基于发动机台架试验的整车油耗测试方法

张申祥，　陈　玮，　王善强，　孙　泽，　杨咸珠，　韩　震

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心动力试验研究院，合肥 230601)



基于发动机台架试验的整车油耗测试方法

张申祥，陈玮，王善强，孙泽，杨咸珠，韩震

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心动力试验研究院，合肥 230601)

随着国内轻型整车油耗限值法规要求的加严，使得整车油耗测量变得非常重要.基于发动机试验台架的一种整车油耗测试方法的应用技术，利用整车法规循环工况反算发动机运行工况，利用电力测功机发动机试验台架编制对应的发动机工况自动循环程序，利用台架设备温控及附件加载设备来控制试验边界条件，高瞬态油耗仪测量实时油耗，经验证,测量结果一致性达到0.5%以内，满足整车油耗测量需求.

发动机台架；整车油耗；NEDC循环

随着全球和国内能源危机的加剧，以及我国新出台的单车油耗限值(GB 19578-2014)和企业平均油耗限值(GB 27999-2014)的要求，2016年将实施第四阶段油耗限值标准，油耗限值比第三阶段加严28%[1].因此,各主机厂及零部件厂家都在大力推进节油技术研发，例如发动机的运动件特殊涂层技术、分缸燃烧技术等，此类新节油技术较多，一般节油效果都在5%以内，有的节油效果只有1%左右.另外,在整车转毂试验验证时，由于驾驶员习惯等问题造成其一致性偏差大于1%.如果这些新节油技术节油效果验证都通过整车法规测试方法来实现，在新技术开发周期和效果验证上都存在很大弊端.文中基于整车NEDC测试循环进行阐述.

1　整车NEDC循环发动机工况数据获取[2]

整车在转毂运行NEDC测试循环时，发动机边界条件如水温、机油温度等需要通过监测ECU数据或者直接测试获取，而发动机的转速、扭矩特性可通过两种方式来获取，一种是整车跑NEDC循环时监控发动机ECU数据获得，另一种是利用整车参数输入的软件计算获得，两种方式获得的数据基本一致.鉴于整车转毂试验时一致性较差，因此，发动机工作边界条件数据通过整车跑循环监测ECU数据获取，而发动机转速、扭矩工况变化数据则通过软件反算得出.

1.1整车循环监测发动机运行边界条件

整车在运行NEDC循环时，利用ECU监控软件读取需要的发动机工作边界条件变化，主要是水温、进气温度等，另外可根据需求监测发动机附件如发电机、真空泵等的工作情况，监测的发动机边界条件运行数据见图1.

图1　整车NEDC循环发动机边界

1.2软件反算发动机工况

使用AVL Cruise软件利用已有整车参数数据进行反算整车跑NEDC循环时发动机工况点变化.

1.2.1计算原理

(1)发动机转速的求取

发动机转速仅与汽车行驶速度、轮胎半径和传动系速比有关，与当前车辆状态如加速、减速或等速等是没有关系的.

Ua=0.377 r·n/igi0，

(1)

式中:Ua为汽车行驶速度，km/h；r为发动机转速，r/min；n为车轮半径，m；ig为变速器传动比；i0为主减速器传动比.

已知车辆当前的行驶车速和档位状态，可求得对应的发动机转速.

(2)发动机扭矩的求取

汽车沿行驶方向所受的力有驱动力和行驶阻力.驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的.行驶阻力包含滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡道阻力.

Ft=∑F=Ff+Fω+Fi+Fj,

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:Ft为车辆驱动力，N；∑F为总行驶阻力，N；Ff为滚动阻力，N；Fw为空气阻力，N；Fi为坡道阻力，N；Fj为加速阻力，N；Ttq为发动机的输出扭矩，N·m；ηT为传动系的效率；F0，F1，F2为道路滑行阻力系数；δ为汽车旋转质量换算系数；m为汽车质量，kg.

上述诸阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的，坡道阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在.按试验循环运行时，坡道阻力Fi等于0，此时车辆只有滚动阻力Ff，空气阻力Fw和加速阻力Fj.其中，车辆的滚动阻力和空气阻力Fw即为道路滑行阻力.

发动机的输出扭矩的计算公式如下：

.(6)

1)等速行驶工况：等速行驶时，加速阻力Fj是不存在的.已知车辆当前的行驶车速和档位，可求得发动机扭矩.

3)减速工况：减速行驶时，发动机的输出扭矩仅与转速相关.在发动机台架上模拟时，这部分数据是不需要添加的.

1.2.2整车参数输入

整车反算发动机工况点所需类型数据见表1.

表1　整车NEDC循环计算参数

1.2.3工况点识别

M1、M2 类汽车油耗试验均按NEDC 循环进行.每个NEDC 循环由4 个城市循环和1 个市郊循环组成，每个城市循环运行195s，市郊循环运行400s，整个NEDC 循环运行共计1 180 s.

如变速箱为6 档手动变速箱，市郊循环部分按6 档运行.如变速箱为自动变速箱，则按照换挡规律运行，车速仍为NEDC 规定车速.

1.2.4软件计算和发动机工况点输出

在Cruise 整车模型主界面(如图2所示)输入车辆、变速箱和主减等总成的参数.在Cruise 计算任务主界面中输入发动机初始状态、车辆的阻力表征方式、换挡要求设置和循环工况设置.在Cruise 计算任务步长设置主界面中设置数据输出、时间和车速步长.

在计算结果中找寻3个参数(车速、转速和发动机扭矩)输出，即可获得图3所示的整车反算的发动机工况点，为了更精确模拟，每0.1 s一个工况变化.

图2　Cruise软件整车模型主界面

图3　软件反算得出的发动机工况点

2　台架模拟循环程序建立

对图3计算得出的试验工况进行工况拟合，从NEDC循环工况可得知城市工况和城郊工况，而城市工况为4个同一循环组成，同时对加速、减速等变工况数据可直接在台架以两个工况在一定时间内的稳步转化来拟合.采用以上原则拟合后的其中单一城市循环工况变化如图4所示.

利用AVL台架控制软件的自动循环程序将上述拟合后的试验工况进行程序编制，NEDC循环1 180 s时间工况变化都编入到台架自动循环程序里，程序编制中加入边界条件控制和限值控制，同时整个试验工况加入记录器用于测量存储试验数据，主要包含转速、扭矩、瞬态油耗等，测量存储频率大于10 Hz.编制的程序如图5所示.

图4　拟合后的单一城市工况变化图

图5　NEDC循环工况台架程序

3　试验建立

本NEDC循环测试系统依托高动态电力测功机、高精度瞬态测量油耗仪、高精控温设备以及附件加载设备的发动机台架试验设备平台，搭建模拟出发动机在整车上运行NEDC循环的运行状态[3].

高瞬态电力测功机可以以0.1 s 一个工况控制NEDC循环发动机工况变化，±1 ℃控制精度的温控设备对发动机工作边界条件进行模拟控制，根据NEDC循环监测发动机附件运行情况如发电机等，使用附件加载设备进行自动加载和控制，最终实现整车NEDC循环工况变化.最后以台架的高精度瞬态油耗仪用于测量瞬态油耗，0.1 s(和工况变化保持一致)测量一次油耗值FV，然后,通过积分法计算得出循环总油耗量F.

F=∫FV/36 000.

(7)

4　试验验证

通过一磨合后性能稳定的1.5 L排量的汽油发动机和匹配此发动机和6MT变速箱的整车，整车在转毂上进行NEDC循环测试，发动机在按照上述方法在台架上进行多次NEDC循环试验，一方面通过台架的试验结果一致性进行评估，另一方面通过台架数据和整车的数据结果进行比对.

4.1台架试验准备

4.1.1发动机工况变化程序建立

匹配此1.5 L样机和6MT变速箱的样车参数,输入Cruise软件，输出NEDC循环发动机工况变化数据，使用此发动机工况数据进行台架程序编制出同样变化规律的台架NEDC循环，冷态和热态NEDC会有所区别.

4.1.2发动机循环边界条件设定

依据此整车跑热态NEDC循环时的实际发动机运行状态来定义发动机台架试验边界，如主要有燃油、机油及冷却液(见表2)等.如果是冷态NEDC循环，则台架上是依据冷态NEDC试验监测要求的边界条件控制.

表2　台架试验边界(热态)

4.1.3台架和整车试验

按照编制好的对应台架NEDC循环和边界条件控制进行多次(6次以上)发动机台架NEDC循环试验，同时进行整车的多次(3次以上)转毂NEDC循环试验.

4.2台架试验一致性验证

计算出台架多次试验结果平均值，验证其试验循环测试结果一致性，经验证其一致性偏差控制在0.5%以内，如果发动机试验台架边界控制更精准，其一致性结果精度会得到进一步提升，其中一组试验结果如表3所示.

表3　台架NEDC循环一致性试验验证结果

4.3与转毂试验对比验证

表2中发动机台架测试结果数据和其匹配的整车转毂油耗测试结果(表4)进行比对，转毂结果数据6.42L与台架油耗6.33L比对偏差为1.4%，处于转毂的油耗测试精度允许范围内，即验证基于发动机台架的整车油耗测试方法可满足整车油耗测试需求，适用于整车油耗验证测试，而其一致性结果约优于转毂试验50%以上.

表4　整车转毂测量值

5　结　论

节能法规的加严，使得整车油耗测量成为整车和整机设计中最重要的指标之一，基于发动机试验台架的整车油耗测试方法应用技术，可在不具备在线仿真软硬件的条件下，其总油耗量测量一致性可控制在0.5%以内，在发动机开发设计阶段就可以为整车油耗保证提供了一个很好的油耗测量验证数据，也为节油技术研究提供了有效验证方法，节省了开发时间.另外，此方法可推广到其他整车法规油耗测试方法技术应用，如FTP75等.

[1]GB 27999-2014乘用车燃料消耗量评价方法及指标[S].

[2]GB 18352.5-2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)[S].

[3]张宏超.基于发动机在环的整车油耗测试方法的研究[J].小型内燃机与摩托车,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

张申祥(1982-)，男，本科，研究方向为内燃机及其零部件测试技术.

TJ811

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