非道路用柴油机瞬态行为分析和试验循环开发

冀树德， 张伟， 邬旭宏， 郝冀雁， 闫瑞琦， 王连群， 唐智， 高海涛， 黄旭， 赵玲玲

(1. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 2. 河北华北柴油机有限责任公司， 河北 石家庄 050081)



非道路用柴油机瞬态行为分析和试验循环开发

冀树德1， 张伟1， 邬旭宏1， 郝冀雁1， 闫瑞琦1， 王连群2， 唐智1， 高海涛1， 黄旭1， 赵玲玲1

(1. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 2. 河北华北柴油机有限责任公司， 河北 石家庄 050081)

针对车辆在水泥路、石块路、起伏路、沼泽路行驶采集的柴油机道路载荷数据，对齿杆位移与扭矩进行转换，设计了表征原始载荷数据总体瞬态特征的7个参数，包括转速变化率、扭矩变化率、功率、功率变化率、转速和扭矩、转速和扭矩变化率、扭矩和转速变化率，划分区间计算相对发生率确定了总体特征。采用x2校验和移动筛选的方法，从原始数据中选取了代表每种路面形式瞬态特征的微历程，进一步工程调整微历程中的部分数据段，确定了表征总体瞬态特征的最佳微历程。最后对微历程按任务比例组合形成了适合柴油机的瞬态加载试验循环。

柴油机； 瞬态行为； 试验循环； 道路载荷数据

根据文献[1]，柴油机装车实际使用过程中动态工况占50%～90%，而工程应用研究中更多的是针对稳态工况，动态特性与稳态特性存在较大的差别，瞬态性能研究缺失会导致更多偶然性事件在柴油机使用过程中发生。文献[2]将柴油机瞬态过程分为以下几种：恒转速载荷增加、齿条变化或踏板阶跃导致的转速变化、冷/热启动、模拟的转速和载荷变化、车或船的推进程序、瞬态试验循环，对柴油机的瞬态过程只作了定性分类，不便于工程应用。目前，发动机瞬态性能研究更多使用的是用于排放检测的瞬态试验循环，如《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》中的ETC试验循环，规定城市、乡间、高速的道路工况，在车用动力排放性能分析方面得到了广泛应用。某些标准也加入了瞬态过程，但仍是以稳态为主，与实际使用过程仍有一定的差距。对于非道路用柴油机，急需对其道路使用过程中的瞬态行为进行分析，构建一套瞬态试验循环用于研究其瞬态切换过程中系统结构可靠性、控制单元工作稳态性、经济性、排放性等。

对于柴油机瞬态循环的制订，遵循的原则是台架加载试验循环能够最大程度上表征柴油机装车使用过程中运行工况特征。目前，常采用的方法是在完整试验任务剖面内采集柴油机运行特征参数的时间历程，再通过各种方法转化为台架可执行转速、扭矩一一对应的工况点。对于道路载荷数据的转化，在用的方法有雨流计数法、疲劳寿命法、相似性分析、数学统计方法等，前3种方法由于应用针对性或技术实现上的难度，无法用于瞬态试验循环的制订，最后一种有很大的随意性，有待进一步具体化。

本研究中以6缸和4缸系列柴油机装车在完整任务剖面采集的道路载荷数据为研究对象，构建整体道路载荷时间历程的瞬态特征，通过卡方校验、工程调整创建对应不同路面形式的微历程，综合形成符合该类柴油机道路瞬态行为特征的试验循环。

1 柴油机道路载荷数据采集

研究对象为6缸和4缸系列增压中冷柴油机，主要技术参数见表1。

表1 柴油机主要技术参数

为了更加及时、准确反映装车发动机运行状态，在发动机相关部位布置相应传感器(见表2)，并在试验过程中实时采集记录数据。

载荷数据的获取采用6缸和4缸两种柴油机，分别由一级驾驶员和二级驾驶员在表3所示路面行驶，并利用电子控制单元的采集功能记录转速和齿杆信号数据，采集频率为1 Hz。最终，采集道路载荷数据是驾驶员行为和路面形式共同作用的结果。按照车辆不同工作环境的使用统计，设计水泥路、石块路、起伏路、沼泽路4种路面形式的分配比例(见表3)。

表2 传感器布置位置

表3 不同路面形式时间分配比例

2 柴油机活动行为分析及数据处理

2.1 柴油机总体运行循征

将两种柴油机装不同的车，由不同驾驶员在不同区域水泥路、石块路、起伏土路、沼泽路驾驶车辆连续行驶3次任务路程，行驶中实时采集数据，采集得到的数据特征见图1至图4。相比较而言，起伏土路的转速、载荷变化最频繁，石块路次之，再次为沼泽路面，最后为水泥路面。石块路面的转速变化幅度较小，起伏土路的转速变化幅度较大，而二者的载荷变化幅度基本相当，以齿杆衡量的载荷变化幅度约达10 mm。沼泽路面运行基本维持在中低转速，转速的变化幅度也较小，相比其他3种路面，该路面的载荷变化幅度也不是很大。相对来说，水泥路面的柴油机运行最平稳，存在一些恒速运行工况点，持续运行时间也相对较长，以齿杆位移衡量的载荷变化与沼泽路面相当，但变化幅度更大一些。

进一步地分析，水泥路面几个转速升降区间的宽度基本相当，认为其瞬态行为主要是驾驶员行为作用的结果；其他3种路面转速和载荷升降虽各不相同，但变化频度基本相似，认为其瞬态行为主要是路面形式变化作用的结果。尽管4种路面形式的柴油机瞬态行为各有各的特征，以定性的方式也能指出一些不同，但很难通过图形的方式认定其特有的瞬态特征。为此，需对数据进行处理，并设计表征柴油机瞬态特征的参数。

2.2 载荷数据处理

载荷数据是以齿杆位移形式呈现的，不同转速对应的最大齿杆位移差不多，但对应的最大扭矩值却相差很大，不能直接表征发动机的动力特性。因此，需将采集的齿杆位移转化为当量的扭矩值。本研究中，将不同柴油机的齿杆位移与台架万有特性试验记录的齿杆位移、扭矩数据对标，中间缺失点采用线性插值方法插补，最终转化成转速和扭矩形式的载荷数据。

为了确保装不同车辆柴油机之间载荷分布的可比较性，进一步将转速、扭矩、功率等参数按照式(1)至式(3)进行标准化计算，并采用标准化的数据按照式(4)建立对应参数的变化率。标准化的载荷数据见图5。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：nnorm，Tnorm，Pnorm分别表示标准化的转速、扭矩和功率；nact，Tact，Pact分别表示实际测量的转速、扭矩和功率；nrated表示标定转速；nidle表示怠速转速；Tmax和Pmax分别表示最大扭矩和最大功率；R表示转速、扭矩或功率的变化率；X表示标准化的转速、扭矩或功率；T表示采集时间点，若采样频率为1 Hz，则Ti+1-Ti=1 s。

3 载荷数据总体的瞬态特征分析

3.1 瞬态特征参数

为了表征柴油机在不同路面的瞬态行为，设计表4所示特征参数，包括4个单独的参数和3个组合的参数。

表4 柴油机瞬态特征表征参数

为了说明这些特征在整个载荷时间历程内的分布情况，需引入相对发生率的参数(RFO)，即划分区间内特征的发生频率数除以用于分析的总载荷数目。对于每个特征，所有区间的相对发生率的总和为1。

3.2 载荷数据总体的瞬态特征

以柴油机在水泥路面活动行为形成的道路载荷说明7个参数表达的瞬态特征。

水泥路面7个参数分析的瞬态特征结果见图6至图8和表5。标准化转速和扭矩的组合参数表征了柴油机瞬态动作结果在自身整个工作区域内的分布情况，即水泥路面柴油机瞬态行为导致其工况点在其工作区域内呈现的分布。由图6可知，柴油机在水泥路面主要运行在低速低负荷和中速中高负荷点，即0～20%转速的0～20%扭矩点和60%～80%转速的40%～80%扭矩点。标准化功率是转速和扭矩的组合，是忽略运行工况点进行的单纯功率分布表达，是柴油机瞬态运行过程中承载情况的说明，水泥路面低负荷的运行占绝大多数(见表5)。转速变化率、扭矩变化率和功率变化率是柴油机瞬态过程中各自变化幅度(瞬态冲击强度)的表达，3个参数基本统一地集中在中间区域，即接近0的区域，说明柴油机水泥路面运行过程中瞬态冲击强度较小的行为占多数。扭矩和转速变化率的组合参数以及转速和扭矩变化率的组合参数分别表征了近恒扭矩下柴油机转速瞬态变化的行为和近恒转速下柴油机扭矩瞬态变化行为。由图7和图8可知，两种参数分布都是集中在中间区域，即接近0变化的区域。对于近恒扭矩转速变化的情况，无论低负荷还是高负荷都存在有大量恒转速运行行为(见图7)；对于近恒转速的扭矩变化情况，恒扭矩运行多集中在低转速区间(见图8)。另外，7种特征小发生率区间的分析也是载荷数据总体瞬态特征描述的一部分，限定了柴油机瞬态行为发生的区间，对微历程也提出了高的要求。

对另外3种路面进行以上7个参数的分析，可确定柴油机在不同路面运行时的瞬态特征分布情况，进而划定了不同特征不同区间的发生频率。

4 微历程选取及工程调整

微历程是柴油机瞬态运行的一段原始数据，能够表征柴油机在某个路面运行时整体的瞬态特征，通常由一段或几段表征整体瞬态特征的数据段组成。表3确定了柴油机在不同路面的时间比例，根据任务要求限定总的循环时间为30 min，则循环由水泥路面产生的6 min微历程、石块路面产生的9 min微历程、起伏土路产生的13.5 min微历程和沼泽路面产生的1.5 min微历程组成。

对于4种路面产生的道路载荷数据，无论采用什么经验方法，都无法分析判断出哪一段或哪几段原始载荷数据能够代表某一路面运行条件下柴油机的瞬态运行行为。为此，对于每种路面的原始载荷数据，从0开始以微历程时间对应的数据长度进行1 s步长的移动筛选，从而确定初步的微历程数据。如石块路面的载荷数据长度12 464，9 min微历程对应数据长度为540，首先选取0点开始的540个数据进行分析，接着移动1个点(即1 s)，取1开始的540个数据进行分析，直到11 924时结束。选取的微历程对载荷数据总体瞬态特征的代表程度采用 校验函数进行评价(见式(5))。

(5)

表6 沼泽路面微历程转速和扭矩观察发生与期望发生的比较

沼泽路面微历程选取过程见表7。根据7种特征x2校验计算的最小值，产生7种不同的微历程(见表8)。为确定7段微历程与所代表载荷数距总体特征的接近性，计算每一历程7种特征x2校验值与统计的最小x2校验值的欧氏距离，选取距离最小值的一段微历程作为初步选取的微历程，即沼泽路面选取起点4 371，长度90的原始载荷数据作为沼泽路面的初步微历程。

对选取的微历程进一步分析发现，转速和扭矩组合参数与功率变化率参数仍然不能满足统计计算的x2校验值小于累计x2分布的要求。因此，需对选取微历程进行工程调整，以满足校验要求。 对选取的微历程进行部分数据段的替换或组合，沼泽路面微历程7种特征x2校验值调整为22.63，20.27，5.28，10.33，31.63，51.56，16.93。最终，4种路面筛选确定的微历程见图9至图12。

表7 沼泽路面微历程筛选的片段(不同微历程x2校验值)

表8 沼泽路面七种特征参数x2校验最小值

5 瞬态试验循环的形成

对4种路面形成的微历程进行组合，形成覆盖水泥路面、石块路面、起伏路面、沼泽路面，台架可执行的瞬态加载试验循环。对每种路面形成的微历程按照任务要求先后排列，微历程自身数据段进行顺序的调整或替换某些工况点，使微历程之间光滑过渡，又不至于产生的大的冲击载荷，形成最终的柴油机瞬态加载试验循环(见图13)。试验循环共计1 800 s，由4种路面典型数据段组成。

6 结束语

对车辆在水泥路、石块路、起伏路、沼泽路行驶产生的柴油机道路载荷数据，采用转速变化率、扭矩变化率、功率、功率变化率、转速和扭矩、转速和扭矩变化率、转速和扭矩变化率7种参数表达了原始载荷数据总体的瞬态特征。针对每一路面载荷数据，进行了7种特征的x2校验，从原始数据中选择确定微历程，经进一步地工程经验分析和调整微历程部分数据段，确定了与原始瞬态特征最相近的微历程，各路面微历程组合形成了适合柴油机的瞬态加载试验循环。

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[编辑： 袁晓燕]

Analysis of Transient Behavior and Development of Test Cycle for Off-Road Diesel Engine

JI Shude1, ZHANG Wei1, WU Xuhong1, HAO Jiyan1, YAN Ruiqi1,WANG Lianqun2, TANG Zhi1, GAO Haitao1, HUANG Xu1，ZHAO Lingling1

(1. China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China;2. Hebei Huabei Diesel Engine Ltd., Shijiazhuang 050081, China )

For the collected road load data of diesel engine on the cement, stone, dirt and swamp roads, the rod displacement was converted into the torque, the parameters that represented the total raw road load data were designed including the change rate of speed (dSpeed), the change rate of torque (dTorque), power, the change rate of power, speed and torque, speed and dTorque, toqure and dSpeed, and then the whole transient characteristic was determined through calculating the relative frequency of occurrence in different set ranges. The micro-trip of transient characteristic for each road was selected from the raw road load data according to the chi-square statistic and moving sieving methods, some data sections in the micro-trip were replaced based on the grasped engineering experience, and the best micro-trip characterizing the whole transient characteristic was determined. In the end, all the micro-trips were arranged according to the requirements and the transient loading test cycle for diesel engine was formed.

diesel engine; transient behavior; test cycle; road load data

2016-03-31；

2016-06-02

冀树德(1979—)，男，副研究员，硕士，主要研究方向为柴油机试验与测试设计；shudianer@126.com。

邬旭宏(1985—)，男，硕士，主要研究方向为油液分析与试验优化；lmingwxh@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.003

TK427

B

1001-2222(2016)04-0014-07