CN109141910B - 一种从整车到发动机的测试工况转换方法 - Google Patents
一种从整车到发动机的测试工况转换方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其步骤如下:1、建立模块转换模型获;2、将相关信息参数化后输入转换模型;3、选择瞬时档位及传动比例,将整车工况的瞬时车速转换为发动机瞬时转速的实际值Ne(t);4、计算生成整车工况所对应的车辆的瞬时功率P(t);5、计算瞬态转速Nenorm(t)下可达到的最大输出功率Pmax(Nenorm(t));6、计算发动机瞬态负荷Le(t);7、逐秒计算选择的档位下发动机的瞬态转速和瞬态负荷参数[Nenorm(t),Le(t)],生成发动机的瞬态循环;统计两个参数的分布频率。本方法通用性强,可以适应不同整车测试循环的调整以及试验情景和车型多样性变化要求。
Description
技术领域
本发明属于交通运输领域,尤其是涉及一种从整车到发动机的测试工况转换方法。
背景技术
工况是汽车行业一项重要的基础标准,是汽车产品开发过程中的重要设计输入,是汽车各项性能指标标定优化时的主要基准,也是进行排放和油耗认证的基础。目前我国重型商用车排放和油耗认证时,使用的是两套测试体系:油耗是基于整车的转鼓试验进行测试和认证的,依据的标准为GB/T27840-2011《重型商用车燃料消耗量测试方法》,测试采用的循环为C-WTVC(China-World Transit Vehicle Cycle);而排放采用的基于发动机台架试验的认证方法,目前依据的标准为GB 17691-2005《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》(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)(以下简称“国五”),采用的测试循环为ETC(Europe Transient Cycle)和ESC(Europe Stable Cycle)。新发布的GB17691(中国第六阶段)征求意见稿(以下简称“国六”)采取WHTC(World HarmonizedTransient Cycle)和WHSC(World Stable Transient Cycle)循环。
国六WHDC发动机循环的核心思想是在基础上,针对测试发动机的特有属性,生成该发动机专有的实际测试循环。这种动态方法能够提高测试对多种发动机的代表性以及和实际情景的吻合度。
随着我国重型商用车测试和认证体系研究的深入和成熟,能耗排放相关法规循环的制定将逐渐改变过去引用国外标准的模式,油耗和排放测试体系整体化、整合化是大势所趋。研究整车到发动机循环的转换方法,高效而灵活地生成适用于多种发动机和测试情景的试验循环,是发动机测试技术发展的必然方向。
《Development of a Worldwide Harmonized Heavy-duty Engine EmissionsTest Cycle》等学术报告中都明确提出发动机循环应该基于比较稳定的整车循环进行开发的观点,但是对整车循环转化为发动机循环的方法却鲜有阐释。因此,研发一种从整车到发动机的测试工况转换方法是个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明针对现有的整车和发动机工况割裂的情况,深入全面地对整车和发动机运行工况之间关系的深入研究基础上,提出了一套基于整车循环转化为发动机循环的计算方法,开发了由车辆仿真、档位选择和试验情景模拟等子模块构成的工况转换模型,提供了能够进一步优化发动机测试方法的技术路线,令生成的发动机工况其更加贴近车辆实际运行情况及相应的整车测试。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其发动机工况生成流程的步骤如下:
(1)输入测试发动机外特性曲线的数据信息,计算确定其三个特征值参数,即:最低转速n_low、最高转速n_hi和最优转速n_pre。
(2)瞬时档位的选择是从整车到发动机参数转换的关键环节。为了达到油耗结果和动力性的最优化,模型以发动机扭矩达到最大为选择档位的主要基准。此外,需保证该档位下发动机的输出功率能满足对应的整车运行状态下克服行驶阻力和加速度所需的输入功率:针对不同档位,根据变速器及主传动器的综合传动系数,逐秒计算该档位下整车循环对应的发动机瞬时转速、功率参数循环瞬时,以此为基础选择该秒的最优档位。发动机的外特性曲线指在发动机全负荷(汽油机为节气门全开)时所测出来的功率或者扭矩随着转速变化的曲线。发动机转速和整车车速两个参数之间的比例是由车辆档位下传动系统的综合传动系数决定的,整车运行情况所对应的发动机的状态性能是由其输出功率和扭矩来判定的。所以对于大部分类型的发动机,以及动力系统技术今后可能的发展变化,外特性曲线都是传动系统模型进行档位选择时的基本判断依据。
(3)根据该档位下变速器和主传动器的综合传动系数,以及测试轮胎的相关信息,将整车工况的瞬时车速转换为发动机瞬时转速的实际值Ne(t),将其百分比标准化得到Nenorm(t)。
(4)以车速循环提供的速度、加速度信息为基础,综合车辆参数和试验情景设置,采用转鼓试验中的车辆阻力计算方法,计算生成整车工况所对应的车辆的瞬时功率P(t)。
(5)查找步骤(1)中的发动机外特性曲线,得到获取发动机在步骤(3)中的瞬态转速Nenorm(t)下可达到的最大输出功率Pmax(Nenorm(t))。
(6)用整车瞬态功率除以该档位瞬态转速下发动机最大功率即可得到发动机瞬态负荷Le(t)。
(7)逐秒计算选择的档位下发动机的瞬态转速和瞬态负荷参数[Nenorm(t),Le(t)],生成发动机的瞬态循环;统计两个参数的分布频率。
进一步的,在步骤(1)中,首先搭建合理的仿真模型,针对不同的测试发动机,实现将整车瞬态循环逐秒转换为该发动机特有的瞬态循环的功能,为试验台试验提供定制的数据支持,仿真模型由以下几个模块组成:参数转化及输入模块,用于获取并处理测试需要的整车工况、测试车辆和试验的设定参数;档位选择模块,该模块对测试变速箱进行仿真,以发动机性能最优化为基准进行换挡选择,根据输入设定参数生成相应的瞬时档位;工况转换和输出模块,将参数化的整车循环测试情境进行计算转换,输出车载发动机的对应的转速和负荷参数循环。
选取测试车辆,输入模型的车辆及动力系统系统参数包括:车轮滚动半径(根据轮胎信息查找)、主减速器及各档位传动比,发动机的额定转速、最大转速和最大扭矩。
逐输入模型的外特性曲线信息来源于发动机EMP(发动机标定)试验数据,通过适当处理后根据该数据绘制特定发动机的外特性曲线图。
进一步的,查找外特性曲线自动获取发动机转速的三个特征参数,标准化处理后作为下一步档位选择的基础,其中:
最低转速n_low:功率55%处对应的转速;
最高转速n_hi:功率70%处对应的转速;
最优转速n_pre:扭矩最大处对应的最小转速;如果该转速低于n_low,则将其设为n_low。
进一步的,为了下一步和对标循环的对比验证,输入模型的整车循环是现阶段重型商用车进行油耗认证采用的C-WTVC车速循环,输入参数包括已有的车速参数,即通过计算得到的车速参数。
进一步的,每个档位下的转速计算如下:
针对每一个档位,根据该档位下变速器和主传动器的综合传动系数,以及测试轮胎的相关信息,将整车工况的瞬时车速转换为发动机瞬时转速的实际值Ne(t),如式(1)所示,并根据发动机标定的额定转速和怠速转速,将其百分比标准化得到Nenorm(t),如式(2)所示。
Nenorm(t)=(Ne(t)–Neidle)/(Ne额定–Neidle) (2)
进一步的,每个档位下的负荷计算如下:
以输入的整车车速循环为基础,获取并计算瞬时速度、加速度为基础,结合车辆和试验的参数设定,采用转鼓试验中的车辆阻力计算方法,计算生成整车工况所对应的车辆的瞬时功率P(t),如式(3)所示。
式中:
P(t):整车循环的瞬时功率,kw;
V(t):整车循环瞬时车速,km/h;
TM:整车测试质量;
KR:传动系统的惯性参数;
fi:转鼓试验设定的道路滑动阻力参数;
查找外特性曲线得到获取该秒发动机在瞬态转速Nenorm(t)的最大输出功率Pmax(Ne(t))。
进一步的,档位选择条件如下:
车辆只有在起步和换挡时,发动机转速才会低于n_low。为满足实际操作性。发动机瞬态转速Nenorm(t)应落在[n_low,n_hi]范围内。
从今后的发动机技术发展趋势来看,发动机瞬时转速Nenorm(t)在该档位下应最接近n_pre。
该档位为在该秒的车辆运行提供足够动力。发动机瞬时功率大于等于整车瞬时功率,即Pmax(Ne(t))≥P(t)
根据计算获取的各档位下的转速和功率,选择最符合上述条件的档位作为该秒的输出档位。
进一步的,根据试验车辆的额定功率,将其百分比标准化,获得整车工况所对应的车辆标准化瞬态功率Pnorm(t)。
用整车瞬态功率除以该档位瞬态转速下发动机最大功率即可得到发动机瞬态负荷Lenorm(t),具体公式如下:
逐秒计算选择的档位下发动机的瞬态转速和瞬态负荷参数[Nenorm(t),Le(t)],生成C-WTVC整车循环对应的发动机循环,统计循环两个参数的分布频率为今后的深入综合研究做准备。
进一步的,将C-WTVC循环中的车速参数,与在其基础上生成的国六(征求意见稿)WHDC发动机循环中的转速参数与结合起来,逐秒考察两者的比例关系,获取现有法规工况中的瞬时档位信息。从而和模型的相应输出结果进行对比分析。
相对于现有技术,本发明所述的从整车到发动机的测试工况转换方法具有以下优势:
(1)通过本模型将C-WTVC法规循环转换为对应的发动机循环,与国六标准生成的WHDC循环进行对比,两者的循环输出的档位、及【转速、负荷】结果在大部分时间内基本吻合,说明在反映发动机运行情况方面,本模型和国六的理论路线具有较高的一致性,对国六的输出结果有良好的模拟效果。
(2)本方法通用性强,可以适应不同整车测试循环的调整以及试验情景和车型多样性变化要求。可以用于多种发动机差异化的测试需求定制,同时,从而适应技术进步和法规变化的要求,为政府、研究机构和企业在重型车发动机相关领域的政策制定、试验设计和产品开发提供标准评价体系和技术性支持。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明循环转换方案整体流程图;
图2为测试发动机的外特性曲线及特征值获取示意图;
图3为车速(C-WTVC)-发动机转速(WHDC)分布图;
图4为C-WTVC中速区间的档位对比图;
图5为C-WTVC整车输入循环和发动机输出循环图;
图6为输出循环的参数分布图;
图7为C-WTVC对应的发动机转速循环对比图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一、传动系统模型
在已有稳定的整车循环基础上,研究发动机及传动系统的运行原理,确定从整车到发动机的循环参数转换方案,搭建合理的仿真模型,针对不同的测试发动机,实现将整车瞬态循环逐秒转换为该发动机特有的瞬态循环的功能,为试验台试验提供定制的数据支持,模型的流程如图1所示。
仿真模型由以下几个模块组成:参数转化及输入模块,用于获取并处理测试需要的整车循环工况、和测试车辆和试验的相关设定参数;档位选择模块,该模块以对测试变速箱进行的仿真,和优化以发动机性能最优化为基准进行的换挡选择策略为基础,不同的根据输入设定参数会生成相应的瞬时档位不同的选择;工况转换和输出模块,在将参数化的输入的整车循环测试情境进行计算转换下,输出车载发动机的对应的转速和负荷参数循环。如表1所示。
二、模型输入
1、测试车辆信息
选取的测试车辆为北汽福田汽车股份有限公司生产的欧马可货车,装载福田康明斯公司的89995051型号发动机和采埃孚公司的6S500六档变速箱。输入模型的车辆及动力系统系统参数包括:车轮滚动半径(根据轮胎信息查找)、主减速器及各档位传动比,发动机的额定转速、最大转速和最大扭矩。
2、输入整车循环
为了下一步和对标循环的对比验证,输入模型的整车循环是现阶段重型商用车进行油耗认证采用的C-WTVC车速循环,输入参数包括已有的车速参数,即通过计算得到的功率参数。
3、发动机外特性曲线
逐输入模型的外特性曲线信息来源于发动机EMP(发动机标定)试验数据,通过适当处理后根据该数据绘制特定发动机的外特性曲线图,如图2所示。
三、确定发动机特征值
查找外特性曲线自动获取发动机转速的三个特征参数,标准化处理后作为下一步档位选择的基础,如图2所示,其中:
最低转速n_low:功率55%处对应的转速;
最高转速n_hi:功率70%处对应的转速;
最优转速n_pre:扭矩最大处对应的最小转速;如果该转速低于n_low,则将其设为n_low。
四、每个档位下的转速计算
针对每一个档位,根据该档位下变速器和主传动器的综合传动系数,以及测试轮胎的相关信息,将整车工况的瞬时车速转换为发动机瞬时转速的实际值Ne(t),如式(1)所示,并根据发动机标定的额定转速和怠速转速,将其百分比标准化得到Nenorm(t),如式(2)所示。
Nenorm(t)=(Ne(t)–Neidle)/(Ne额定–Neidle) (2)
五、每个档位下的负荷计算如下:
以输入的整车车速循环为基础,获取并计算瞬时速度、加速度为基础,结合车辆和试验的参数设定,采用转鼓试验中的车辆阻力计算方法,计算生成整车工况所对应的车辆的瞬时功率P(t),如式(3)所示。
式中:
P(t):整车循环的瞬时功率,kw;
V(t):整车循环瞬时车速,km/h;
TM:整车测试质量;
KR:传动系统的惯性参数;
fi:转鼓试验设定的道路滑动阻力参数;
查找外特性曲线得到获取该秒发动机在瞬态转速Nenorm(t)的最大输出功率Pmax(Nenorm(t))。
六、档位选择
首先需要获取测试传动系统的标定信息,包括前进档位数量、主减速器传动比以及不同档位下的变速箱传动比。根据这些信息,针对不同档位,逐秒计算整车车速循环对应的发动机瞬时转速、功率参数循环。逐秒选择满足特定条件的最优档位,该档位下转换生成的发动机参数即为该秒的循环输出结果。档位选择条件如下:
1、车辆只有在起步和换挡时,发动机转速才会低于n_low。为满足实际操作性。发动机瞬态转速Nenorm(t)应落在[n_low,n_hi]范围内。
2、从今后的发动机技术发展趋势来看,发动机瞬态转速Nenorm(t)在该档位下应最接近n_pre。
3、该档位可以为在该秒的车辆运行提供足够动力。发动机瞬时功率大于等于整车瞬时功率,即Pmax(Ne(t))≥P(t)
根据计算获取的各档位下的转速和功率,选择最符合上述条件的档位作为该秒的输出档位。整车功率可以计算获得,也可以直接进行转鼓试验记录试验结果。
将C-WTVC循环中的车速参数,与在其基础上生成的国六(征求意见稿)WHDC发动机循环中的转速参数与结合起来,逐秒考察两者的比例关系,可以获取现有法规工况中的瞬时档位信息。从而和模型的相应输出结果进行对比分析。如图3所示,可以提取该循环中暗含的档位信息:看转速、车速之间大致存在6种线性关系,对应不同档位的传动比,和模型输入的测试变速箱档位数量一致,可以进行对标分析。
针对C-WTVC循环中的中速区间片段,对比转鼓试验记录的实际操作档位和模型选择档位、国六WHDC发动机循环对应档位,如图4所示:其中曲线为整车车速(km/h),实线为WHDC档位,细虚线为模型选择档位,粗虚线为转鼓档位。可以看出模型选择档位和WHDC档位相差不大,和转鼓档位差异显著:在同一整车测试运行情景,司机在进行转鼓试验时倾向于选择较低的档位。
七、输出发动机循环
根据试验车辆的额定功率,将其百分比标准化,获得整车工况所对应的车辆标准化瞬态功率Pnorm(t)。
用整车瞬态功率除以该档位瞬态转速下发动机最大功率即可得到发动机瞬态负荷Le(t),具体公式如下:
逐秒计算选择的档位下发动机的瞬态转速和瞬态负荷参数[Nenorm(t),Le(t)],生成C-WTVC整车循环对应的发动机循环,如图5所示,其中点划线代表输入的C-WTVC整车速度,粗实线代表转换后的发动机标准化转速,细实线代表转换后的发动机标准化负荷。
统计循环两个参数的分布频率为今后的深入综合研究做准备。输出结果如图6所示。
八、生成循环的合理性、适用性分析
针对样本试验车辆,通过本模型将C-WTVC法规循环转换为对应的发动机循环,与国六征求意见稿中同样基于该整车工况生成的WHDC发动机工况进行对比,图7展示的是C-WTVC整车循环的高速区间对应的发动机循环结果,其中实线是模型生成循环,虚线是WHDC循环。两者的循环输出结果在大部分时间内基本吻合,说明在反映发动机运行工况方面,本模型和国六的理论路线具有较高的一致性,对国六的输出结果有良好的模拟效果。
在特定时间段内,两者输出循环呈现较大差异。图中用椭圆框标注出100s-400s的时间段的转速间存在明显落差。考察车速循环,确定此时两个循环的运行档位都是6档。将WHDC循环暗示的各档位的车速-发动机转速比,与在转鼓试验中记录的实际试验数据计算获取的速比参数进行对比分析,如表2所示。
WHDC的速比参数在档位6下和实际情况存在较大偏差,相对的,由模型生成的发动机循环,其转速较高,和实际数据更加贴近,说明模型结果更加吻合车辆实际测试工况。与国六相对简化的输入参数和固化的转换方法相比,本模型的输入参数来源广泛,涵盖各种影响因素;转换过程立足于对传动系统的仿真模拟。其输出结果可以反映不同类型车辆、发动机和传动系统的特征,适应多样化的实际整车测试试验情景。
表1模型输入输出参数
表2各档位速比对比
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其特征在于,其发动机工况生成流程的步骤如下:
(1)输入测试发动机外特性曲线的数据信息,计算确定其三个特征值参数,即:最低转速n_low、最高转速n_hi和最优转速n_pre;
(2)为了达到油耗结果和动力性的最优化,模型以发动机扭矩达到最大为选择档位的主要基准,此外,需保证该档位下发动机的输出功率能满足对应的整车运行状态下克服行驶阻力和加速度所需的输入功率:针对不同档位,根据变速器及主传动器的综合传动系数,逐秒计算该档位下整车循环对应的发动机瞬时转速、功率参数循环瞬时,以此为基础选择该秒的最优档位;
(3)根据该档位下变速器和主传动器的综合传动系数,以及测试轮胎的信息,将整车工况的瞬时车速转换为发动机瞬时转速的实际值Ne(t),将其百分比标准化得到Nenorm(t);
(4)以车速循环提供的速度、加速度信息为基础,综合车辆参数和试验情景设置,采用转鼓试验中的车辆阻力计算方法,计算生成整车工况所对应的车辆的瞬时功率P(t);
(5)查找步骤(1)中的发动机外特性曲线,得到获取发动机在步骤(3)中的瞬态转速Nenorm(t)下可达到的最大输出功率Pmax(Nenorm(t));
(6)用整车瞬态功率除以该档位瞬态转速下发动机最大功率即可得到发动机瞬态负荷Le(t);
(7)逐秒计算选择的档位下发动机的瞬态转速和瞬态负荷参数[Nenorm(t),Le(t)],生成发动机的瞬态循环;统计两个参数的分布频率。
2.根据权利要求1所述的一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其特征在于:在步骤(1)中,首先搭建合理的仿真模型,针对不同的测试发动机,实现将整车瞬态循环逐秒转换为该发动机特有的瞬态循环的功能,为试验台试验提供定制的数据支持,仿真模型由以下几个模块组成:参数转化及输入模块,用于获取并处理测试需要的整车工况、测试车辆和试验的设定参数;档位选择模块,该模块对测试变速箱进行仿真,以发动机性能最优化为基准进行换挡选择,根据输入设定参数生成相应的瞬时档位;工况转换和输出模块,将参数化的整车循环测试情境进行计算转换,输出车载发动机的对应的转速和负荷参数循环;
选取测试车辆,输入模型的车辆及动力系统系统参数包括:车轮滚动半径、主减速器及各档位传动比,发动机的额定转速、最大转速和最大扭矩;
逐输入模型的外特性曲线信息来源于发动机EMP试验数据,通过处理后根据该数据绘制特定发动机的外特性曲线图。
3.根据权利要求2所述的一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其特征在于:查找外特性曲线自动获取发动机转速的三个特征参数,标准化处理后作为下一步档位选择的基础,其中:
最低转速n_low:功率55%处对应的转速;
最高转速n_hi:功率70%处对应的转速;
最优转速n_pre:扭矩最大处对应的最小转速;如果该转速低于n_low,则将其设为n_low。
4.根据权利要求1所述的一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其特征在于:为了下一步和对标循环的对比验证,输入模型的整车循环是现阶段重型商用车进行油耗认证采用的C-WTVC车速循环,输入参数包括已有的车速参数,即通过计算得到的车速参数。
5.根据权利要求1所述的一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其特征在于:每个档位下的转速计算如下:
针对每一个档位,根据该档位下变速器和主传动器的综合传动系数,以及测试轮胎的信息,将整车工况的瞬时车速转换为发动机瞬时转速的实际值Ne(t),如式(1)所示,并根据发动机标定的额定转速和怠速转速,将其百分比标准化得到Nenorm(t),如式(2)所示
Nenorm(t)=(Ne(t)–Neidle)/(Ne额定–Neidle) (2)
7.根据权利要求1所述的一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其特征在于:档位选择条件如下:
车辆只有在起步和换挡时,发动机转速才会低于n_low,为满足实际操作性,发动机瞬态转速Nenorm(t)应落在[n_low,n_hi]范围内;
从今后的发动机技术发展趋势来看,发动机瞬态转速Nenorm(t)在该档位下应最接近n_pre;
该档位为在该秒的车辆运行提供足够动力,发动机瞬时功率大于等于整车瞬时功率,即Pmax(Ne(t))≥P(t);
根据计算获取的各档位下的转速和功率,选择最符合上述条件的档位作为该秒的输出档位。
9.根据权利要求8所述的一种从整车到发动机的测试工况转换方法,其特征在于:将C-WTVC循环中的车速参数,与在其基础上生成的国六WHDC发动机循环中的转速参数与结合起来,逐秒考察两者的比例关系,获取现有法规工况中的瞬时档位信息;从而和模型的相应输出结果进行对比分析。
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