn)邊界條件調(diào)成一致，具體邊界條件如表2。試驗(yàn)邊界條件的是根據(jù)主機(jī)廠開發(fā)邊界值設(shè)定。

一致性試驗(yàn)在標(biāo)定點(diǎn)邊界相同條件下，3次試驗(yàn)的進(jìn)入條件也需一致，試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際整車試驗(yàn)環(huán)境一致，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工況怠速750rpm，進(jìn)入后處理排溫要低于200℃，避免影響C-WTVC循環(huán)前500秒內(nèi)的SCR轉(zhuǎn)化效率，避免因后處理溫度過高影響排放結(jié)果。具體進(jìn)入條件見表3。

表3 試驗(yàn)進(jìn)入條件

1.3.2 EIL真實(shí)性試驗(yàn)方案

真實(shí)性試驗(yàn)主要是基于整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)平臺(tái)的環(huán)境條件、整車及發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)、后處理排溫、整車中冷后溫度、駕駛員擋位[6]、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU數(shù)據(jù)等因素，使EIL平臺(tái)在循環(huán)試驗(yàn)時(shí)與整車轉(zhuǎn)轂一致，分析EIL平臺(tái)與轉(zhuǎn)轂平臺(tái)整車油耗、排放的差異。分析說明EIL能否評(píng)估實(shí)際整車排放、油耗的真實(shí)結(jié)果[5]。

EIL平臺(tái)真實(shí)性試驗(yàn)研究的前提是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU數(shù)據(jù)與實(shí)際整車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU數(shù)據(jù)一致，基于這樣前提，在相同試驗(yàn)外部環(huán)境下，EIL平臺(tái)與整車轉(zhuǎn)轂平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)及整車關(guān)鍵參數(shù)見表4：

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)及整車關(guān)鍵參數(shù)

實(shí)際轉(zhuǎn)轂平臺(tái)在試驗(yàn)過程中有風(fēng)機(jī)模擬整車在行駛過程中環(huán)境風(fēng)速，既設(shè)定了迎風(fēng)阻力也加快后處理部件散熱。EIL平臺(tái)為了保證與實(shí)際整車后處理排溫一致，通過兩種方式進(jìn)行后處理降排溫：一方面改變發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)空調(diào)的擋位，由原來的3擋增加至5擋，另一方面增加了散熱風(fēng)機(jī)對(duì)后處理部件的直接吹拂，通過以上兩種措施，保證后EIL平臺(tái)后處理排溫與轉(zhuǎn)轂平臺(tái)后處理排溫基本相當(dāng)，這樣能較好對(duì)EIL平臺(tái)排氣污染物真實(shí)性分析。

整車在轉(zhuǎn)轂平臺(tái)試驗(yàn)過程中，中冷器水溫受整車水循環(huán)條件限制，整車中冷溫度會(huì)高于臺(tái)架中冷器溫度，為了減小中冷器對(duì)進(jìn)氣溫度的影響，EIL平臺(tái)在試驗(yàn)過程中使中冷溫度調(diào)高，保持與實(shí)際整車中冷溫度一致，以便使油耗、排放對(duì)比更加精準(zhǔn)[7]。

為了保證轉(zhuǎn)轂平臺(tái)真實(shí)駕駛員的運(yùn)行工況與EIL平臺(tái)運(yùn)行工況一致，通過轉(zhuǎn)轂平臺(tái)整車的轉(zhuǎn)速、車速、整車擋位及半徑計(jì)算整個(gè)C-WTVC循環(huán)每秒運(yùn)行的擋位，將計(jì)算出實(shí)際行駛擋位導(dǎo)入到EIL平臺(tái)VSM中，具體擋位計(jì)算公式：

式中：

（t）—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm/min

i—變速傳動(dòng)比

0—主減速器比

()—整車運(yùn)行車速，km/h

r—輪胎半徑，m

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)一致性結(jié)果分析

本文一致性研究共做了3次試驗(yàn)，3次試驗(yàn)CO2累計(jì)量分別是：第1次是9051g，第2次是9057g，第3次是9043g，這3次試驗(yàn)CO2累計(jì)量平均值是9050.4g，每次試驗(yàn)CO2累計(jì)量與平均值的偏差分別為0.6g、6.6g、7.4g,與平均值的偏差百分比為接近0%、0.07%、0.08%。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：3次試驗(yàn)CO2累計(jì)量在市區(qū)、市郊、高速段的趨勢(shì)一致，總量十分接近，EIL平臺(tái)油耗的一致性好，該平臺(tái)油耗測(cè)量設(shè)備精準(zhǔn)穩(wěn)定，可用于整車重復(fù)性開發(fā)工作。具體數(shù)據(jù)如圖2：

圖2 CO2累計(jì)量對(duì)比

3次一致性試驗(yàn)PN對(duì)比，通過數(shù)據(jù)分析可以看出：這3次試驗(yàn)PN累計(jì)個(gè)數(shù)分別為：第1次為3.39963*E11，第2次為3.65172*E11，第3次為3.60258*E11，具體數(shù)值見圖3。每次試驗(yàn)PN累計(jì)數(shù)量與3次試驗(yàn)平均值的偏差百分比分別為：4.27%，2.82%，1.44%。通過對(duì)3次試驗(yàn)PN累計(jì)量分析發(fā)現(xiàn)：第2次與第3次試驗(yàn)在整個(gè)循環(huán)中PN累計(jì)總量相差很少，僅有1.34%的偏差，3次試驗(yàn)在市區(qū)、市郊、高速路PN累計(jì)趨勢(shì)完全一致，僅第1次試驗(yàn)在高速路(1450~1800)s PN累計(jì)數(shù)量略低于其他兩次，1700s時(shí)，第1次試驗(yàn)不再累計(jì)，其他兩次試驗(yàn)成大幅增加趨勢(shì)，差異原因可能與高速高負(fù)荷燃燒過程及DPF碳載量相關(guān)，具體還需進(jìn)一步研究?？傮w分析：3次試驗(yàn)PN累計(jì)量基本一致，在相同循環(huán)下，EIL平臺(tái)排氣污染物測(cè)量誤差較小，設(shè)備測(cè)量精準(zhǔn)、穩(wěn)定，重復(fù)性較好。

圖3 PN累計(jì)量對(duì)比

通過圖4可以發(fā)現(xiàn)：3次試驗(yàn)NOx累計(jì)量分別是：第1次1.275g，第2次1.2251g，第3次1.1848g，在3次循環(huán)中試驗(yàn)中（0~1500）s累計(jì)趨勢(shì)幾乎一致，（1500~1800）s第1次試驗(yàn)NOx累計(jì)量不變，第2次和第3次略微上升，通過圖5 SCR前排溫對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1500s以上SCR前排溫都在345℃以上，NOx處在高效轉(zhuǎn)化溫度內(nèi)，不是SCR排溫低導(dǎo)致NOx略微上升。原因可能是與尿素噴射速率和噴射均勻性相關(guān)，也可能因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)間循環(huán)車速在80km/h以上，見圖6車速對(duì)比圖，發(fā)動(dòng)機(jī)處在高速高負(fù)荷下，排氣流量大，化學(xué)反應(yīng)不均勻有關(guān)。但是總體來看，3次試驗(yàn)循環(huán)SCR累計(jì)總量基本相當(dāng)，每次試驗(yàn)累計(jì)量與平均值的偏差為0.046g，0.0031g，0.0434g，偏差質(zhì)量在可接受范圍內(nèi)，NOx排放一致性好，重復(fù)性好，可用于EIL平臺(tái)整車開發(fā)工作[8]。

圖4 NOx累計(jì)量對(duì)比

2.2 試驗(yàn)真實(shí)性結(jié)果分析

EIL平臺(tái)在調(diào)試前中冷后溫度在（20~40）℃之間，（0~1400）s之間中冷溫度都在30℃以下，（1400~1800）s高速高負(fù)荷溫度在（35~40）℃。轉(zhuǎn)轂平臺(tái)整車中冷溫度在（35~50）℃之間圖7所示E，EIL平臺(tái)通過調(diào)小水閥開度使EIL平臺(tái)中冷溫度與轉(zhuǎn)轂整車中冷溫度后進(jìn)氣溫度基本一致。這樣做主要目的是可以較少因中冷后進(jìn)氣溫度差異導(dǎo)致油耗排放的差異，更有效比較兩個(gè)平臺(tái)下真實(shí)的油耗排放不同。因?yàn)橥ㄟ^試驗(yàn)證明隨著中冷后進(jìn)氣溫度的增加循環(huán)工況比油耗呈增加的趨勢(shì)，NOx排放量也隨著中冷后進(jìn)氣溫度升高而增加。

圖5 SCR前溫度對(duì)比

圖6 車速對(duì)比

圖7 中冷后進(jìn)氣溫度

圖8 SCR前溫度對(duì)比

通過圖8數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)轂與EIL平臺(tái)SCR前溫度的變化趨勢(shì)是一致的，市區(qū)、市郊、高速不同路段SCR前溫度有差異，EIL平臺(tái)SCR前溫度在市區(qū)工況略高轉(zhuǎn)轂平臺(tái)SCR前溫度，此工況段前400秒處在低溫區(qū)，整個(gè)循環(huán)NOx累計(jì)值很受SCR前溫度影響。但是通過圖7 SCR前溫度對(duì)比與圖9 NOx累計(jì)值對(duì)比圖發(fā)現(xiàn)，NOx在高于235℃時(shí)轉(zhuǎn)化效率接近100%，NOx累積值不在增加，市郊區(qū)域1250秒處NOx累計(jì)值有小幅度增加。高速段SCR前最低溫度275℃以上，NOx累計(jì)值不再增加，通過圖8對(duì)比得出：EIL平臺(tái)NOx累計(jì)量為1.2284g，轉(zhuǎn)轂平臺(tái)NOx累計(jì)量為1.3317g，相差0.1033g，整體偏差值在可接受范圍內(nèi)。通過圖8發(fā)現(xiàn)EIL平臺(tái)在最后200秒NOx累計(jì)值略微上升，原因在一致性結(jié)果分析處闡述，此處不再贅述。

圖9 NOx累計(jì)值對(duì)比

通過圖10對(duì)比發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)轂平臺(tái)擋位與EIL平臺(tái)運(yùn)行擋位一致，這保證了C-WTVC循環(huán)下每秒的工況點(diǎn)基本一致，通過對(duì)圖11數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在相同扭矩下轉(zhuǎn)轂平臺(tái)的車速略高于EIL平臺(tái)的車速，主要原因是EIL平臺(tái)輸入的是輪胎的自由半徑，而轉(zhuǎn)轂平臺(tái)是在載荷100%情況下進(jìn)行試驗(yàn)，加載后的輪胎半徑是略低于自由半徑，根據(jù)公式（1）可以得出在同樣擋位和車速下半徑越小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高。

圖10 工況對(duì)比

圖11 工況對(duì)比

EIL平臺(tái)與轉(zhuǎn)轂平臺(tái)整車油耗對(duì)比如圖11，通過圖12對(duì)比不難看出油耗趨勢(shì)一致，總的CO2累積量也差異很小，EIL平臺(tái)C-WTVC循環(huán)累計(jì)CO2量是9050g，轉(zhuǎn)轂平臺(tái)C-WTVC循環(huán)累計(jì)CO2量是9092.34g，偏差百分比為0.46%，綜上總結(jié)：在環(huán)境條件一致，駕駛員換擋相同，中冷后溫度一致情況下，在相同的循環(huán)C-WTVC工況運(yùn)行條件下，EIL與轉(zhuǎn)轂平臺(tái)整車燃油消耗量十分接近，誤差產(chǎn)生也與測(cè)試設(shè)備相關(guān)。EIL平臺(tái)可以用于整車開發(fā)過程中油耗量的評(píng)估，EIL平臺(tái)測(cè)試設(shè)備精度高，重復(fù)性好。

圖12 CO2累計(jì)值對(duì)比

通過圖13、圖14數(shù)據(jù)分析得出：轉(zhuǎn)轂平臺(tái)與EIL平臺(tái)在C-WTVC循環(huán)不同路段PN的累計(jì)趨勢(shì)一致，主要表現(xiàn)在兩個(gè)平臺(tái)下市區(qū)工況累計(jì)速度較緩慢，主要原因是市區(qū)車速較低，發(fā)動(dòng)機(jī)工況在低速低負(fù)荷下，排氣流量較小，平均值有104gk/h；在市郊區(qū)域，隨著車速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷有所提升，排氣流量加大，此階段排氣流量平均值為161kg/h，PN累計(jì)速率升高；高速階段，兩個(gè)平臺(tái)的累計(jì)速率迅速變大，主要在這個(gè)階段，車速較高，發(fā)動(dòng)機(jī)處在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷區(qū)，排氣流量迅速增加，導(dǎo)致DPF碳載量也陡然加大，此階段的排氣流量為330kg/h。從圖中可知：轉(zhuǎn)轂平臺(tái)整個(gè)循環(huán)的累計(jì)個(gè)數(shù)4.56296*E11，EIL平臺(tái)整個(gè)循環(huán)的累計(jì)個(gè)數(shù)3.5513*E11，累計(jì)量在相同數(shù)量級(jí)，造成偏差的原因主要與DFP累碳量相關(guān)，排放物采集方式相關(guān)。

圖13 PN累計(jì)值對(duì)比

圖14 排氣流量對(duì)比

4 結(jié)論與展望

本文以柴油機(jī)重型汽車為研究對(duì)象，通過VSM軟件對(duì)C-WTVC循環(huán)一致性與真實(shí)性分析，主要研究了在相同進(jìn)入條件下，油耗、排放一致性分析，還開展了在同樣ECU數(shù)據(jù)、整車參數(shù)、環(huán)境條件、行駛風(fēng)速、中冷條件、換擋擋位下EIL的真實(shí)性研究，通過以上研究得出以下結(jié)論：

（1）在嚴(yán)格控制試驗(yàn)進(jìn)入條件前提下，EIL試驗(yàn)一致性好，重復(fù)性強(qiáng)，測(cè)試設(shè)備穩(wěn)定。3次試驗(yàn)CO2最大偏差量?jī)H14g，油耗的測(cè)試精度高，可以用于整車開發(fā)油耗量的評(píng)估。3次試驗(yàn)NOx和PN偏差量均在可接受的偏差，相對(duì)偏差量也很小，此結(jié)果說明EIL平臺(tái)排放設(shè)備可以用于整車開發(fā)過程排放結(jié)果的評(píng)估。

（2）本文通過與轉(zhuǎn)轂平臺(tái)一致性條件優(yōu)化研究，數(shù)據(jù)分析得出：EIL平臺(tái)與轉(zhuǎn)轂油耗偏差僅0.46%，此偏差范圍說明EIL平臺(tái)在油耗評(píng)估方面真實(shí)性較好，能夠反映實(shí)際整車的油耗水平；NOx累計(jì)循環(huán)偏差僅為0.1033g，偏差值相對(duì)較小，能夠真實(shí)反映實(shí)際整車NOx的排放水平；PN累計(jì)數(shù)與實(shí)際情況相對(duì)偏大，但整個(gè)循環(huán)累計(jì)趨勢(shì)與實(shí)際是一致的，加上DPF碳載量對(duì)PN累計(jì)數(shù)據(jù)影響較大，但整體結(jié)果與實(shí)際情況也較為接近，結(jié)果具有參考性?？傮w而言，EIL平臺(tái)在油耗及排放方面真實(shí)性較好，試驗(yàn)結(jié)果接近實(shí)際轉(zhuǎn)轂測(cè)試水平。

綜述：通過對(duì)EIL平臺(tái)一致性與真實(shí)性研究，發(fā)現(xiàn)EIL平臺(tái)可以輔助整車開發(fā)，一致性方面，可以用于整車關(guān)鍵部件選型，標(biāo)定優(yōu)化；真實(shí)性方面，可以用實(shí)際整車油耗、排放水平的評(píng)估，減少實(shí)際整車測(cè)試次數(shù)，可以解決整車開發(fā)的難題。

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Study on the Consistency and Authenticity of Engine-in-Loop

Zheng Chunfang, Li Tengteng, Wang Xiaowei, Wu Linlin

（China Automotive Technology & Research Center Co. Ltd,Tianjin 300000 )

This paper takes a heavy diesel truck as the research object. Firstly, the consistency research is carried out on the control of C-WTVC test entered conditions, and then authenticity analysis of fuel consumption and emission is carried out by controlling the cooled inlet air、post-treatment exhaust temperature and other important conditions. The research results show that EIL platform test consistency is good and could meet the requirment of vehicle development for equipment stability, repeatability of test result and accuracy of test data. On the premise that the actual test conditions are basically the same, the consumption and emission levels are very close to the data result of the actual vehicle. EIL platform can evaluate accurately the fuel consumption and emission levels in the development process of the actual vehicle.

Consistency; Authenticity; Repeatability; Heavy truck

A

1671-7988(2020)24-139-05

U463

A

1671-7988(2020)24-139-05

鄭春芳，就職于中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.046

CLC NO.: U463