CN113432880B - 一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的方法，包括如下步骤，S1，构建整车模型和驾驶员模型，并进行离线调试；S2,发动机安装及ECU数据确认；S3，发动机性能调试；S4，测试准备；S5，台架测试，保存排放和油耗数据。本发明解决了企业针对一机多配的合规性验证等痛点问题。

Description

一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统及方法

技术领域

本发明属于发动机测试技术领域，尤其是涉及一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统及方法。

背景技术

随着市场机动车的增加，能源消耗和环境污染问题日益凸显，国家也出台更为严苛的油耗和排放限值法规促使主机厂和车企加快节能减排的研究，2018年国家发布了《GB30510-2018重型商用车辆燃料消耗量限值》，不同设计总质量的货车燃料消耗量较上一阶段限值降低了11.5％-15.4％，重型商用车四阶段油耗标准也于2020年8月份正式启动。下阶段排放标准和油耗标准会在油耗排放限值上有更严苛的要求，同时也会面临中国工况切换的问题，对于重型车和发动机企业来说，同时满足重型车油耗排放法规要求的挑战巨大，因此非常有必要在车辆研发前期进行车辆的油耗、排放测试评估。

但是，由于重型车行业的特殊性，一款发动机往往要匹配各种不同类型的车辆。以潍柴为例，一款发动机匹配的不同企业、不同配置的整车，可能达到数百个之多，在涵盖公交、重型货车、自卸车、牵引车、城市客车等五大基本类型的同时，还包括搅拌车、洒水车等各类专业车型。对于发动机企业，需要掌握匹配了这些车型后的排放油耗情况。对于整车企业，也需要知道匹配了该发动机后的合规性风险。但如果要对每一种车型都进行排放和油耗法规的验证，是不可能完成的工作。

因此，评估这些车型的排放和油耗的水平，识别这些车型油耗排放法规符合性的风险，对企业而言是生死攸关的事情，也是目前企业面临的最大痛点。

针对以上现状，为解决行业痛点，开发了一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的方法，目前已经顺利通过试验完成验证工作。即利用发动机在环(Engine-in-the-loop，EIL)仿真在发动机台架上采用真实的发动机，通过搭建整车和驾驶员模型，开展整车循环工况试验，从而精确、真实地评估发动机瞬态工况下的排放和燃油经济性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统及方法，以解决了企业针对一机多配的合规性验证等痛点问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明提供了一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统，包括：

整车模型模块，包括用于搭建待测试车辆的车辆模型、驾驶员模型以及输入测试工况的模型模块，模型模块并根据输入的车辆模型参数、驾驶员模型参数及测试工况来计算所需的发动机转速和扭矩数据，并将数据输入测功机控制系统；

发动机控制模块，包括测功机控制系统、测功机、油门控制器、发动机控制器ECU和待测发动机，测功机控制系统根据接收到的来自所述整车模型模块的数据，通过测功机控制发动机转速，并通过油门控制器确定所需的油门开度，实现对发动机负荷的控制，还将实际发动机的转速、扭矩数据反馈给整车模型模块；

供油模块，包括燃油管路和油耗仪，通过燃油管路连接台架的燃油供给接口与试验室的燃油供给，所述油耗仪安装在燃油管路上；

进气模块，包括依次连接的进气空调、增压器和台架的中冷器，中冷器的输出连接发动机气缸，所述中冷器进气管路安装第一压力调节阀；

后处理温度控制模块，用于控制后处理系统的排气温度和后处理系统的环境区域的散热，模拟整车在驾驶过程中的散热；

排气测试模块，包括后处理系统、台架的排放分析仪和第二压力调节阀，后处理系统的输入端连通发动机的排气出口，发动机台架排气背压通过第二压力调节阀调整，排放分析仪设置在后处理系统输出端的排气管路上。

进一步的，整车模型模块包括实时控制系统，所述整车模型模块将数据通过实时控制系统输入测功机控制系统，发动机控制模块将实际发动机的转速、扭矩数据反馈给实时控制系统。

第二方面，本发明提供了用上述基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统测试重型车排放油耗的方法，包括如下步骤：

S1，整车模型和驾驶员模型的构建以及离线调试；

S2,发动机安装及ECU数据确认；

S3，发动机性能调试；

S4，测试准备；

S5，台架测试，保存排放和油耗数据。

进一步的，步骤S1所述的整车模型和驾驶员模型的构建以及离线调试，包括如下内容：

S11，采用整车模型软件根据目标待测车辆和发动机参数完成的整车模型和驾驶员模型；

S12，采用调试工况对整车模型和驾驶员模型展开初步调试，初步调试包括升档、各个档位的匀速及减速降档部分组成，对驾驶员模型的驶离、换挡和油门离合器控制的调试。

进一步的，步骤S3所述的发动机性能调试包括发动机功率和扭矩性能调试、发动机外特性测试，冷热态发动机瞬态循环测试。

进一步的，步骤S4所述的测试准备包括热机和发动机台架上的模拟整车滑行仿真测试，并根据滑行仿真的测试数据拟合结果对步骤S1的模型输入滑行参数进行修正，多次迭代计算修正后，直至发动机台架滑行曲线与整车道路滑行曲线一致。

进一步的，步骤S4所述的测试准备包括保证进入测试循环时状态一致，发动机高负荷运转一段时间，判断待测工况是否需要冷态，若是，将发动机熄火静置直至满足冷启动要求；若否，用一定排气温度的稳态工况来稳定后处理系统的温度，直至后处理系统的温度降低缓慢甚至不再降低，切换为怠速工况，测试准备完成。

进一步的，步骤S5所述台架测试过程中，热态工况可由怠速直接进入待测工况，同时打开测功机系统的数据记录模块；冷态工况在发动机启动怠速后，马上进入待测工况；通过台架测得排放数据，通过油耗仪获得油耗数据。

相对于现有技术，本发明所述的系统及方法具有以下优势：

(1)本发明所述的系统及方法可以有效的对“一机多配”车型的油耗和排放进行评估，减少主机厂对原型车、转毂的依赖，解决车企在油耗排放法规符合性的痛点问题。

(2)本发明所述的系统及方法相比传统的PEMS在实际道路测试的过程中受到影响因素较多，利用此方法开展测试可以保证好的重复性。

(3)本发明所述的系统及方法可以直接实现评估生产厂家车型特定路线的排放、油耗，且可以基于相同的驾驶习惯展开对不同车型的评估。

(4)本发明所述的系统及方法可以在发动机台架试验室量化出中冷温度、后处理温度、驾驶员驾驶习惯等因素影响造成的整车油耗、排放差异。

(5)本发明所述的系统及方法可以在发动机台架试验室研究分析出重型车切换到中国工况CHTC后对油耗和排放的影响。

(6)本发明所述的系统及方法可以开展针对发动机的优化标定，并在发动机台架试验室就可以量化出标定优化后的整车油耗、排放的差异。

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为本发明实施例所述的基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统的组成框图；

图2为本发明实施例所述的基于发动机台架测试重型车排放油耗的方法的流程图；

图3为本发明实施例所述的调试工况的示意图；

图4为本发明实施例所述的C-WTVC循环车速跟随偏差分析的示意图；

图5为本发明实施例所述的主要污染物瞬时浓度测试数据；

图6为本发明实施例所述的累计排放物计算数据。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为解决企业针对“一机多配”合规性验证等痛点问题，本发明提供了一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统，所述系统主要包括6个模块，各个模块主要包含的组成部分见图1，各模块说明如下：

整车模型模块：该模块的功能主要包括搭建待测试车辆模型、驾驶员模型以及输入测试工况(通常为时间-车速曲线)。其中，对于PEMS工况，需要将采集的地图信号(包括经纬度、海拔)、时间-车速的数据进行道路的转换。整车模型模块根据输入的车辆模型参数、驾驶员模型参数及驾驶工况计算需求的发动机转速和扭矩，同时将数据通过一套实时控制系统输入测功机控制系统。

发动机控制模块：该模块由测功机控制系统、测功机、油门控制器、发动机控制器(ECU)和待测发动机这五大部分组成。测功机控制系统在接收到来自整车模型模块计算的数据后，通过控制测功机转速从而控制发动机转速，并通过油门控制器确定需求的油门开度，从而实现对发动机负荷的控制，同时也将实际发动机的转速、扭矩信息反馈给所述实时控制系统。

供油模块：发动机台架上的燃油供给直接来源于试验室的燃油管路，在发动机台架试验室需要调节燃油管路的供油压力与整车低压油轨的压力一致，并通过油耗仪实时测试运行过程中的燃油消耗。

进气模块：发动机的进气来自于试验室的进气空调，可以稳定控制进气温度在一定范围，通过发动机的增压器进行增压后，在经过台架的中冷器进行冷却，然后才进入气缸内参与燃烧。为了使得发动机台架上的测试与真实整车一致，中冷器进气管路需要增加第一压力调节阀，使得台架中冷器的压降满足整车中冷器的设计标准，另外，中冷后进气温度的控制也要按照整车实际中冷温度执行。

后处理温度控制模块：整车在实际驾驶或者转毂测试过程中，会受到迎风面风力吹拂的影响，排气管路和后处理也会受到通过进气格栅的风和侧面风吹拂的影响，会增加后处理的散热，降低后处理的温度。在台架测试的过程中，同样也设计了后处理温度控制的装置，在不改变发动机运行工况的前提下，控制后处理温度排气温度和后处理环境区域的散热，模拟整车在驾驶过程中的散热，从而使得排放特别是NOX的测试数据更接近整车的水平。本实施例的后处理温度控制模块采用的是专利号为2020112567738公开的后处理温度控制装置。

排气测试模块：主要由后处理系统(一般包括后处理如氧化催化器(DOC)、颗粒捕集器(DPF)、选择性催化转化器(SCR)和氨催化器(ASC)以及控制尿素喷射的相关零部件等)、台架的排放分析仪(包括气体污染物测试设备和颗粒测试设备)和第二压力调节阀组成，后处理系统到发动机排气出口的距离要参考整车布置，发动机台架背压需要使用第二压力调节阀调整至整车水平，通过排放分析仪在排气管路上进行尾气的采样分析。

综上，在以上6个模块的协同作用下，可以在发动机台架上实现重型车排放油耗的测试。

图2展示了基于发动机台架测试重型车排放油耗的系统的测试流程，最佳实施步骤和方式如下：

步骤一：模型离线调试

1、采用AVL公司的整车模型软件(AVL VSM)根据目标待测车辆和发动机参数完成整车模型和驾驶员模型的搭建；

2、采用图3所示调试工况对整车模型和驾驶员模型展开初步调试，该调试工况包括升档、各个档位的匀速及减速降档部分组成，车速范围可覆盖现行法规循环C-WTVC的要求。主要是针对驾驶员模型的驶离、换挡和油门离合器控制的调试。依据有以下几点：

①车速跟随偏差处于±3km/h的范围

②能够正常驶离

③升档、匀速、降档控制均满足需求

④模拟计算出来的数据不存在过高的计算发动机转速或发动机熄火，计算中断的情况；

3、导入需要测试的目标工况，可以是现行法规循环C-WTVC、PEMS，也可以是针对四阶段的中国工况或者其它特定的驾驶路线；

4、利用VSM软件开展离线模拟计算验证，直至车速跟随偏差处于±3km/h内可开始下一步工作，如图4为C-WTVC循环车速跟随偏差分析，所有点都处于±3km/h的偏差范围内。

步骤二：发动机准备

发动机准备可以跟步骤一的模型离线调试同步开展。试验前应按照正常发动机试验要求，保证机油加注、管路安装、线路连接符合要求，并安装台架试验必要的传感器等。此外，ECU数据应采用整车标定版本的数据，在发动机台架上需要屏蔽一些整车的ECU故障诊断报错，影响到发动机油耗和排放的测试的信号不得进行屏蔽。

步骤三：发动机性能调试

发动机性能调试主要分为三个部分。

1、发动机性能调试。该部分需要在发动机额定功率处调节中冷压力调节阀和背压调节阀，使得中冷温度和背压满足厂家设计标准，功率和扭矩性能符合发动机设计要求。

2、开展发动机外特性测试，外特性数据需要满足发动机性能要求。

3、最后开展冷热态发动机瞬态循环(WHTC)测试，发动机WHTC排放值、循环功和燃油消耗量满足厂家设计要求后开展下一步工作。

步骤四：测试准备

测试准备过程除了需要热机外，还需要先在发动机台架上模拟进行整车滑行仿真测试，并根据滑行的试验数据拟合结果对模型输入滑行参数A0、B0、C0进行修正，多次迭代计算修正后，直至发动机台架滑行曲线与整车道路滑行曲线一致。

为了测试的一致性，需要保证进入测试循环时状态一致，发动机高负荷运转30分钟可以燃烧部分DPF中已经沉积的颗粒物，可避免试验过程中发生再生。在高负荷运转后，整个后处理系统的温度较高。若待测工况需要冷态运行测试，此时只需要将发动机降至怠速等机油温度降低至80℃以下即可熄火静置，直至满足冷启动要求。而对于热态启动的待测工况来讲，若在后处理系统处于高温状态下测试，会大大影响NOX的排放结果。为了避免这个问题，高负荷运转后以设定排气温度200℃左右的稳态工况来稳定后处理温度，直至后处理温度降低缓慢甚至不再降低，此时可以切换为怠速工况，测试准备完成。

步骤五：台架测试

完成步骤四的要求后，热态工况可由怠速直接进入待测工况，同时打开测功机系统的数据记录模块。冷态工况需要在发动机启动怠速后，马上进入待测工况。

测试完成后，进行数据的保存，若需要切换工况，可按照图2所示流程继续开展试验，直至所有试验完成，图5和图6为台架测得的主要排气污染物数据，油耗量在完成工况测试后可根据油耗仪的数据直接读取或者采用碳平衡法进行计算。

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 (1)

1.一种基于发动机台架测试重型车排放油耗的方法，其特征在于，包括系统，系统包括：

整车模型模块，包括用于搭建待测试车辆的车辆模型、驾驶员模型以及输入测试工况的模型模块，模型模块并根据输入的车辆模型参数、驾驶员模型参数及测试工况来计算所需的发动机转速和扭矩数据，并将数据输入测功机控制系统；

发动机控制模块，包括测功机控制系统、测功机、油门控制器、发动机控制器ECU和待测发动机，测功机控制系统根据接收到的来自所述整车模型模块的数据，通过测功机控制发动机转速，并通过油门控制器确定所需的油门开度，实现对发动机负荷的控制，还将实际发动机的转速、扭矩数据反馈给整车模型模块；

供油模块，包括燃油管路和油耗仪，通过燃油管路连接台架的燃油供给接口与试验室的燃油供给，所述油耗仪安装在燃油管路上；

进气模块，包括依次连接的进气空调、增压器和台架的中冷器，中冷器的输出连接发动机气缸，所述中冷器进气管路安装第一压力调节阀；

后处理温度控制模块，用于控制后处理系统的排气温度和后处理系统的环境区域的散热，模拟整车在驾驶过程中的散热；

排气测试模块，包括后处理系统、台架的排放分析仪和第二压力调节阀，后处理系统的输入端连通发动机的排气出口，发动机台架背压通过第二压力调节阀调整，排放分析仪采样管安装在后处理系统输出端的排气管路上；

整车模型模块包括实时控制系统，所述整车模型模块将数据通过实时控制系统输入测功机控制系统，发动机控制模块将实际发动机的转速、扭矩数据反馈给实时控制系统；

方法，包括如下步骤：

S1，通过整车模型模块构建整车模型和驾驶员模型，并进行模型离线调试；

S2,发动机安装及ECU数据确认；

S3，发动机性能调试；

S4，测试准备；

S5，台架测试，保存排放和油耗数据；

步骤S1所述的通过整车模型模块构建整车模型和驾驶员模型，并进行离线调试，包括如下内容：

S11，采用整车模型软件根据目标待测车辆和发动机参数完成整车模型和驾驶员模型搭建；

S12，采用调试工况对整车模型和驾驶员模型展开初步调试，初步调试包括升档、各个档位的匀速及减速降档部分组成，对驾驶员模型的驶离、换挡和油门离合器控制的调试；

步骤S3所述的发动机性能调试包括发动机功率和扭矩性能调试、发动机外特性测试，冷热态发动机瞬态循环测试；

步骤S4所述的测试准备包括热机和发动机台架上的模拟整车滑行仿真测试，并根据滑行仿真的测试数据拟合结果对步骤S1的模型输入滑行参数进行修正，多次迭代计算修正后，直至发动机台架滑行曲线与整车道路滑行曲线一致；

步骤S4所述的测试准备还包括将发动机高负荷运转一段时间后，判断待测工况是否需要冷态，若是，将发动机熄火静置直至满足冷启动要求；若否，用一定排气温度的稳态工况来稳定后处理系统的温度，直至后处理系统的温度降低缓慢甚至不再降低，然后切换为怠速工况，测试准备完成；

步骤S5所述台架测试过程中，热态工况可由怠速直接进入待测工况，同时打开测功机系统的数据记录功能；冷态工况在发动机冷启动怠速后，马上进入待测工况；通过台架测得排放数据，通过油耗仪获得油耗数据。

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