CN109596253A - 一种发动机输出扭矩在线测试分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机输出扭矩在线测试分析方法，其特征是，包括以下步骤：整车状态确认；发动机台架布置与调试；发动机输出扭矩辅助分析参数获取；发动机输出扭矩分析MAP设置；整车工况测试；整车工况发动机输出扭矩在线分析。本发明能够对整车实际运行工况的发动机输出扭矩进行实时测试与分析，从而为整车工况下的发动机扭矩监测、标定控制以及性能分析提供依据。

Description

一种发动机输出扭矩在线测试分析方法

技术领域

本发明涉及发动机性能测试，具体涉及一种发动机输出扭矩在线测试分析方法。

背景技术

发动机输出扭矩是发动机关键性能参数之一，直接影响整车的动力性，其控制策略与精度会对燃油经济性产生影响。根据发动机输出扭矩可以计算分析发动机有效热效率，结合变速器输出扭矩可以分析变速器效率，结合发动机冷却、润滑等子系统性能参数可以全局分析燃油从油箱经过不同子系统和零部件到车轮的传递、消耗情况，即能量流分布。因此测试整车工况下发动机输出扭矩的大小对整车动力经济性开发至关重要。

不同于在发动机台架的扭矩测试可以通过发动机台架测功设备进行测试，也不同于普通的温度、压力、流量等参数可以布置成本低且布置简单的传感器进行测试，适用于整车工况下发动机扭矩传感器价格昂贵、标定成本高、布置困难，导致很难对整车实际运行工况的发动机输出扭矩进行实时测试与分析。另外，对于有开发ECU的发动机采用INCA设备获取EMS发动机扭矩的方式会因为发动机扭矩模型标定的精度差异而有较大误差，对于无开发ECU的发动机则无法获取发动机输出扭矩，导致无法开展整车运行工况的发动机有效热效率、变速器效率和整车能量流分布等分析。

CN 105486512A公开的“一种基于整车环境下的发动机外特性测试方法”，属于整车性能测试技术领域，其包括如下步骤：对车辆进行初始化使车辆满足测试要求；计算不同发动机转速所对应的理论车速V；转毂预热，设置环境温度，固定车辆，车辆热机；在转毂控制界面上输入理论车速V，通过监控发动机转速并不断调整输入的车速，得到实际车速V'；采集各实际速度V'下车辆挂挡时的轮边功率P0以及空挡时的轮边功率P1；计算发动机功率P，发动机扭矩Tq，获得发动机外特性曲线。基于整车环境工况下利用室内底盘测功机进行发动机外特性的测试可以较为准确的测出发动机在整车状态下所发挥出的真实性能，使整车性能分析更加准确，同时也可以准确测试竞品车的发动机性能数据。毫无疑问，这是所属技术领域的一种有益的尝试。

发明内容

本发明的目的是提供一种发动机输出扭矩在线测试分析方法，其能够对整车实际运行工况的发动机输出扭矩进行实时测试与分析，从而为整车工况下的发动机扭矩监测、标定控制以及性能分析提供依据。

本发明基于发动机台架测功系统测试获得的基础发动机输出扭矩分析性能数据，耦合整车工况下的发动机缸盖的出水温度、发动机转速和平均指示有效压力等实时性能参数，在线分析发动机输出扭矩。其基本原理如下：

发动机缸内燃烧压力克服进排气过程阻力(泵气损失)、曲柄活塞连杆组等发动机机械摩擦阻力(本体机械摩擦损失)以及驱动附件运转后，由曲轴输出的扭矩即为发动机有效输出扭矩。

整车运行工况下：

发动机输出扭矩T_vehicle＝BMEP_vehicle×100×Vs/4π；

式中：

BMEP_vehicle为发动机平均有效压力；

Vs为发动机排量(常数)。

发动机平均有效压力BMEP_vehicle＝IMEP_h_vehicle-FMEP_vehicle＝IMEP_h_vehicle-(PMEP_vehicle+MMEP_vehicle+AMEP_vehicle)；

式中：

IMEP_h_vehicle为发动机平均指示有效压力，通过火花塞式的缸压传感器采集缸内燃烧压力，并由燃烧分析仪计算得到；

FMEP_vehicle为发动机摩擦平均有效压力，由泵气平均有效压力PMEP_vehicle、机械摩擦平均有效压力MMEP_vehicle和附件驱动平均有效压力AMEP_vehicle组成。

发动机台架运行工况下：

发动机输出扭矩T_dyno＝BMEP_dyno×100×Vs/4π，可以由台架测功机测试获得；

式中：

BMEP_dyno为发动机平均有效压力；

Vs为发动机排量(常数)。

发动机平均有效压力BMEP_dyno＝IMEP_h_dyno-FMEP_dyno＝IMEP_h_dyno-(PMEP_dyno+MMEP_dyno+AMEP_dyno)；

式中：

IMEP_h_dyno为发动机平均指示有效压力，通过火花塞式的缸压传感器采集缸内燃烧压力，并由燃烧分析仪计算得到；

FMEP_dyno为发动机摩擦平均有效压力，由泵气平均有效压力PMEP_dyno、机械摩擦平均有效压力MMEP_dyno和附件驱动平均有效压力AMEP_dyno组成。

发动机泵气损失、机械摩擦损失和附件驱动功受发动机运行工况影响，在发动机台架试验中采用整车气路系统，冷却系统和附件，且运行边界与整车运行工况保持一致，即发动机冷却水温、发动机转速、发动机燃烧压力均吻合时，IMEP_h_dyno＝IMEP_h_vehicle，PMEP_dyno＝PMEP_vehicle，MMEP_dyno＝MMEP_vehicle，AMEP_dyno＝AMEP_vehicle，BMEP_vehicle＝BMEP_dyno，则整车工况发动机输出扭矩T_vehicle＝BMEP_vehicle×100×Vs/4π＝BMEP_dyno×100×Vs/4π＝T_dyno。

由于整车运行工况的冷却水温度(发动机缸盖的出水温度)、发动机转速等参数均是动态变化，且采集频率不同会不同数量的工况点。因此，难以在发动机台架试验中完全复现整车运行工况下的发动机运行点。本发明采用三维线性插值的方法来获取整车运行工况发动机输出扭矩。三维线性插值方法如下：

插值范围是覆盖不同发动机缸盖的出水温度下的基础发动机输出扭矩分析MAP：MAP_1、MAP_2、…、MAP_k、…、MAP_n，为保证分析精度，一般n≥4，即至少4组水温，该MAP通过发动机万有特性测试获取。在发动机扭矩分析MAP测试中，发动机转速包括：N_1、N_2、…、N_i、…、N_m，m≥8，N_m为发动机额定转速；发动机负荷包括：T_dyno_1、T_dyno_2、…、T_dyno_j、…、T_dyno_p，p≥10，并与IMEP_h_dyno一一对应，T_dyno_p为不同转速下的发动机外特性扭矩。

MAP_1：T_dyno[t_dyno_1]＝[t_dyno_1，N_dyno[t_dyno_1]，IMEP_h_dyno[t_dyno_1]]；

MAP_2：T_dyno[t_dyno_2]＝[t_dyno_2，N_dyno[t_dyno_2]，IMEP_h_dyno[t_dyno_2]]；

MAP_k：T_dyno[t_dyno_k]＝[t_dyno_k，N_dyno[t_dyno_k]，IMEP_h_dyno[t_dyno_k]]；

MAP_n：T_dyno[t_dyno_n]＝[t_dyno_n，N_dyno[t_dyno_n]，IMEP_h_dyno[t_dyno_n]]；

MAP：[T_dyno[t_dyno_1],T_dyno[t_dyno_2],…,T_dyno[t_dyno_k],…,T_dyno[t_dyno_n]]^T；

设定t_dyno_k≤t_vehicle≤t_dyno_k+1，1≤k＜n，分三个步骤计算分析得到整车运行工况发动机输出扭矩：

步骤1：对t_vehicle进行插值。T_dyno[t_vehicle]＝T_dyno[t_dyno_k]+(T_dyno[t_dyno_k+1]-T_dyno[t_dyno_k])/(t_dyno_k+1-t_dyno_k)×(t_vehicle-t_dyno_k)＝[t_vehicle，N_dyno[t_vehicle]，IMEP_h_dyno[t_vehicle]]；

步骤2：对N_vehicle进行插值。若N_dyno_i≤N_vehicle≤N_dyno_i+1，1≤i＜m：T_dyno[t_vehicle，N_vehicle]＝[t_vehicle，N_dyno_i[t_vehicle]，IMEP_h_dyno[t_vehicle]]+([t_vehicle，N_dyno_i+1[t_vehicle]，IMEP_h_dyno[t_vehicle]]-[t_vehicle，N_dyno_i[t_vehicle]，IMEP_h_dyno[t_vehicle]])/(N_dyno_i+1-N_dyno_i)×(N_vehicle-N_dyno_i)＝[t_vehicle，N_vehicle，IMEP_h_dyno[t_vehicle]]；

步骤3：对IMEP_h_vehicle进行插值。若IMEP_h_dyno_j≤IMEP_h_vehicle≤IMEP_h_dyno_j+1，1≤j＜p：T_vehicle＝T_dyno[t_vehicle，N_vehicle，IMEP_h_vehicle]＝[t_vehicle，N_vehicle，IMEP_h_dyno_j]+([t_vehicle，N_vehicle，IMEP_h_dyno_j+1]-[t_vehicle，N_vehicle，IMEP_h_dyno_j])/(IMEP_h_dyno_j+1-IMEP_h_dyno_j)×(IMEP_h_vehicle-IMEP_h_dyno_j)。

本发明所述的发动机输出扭矩在线测试分析方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：整车状态确认；若待研究车辆处于整车状态，则首先进行机车分离；

步骤二、发动机台架布置与调试；在配有测功机和台架水温控制系统的发动机台架上安装好发动机，并采用整车的气路系统2和冷却系统，发电机负载端连接可变电阻，调节电阻大小使得发电机负载与整车的电气负载一致；在发动机缸盖上布置出水温度传感器和在发动机一缸上布置缸压传感器，并完成设备调试；

步骤三、发动机输出扭矩辅助分析参数获取；通过台架水温控制系统对发动机缸盖的出水温度t_dyno进行控制，测试在不同t_dyno下的发动机万有特性(指不同转速、负荷下的燃油消耗率、平均指示有效压力等性能参数特性)，通过测试分析电脑的采集程序实时采集发动机的缸盖出水温度t_dyno、转速N_dyno、输出扭矩T_dyno、一缸缸压IMEP_h_dyno；

步骤四、发动机输出扭矩分析MAP设置；将步骤三所采集的不同t_dyno、N_dyno、IMEP_h_dyno、T_dyno数据整理汇总，导入测试分析电脑，设置为基础发动机输出扭矩分析MAP；

步骤五、整车工况测试；机车还原使车辆处于整车状态(即将发动机安装在车上)，在整车测试工况采集整车环境下的发动机的转速N_vehicle、缸盖出水温度t_vehicle、一缸缸压IMEP_h_vehicle；

步骤六、整车工况发动机输出扭矩在线分析；基于测试分析电脑12的数据采集与基础发动机输出扭矩分析MAP，以t_vehicle、N_vehicle、IMEP_h_vehicle为插值条件，进行在线线性三维插值计算，输出对应工况的发动机瞬态输出扭矩T_vehicle。

本方法的有益效果是：

无需借助整车工况的发动机专用扭矩传感器，通过发动机台架测试的t_dyno、N_dyno、IMEP_h_dyno、T_dyno与整车工况的发动机t_vehicle、N_vehicle、IMEP_h_vehicle性能参数测试，基于线性三维插值的方法来分析整车工况发动机瞬态输出扭矩T_vehicle。

本方法与现有整车工况发动机专用扭矩传感器测试方法相比，能够真实、客观地分析发动机瞬态扭矩的大小，测试手段简单、成本低。

本方法与基于INCA设备采集EMS扭矩的方式相比，避免了发动机扭矩模型标定的精度差异对发动机瞬态扭矩分析的影响，精度高。

本方法能够用于无开发ECU的发动机的瞬态输出扭矩测试和分析，为整车动力经济性开发提供了整车实际运行工况下的关键分析参数。

附图说明

图1为现有的发动机缸压和输出扭矩台架测试系统的示意图；

图2为本发明所述的发动机输出扭矩在线测试分析系统的示意图；

图3为本发明所述的发动机输出扭矩在线测试分析的流程图；

图4为基于本发明分析方法计算的发动机输出扭矩与实测扭矩的对比结果曲线图。

图中：1.发动机，2.气路系统，3.冷却系统，4.发电机，5.电气负载，6.缸压传感器，7.曲轴位置信号传感器，8.出水温度传感器，9.电荷放大器，10.燃烧分析仪，11.数据采集卡，12.测试分析电脑，13.台架水温控制系统，14.飞轮，15.台架测功机，16.可变电阻。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是现有的发动机缸压和输出扭矩台架测试系统的示意图。现有的发动机缸压和输出扭矩台架测试系统包括发动机1、与发动机连接相通的气路系统2和冷却系统3、与发动机电连接的发电机4、与发电机电连接的可变电阻16、设在发动机上的缸压传感器6、设在发动机曲轴部位的曲轴位置信号传感器7、设在发动机缸盖上的出水温度传感器8、与缸压传感器6连接的电荷放大器9、与曲轴位置信号传感器和电荷放大器连接的燃烧分析仪10、与发动机及出水温度传感器连接的数据采集卡11，该数据采集卡还与设有飞轮14的台架测功机15连接；所述燃烧分析仪10和数据采集卡11与测试分析电脑12连接；所述的冷却系统3包括台架水温控制系统13。

所述的一种用于整车工况发动机输出扭矩在线测试分析方法，参见图2，在发动机输出扭矩在线测试分析系统进行，包括发动机1、与发动机连接相通的气路系统2和冷却系统3、与发动机电连接的发电机4、与发电机电连接的电气负载5、设在发动机上的缸压传感器6、设在发动机曲轴部位的曲轴位置信号传感器7、设在发动机缸盖上的出水温度传感器8、与缸压传感器6连接的电荷放大器9、与曲轴位置信号传感器和电荷放大器连接的燃烧分析仪10、与发动机及出水温度传感器连接的数据采集卡11；所述燃烧分析仪10和数据采集卡11与测试分析电脑12连接；

包括如下步骤：参见图3，

步骤一：整车状态确认；若待研究车辆处于整车状态，则首先进行机车分离；

步骤二、发动机台架布置与调试；在配有测功机15和台架水温控制系统13的发动机台架上安装好发动机1，并采用整车的气路系统2和冷却系统3，发电机4负载端连接可变电阻16，调节电阻大小使得发电机负载与整车的电气负载5一致；在发动机缸盖上布置出水温度传感器8和在发动机一缸上布置缸压传感器6，并完成设备调试；

步骤三、发动机输出扭矩辅助分析参数获取；通过台架水温控制系统13对发动机缸盖的出水温度t_dyno进行控制，测试在不同t_dyno下的发动机万有特性，通过测试分析电脑12的采集程序实时采集发动机的缸盖出水温度t_dyno、转速N_dyno、输出扭矩T_dyno、一缸缸压IMEP_h_dyno；

步骤四、发动机输出扭矩分析MAP设置；将步骤三所采集的不同t_dyno、N_dyno、IMEP_h_dyno、T_dyno数据整理汇总，导入测试分析电脑12，设置为基础发动机输出扭矩分析MAP；

步骤五、整车工况测试；机车还原使车辆处于整车状态(即将发动机安装在车上)，在整车测试工况采集整车环境下的发动机的转速N_vehicle、缸盖出水温度t_vehicle、一缸缸压IMEP_h_vehicle；

步骤六、整车工况发动机输出扭矩在线分析；基于测试分析电脑12的数据采集与基础发动机输出扭矩分析MAP，以t_vehicle、N_vehicle、IMEP_h_vehicle为插值条件，进行在线线性三维插值计算，输出对应工况的发动机瞬态输出扭矩T_vehicle。

参见图4所示，基于本发明方法获取的整车工况发动机瞬态输出扭矩与发动机实际扭矩高度吻合，可以满足整车工况发动机性能分析需求，尤其是在对标测试开发阶段，可以为基础车设计开发提供整车工况下准确的对标机瞬态扭矩参数，进一步地可以用于发动机有效热效率分析、变速器效率分析以及整车能量流分析。

本发明使用的符号说明：

EMS：Engine Management System，发动机管理系统。

INCA：德国易特驰公司开发的汽车发动机标定软件。

ECU：Electronic Control Unit，电子控制单元。

N_dyno：台架测试发动机转速，r/min。

T_dyno：台架测功机实测发动机输出扭矩，N·m。

t_dyno：台架测试缸盖出水温度，℃。

IMEP_h_dyno：台架测试时发动机一缸压缩与膨胀行程360°曲轴转角的平均指示有效压力，bar。

MAP：脉谱图，在本发明中特指与发动机输出扭矩分析相关的包含发动机缸盖出水温度、发动机转速、发动机缸压和发动机扭矩的多维数表。

N_vehicle：整车测试发动机转速，r/min。

t_vehicle：整车测试缸盖出水温度，℃。

IMEP_h_vehicle：整车测试时发动机一缸压缩与膨胀行程360°曲轴转角的平均指示有效压力，bar。

T_vehicle：整车测试时发动机瞬态输出扭矩，N·m。

BMEP_vehicle：整车测试时发动机制动平均有效压力，bar。

Vs：发动机排量，L。

FMEP_vehicle：整车测试时发动机摩擦平均有效压力，bar。

PMEP_vehicle：整车测试时发动机泵气平均有效压力，bar。

MMEP_vehicle：整车测试时发动机机械摩擦平均有效压力，bar。

AMEP_vehicle：整车测试时发动机附件驱动平均有效压力，bar。

BMEP_dyno：台架测试时发动机制动平均有效压力，bar。

FMEP_dyno：台架测试时发动机摩擦平均有效压力，bar。

PMEP_dyno：台架测试时发动机泵气平均有效压力，bar。

MMEP_dyno：台架测试时发动机机械摩擦平均有效压力，bar。

AMEP_dyno：台架测试时发动机附件驱动平均有效压力，bar。

Claims (1)

1.一种发动机输出扭矩在线测试分析方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：整车状态确认；若待研究车辆处于整车状态，则首先进行机车分离；

步骤二、发动机台架布置与调试；在配有测功机（15）和台架水温控制系统（13）的发动机台架上安装好发动机（1），并采用整车的气路系统（2）和冷却系统（3），发电机（4）负载端连接可变电阻（16），调节电阻大小使得发电机负载与整车的电气负载（5）一致；在发动机缸盖上布置出水温度传感器（8）和在发动机一缸上布置缸压传感器（6），并完成设备调试；

步骤三、发动机输出扭矩辅助分析参数获取；通过台架水温控制系统（13）对发动机缸盖的出水温度t_dyno进行控制，测试在不同t_dyno下的发动机万有特性，通过测试分析电脑（12）的采集程序实时采集发动机的缸盖出水温度t_dyno、转速N_dyno、输出扭矩T_dyno、一缸缸压IMEP_h_dyno；

步骤四、发动机输出扭矩分析MAP设置；将步骤三所采集的不同t_dyno、N_dyno、IMEP_h_dyno、T_dyno数据整理汇总，导入测试分析电脑（12），设置为基础发动机输出扭矩分析MAP；

步骤五、整车工况测试；机车还原使车辆处于整车状态，在整车测试工况采集整车环境下的发动机的转速N_vehicle、缸盖出水温度t_vehicle、一缸缸压IMEP_h_vehicle；

步骤六、整车工况发动机输出扭矩在线分析；基于测试分析电脑（12）的数据采集与基础发动机输出扭矩分析MAP，以t_vehicle、N_vehicle、IMEP_h_vehicle为插值条件，进行在线线性三维插值计算，输出对应工况的发动机瞬态输出扭矩T_ vehicle。