張申祥，　陳　瑋，　王善強(qiáng)，　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(dòng)力試驗(yàn)研究院，合肥 230601)

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基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的整車油耗測(cè)試方法

張申祥，陳瑋，王善強(qiáng)，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(dòng)力試驗(yàn)研究院，合肥 230601)

隨著國(guó)內(nèi)輕型整車油耗限值法規(guī)要求的加嚴(yán)，使得整車油耗測(cè)量變得非常重要.基于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的一種整車油耗測(cè)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(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，利用電力測(cè)功機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架編制對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況自動(dòng)循環(huán)程序，利用臺(tái)架設(shè)備溫控及附件加載設(shè)備來(lái)控制試驗(yàn)邊界條件，高瞬態(tài)油耗儀測(cè)量實(shí)時(shí)油耗，經(jīng)驗(yàn)證,測(cè)量結(jié)果一致性達(dá)到0.5%以內(nèi)，滿足整車油耗測(cè)量需求.

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架；整車油耗；NEDC循環(huán)

隨著全球和國(guó)內(nèi)能源危機(jī)的加劇，以及我國(guó)新出臺(tái)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(shí)施第四階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，油耗限值比第三階段加嚴(yán)28%[1].因此,各主機(jī)廠及零部件廠家都在大力推進(jìn)節(jié)油技術(shù)研發(fā)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(yàn)驗(yàn)證時(shí)，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(yàn)證都通過整車法規(guī)測(cè)試方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在新技術(shù)開發(fā)周期和效果驗(yàn)證上都存在很大弊端.文中基于整車NEDC測(cè)試循環(huán)進(jìn)行闡述.

1　整車NEDC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)獲取[2]

整車在轉(zhuǎn)轂運(yùn)行NEDC測(cè)試循環(huán)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件如水溫、機(jī)油溫度等需要通過監(jiān)測(cè)ECU數(shù)據(jù)或者直接測(cè)試獲取，而發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩特性可通過兩種方式來(lái)獲取，一種是整車跑NEDC循環(huán)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)ECU數(shù)據(jù)獲得，另一種是利用整車參數(shù)輸入的軟件計(jì)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(yàn)時(shí)一致性較差，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)工作邊界條件數(shù)據(jù)通過整車跑循環(huán)監(jiān)測(cè)ECU數(shù)據(jù)獲取，而發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行邊界條件

整車在運(yùn)行NEDC循環(huán)時(shí)，利用ECU監(jiān)控軟件讀取需要的發(fā)動(dòng)機(jī)工作邊界條件變化，主要是水溫、進(jìn)氣溫度等，另外可根據(jù)需求監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)附件如發(fā)電機(jī)、真空泵等的工作情況，監(jiān)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件運(yùn)行數(shù)據(jù)見圖1.

圖1　整車NEDC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)邊界

1.2軟件反算發(fā)動(dòng)機(jī)工況

使用AVL Cruise軟件利用已有整車參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行反算整車跑NEDC循環(huán)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)變化.

1.2.1計(jì)算原理

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的求取

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速僅與汽車行駛速度、輪胎半徑和傳動(dòng)系速比有關(guān)，與當(dāng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；n為車輪半徑，m；ig為變速器傳動(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比.

已知車輛當(dāng)前的行駛車速和檔位狀態(tài)，可求得對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的求取

汽車沿行駛方向所受的力有驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力.驅(qū)動(dòng)力是由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系傳至驅(qū)動(dòng)輪上得到的.行駛阻力包含滾動(dòng)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(dòng)力，N；∑F為總行駛阻力，N；Ff為滾動(dòng)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(dòng)機(jī)的輸出扭矩，N·m；ηT為傳動(dòng)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(dòng)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(yàn)循環(huán)運(yùn)行時(shí)，坡道阻力Fi等于0，此時(shí)車輛只有滾動(dòng)阻力Ff，空氣阻力Fw和加速阻力Fj.其中，車輛的滾動(dòng)阻力和空氣阻力Fw即為道路滑行阻力.

發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩的計(jì)算公式如下：

.(6)

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

3)減速工況：減速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩僅與轉(zhuǎn)速相關(guān).在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上模擬時(shí)，這部分?jǐn)?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(dòng)機(jī)工況點(diǎn)所需類型數(shù)據(jù)見表1.

表1　整車NEDC循環(huán)計(jì)算參數(shù)

1.2.3工況點(diǎn)識(shí)別

M1、M2 類汽車油耗試驗(yàn)均按NEDC 循環(huán)進(jìn)行.每個(gè)NEDC 循環(huán)由4 個(gè)城市循環(huán)和1 個(gè)市郊循環(huán)組成，每個(gè)城市循環(huán)運(yùn)行195s，市郊循環(huán)運(yùn)行400s，整個(gè)NEDC 循環(huán)運(yùn)行共計(jì)1 180 s.

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

1.2.4軟件計(jì)算和發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)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(jì)算任務(wù)主界面中輸入發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算任務(wù)步長(zhǎng)設(shè)置主界面中設(shè)置數(shù)據(jù)輸出、時(shí)間和車速步長(zhǎng).

在計(jì)算結(jié)果中找尋3個(gè)參數(shù)(車速、轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩)輸出，即可獲得圖3所示的整車反算的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)，為了更精確模擬，每0.1 s一個(gè)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(dòng)機(jī)工況點(diǎn)

2　臺(tái)架模擬循環(huán)程序建立

對(duì)圖3計(jì)算得出的試驗(yàn)工況進(jìn)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(gè)同一循環(huán)組成，同時(shí)對(duì)加速、減速等變工況數(shù)據(jù)可直接在臺(tái)架以兩個(gè)工況在一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)步轉(zhuǎn)化來(lái)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(tái)架控制軟件的自動(dòng)循環(huán)程序?qū)⑸鲜鰯M合后的試驗(yàn)工況進(jìn)行程序編制，NEDC循環(huán)1 180 s時(shí)間工況變化都編入到臺(tái)架自動(dòng)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(shí)整個(gè)試驗(yàn)工況加入記錄器用于測(cè)量存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要包含轉(zhuǎn)速、扭矩、瞬態(tài)油耗等，測(cè)量存儲(chǔ)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(tái)架程序

3　試驗(yàn)建立

本NEDC循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)依托高動(dòng)態(tài)電力測(cè)功機(jī)、高精度瞬態(tài)測(cè)量油耗儀、高精控溫設(shè)備以及附件加載設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)，搭建模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上運(yùn)行NEDC循環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)[3].

高瞬態(tài)電力測(cè)功機(jī)可以以0.1 s 一個(gè)工況控制NEDC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化，±1 ℃控制精度的溫控設(shè)備對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作邊界條件進(jìn)行模擬控制，根據(jù)NEDC循環(huán)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)附件運(yùn)行情況如發(fā)電機(jī)等，使用附件加載設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)加載和控制，最終實(shí)現(xiàn)整車NEDC循環(huán)工況變化.最后以臺(tái)架的高精度瞬態(tài)油耗儀用于測(cè)量瞬態(tài)油耗，0.1 s(和工況變化保持一致)測(cè)量一次油耗值FV，然后,通過積分法計(jì)算得出循環(huán)總油耗量F.

F=∫FV/36 000.

(7)

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

通過一磨合后性能穩(wěn)定的1.5 L排量的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和匹配此發(fā)動(dòng)機(jī)和6MT變速箱的整車，整車在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行NEDC循環(huán)測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)在按照上述方法在臺(tái)架上進(jìn)行多次NEDC循環(huán)試驗(yàn)，一方面通過臺(tái)架的試驗(yàn)結(jié)果一致性進(jìn)行評(píng)估，另一方面通過臺(tái)架數(shù)據(jù)和整車的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比對(duì).

4.1臺(tái)架試驗(yàn)準(zhǔn)備

4.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化程序建立

匹配此1.5 L樣機(jī)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(dòng)機(jī)工況變化數(shù)據(jù)，使用此發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)架程序編制出同樣變化規(guī)律的臺(tái)架NEDC循環(huán)，冷態(tài)和熱態(tài)NEDC會(huì)有所區(qū)別.

4.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)的實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)來(lái)定義發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)邊界，如主要有燃油、機(jī)油及冷卻液(見表2)等.如果是冷態(tài)NEDC循環(huán)，則臺(tái)架上是依據(jù)冷態(tài)NEDC試驗(yàn)監(jiān)測(cè)要求的邊界條件控制.

表2　臺(tái)架試驗(yàn)邊界(熱態(tài))

4.1.3臺(tái)架和整車試驗(yàn)

按照編制好的對(duì)應(yīng)臺(tái)架NEDC循環(huán)和邊界條件控制進(jìn)行多次(6次以上)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架NEDC循環(huán)試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行整車的多次(3次以上)轉(zhuǎn)轂NEDC循環(huán)試驗(yàn).

4.2臺(tái)架試驗(yàn)一致性驗(yàn)證

計(jì)算出臺(tái)架多次試驗(yàn)結(jié)果平均值，驗(yàn)證其試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試結(jié)果一致性，經(jīng)驗(yàn)證其一致性偏差控制在0.5%以內(nèi)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架邊界控制更精準(zhǔn)，其一致性結(jié)果精度會(huì)得到進(jìn)一步提升，其中一組試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3　臺(tái)架NEDC循環(huán)一致性試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4.3與轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

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

表4　整車轉(zhuǎn)轂測(cè)量值

5　結(jié)　論

節(jié)能法規(guī)的加嚴(yán)，使得整車油耗測(cè)量成為整車和整機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的指標(biāo)之一，基于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的整車油耗測(cè)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(cè)量一致性可控制在0.5%以內(nèi)，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)階段就可以為整車油耗保證提供了一個(gè)很好的油耗測(cè)量驗(yàn)證數(shù)據(jù)，也為節(jié)油技術(shù)研究提供了有效驗(yàn)證方法，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間.另外，此方法可推廣到其他整車法規(guī)油耗測(cè)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(píng)價(jià)方法及指標(biāo)[S].

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

[3]張宏超.基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)的整車油耗測(cè)試方法的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)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?yàn)閮?nèi)燃機(jī)及其零部件測(cè)試技術(shù).

TJ811

A