整车状态下发动机瞬态动力输出的测试研究

张明朗 邹康权 陈曾雄 符良才 张志强

摘 要：车辆行驶条件下，发动机运行参数复杂多变，以瞬态工况为主，其瞬态动力输出一般通过CAN线读取，无法精确测量。文章通过对发动机燃烧原理和摩擦理论的研究，提出了通过缸压传感器检测瞬时缸压及建立发动机摩擦扭矩模型来计算发动机瞬态输出扭矩的方法，并使用发动机台架稳态和瞬态两种试验对本计算模型进行验证。试验结果表明：该方法操作简单，精度高，最高相对误差仅为1.65%，具有很高的可行性，为实现整车路试工况瞬态动力性能测试、校正CAN读取的瞬态动力输出值、竞品车整车状态下瞬态动力性能测试提供了理论指导和技术支撑。

关鍵词：整车;发动机;瞬态工况;动力性;测试研究

中图分类号：U262.13  文献标识码：A  文章编号：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

发动机作为燃油车和双模电动车主要的动力装置，其性能开发、运行参数的标定和优化、及各项性能的检测通常是在台架试验中完成[1]，例如外特性、万有特性等台架试验。但在实车行驶条件下，瞬态工况约占40%-75%，特别是在复杂的城市工况中，约50%-80%的工况是瞬态工况，值得注意的是40%-80%的排放物来自于瞬态工况。而且中国轻型车第六阶段排放标准确定采用WLPC工况，WLPC工况属于瞬态循环，车辆在单循环的1800s中几乎全处于变加速、变减速工况，不同于NEDC有少量的匀速工况。因此对整车而言，车辆常处于加减速等瞬态工况，导致在行驶状态下，发动机的性能有很大的波动。整车实际运行过程中发动机运行状态以瞬态工况为主，其瞬态性能的好坏对发动机实际动力性、经济型和排放新的影响至关重要，因此对汽油机瞬态工况性能的研究有着重要的意义。

然而在整车实际道路过程中，发动机瞬态工况动力性能的检测存在众多难点，有些参数例如发动机转速、机油温度、进排气温度等易于测量，而有些参数需特定设备才能测量，如瞬态扭矩[2]。

为实现对整车状态下发动机瞬态工况性能的动力性测试，本文通过研究发动机燃烧原理和摩擦理论，对发动机动力性做了详细分析，分解了发动机热功转换过程，得出缸内各压力指标与实测缸内压力的数学关系，并对发动机摩擦扭矩进行建模得到摩擦损失平均压力，然后通过各压力之间的关系式求得有效平均压力，从而得到发动机的瞬态输出扭矩。同时进行了稳态和瞬态两种试验验证了发动机瞬态动力输出测试方法的可行性。因缸压传感器在整车上安装方便，且测试精度高，本文提出的方法为整车状态下发动机瞬态动力输出和竞品车瞬态动力性能测试提供了理论指导和技术支撑。

1 发动机动力性及热功转换概述

本文主要讨论发动机的动力性指标，这些指标大体可分为两大类，即指示性能指标和有效性能指标。发动机的动力性常以指示平均压力、有效平均压力以及转矩、功率、升转矩和升功率等来评价，热效率作为评价热功转换过程好坏的重要指标，常常也表示着动力性的好坏。热功转换过程的优劣一定程度上体现了发动机的动力性的好坏，要想研究发动机动力性就必须研究热功转换中的做功情况[3]。

1.1 指示性能指标与有效性能指标

发动机缸内工质在每一个冲程中都要对活塞做功。在进气和膨胀冲程中，缸内工质对活塞做正功，在排气和压缩冲程中做负功。在一个循环中，所有冲程做功加起来就是循环功。

在发动机的一个工作循环内缸内工质对活塞所做的功称为指示功，指示功包括了曲轴输出的有效功、机械摩擦损失功及泵气损失功。单位气缸工作容积所作的指示功称为指示平均压力。单位气缸工作容积所做的有效功（即曲轴输出的有效功）称为有效平均压力。同理，还可以定义机械损失平均压力。

1.2 发動机的热功转换过程分解

通常采用P-V示功图来分析发动机的热功转换过程，这也是最有效的方法之一。

2.1 摩擦扭矩影响因素分析

发动机的扭矩非常特殊，其摩擦副种类较多，包括曲轴组、活塞组、气门机构和附件（如：机油泵、高压油泵、水泵、风扇等）[5]。

曲轴组中的摩擦扭矩主要有主轴承、曲轴油封进而润滑油在泵油过程振动产生的摩擦三部分组成，其摩擦扭矩和转速呈正相关，另外机油黏度也是影响主轴承部分摩擦扭矩的主要因素。

活塞组的运动方式主要是往复运动，其摩擦扭矩在发动机整体摩擦扭矩中占比最大。活塞组的摩擦扭矩主要包括活塞裙部、活塞环和连杆，其中活塞环摩擦扭矩占比最大。其摩擦扭矩主要与活塞平均速度，即发动机转速油管，机油黏度对轴承和活塞环的影响较大。

气门组摩擦扭矩主要包括凸轮轴、凸轮从动件和气门执行机构三大部分，该类摩擦扭矩主要与机油黏度、发动机转速有关。

附件组主要包括机油泵、水泵和燃油泵。其摩擦扭矩与转速呈正相关，同时机油黏度也有较大影响。

基于上述各子系统的摩擦扭矩机理分析，发动机的摩擦扭矩主要与发动机转速和机油黏度油管，而黏度项主要与机油温度相关，故建立发动机摩擦扭矩模型时，以发动机转速、机油温度作为输入项，发动机摩擦扭矩作为模型输出项。

2.2 实验平台和试验原理

试验在我司某款发动机上开展，包括之后的验证试验也采用同型号发动机。采用我司自主研发的ECU实现发动机控制，试验用的实验室台架配置基本都是进口的设备，设备包含了测功机、机油恒温系统、冷却系统、数采系统、油耗仪等。

倒拖采用的是电力测功机，可进行发动机的倒拖实验。测功机所用的控制系统，该系统功能强大且可以在对测功机控制的同时进行数据采集，数据采集时长也可进行自主调整，并记录所采集时间段内的平均测量值，此种方式采集的数据可靠性较高。

通过电力测功机读出发动机的内部摩擦损失功率Pf，缸内气体功通过采集每缸缸内气体压力，并进行数值积分得到PG。

2.3 摩擦扭矩曲线拟合

为验证摩擦扭矩基本模型的有效性和普适性，尽可能多地获取发动机各个稳态点的摩擦扭矩。但是考虑到机油温度过低时，在高转速段机油压力过大会影响发动机密封性，同时也参考了整车上发动机运行时的机油温度范围，倒拖采集的试验点覆盖了机油温度从60℃到80℃，误差为±1℃，转速从1000r/min到5200r/min，共采集了40个试验点。对于发动机每一个工况点，均测量300个工作循环的缸压数据，然后对这300个循环的数据平均值进行分析，这样可以降低因燃烧不稳定而造成的实验数据误差。

试验中记录发动机转速、扭矩、功率、出水温度、机油温度、以及所有缸气缸压力随曲轴转角的变化关系。摩擦扭矩随机油温度和发动机转速的变化情况如表1所示，摩擦扭矩单位为N?m。

将上述试验数据代入已建立的摩擦扭矩模型拟合摩擦扭矩曲线，如图3所示，模型采用六阶多项式进行拟合，Lag -range插值法摩擦扭矩模型在差值节点处各测试的落在其拟合的摩擦扭矩曲线上，且曲线在各试验点处连续光滑，模型R-square无限接近1。

综上所述，已知发动机的瞬态转速和机油温度，即可拟合出相应的摩擦扭矩，通过式（5）计算可得到与摩擦对应的FMEP，加上通过缸压传感器测得发动机缸压计算的IMEP、PMEP值，最后通过式（6）和式（5），即可得到整车状态下发动机的瞬态输出扭矩。

3 基于缸压的发动机扭矩测试验证

为验证缸压传感器检测瞬时缸压及建立发动机摩擦扭矩模型来计算发动机瞬时输出扭矩的有效性，设计了发动机台架稳态试验和动态试验，其中动态试验又分为热机和冷机到热机（即暖机）两种不同状态。

3.1 试验设备与试验要求

验证试验使用的发动机与倒拖试验使用的发动机为同一型号，试验用的实验室台架配置也保持与倒拖试验的一致性。

本试验中采用的缸压传感器，该传感器将火花塞和缸压传感器集成与一体，既由火花塞点或功能，同时可以实时监测发动机缸内压力。此外，该传感器基于GaPO4材料的压电效应实现缸内压力测量，具有耐高温、响应快、精度高等优点。试验中还需要用到缸压传感器的配套设备，统称为燃烧分析仪，其测试架构示意图如图4所示。

燃烧分析仪可以直接参与曲轴转角信号的相关处理，该功能可应用于发动机的动态实验研究和各种与曲轴转角或时间相关的信号的高速测量和分析。对燃烧分析仪测量得到的示功图以及压缩压力曲线的数据处理，可得到与发动机瞬态输出扭矩对应IMEP。

因为本试验所用的发动机为4缸发动机，所以试验中每隔缸都会产生各自的IMEP值，在后续的验证中出现的IMEP均为4缸的IMEP平均值。

3.2 测试结果对比与分析

使用FMEP损失模型验证发动机扭矩输出与台架实测值对比，验证损失模型的可行性。

3.2.1 台架稳态试验验证

采用台架对上文提出的发动机瞬态动力输出方法进行台架稳态试验验证，试验来源于某发动机排放标定试验，转速试验点仅覆盖了中、低转速。

用穩态试验数据进行验证，需要的参数有：发动机转速、机油温度、IMEP。将其拟合计算出的发动机输出扭矩与测功机实测扭矩（即发动机输出扭矩）比较分析，单个工况取5组数据，求出平均误差误差情况如下表所示：

3.2.2 动态验证

试验同样在台架上进行，动态验证试验热机和冷机到热机两种不同状态，先对发动机进行热机状态试验，保持保持机油温度恒定在90℃左右，发动机油门全开，转速由2000r/ min加速到3000r/min，试验用时25s，其中变转速用时约10s。拟合计算的发动机瞬态输出扭矩与台架实时监测的输出扭矩随时间变化关系如图5所示。

红色为拟合计算值，蓝色为测功机实测值，由图可知，在匀速工况下，计算值与实测值基本保持一致，在变转速工况下之处存在稍许差异，计算值与实测值最大误差为1.4%。

再对发动机进行冷机到热机状态试验，采用机油恒温系统控制机油温度从室温增加到90℃，用台架控制发动机转速先维持在2000r/min不变，随后突然增大到3000r/min，最后降为0，拟合计算的发动机瞬态输出扭矩与台架实时监测的输出扭矩随时间变化关系如图6所示。

红色为拟合计算值，蓝色为测功机实测值，由图可知，机油温度42℃时，发动机计算扭矩和实测扭矩大幅度上升，可能原因是该机油在42℃左右黏度发生较大变化，导致摩擦扭矩大幅度下降。发动机匀速阶段，计算输出扭矩与实测输出扭矩基本保持一致，发动机加速阶段，实测输出扭矩变化较大，计算输出扭矩跟随一起变化，虽然输出扭矩波动很大，但计算值与实测值相对误差很小，最大误差仅为1.5%。

总体来说，通过台架稳态试验和动态试验对本文的提出的计算发动机瞬态输出动力的方法进行验证，将基于本方法的输出扭矩计算值与台架的输出扭矩实测值进行对比分析，结果表明：该方法精度高，操作简单，具有很高的可行性。

4 结论

本文通过对发动机燃烧原理和摩擦理论的研究，解决了发动机瞬态工况动力性检测这一技术难题。通过本方法，可以反映发动机全工况的动力性能，实现了整车状态下发动机瞬态动力输出的检测。基于本论文的研究工作，可以得到以下几点结论：

（1）根据本文所建立的摩擦扭矩模型表明，摩擦扭矩随发动机转速的上升而逐渐增大，随机油温度的上升而逐渐减小;

（2）本方法操作简单，易于实现，仅需在整车上的发动机安装缸压传感器，不需要拆下发动机进行改装，也不需要安装特制工装;

（3）基于缸压检测和摩擦扭矩模型计算得到的发动机瞬态动力输出的方法可行性高，其值与测功机测得的真值相比，最高相对误差仅为1.65%，本方法对整车上通过CAN读取的发动机动力输出值进行校准;

通过本文的研究，为实现整车路试工况瞬态动力性能测试、校正CAN读取的瞬态动力输出值、竞品车整车状态下瞬态动力性能测试提供了理论指导和技术支撑。

参考文献

[1] 张鹏，陈学劲，姚萌萌，姜向京.基于发动机台架的醇醚燃料发动机性能测试研究[J].汽车零部件，2015（06）：15-18+41.

[2] 郑凯峰，李伟，程立勇，窦红印，汪记伟，杨万里，王瑞平.模拟发动机驱动的变速器传动系统动态性能台架试验[J].汽车零部件，2019 （06）：68-70.

[3] Kim Young-Sam，Tahk Min-Jea. Auto-landing guidance for unman -ned aerial vehicle with engine flame-out[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2019，233（13）.

[4] Alexander Gritsenko，Konstantin Glemba，Alexander Vozmilov. Impro -ving the car environmental qualities by studying the engine load characteristics in the modes of injection rate off[J]. Elsevier B.V.， 2018，36.

[5] Citron，J.E.Higgins，L.Y.Chen.Cylinder by cylinder  engine pressure and pressure torque waveform determination using speed fluctuation. SAE 890486.