非道路用柴油機瞬態(tài)行為分析和試驗循環(huán)開發(fā)

冀樹德， 張偉， 鄔旭宏， 郝冀雁， 閆瑞琦， 王連群， 唐智， 高海濤， 黃旭， 趙玲玲

(1. 中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 河北華北柴油機有限責任公司， 河北 石家莊 050081)

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非道路用柴油機瞬態(tài)行為分析和試驗循環(huán)開發(fā)

冀樹德1， 張偉1， 鄔旭宏1， 郝冀雁1， 閆瑞琦1， 王連群2， 唐智1， 高海濤1， 黃旭1， 趙玲玲1

(1. 中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 河北華北柴油機有限責任公司， 河北 石家莊 050081)

針對車輛在水泥路、石塊路、起伏路、沼澤路行駛采集的柴油機道路載荷數(shù)據(jù)，對齒桿位移與扭矩進行轉(zhuǎn)換，設計了表征原始載荷數(shù)據(jù)總體瞬態(tài)特征的7個參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速變化率、扭矩變化率、功率、功率變化率、轉(zhuǎn)速和扭矩、轉(zhuǎn)速和扭矩變化率、扭矩和轉(zhuǎn)速變化率，劃分區(qū)間計算相對發(fā)生率確定了總體特征。采用x2校驗和移動篩選的方法，從原始數(shù)據(jù)中選取了代表每種路面形式瞬態(tài)特征的微歷程，進一步工程調(diào)整微歷程中的部分數(shù)據(jù)段，確定了表征總體瞬態(tài)特征的最佳微歷程。最后對微歷程按任務比例組合形成了適合柴油機的瞬態(tài)加載試驗循環(huán)。

柴油機； 瞬態(tài)行為； 試驗循環(huán)； 道路載荷數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻[1]，柴油機裝車實際使用過程中動態(tài)工況占50%～90%，而工程應用研究中更多的是針對穩(wěn)態(tài)工況，動態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性存在較大的差別，瞬態(tài)性能研究缺失會導致更多偶然性事件在柴油機使用過程中發(fā)生。文獻[2]將柴油機瞬態(tài)過程分為以下幾種：恒轉(zhuǎn)速載荷增加、齒條變化或踏板階躍導致的轉(zhuǎn)速變化、冷/熱啟動、模擬的轉(zhuǎn)速和載荷變化、車或船的推進程序、瞬態(tài)試驗循環(huán)，對柴油機的瞬態(tài)過程只作了定性分類，不便于工程應用。目前，發(fā)動機瞬態(tài)性能研究更多使用的是用于排放檢測的瞬態(tài)試驗循環(huán)，如《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》中的ETC試驗循環(huán)，規(guī)定城市、鄉(xiāng)間、高速的道路工況，在車用動力排放性能分析方面得到了廣泛應用。某些標準也加入了瞬態(tài)過程，但仍是以穩(wěn)態(tài)為主，與實際使用過程仍有一定的差距。對于非道路用柴油機，急需對其道路使用過程中的瞬態(tài)行為進行分析，構(gòu)建一套瞬態(tài)試驗循環(huán)用于研究其瞬態(tài)切換過程中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性、控制單元工作穩(wěn)態(tài)性、經(jīng)濟性、排放性等。

對于柴油機瞬態(tài)循環(huán)的制訂，遵循的原則是臺架加載試驗循環(huán)能夠最大程度上表征柴油機裝車使用過程中運行工況特征。目前，常采用的方法是在完整試驗任務剖面內(nèi)采集柴油機運行特征參數(shù)的時間歷程，再通過各種方法轉(zhuǎn)化為臺架可執(zhí)行轉(zhuǎn)速、扭矩一一對應的工況點。對于道路載荷數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，在用的方法有雨流計數(shù)法、疲勞壽命法、相似性分析、數(shù)學統(tǒng)計方法等，前3種方法由于應用針對性或技術(shù)實現(xiàn)上的難度，無法用于瞬態(tài)試驗循環(huán)的制訂，最后一種有很大的隨意性，有待進一步具體化。

本研究中以6缸和4缸系列柴油機裝車在完整任務剖面采集的道路載荷數(shù)據(jù)為研究對象，構(gòu)建整體道路載荷時間歷程的瞬態(tài)特征，通過卡方校驗、工程調(diào)整創(chuàng)建對應不同路面形式的微歷程，綜合形成符合該類柴油機道路瞬態(tài)行為特征的試驗循環(huán)。

1 柴油機道路載荷數(shù)據(jù)采集

研究對象為6缸和4缸系列增壓中冷柴油機，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

為了更加及時、準確反映裝車發(fā)動機運行狀態(tài)，在發(fā)動機相關部位布置相應傳感器(見表2)，并在試驗過程中實時采集記錄數(shù)據(jù)。

載荷數(shù)據(jù)的獲取采用6缸和4缸兩種柴油機，分別由一級駕駛員和二級駕駛員在表3所示路面行駛，并利用電子控制單元的采集功能記錄轉(zhuǎn)速和齒桿信號數(shù)據(jù)，采集頻率為1 Hz。最終，采集道路載荷數(shù)據(jù)是駕駛員行為和路面形式共同作用的結(jié)果。按照車輛不同工作環(huán)境的使用統(tǒng)計，設計水泥路、石塊路、起伏路、沼澤路4種路面形式的分配比例(見表3)。

表2 傳感器布置位置

表3 不同路面形式時間分配比例

2 柴油機活動行為分析及數(shù)據(jù)處理

2.1 柴油機總體運行循征

將兩種柴油機裝不同的車，由不同駕駛員在不同區(qū)域水泥路、石塊路、起伏土路、沼澤路駕駛車輛連續(xù)行駛3次任務路程，行駛中實時采集數(shù)據(jù)，采集得到的數(shù)據(jù)特征見圖1至圖4。相比較而言，起伏土路的轉(zhuǎn)速、載荷變化最頻繁，石塊路次之，再次為沼澤路面，最后為水泥路面。石塊路面的轉(zhuǎn)速變化幅度較小，起伏土路的轉(zhuǎn)速變化幅度較大，而二者的載荷變化幅度基本相當，以齒桿衡量的載荷變化幅度約達10 mm。沼澤路面運行基本維持在中低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的變化幅度也較小，相比其他3種路面，該路面的載荷變化幅度也不是很大。相對來說，水泥路面的柴油機運行最平穩(wěn)，存在一些恒速運行工況點，持續(xù)運行時間也相對較長，以齒桿位移衡量的載荷變化與沼澤路面相當，但變化幅度更大一些。

進一步地分析，水泥路面幾個轉(zhuǎn)速升降區(qū)間的寬度基本相當，認為其瞬態(tài)行為主要是駕駛員行為作用的結(jié)果；其他3種路面轉(zhuǎn)速和載荷升降雖各不相同，但變化頻度基本相似，認為其瞬態(tài)行為主要是路面形式變化作用的結(jié)果。盡管4種路面形式的柴油機瞬態(tài)行為各有各的特征，以定性的方式也能指出一些不同，但很難通過圖形的方式認定其特有的瞬態(tài)特征。為此，需對數(shù)據(jù)進行處理，并設計表征柴油機瞬態(tài)特征的參數(shù)。

2.2 載荷數(shù)據(jù)處理

載荷數(shù)據(jù)是以齒桿位移形式呈現(xiàn)的，不同轉(zhuǎn)速對應的最大齒桿位移差不多，但對應的最大扭矩值卻相差很大，不能直接表征發(fā)動機的動力特性。因此，需將采集的齒桿位移轉(zhuǎn)化為當量的扭矩值。本研究中，將不同柴油機的齒桿位移與臺架萬有特性試驗記錄的齒桿位移、扭矩數(shù)據(jù)對標，中間缺失點采用線性插值方法插補，最終轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速和扭矩形式的載荷數(shù)據(jù)。

為了確保裝不同車輛柴油機之間載荷分布的可比較性，進一步將轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等參數(shù)按照式(1)至式(3)進行標準化計算，并采用標準化的數(shù)據(jù)按照式(4)建立對應參數(shù)的變化率。標準化的載荷數(shù)據(jù)見圖5。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：nnorm，Tnorm，Pnorm分別表示標準化的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率；nact，Tact，Pact分別表示實際測量的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率；nrated表示標定轉(zhuǎn)速；nidle表示怠速轉(zhuǎn)速；Tmax和Pmax分別表示最大扭矩和最大功率；R表示轉(zhuǎn)速、扭矩或功率的變化率；X表示標準化的轉(zhuǎn)速、扭矩或功率；T表示采集時間點，若采樣頻率為1 Hz，則Ti+1-Ti=1 s。

3 載荷數(shù)據(jù)總體的瞬態(tài)特征分析

3.1 瞬態(tài)特征參數(shù)

為了表征柴油機在不同路面的瞬態(tài)行為，設計表4所示特征參數(shù)，包括4個單獨的參數(shù)和3個組合的參數(shù)。

表4 柴油機瞬態(tài)特征表征參數(shù)

為了說明這些特征在整個載荷時間歷程內(nèi)的分布情況，需引入相對發(fā)生率的參數(shù)(RFO)，即劃分區(qū)間內(nèi)特征的發(fā)生頻率數(shù)除以用于分析的總載荷數(shù)目。對于每個特征，所有區(qū)間的相對發(fā)生率的總和為1。

3.2 載荷數(shù)據(jù)總體的瞬態(tài)特征

以柴油機在水泥路面活動行為形成的道路載荷說明7個參數(shù)表達的瞬態(tài)特征。

水泥路面7個參數(shù)分析的瞬態(tài)特征結(jié)果見圖6至圖8和表5。標準化轉(zhuǎn)速和扭矩的組合參數(shù)表征了柴油機瞬態(tài)動作結(jié)果在自身整個工作區(qū)域內(nèi)的分布情況，即水泥路面柴油機瞬態(tài)行為導致其工況點在其工作區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)的分布。由圖6可知，柴油機在水泥路面主要運行在低速低負荷和中速中高負荷點，即0～20%轉(zhuǎn)速的0～20%扭矩點和60%～80%轉(zhuǎn)速的40%～80%扭矩點。標準化功率是轉(zhuǎn)速和扭矩的組合，是忽略運行工況點進行的單純功率分布表達，是柴油機瞬態(tài)運行過程中承載情況的說明，水泥路面低負荷的運行占絕大多數(shù)(見表5)。轉(zhuǎn)速變化率、扭矩變化率和功率變化率是柴油機瞬態(tài)過程中各自變化幅度(瞬態(tài)沖擊強度)的表達，3個參數(shù)基本統(tǒng)一地集中在中間區(qū)域，即接近0的區(qū)域，說明柴油機水泥路面運行過程中瞬態(tài)沖擊強度較小的行為占多數(shù)。扭矩和轉(zhuǎn)速變化率的組合參數(shù)以及轉(zhuǎn)速和扭矩變化率的組合參數(shù)分別表征了近恒扭矩下柴油機轉(zhuǎn)速瞬態(tài)變化的行為和近恒轉(zhuǎn)速下柴油機扭矩瞬態(tài)變化行為。由圖7和圖8可知，兩種參數(shù)分布都是集中在中間區(qū)域，即接近0變化的區(qū)域。對于近恒扭矩轉(zhuǎn)速變化的情況，無論低負荷還是高負荷都存在有大量恒轉(zhuǎn)速運行行為(見圖7)；對于近恒轉(zhuǎn)速的扭矩變化情況，恒扭矩運行多集中在低轉(zhuǎn)速區(qū)間(見圖8)。另外，7種特征小發(fā)生率區(qū)間的分析也是載荷數(shù)據(jù)總體瞬態(tài)特征描述的一部分，限定了柴油機瞬態(tài)行為發(fā)生的區(qū)間，對微歷程也提出了高的要求。

對另外3種路面進行以上7個參數(shù)的分析，可確定柴油機在不同路面運行時的瞬態(tài)特征分布情況，進而劃定了不同特征不同區(qū)間的發(fā)生頻率。

4 微歷程選取及工程調(diào)整

微歷程是柴油機瞬態(tài)運行的一段原始數(shù)據(jù)，能夠表征柴油機在某個路面運行時整體的瞬態(tài)特征，通常由一段或幾段表征整體瞬態(tài)特征的數(shù)據(jù)段組成。表3確定了柴油機在不同路面的時間比例，根據(jù)任務要求限定總的循環(huán)時間為30 min，則循環(huán)由水泥路面產(chǎn)生的6 min微歷程、石塊路面產(chǎn)生的9 min微歷程、起伏土路產(chǎn)生的13.5 min微歷程和沼澤路面產(chǎn)生的1.5 min微歷程組成。

對于4種路面產(chǎn)生的道路載荷數(shù)據(jù)，無論采用什么經(jīng)驗方法，都無法分析判斷出哪一段或哪幾段原始載荷數(shù)據(jù)能夠代表某一路面運行條件下柴油機的瞬態(tài)運行行為。為此，對于每種路面的原始載荷數(shù)據(jù)，從0開始以微歷程時間對應的數(shù)據(jù)長度進行1 s步長的移動篩選，從而確定初步的微歷程數(shù)據(jù)。如石塊路面的載荷數(shù)據(jù)長度12 464，9 min微歷程對應數(shù)據(jù)長度為540，首先選取0點開始的540個數(shù)據(jù)進行分析，接著移動1個點(即1 s)，取1開始的540個數(shù)據(jù)進行分析，直到11 924時結(jié)束。選取的微歷程對載荷數(shù)據(jù)總體瞬態(tài)特征的代表程度采用 校驗函數(shù)進行評價(見式(5))。

(5)

表6 沼澤路面微歷程轉(zhuǎn)速和扭矩觀察發(fā)生與期望發(fā)生的比較

沼澤路面微歷程選取過程見表7。根據(jù)7種特征x2校驗計算的最小值，產(chǎn)生7種不同的微歷程(見表8)。為確定7段微歷程與所代表載荷數(shù)距總體特征的接近性，計算每一歷程7種特征x2校驗值與統(tǒng)計的最小x2校驗值的歐氏距離，選取距離最小值的一段微歷程作為初步選取的微歷程，即沼澤路面選取起點4 371，長度90的原始載荷數(shù)據(jù)作為沼澤路面的初步微歷程。

對選取的微歷程進一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速和扭矩組合參數(shù)與功率變化率參數(shù)仍然不能滿足統(tǒng)計計算的x2校驗值小于累計x2分布的要求。因此，需對選取微歷程進行工程調(diào)整，以滿足校驗要求。 對選取的微歷程進行部分數(shù)據(jù)段的替換或組合，沼澤路面微歷程7種特征x2校驗值調(diào)整為22.63，20.27，5.28，10.33，31.63，51.56，16.93。最終，4種路面篩選確定的微歷程見圖9至圖12。

表7 沼澤路面微歷程篩選的片段(不同微歷程x2校驗值)

表8 沼澤路面七種特征參數(shù)x2校驗最小值

5 瞬態(tài)試驗循環(huán)的形成

對4種路面形成的微歷程進行組合，形成覆蓋水泥路面、石塊路面、起伏路面、沼澤路面，臺架可執(zhí)行的瞬態(tài)加載試驗循環(huán)。對每種路面形成的微歷程按照任務要求先后排列，微歷程自身數(shù)據(jù)段進行順序的調(diào)整或替換某些工況點，使微歷程之間光滑過渡，又不至于產(chǎn)生的大的沖擊載荷，形成最終的柴油機瞬態(tài)加載試驗循環(huán)(見圖13)。試驗循環(huán)共計1 800 s，由4種路面典型數(shù)據(jù)段組成。

6 結(jié)束語

對車輛在水泥路、石塊路、起伏路、沼澤路行駛產(chǎn)生的柴油機道路載荷數(shù)據(jù)，采用轉(zhuǎn)速變化率、扭矩變化率、功率、功率變化率、轉(zhuǎn)速和扭矩、轉(zhuǎn)速和扭矩變化率、轉(zhuǎn)速和扭矩變化率7種參數(shù)表達了原始載荷數(shù)據(jù)總體的瞬態(tài)特征。針對每一路面載荷數(shù)據(jù)，進行了7種特征的x2校驗，從原始數(shù)據(jù)中選擇確定微歷程，經(jīng)進一步地工程經(jīng)驗分析和調(diào)整微歷程部分數(shù)據(jù)段，確定了與原始瞬態(tài)特征最相近的微歷程，各路面微歷程組合形成了適合柴油機的瞬態(tài)加載試驗循環(huán)。

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[編輯： 袁曉燕]

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

冀樹德(1979—)，男，副研究員，碩士，主要研究方向為柴油機試驗與測試設計；shudianer@126.com。

鄔旭宏(1985—)，男，碩士，主要研究方向為油液分析與試驗優(yōu)化；lmingwxh@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.003

TK427

B

1001-2222(2016)04-0014-07