（动力机械及工程专业论文）车用发动机动态试验方法与动态性能的研究.pdf

摘要 随着汽车运行时对发动机的动力性、经济性、舒适性及废气排放法规的要 求不断提高，试验技术中对发动机与汽车的匹配性能和对发动机动态工况性能 的测试要求也越来越高。在发动机试验台架上测量发动机稳定运转工况下的各 种参数，已经不能适应对汽车发动机实际运行工况即动态工况下运行情况的研 究。汽车开发和设计人员需要通过能对发动机各种参数进行动态测量的发动机 动态测试系统，进行发动机动态运转工况下的测试，以研究发动机的动态特性。 随着计算机技术的进步，可以通过发动机动态测试系统，直接模拟汽车在 道路实际行驶时发动机所处的动态工况，模拟车辆行驶中如起步、换挡、变速、 制动等过程，在台架上再现发动机的实际使用工况。 本文围绕车用发动机动态试验方法与动态性能研究两个方面，通过汽车发 动机动态试验系统，建立一套汽车发动机动态试验方案，以模拟整车道路行驶、 驾驶员驾驶行为，从而可以测试和研究发动机在车辆实际运行时的动态特性； 研究对汽车发动机动态工况下进行测试、分析和性能评估的方法。 通过对发动机动态试验及特性的研究，可找出汽车发动机性能尤其是动态 性能的优化途径与方法，同时也可以为混合动力系统建立一个测试、研究和开 发的平台。本文研究了以下内容： ( 1 ) 分析汽车发动机动态过程，包括汽车发动机动态工况下混合气形成过 程、动态工况下的燃烧过程、汽车发动机动态过程的各项指标等。 ( 2 ) 分析a v lp u m a0 p e n 动态试验台的系统构成。 ( 3 ) 研究基于a v lp u m ao p e n 的发动机道路模拟试验方法，包括基于发动 机动态试验台架的动态负载模型的建立、实际道路模拟的发动机动态性能试验、 模拟整车道路循环试验、基于驾驶员操纵的发动机动态试验等。 ( 4 ) 研究基于a v lp u m ao p e n 的发动机动态性能试验方法，包括发动机动 态加、减载性能试验和发动机动态加、减速性能试验。 ( 5 ) 发动机动态特性分析，包括发动机节气门开度变化率、转速变化率对 动力性的影响及发动机动态转矩估计。 关键字：车用发动机，动态试验，动态性能，试验方法 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s e sc o n t i n u o u s l yt ot h er e q u e s to f t h ee n g i n ep o w e rp e r f o r m a n c e ， e c o n o m y ，c o m f o r ta n d e m i s s i o nr e g u l a t i o n sw h e nt h ev e h i c l ei sr u n n i n g , t h et e s t i n g d e m a n df o rt h e e n g i a ea n dv e h i c l em a t c hp e r f o r m a n c ea n de n g i n ed y n a m i c p e r f o r m a n c ei sm o r ea n dm o r eh i g hi nt h et e s t i n gt e c h n i q u e n 坨m e t h o dt h a tt e s t p a r a m e t e ro fe n g i n es t e a d yw o r k i n gc o n d i t i o no ne n g i n et e s tb e d , c 姐ta d a p tt 0 r e s e a r c ho nt h ev e h i c l ee n g i n ed y n a m i cw o r k i n gc o n d i t i o n a u t o m o b i l er e s e a r c h e r s a n dd e s i g n e r sn e e dt ot e s tp a r a m e t e ro f e n g i n ed y n a m i cw o r k i n gc o n d i t i o no ne n g h e d y n a m i ct e s ts y s t e m , s ot h a tt h e yc a nr e s e a r c ho nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f e n g i n e w i 也t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y a u t o m o b i l er e s e a r c h e r sa n d d e s i g n e r sc a nd i r e c ts i m u l a t ee n g i n ed y n a m i cw o r k i n gc o n d i t i o nw h e nv e h i c l ei s r u n n i n g0 nr o a d ，a n ds i m u l a t et h er o a dl o a da n dt h ed r i v e r sb e h a v i o r so nt h ee n g i n e d y n a m i ct e s ts y s t e m t h i sp e p e * i n c l u d e sv e h i c l ee n g i n ed y n a m i ct e s tm e t h o da n dd y n a m i c p e r f o r m a n c eo nr e s e a r c h t h r o u g ht h ev e h i c l ee n g i n ed y n a m i ct e s ts y s t e m , w ec a n e s t a b l i s ha l le n g i n ed y n a m i ct e s tp r o j e c t , t h a ti tc a ns i m u l a t et h ev e h i c l er u n n i n g a n dt h ed r i v e r sb e h a v i o r s ，t h e nt e s t i n ga n dr e s e a r c h i n ge n g i n ed y n a m i cp e r f o r m a n c e 0 1 1v e h i c l er e a lr u n n i n gi sp o s s i b l e ；a n dw ec a nr e s e a r c ho nt h et e s t , t h ea n a l y s i sa n d t h ep e r f o r m a n c ea p p r a i s a lm e t h o do nt h ee n g i n ed y 皿m i cw o r k i n gc o n d i t i o n t h r o u g ht h er e s e a r c h i n go nt h ee n g i n ed y n a m i ct e s tm e t h o da n dp e r f o r m a n c e ，i t c a l lo p t i m i z ev e h i c l ee n g i n ep e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yd y n a m i cp e r f o r m a n c e i ta l s o c a ns e tu pa h y b r i dp o w e rs y s t e mt e s tb e d f o rt e s t i n g , r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n g t h i sp a p e ri n c l u d e sf o l l o w i n gc o n t e n t ： ( 1 ) a n a l y z e sv e h i c l ee n g i n ed y n a m i cp r o c e s sa n dc o n t r o l ，i n c l u d i n gp r o c e s so f m i x t u r e s , c o m b u s t i o np r o c e s s ，e n g i n ep e r f o r m a n c ei n d e xa n ds oo n ( 2 ) a n a l y z e s t h es y s t e mc o n s t i t u t i o no f a v lp u m a o p e nd y n a m i ct e s tb e d ( 3 ) r e s e a r c he n g i n er o a ds i m u l a t i o nt e s tm e t h o db a s e do nt h ea v lp u m a o p e ns y s t e m ，i n c l u d i n gs e t t i n gu po fe n g i n el o a dm o d e l0 nt h ed y n a m i ct e s tb e d , e n g i n ed y n a m i cp e r f o r m a n c et e s t , v e h i c l er o a dc y c l et e s t , d r i v e r sb e h a v i o r sa n ds o o n ( 4 ) r e s e a r c he n g i n ed y n a m i ct e s tm e t h o db a s e do nt h ea v lp u m ao p e n s y s t e m , i n c l u d i n gi n c r e a s ea n dd e c r e a s e1 0 a dt e s t , i n c r e a s ea n dd e c r e a s es p e e dt e s t ( 5 ) a n a l y z e se n g i n ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n ge n g i n et h r o t t l eo p e n i n g r a t eo fc h a n g e , s p e e dr o t eo fc h a n g ei n f l u e n c ee n g i n ep o w e rr , e r f o r m a n c ea n d d y n a m i ct o r q u ee s t i m a t e k e yw o r d s ：v e h i c l ee n g i n e ，d y n a m i ct e s t , d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t e s tm e t h o d h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：i 阻日期：圣! 旦：篁：! g 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留，送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 l 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：棘导师签名： ； 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 i i 课题的题目及来源 第1 章绪论 课题题目：车用发动机动态试验方法与动态性能的研究 课题来源：国家科技部8 6 3 子项目“e q 7 2 0 0 h e v 多能源动力总成能量管理策略的 优化” 1 1 2 课题研究的背景 在运营条件下，汽车发动机大多处于动态工况下工作，其在动态工况下的 行驶时间、燃油消耗量和有害排放等均占主导地位。发动机的动态工况是相对 于稳态工况而言，就是发动视的转矩、转速或节气门开度中的任意一个量或多 个量处于变化过程时所处的工况。当车辆在道路上行驶时，即使是在高速公路 上巡航行使时，发动机的负荷和转速等参数也处于变动状态，因此动态工况占 整个运行工况的6 6 - - 8 0 1 , 2 1 。 汽车发动机的使用工况交化范围很大，加速、减速，急剧增减转矩，制动， 从冷机突然启动进入行驶状态等多为动态工况。在这样剧烈变化的工况条件下， 需要通过先进的发动机技术使其热效率、输出功率、行驶性和排气清洁性经常 处于最佳状态。降低汽车发动机的有害排放物，提高其燃油经济性以及实现其 良好的驱动性能是现代汽车制造企事业和相关的研发部门共同努力的方向，为 了实现这个目的，在发动机上采用了各种各样的先进技术，使发动机系统越来 越精密。尽管如此，越来越严格的排放法规( e u r oi v ，e u r ov ) 要求人们不断 寻求更新的发动机优化方法，目前采用的技术及一直以来所使用的稳态优化方 法已经不能满足新的要求，而通过对发动机动态工况下的特性研究，可获得其 性能的进一步优化。 由于设备缺乏与经验不足，国内部分学者对发动机动态性能的研究主要通过 理论分析及传统的试验方法。传统的发动机动态性能测试方法不具有可重复性， 由环境和操作人员引起的误差大，且需要整车才能测试，限制了测试的灵活性。 武汉理工大学硕士学位论文 传统的测试方法也不可能实现在没有车辆的情况下对发动机的动态性能进行测 试和优化，也就不能实现发动机与车辆的同时开发，大大增加了发动机与车辆 联合开发的时间。黎苏等通过理论分析及试验研究，较系统地探讨了发动机非 稳定工况下的缸内工作过程。王丽芳、徐卫民等对发动机动态工况的动力性、 经济性及排放进行了试验研究。因驾驶操作方式不同，对车辆动力系统的经济 性和动力性能会产生较大的影响。谢勇，张俊智等在动态试验台上的研究表明， 驾驶员的纵向操纵特性对汽车经济性有重要影响。 国外的学者也对发动机动态工况的性能及测试有了不同角度的研究。 g a l i n d oj 等为获得动态工况下缸内的燃烧放热规律建立了基于热动力学 的单区模型的燃烧诊断模型，并利用该模型结合动态性能实验研究了一台高速 柴油机在动态工况下的喷油规律、机械损失、缸内压力变化等，从而对柴油机 采用动态控制策略以降低排放和提高燃油经济性。研究不同的控制策略在整个 可能的动态工况下的响应情况对发动机的控制策略优化具有重要意义o “1 。 研究发动机在动态工况下的能量转换特性是提高发动机性能的基础。 r a k o p o u l o sc d 等结合熬力学第一、第二定律和柴油机的进捧气系统、涡轮增 压系统、缸内过程等动态模型，结合实验对发动机动态工况下的各热力过程中 的不可逆性及可用能量进行了分析m “删。 通过对发动机的动态性能测试，获得发动机的动态运行的特性，并建立各 种发动机动态特性的模型及仿真程序，是缩短发动机的开发和优化过程的重要 手段。a n d r er o l f s m e i e r 等在对发动机的动态性能测试的基础上，利用d s p a c e 软件建立了用于开发发动机e c u 的标定系统，为e c u 的开发提供了一个方便、 快捷、低成本的开发手段“”“4 。 目前国内外基于发动机动态试验台架提出的试验方法较少，利用发动机动态 试验台架进行的发动机动态性能试验研究、发动机道路模拟试验等试验方法还 不够成熟。 1 2 车用发动机动态试验方法及其特点 由于汽车运行时对发动机的动力性、经济性、舒适性及废气排放法规的要 求不断提商，试验技术中对发动机与汽车的匹配性能要求和对发动机动态工况 的性能要求也越来越高。 2 武汉理工大学硕士学位论文 上世纪7 0 年代以来，环境污染和能源危机成为世界共同关注的问题，美国、 欧洲共同体及日本等发达国家相继制定法规对汽车排放和油耗做出了严格限 制，我国近年来也颁布了一系列相关法规及标准。在这些法规和标准中，均规 定以道路行驶试验的结果作为评定汽车排放和油耗的依据。 多年来，车用发动机的试验技术主要是在稳态的运行工况下，通过采用机 械式传感及记录设备来完成试验数据的测量与记录，发动机的试验都是在常规 的试验台架上稳态地进行。传统的发动机台架稳态性能试验方法与汽车发动机 实际运行工况相差较大，用于评估汽车发动机实际使用性能的置信度不高。因 此，车用发动机的稳态性能试验结果不可以作为评定汽车排放和油耗的依据。 评价汽车发动机实际使用时的排放、油耗和瞬态动力性能的方法应该是道 路行驶试验。经验表明，为了获得准确的道路试验结果，研究人员需要花费大 量的人力、时间和财力。所以，我们需要在试验台架上模拟汽车的运行情况， 从而在研究开发阶段能够在实验室内进行发动机动态仿真试验。 在发动机试验台架上测量发动机稳定运转工况下的各种参数，已经不能适 应对汽车发动机实际运行工况即动态工况下运转情况的研究汽车开发和设计 人员需要通过能对发动机各种参数进行动态测量的发动机动态测试系统，直接 模拟汽车在道路实际行驶时发动机所处的动态工况。随着计算机技术的进步， 通过发动机动态测试系统，能够模拟车辆行驶中如起步、换挡、变速、制动等 过程，在台架上再现发动机的实际使用工况。 车用发动机的动态试验，除了整车道路模拟测试以外，还包括模拟驾驶员 操作的动态试验和发动机动态工况下的性能试验。车用发动机的动态试验是发 动机试验技术的又一进步，利用它可以在发动机台架上灵活的开展汽车动力系 统性能的研究，打破了车用发动机研究中的传统试验模式，即台架一转鼓一道路 的三阶段试验模式，从而大大缩短了研制周期并节省了经费开支。据有关资料 估计，如果五分之四的道路试验能以发动机台架试验代替，将使汽车的研制周 期缩短至原来的四分之一；完成相同内容的试验，台架试验的费用仅为道路试 验的三分之一【l 】。 1 3 车用发动机动态性能及其研究的意义 在运行条件下，汽车发动机的工况总是处于经常而急促的变化之中，汽车 武汉理工大学硕士学位论文 在起步、升挡、降挡、制动、加速、减速等过程中，发动机不能达到稳定工况 的力平衡与热平衡，即处于动态工况下工作。在动态工况下，缸内的任意瞬时 的状态与对应的稳态情况大不一样，动态过程中的燃烧放热规律与稳态时也大 不一样n 3 1 。此时发动机的负载、节气门位置、转速及缸内各个循环的热力过程 等都处于变化过程。研究表明，动态工况占整个运行工况的6 6 - - 8 0 “。发动 机在动态工况下所表现出来的性能特性叫发动机的动态性能。 对汽车运行试验结果的分析表明，当汽车在畅通的公路上行驶时，每千米 平均操纵汽车作业次数( 如变速、离合器的结合和分离、制动等) 为1 2 次： 在交通繁忙的市区行驶时的作业次数可达到1 6 次。沿着畅通而平坦的道路以不 变时速行驶时，由于道路覆盖层的不均质性造成路面的波浪起伏，使得供油控 制机构仍处于不断的运动状态，并在相当大的范围内移动。图1 - i 给出了某柴 油车沿平坦的沥青道路以6 5 k m h 的车速行驶时，柴油机的曲轴角速度、转矩 t e 、供油拉杆位移h 和车身相对底盘位移巩的变化特性。由图可知，上述指标 在相当大的范围内约以2 h z 频率相对各指标的平均值变化，角速度的变化幅度 为1 5 、转矩的变化幅度为3 0 * , 6 、油泵拉杆的变化幅度为2 0 9 6 。 j ， 锥z 、 _ i 卜 、历 、 ni |n。吒l 。1 、一 、- 、i 1 1 _ 。、 l7 一 念 上一 图1 载货汽车沿平坦的沥青道路行驶时，柴油机工况的变化 在运营条件下，汽车发动机的工作特点，是曲轴转速和发动机控制机构位 置不断变化，这对发动机的动力性、经济性、排放性、耐久性和可靠性等各项 指标会产生不良的影响。在世界各地的法定行驶循环中4 0 7 5 为动态工况， 汽车有害排放和燃油消耗的2 0 8 0 为动态工况。因此，汽车发动机在运营条 4 武汉理工大学硕士学位论文 件下在动态工况下的行驶时间、燃油消耗和有害排放等均占主导地位，对汽车 发动机动态性能的研究，是汽车运行优化控制问题的一个重要组成部分。 1 4 本课题的研究目的、意义和主要内容 课题研究的目的是通过汽车发动机动态试验系统，建立一套汽车发动机动态 试验方案，使发动机能够在试验台架上模拟整车道路行驶、驾驶行为，以测试 和研究发动机与车辆在实际运行时的动态特性；研究对汽车发动机动态工况下 进行测试、分析和性能评估的方法。 课题研究的意义在于通过对发动机动态试验及特性的研究，可找出汽车发 动机性能尤其是动态性能的优化途径与方法，同时也可以为混合动力系统建立 一个测试、研究和开发的平台，为实现我校“2 1 1 ”工程项目：“新能源电动汽 车关键技术”打下坚实基础。 课题研究的主要内容是： ( 1 ) 研究汽车发动机动态过程，包括汽车发动机动态工况下混合气形成过 程、汽车发动机动态过程的描述方法及各项指标等。 ( 2 ) 分析a v lp 眦0 p e n 动态试验台的系统构成，掌握系统的软硬件组成 及工作原理，为系统的使用和被测系统的组建打下基础。 ( 3 ) 研究基于a v lp u m ao p e n 的发动机道路模拟试验方法，包括基于发动 机动态试验台架的动态负载模型的建立、实际道路模拟的发动机动态性能试验、 模拟整车道路循环试验、基于驾驶员操纵的发动机动态试验等。 ( 4 ) 研究基于a y lp u m ao p e n 的发动机动态性能试验方法，包括发动机动 态加、减载性能试验和发动机动态加、减速性能试验。 ( 5 ) 发动机动态特性分析，包括发动机节气门开度变化率、转速变化率对 动力性的影响及发动机动态转矩估计。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车发动机动态过程分析 2 1 汽车发动机动态过程的基本概念 在运营条件下，汽车发动机功率和转速都独立的在很大范围内变化，它们 之间没有特定的函数关系，其运行工况可分为稳态工况和动态工况。 2 1 1 稳态工况 当发动机的转速、输出转矩、及其内部热平衡基本不随时间变化时的工况 称为稳态工况。在稳态工况下，发动机各工作过程参数之间存在着一定的函数 关系。 稳态工况的标志是表征发动机工作过程的各参数均基本不随时间而变化。 稳态工况的特征是描述发动机工作过程的能量、热量和质量达到平衡，即应满 足下列条件之一。 ( 1 ) 发动机的功率和转矩与耗能机械的功率和阻力矩相平衡。 ( 2 ) 当发动机的热力状态( 冷却介质温度) 为常量，以及单位时间内从发 动机传入冷却系的热量与单位时间经散热器向周围介质散发的热量相平衡。 ( 3 ) 对于增压发动机，当涡轮机转矩和压缩机的阻力矩相平衡。 由发动机原理可知，即使在稳态工况下，也总还有一些偶然的不确定因素 影响着发动机的工作过程，如存在各缸和各相继循环间的所谓循环变动，使各 相继循环之间气缸内的指标参数值相对某一中间值产生波动。此时通常取其平 均值作为稳态工况的参数。因此，严格说来发动机始终不是在稳态工况下工作， 将发动机的工况分为稳态工况和动态工况是相对的。通常若在所研究的时间区 段内，发动机性能指标与其平均值的偏差不超过2 0 ，则可以认为该工况为 稳态工况。 2 1 2 动态工况及分类 1 动态工况 汽车发动机的实际运行工况大都随路面阻力的情况而不断的变化着，发动 机出现动态工况的标志是发动机的各项参数中的一个、几个或所有随时问而变 化。在动态工况下，发动机的能量平衡条件被破坏，其结果是发动机出现能量 的过剩或者不足。 6 武汉理工大学硕士学位论文 在正常热力状态下工作的汽油枫，通常是通过曲轴转速1 3 ，节气门开度k 和空燃比a f 来实现工况的调节与控制，亦即当曲轴转速n ，节气门开度k 。和空 燃比a f 这三个量确定时，便确定了汽油机的工况。以时间t 作为自变量来考察， 则有： 稳态工况d n d t o 、d k d d t o 和d h f d t o ； 动态工况d n d t o 或d k f f d t ：0 或d a f d t ：o 。 因此，在非稳态工况下，用于确定汽油机工况的是n 、k 、a f 、d n d t 、d k j d t 、 和d a f d t 六个量。对于电控汽油喷射式发动机在不考虑温度补偿时，空燃比a f 是节气门开度k 。及其变化率d k d d t 的函数。故在大多数情况下，是n 、l 【d 、d n d t 和d k g d t 四个量决定了汽油机的工况。 2 动态工况的分类 汽车发动机最常见的动态工况是起动、停车与加减速工况，以下分析汽车 发动机几种典型的动态工况。 ( 1 ) 当发动机曲轴转速增加时( d n d t o ) ，可能出现以下四种加速情况： 节气门开度不断增加( d l 【d 0 ) 节气门位置不变( d k = o ) 。 在实际运行中，这两种情况经常依次发生，即加速初期对应节气门的开启 过程，加速过程的中间段和结尾则是在节气门位置不变的情况下进行的。 节气门开度不断减小( d l ( d 0 ) ，这种情况对应于汽车从水平路段过渡到 下坡。 在怠速时，采用节气门周期性的开启和节流来实现曲轴转速的提高。 ( 2 ) 当发动机曲轴转速下降时( d n d t o ) 。 节气门位置不变，发动机负荷增加( d k - o ) 。 节气门掩闭( 即节气门未完全关死) ，卸除负荷( d k 0 ) 。 节气门关闭，负荷减小( d l q o ) 或下降( d t 5 0 1 况点时，发动机的动态输出转矩与稳态的偏差 值较大，随着节气门开度的增加，发动机的动态输出转矩与稳态的偏差值在逐 渐减小。 1 2 0 1 0 0 8 0 z 豪6 0 鞯4 0 2 0 0 0 5 0 1 0 01 5 0 2 0 02 5 0 节气门开度变化率 s 图6 5n = 4 0 0 0 r m i n 节气门开度变化率与转矩的关系 由试验结果可知，在发动机转速为4 0 0 0 r m i n 时，( 1 ) 在同一节气门开度 的工况点，节气门开度变化率越大，发动机的动态输出转矩越小；( 2 ) 在节气 门开度a = 3 0 时，发动机转矩曲线较为平缓，发动机的动态输出转矩与稳态的 5 8 加 o 冒苔埭辑 武汉理工大学硕士学位论文 偏差值较小；( 3 ) 在同一节气门开度变化率下，在节气f 3 开度a 5 0 工况点时， 发动机的动态输出转矩与稳态的偏差值较大，随着节气门开度的增加，发动机 的动态输出转矩与稳态的偏差值在逐渐减小。 此外，通过上述四种发动机转速的试验结果可以看出，发动机的转速越高， 动态加载酵节气门开度的变化率对转矩的影镌就越小。 2 发动机减载时节气门开度变化率对转矩输出的影响 如图6 6 、6 - 7 、6 - 8 所示，分别为发动机在2 0 0 0 r m i n 、3 0 0 0 r 。m i n 、4 0 0 0 r m i n ， 节气门开度为3 0 、5 0 、7 0 、9 0 时。发动机的节气门减小变化率与转矩的关 系。由图可知，图中的转矩曲线越平缓，发动机的转矩受到节气门变化率增加 的影响就越小。 冒 邑 疑 馨 1 0 0 8 0 6 d