基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)的重型車PEMS測試方法研究

鄭春芳 李騰騰 汪曉偉

摘 要：為了重型車PEMS測試排放結(jié)果滿足國六法規(guī)要求，文章基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)系統(tǒng)對(duì)重型車PEMS試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。通過對(duì)駕駛員模型換擋策略的研究使VSM模擬工況與實(shí)際道路PEMS工況分布一致。經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)測試系統(tǒng)油耗及排放水平能達(dá)到與實(shí)際道路試驗(yàn)相近的測試結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)PEMS循環(huán)重復(fù)性測試，減少實(shí)車測試次數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)，縮短整車正向開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán);PEMS;換檔策略;重復(fù)性測試

中圖分類號(hào)：U463.8 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）09-189-05

Research on PEMS Testing Method of Heavy-duty Vehicle Based on Engine-in-the-loop

Zheng Chunfang， Li Tengteng， Wang Xiaowei

（?China Auto Research Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300300?）

Abstract：?In order to meet the requirement of the China Ⅵ?emission regulation on heavy-duty vehicles PEMS test emission. In this paper， a PEMS test method is researched based on engine in-the-loop. By studying of the shift strategy of the model， the distribution of VSM operating condition and the actual road PEMS operating condition is consistent. The test result shows that the result of fuel consumption and emission of engine in-the-loop nearly reaches the result of the actual road test. The repetitive test of PEMS can be realized on the platform of engine in-the-loop， which can reduce the test times and the risks of the real vehicle and shorten the forward development cycle of the vehicle.

Keywords： Engine in-the-loop;?PEMS;?Shift strategy; Repetitive test

CLC NO.：?U463.8 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）09-189-05

前言

我國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，也給環(huán)境帶來尾氣污染，其中重型車尾氣污染尤為嚴(yán)重。我國環(huán)保部門高度重視重型車排氣污染物的治理，出臺(tái)一系列監(jiān)管和處罰措施?！吨匦筒裼蛙囄廴疚锱欧畔拗导皽y量方法》（中國第六階段）法規(guī)增加了對(duì)整車實(shí)際道路排放測試要求^[1]。

在整車實(shí)際道路排放的優(yōu)化過程中，通常采用的測試設(shè)備為便攜式排放測試系統(tǒng)（PEMS），該類型設(shè)備需要面對(duì)實(shí)際交通情況、外部環(huán)境溫度、天氣條件、路面坡度等一系列不可控的外部因素，對(duì)整車開發(fā)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、可重復(fù)性影響非常大。

發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)（Engine-in-Loop，EIL）是將真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和排放設(shè)備與整車模擬模塊（Vehicle Simulation Model，VSM）連接，通過測試連接模塊傳輸信號(hào)而搭建的測試平臺(tái)。發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出，排放設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測排放污染物數(shù)值，虛擬整車模型和駕駛員模型代替真實(shí)整車行駛。該平臺(tái)能夠消除發(fā)動(dòng)機(jī)模型帶來的誤差，采用最先進(jìn)的排放測試系統(tǒng)，具有測試精準(zhǔn)的優(yōu)勢。

早在2008年，AVL與VOLVO兩家公司合作，首次將發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)技術(shù)應(yīng)用到一款新型卡車開發(fā)測試中。2012年，AVL公司開始為整車企業(yè)提供發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)仿真技術(shù)在整車開發(fā)過程中的測試和分析服務(wù)。迄今為止，發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)技術(shù)在國外已得到應(yīng)用和推廣，尤其在輕型車開發(fā)領(lǐng)域，已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可^[2]。目前，國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)仿真還處于起步階段，一汽大眾已在新能源汽車開發(fā)領(lǐng)域有所應(yīng)用，劉雙虎、孔垂穎等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)仿真技術(shù)的表征指標(biāo)一致性和真實(shí)性進(jìn)行了研究^[3]。本文研究采用發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)技術(shù)將真實(shí)的路面信息和駕駛路徑在VSM系統(tǒng)中再現(xiàn)，進(jìn)而減少實(shí)車路面駕駛次數(shù)，提升測試數(shù)據(jù)的精確性和可重復(fù)性^[4-8]。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)測試平臺(tái)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電力測功機(jī)、排放設(shè)備、PUMA控制系統(tǒng)、測試連接（Test.CONNECT）系統(tǒng)及VSM軟件。系統(tǒng)工作原理如圖1，整車模型參數(shù)下載到VSM軟件系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)定好的駕駛循環(huán)，由模擬駕駛員進(jìn)行駕駛行為，根據(jù)車速、檔位、行駛阻力等參數(shù)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，通過?Test.bed.CONNECT，發(fā)送給臺(tái)架控制系統(tǒng)?PUMA，PUMA 控制測功機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，發(fā)動(dòng)機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，此時(shí)臺(tái)架的傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，經(jīng)?PUMA 傳回?VSM 系統(tǒng)，作為整車模型的輸入?yún)?shù)，參與下一個(gè)步長整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算^[4]。

本試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用了AVL公司440kW型號(hào)為INDY P44-4/?1867-1XS-1的測功機(jī)，能夠準(zhǔn)確讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等重要參數(shù);進(jìn)氣系統(tǒng)采用AVL公司ACS2400FH，控制進(jìn)氣溫度及濕度，保證進(jìn)氣過程溫度及濕度是恒定的;油耗儀選用AVL公司735s/753C，確保進(jìn)油溫度恒定;排放采樣分析系統(tǒng)選AVLAMA i60分析儀，對(duì)排氣中各個(gè)污染物進(jìn)行精準(zhǔn)測量;顆粒采樣選用AVL公司SPC 472及AVL 489顆粒物計(jì)數(shù)器;實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Test.bed.CONNECT）用于實(shí)現(xiàn)將VSM系統(tǒng)輸出的信號(hào)傳輸給PUMA系統(tǒng)，也可以將PUMA從發(fā)動(dòng)機(jī)端收集到信息傳遞給VSM。具體測試設(shè)備名稱如表1。

發(fā)動(dòng)機(jī)是選用某國六標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)，詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)及整車參數(shù)見表2。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)邊界條件控制

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，在試驗(yàn)前，控制標(biāo)定點(diǎn)試驗(yàn)邊界條件如表3：

1.2.2 實(shí)際行駛路線在模型中的平順

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)系統(tǒng)真實(shí)模擬整車實(shí)際道路行駛路線，需要將真實(shí)的PEMS信息包括時(shí)間、車速、經(jīng)度、緯度、海拔信息導(dǎo)入谷歌地圖，確認(rèn)PEMS實(shí)際路徑及地理位置，對(duì)車輛行駛過程中，交通信號(hào)燈或交通堵塞導(dǎo)致的重復(fù)路線，顛簸路面導(dǎo)致的不光滑點(diǎn)進(jìn)行平順，PEMS路徑平順前后對(duì)比如圖2和圖3。

平順好的PEMS路徑導(dǎo)入到VSM軟件中通過調(diào)整曲率、加速度、路面坡度、路面模型等參數(shù)最后形成平順的路面文件。將導(dǎo)出的路面文件導(dǎo)入到VSM軟件中，這樣在發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)平臺(tái)上可以重復(fù)真實(shí)車輛PEMS循環(huán)。

1.2.3 換擋方案^[5-9]

平順后數(shù)據(jù)導(dǎo)入到VSM，VSM系統(tǒng)車速與實(shí)際路面車速具有很好的跟隨行如圖4所示，但是PEMS行駛的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)與VSM具有很大的差異性（圖5 ），為使VSM工況點(diǎn)與實(shí)際道路工況點(diǎn)保持一致需要調(diào)節(jié)VSM駕駛員模型的換擋策略。

基于以上PEMS與VSM工況點(diǎn)的差異設(shè)計(jì)出3種換擋策略方案策，方案1：將升檔與降檔轉(zhuǎn)速下降（100-200）rpm;方案2：將升檔轉(zhuǎn)速和降檔轉(zhuǎn)速下降（100-300）rpm;方案3：將升檔轉(zhuǎn)速和降檔轉(zhuǎn)速下降（100-400）rpm。具體方案見表4。

2 PEMS循環(huán)測試結(jié)果及分析

2.1 基于三種換擋方案工況結(jié)果分析

換擋策略方案1調(diào)整（100-200）rpm后，PEMS工況與VSM工況大部分沒有重合，如圖6所示。主要原因是調(diào)整之后的換擋轉(zhuǎn)速對(duì)工況分布有影響，小部分工況與PEMS工況重合。工況分布趨勢說明換擋轉(zhuǎn)速整體高于換擋轉(zhuǎn)速。

換擋策略方案2調(diào)整（100-300）rpm后，VSM工況點(diǎn)與PEMS實(shí)際工況點(diǎn)重合區(qū)域較方案1加大，如圖7所示。此方案說明大部分的換換擋策略方案3調(diào)整（100-400）rpm，基于前兩方案的調(diào)整，此次換檔轉(zhuǎn)速進(jìn)行小幅度調(diào)整，通過微調(diào)轉(zhuǎn)速，VSM工況分布基本與實(shí)際工況重合，如圖8所示。駕駛員模型換擋策略與實(shí)際情況基本吻合。

通過以上3種方案PEMS工況與VSM工況對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)方案3 VSM工況與PEMS工況分布基本一致。所以方案3換擋策略為最終方案。

2.2 VSM與實(shí)際道路PEMS結(jié)果分析

基于以上換檔策略研究結(jié)果，結(jié)合在VSM系統(tǒng)中搭建的道路模型、整車模型、駕駛員模型，將實(shí)際的整車工況在發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)測試，并對(duì)VSM的測試結(jié)果與實(shí)際整車PEMS測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.2.1 CO₂排放對(duì)比

根據(jù)碳平衡原理，CO₂排放能夠表征整車燃油消耗。從圖9可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)仿真系統(tǒng)和整車實(shí)際道路排放測試設(shè)備在PEMS工況下，測得數(shù)據(jù)趨勢基本一致，累計(jì)結(jié)果偏差約為5%。

2.2.2 NOx排放對(duì)比

從圖10可以看出，PEMS設(shè)備測得的NOx趨勢與發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)設(shè)備測得的NOx趨勢基本一致，NOx累計(jì)偏差在6.5%。3200秒之前，NOx累計(jì)偏差在5%，（3200-7800）秒之間，NOx排放累積量偏大，這主要是因?yàn)镹Ox排放與SCR轉(zhuǎn)化效率有關(guān)。SCR轉(zhuǎn)化效率受催化器前排氣溫度有的影響，進(jìn)入催化器溫度對(duì)比如圖11。催化器前端溫度在3500秒以內(nèi)PEMS和VSM有10℃左右偏差，NOx差異4%左右。（3500-9000）秒范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)催化器前端溫度高于整車發(fā)動(dòng)機(jī)催化器前端?30℃，NOx排放差異明顯，累計(jì)量偏差在7%。除此，NOx累計(jì)排放量偏差還與測試設(shè)備、排氣管路長度等因素相關(guān)。

2.2.3 PN排放對(duì)比

圖11為PEMS測得的PN累計(jì)排放與發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)系統(tǒng)測得的PN累計(jì)排放對(duì)比，累積量偏差在10%左右。從圖中可以看出，PEMS測得的PN累計(jì)排放與發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)系統(tǒng)測得的PN累計(jì)排放趨勢基本一致。排放污染物中的顆粒物經(jīng)過DPF處理后，絕大部分顆粒物被吸附，而PN排放差異主要受DPF碳載量影響。

3 結(jié)論與展望

本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)系統(tǒng)通過? ? ?對(duì)重型車PEMS測試方法的研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)駕駛員模型中換擋轉(zhuǎn)速的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際道路PEMS工況與VSN工況分布基本一致。

（2）經(jīng)過對(duì)VSM系統(tǒng)與實(shí)際PEMS循環(huán)油耗表征參數(shù)CO₂以及主要排氣污染物NOx、PN分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)測試系統(tǒng)油耗及排放水平能達(dá)到與實(shí)際道路試驗(yàn)相近的測試結(jié)果。

因此，發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)PEMS循環(huán)重復(fù)性測試，這種研究方法可以縮短整車正向開發(fā)周期，減少實(shí)車試驗(yàn)次數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)。

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