通用汽車公司6缸EcoTec 4.3 L發動機停缸燃油耗測試

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0 前言

在為2022—2025年輕型車溫室氣體排放(GHG)[1]制定標準時，美國環境保護署(EPA)借鑒了來自全球工程咨詢公司Ricardo的2011年輕型汽車仿真研究。這項研究提供了全方位的車輛模擬，能夠預測未來先進技術的有效性。

2017-2025年輕型汽車溫室氣體排放法規要求全面地評估前瞻技術(即中期評估)。對于汽車制造商來說，評估可應用的前瞻技術可以影響潛在的成本和結果變化。對于中期評估，EPA計劃利用整車仿真模型即先進輕型車動力總成和混合動力分析工具(ALPHA)[2]，補充和拓展在聯邦法案制定過程中采納的研究成果。如果有必要的話，ALPHA將被用來確認以前的研究數據，更新包括先進小型渦輪增壓器和自然吸氣發動機的最新油耗結果。ALPHA也被用來分析原聯邦法案制定過程中沒有考慮的先進技術對油耗的貢獻，如無級變速和阿特金森循環。

為了模擬駕駛循環的性能，ALPHA模型需要將各種車輛參數作為輸入條件，包括車輛的慣性和道路負荷，組件的效率和車輛運行工況。本文對標研究利用發動機臺架來測量發動機的效率，然后作為ALPHA模型的輸入參數。本文介紹了EPA整車連接發動機的臺架測試方法，1臺雪佛蘭4.3 L LV3?發動機被安裝在測功機臺架上，延長發動機線束，與1輛實驗室外的完整2014款雪佛蘭Silverado整車連接。這種方法保證了發動機測試可以利用現有的電子控制單元(ECU)和標定數據。

對2014款雪佛蘭Silverado進行了完整的對標工作，包括整車轉轂測試以確定發動機和變速器的運行特點，以及發動機臺架試驗。EPA計劃利用整車數據來驗證基于2014款Silverado車搭建的ALPHA模型。采用大量的轉轂試驗結果來驗證模型是必要的，但這不屬于本文介紹范圍。

1 測試方法

本項目使用的發動機是2014款雪佛蘭Silverado 4.3 L自然吸氣缸內直噴汽油機。該發動機與位于實驗室外的車輛相連，以便使用現有的發動機和車輛控制器。表1列出了本試驗中使用的車輛系統信息。

表1 車輛和發動機信息匯總

2 試驗地點

本試驗是在位于美國密歇根州安娜堡市的國家機動車燃油和排放實驗室(NVFEL)輕型車用發動機臺架上進行的。實驗室設備和儀器在表2中列出。

表2 實驗室設備和儀器

3 數據采集系統

實驗室數據采集和測功機控制采用A&D公司開發的1個軟件包iTest。燃燒數據是由MTS燃燒分析系統(CAS)采集和分析。輔助數據采集軟件為RPECS-IV由SwRI開發。RPECS直接測量和記錄發動機ECU輸入/輸出(I/O)，以及實驗室數據。溫度、壓力和實驗室的數據通過CAN從iTest發送到RPECS。CAS燃燒數據也通過CAN發送到RPECS，該數據形成1個單一的輸出文件。發動機控制軟件包匯總見表3。

4 車輛信息

在現代汽車上，ECU需要與車身控制模塊(BCM)通訊，以便能夠監控整個車輛運行(安全、進入、上電、儀表信號等)。由于ECU控制需要來自BCM的信號，車輛的BCM信號被傳送到實驗室內的ECU，因此ECU將可以接收到車輛正常運行的信號。在對標試驗中，連接發動機和整車的線束被加長了，所以在測功機臺架上的發動機可以與實驗室外的汽車連接。圖1所示為這種接法的線束。ECU控制發動機的所有信號線束都被用上，所以信號可以被監控或采集，具體取決于特定的傳感器或執行器需要什么信號。

表3 發動機控制與分析軟件

圖1 整車和發動機連接線束

5 發動機臺架

圖2給出了在測功機實驗室內發動機的安裝和傳感器的布置。在圖右上角用彩色標注的傳感器表示哪些系統被監測。

圖2 測功機臺架和4.3 L LV3?發動機各系統傳感器位置示意圖

6 發動機系統

搭建的發動機臺架盡可能使用現有的各種發動機系統，但在實驗室中為發動機附加連接了一些控制和傳感系統：(1)進氣，現有的空濾和管路，以及與空濾入口相連的層流流量計(LFE)；(2)排氣，使用現有的排氣系統，包括催化器和消聲器，排氣系統出口通過直徑2 in①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。的管子連接到排放通道，按照美國聯邦法規排放通道壓力控制為大氣壓(+/-1.2 kPa)；(3)冷卻系統，采用現有冷卻系統，但將散熱器替換為冷卻塔，使用了發動機現有的節溫器控制發動機冷卻液溫度，實驗室控制系統將冷卻塔控制在85 ℃；(4)機油系統，機油冷卻器與冷卻水系統相連，并通過實驗室將系統溫度控制在90 ℃；(5)附件系統，使用現有的皮帶和輪系附件系統；(6)發電機，對發電機進行了更改，拆除勵磁線圈，使發電機不發電；(7)飛輪和殼體，將現有的手動檔飛輪帶有鋁適配器板與傳動軸相連，飛輪殼是1個裝配了后懸置安裝襯墊的殼體。

7 燃油

對發動機進行了2種燃油的試驗，分別為辛烷值(RON)88的E10燃油和RON 92的E0燃油，試驗燃油特性見表4。

表4 試驗用燃油

8 油耗測試工況點

根據表1中的額定值選取測試該發動機燃油經濟性的工況點，即發動機的扭矩和速度范圍。這些工況點包括發動機轉速1 000～3 500 r/min，步長250 r/min；轉速3 500～5 500 r/min，步長為500 r/min。

發動機的扭矩范圍為0～30 N·m時，步長5 N·m；30～240 N·m時，步長10 N·m。在更高發動機轉速的工況下，需要的數據點較少，所以減少了轉速4 000 r/min以上測試點的數量。測試工況點如圖3所示。

9 數據設置定義

數據記錄包括扭矩、燃油流量、排放、溫度、壓力、缸內壓力和車載診斷系統(OBD)/epid CAN總數據。大部分數據是每一個發動機循環數據采集系統記錄1次，在每個測試工況點會生成1個新的輸出文件。數據后處理是必需的，可以從連續的數據中生成油耗脈譜的單個數據點。

10 數據采集程序

對每一個發動機轉速，控制程序自動運行1組扭矩并記錄數據。之后，發動機的轉速每遞增250 r/min，再重復測試1次該組扭矩。在每一個轉速和扭矩工況點，按照一定的標準當燃油流量和扭矩到達穩定時，記錄10 s。

11 試驗程序

發動機和整車通過如前所述的線束連接，在發動機測功機臺架上進行試驗。發動機的轉速由測功機設定進行控制，發動機負荷由ECU控制。輸入給ECU的車輛踏板信號由iTest控制器代替。實際車輛的踏板信號被斷開。變速箱檔位(PRNDL)設置在空檔，以便起動和設置所需的發動機負荷。

12 數據后處理

在整個試驗記錄過程中數據是穩定的。有效燃油消耗率(BSFC)根據式(1)計算，式中參數值來自數據采集系統

(1)

式(1)中：qm為油耗儀測量的燃油流量(g/s)，P為發動機功率(W)，τ為扭矩傳感器測量的發動機扭矩(N·m)，ω為發動機角速度(rad/s)。

代入已知試驗燃油熱值，有效熱效率(BTE)根據式(2)計算得到：

(2)

式(2)中：hv為試驗燃油熱值(kJ/g)。

在進行比油耗和熱效率計算后，在每個工況點再次計算基于時間序列的平均值、標準偏差和循環變動(COV)。在每次試驗中的所有參數值都進行了平均，這樣每個參數都得到1個平均值。

13 數據質量保證(QA)

圖3為發動機測試全部的速度和扭矩工況點。在QA最后一步，測試中任何參數的COV大于10%則被剔除。例如，如果燃油流量的COV大于10%，該值會從測試值中刪除，也不會再計算比油耗。這些工況點被認為是來自發動機和臺架的不穩定因素，不是可靠的數據。在非常低的負荷(扭矩小于10 N·m)工況下，這是典型的問題，原因是測功機控制器不能夠穩定地維持在這一負荷。

圖3 發動機測試工況點

14 基礎脈譜結果

在圖3中所示的平均扭矩、轉速和燃油流量被用來生成1個有效熱效率的基本等高線圖。對停缸和不停缸的有效熱效率脈譜都進行了測試。圖4給出了不停缸的有效熱效率。停缸的脈譜測試結果將在下一小節中介紹。

圖4 燃用E10燃油4.3 L發動機的不停缸有效熱效率

15 轉轂和發動機臺架停缸測試

在轉轂上進行FTP工況循環(僅冷起動階段1和瞬態階段2)和高速公路油耗測試循環進行停缸測試。對于每一個發動機循環，發動機數據被采集并記錄于RPECS系統中。圖5和圖6上的每一點都代表1個發動機循環。

圖5 FTP循環測試數據

圖6 高速公路循環測試數據

在發動機測功機臺架上也進行了停缸研究，如圖7所示。停缸區域由方框和區域號標記，見圖5和圖6。方框的邊界為測試循環中轉速和負荷的最大值和最小值。圖5顯示的是FTP循環階段1和階段2停缸。而圖6顯示的是高速公路油耗測試循環停缸。即使停缸可出現在這些速度和負荷范圍內，但不會在駕駛循環的每一個工況點實施。

圖7 發動機臺架停缸穩態試驗工況點

區域1內都可以實施停缸，由發動機臺架穩態測試決定。當發動機在臺架上進行試驗，使用GM公司的多功能診斷接口檢修/檢查工具來實現啟用或禁用停缸。這個工具允許用戶控制停缸，可以測試停缸和不停缸的穩態點。而當車輛在底盤測功機上試驗，停缸則是由ECU控制。

停缸區域由發動機ECU限制在較低的轉速和負荷范圍。圖7所示為EPA在發動機臺架穩態測試中得到的停缸區域。應該指出的是，發動機是能夠在轉速低于1 000 r/min時運行停缸模式的，如圖5和圖6所示。然而，EPA在初始測試程序中沒有采集該數據，但計劃在后續的發動機和變速箱總成測試程序中采集該數據。

區域2代表在循環測試中得到的停缸區域，與在測功機臺架上由檢查工具測試的停缸區進行了比較。區域3表示1個示例，表示運行停缸比例最高的區域之一。停缸比例是由停缸工況點數(發動機循環)除表5所示區間內所有工況點數計算而得。

圖8 轉速1 250 r/min時停缸對有效熱效率的影響

16 停缸對有效熱效率的影響

2014款雪佛蘭Silverado 4.3 L LV3?停缸發動機通過降低低負荷時的泵氣損失來提高熱效率。圖8所示為在轉速1 250 r/min時，發動機停缸對熱效率影響的臺架數據。數據表明，停缸可以提高有效熱效率。例如，在某一平均有效壓力點,有效熱效率從27.5%增加到30.6%，效率相對提升了11%。

表5 區域內停缸比例(發動機循環)

該4.3 L發動機停缸策略為同時暫停第三缸和第六缸，停缸會被RPECS數據采集系統檢測到(圖9)。RPECS監測和記錄基于曲軸轉角采樣的CAN總線信號。該發動機還在第一缸和第三缸安裝了 Kistler公司的缸內壓力傳感器。

圖9 4.3 L發動機燃用E10燃油停缸時的有效熱效率

17 燃油對熱效率的影響

對該4.3 L LV3?發動機進行了2種不同的燃油測試，分別為RON 88的E10和RON 92的E0。具體燃油規格參見表4。

將每種燃油在穩態工況進行了重復測試。測試前，對每種燃油發動機和ECU進行了調試，從而使ECU數據適應辛烷值和乙醇含量的變化，在此過程中發動機長時間在中高負荷區域運行。整車上的燃油系統通過1個燃油傳感器來檢測乙醇的含量。這個含量值可以通過GM公司檢修檢查工具讀取。此傳感器被安裝到實驗室中，以檢測進入發動機中的燃油。

通過比較圖4和圖10這兩種燃油的測試結果可知，兩種燃油在穩態測試下的有效熱效率并沒有顯著差異。此外，圖11給出了1個例子，在轉速2 000 r/min時，兩種不同燃油對有效熱效率的影響很小。

圖10 4.3 L發動機燃用E0燃油不停缸時的有效熱效率

18 結論

本文介紹了一種發動機測試方法，即在發動機臺架上延長線束與車輛連接。特別關注了真實車輛的模擬行駛情況，目的是保證臺架上發動機ECU的工作與在行駛的車輛上一致。發動機ECU控制的關鍵是包括電信號集成在內的臺架設置細節。

圖11 在轉速2 000 r/min時，不同燃油對有效熱效率的影響

對標試驗結果包含的發動機油耗脈譜展示了停缸技術的效果。ECU控制發動機在中低轉速和中低負荷時實現停缸。停缸可使發動機效率最大提升11%。

發動機臺架穩態測試表明停缸有利于提高有效熱效率，轉轂試驗揭示了實施停缸的轉速、負荷和停缸比例。整車循環測試結果顯示在FTP循環冷起動階段1和瞬態工況階段2下，停缸循環比例占40%，在高速公路循環中該比例為44%。結果表明，即使發動機在可能停缸的轉速和負荷工況范圍內也因為受到限制沒有停缸。將穩態數據輸入到ALPHA模型進行模擬時要考慮到這些限制。

進行了兩種燃油對有效熱效率影響的試驗研究，RON 88的E10(LEV Ⅲ級)和RON 92的E0(Tier2)對有效熱效率影響很小。

本試驗中發動機的運行和油耗測試結果是可靠的。為了進行2022-2025年輕型車溫室氣體排放法規的中期評估，將試驗發動機數據作為ALPHA模型的輸入數據，以預測整車轉轂試驗的油耗。