柴油機裝車實際高原環境應用特征分析及驗證用試驗循環開發

冀樹德，楊天軍，劉逢春，唐智，孔祥鑫，楊文影，魏鵬程，賈曉亮，康佐明

(1.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400；2.陸軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐臨汾地區軍事代表室，山西 侯馬 043011；3.廊坊市北方天宇機電技術有限公司，河北 廊坊 065000)

據統計，我國海撥1 000 m以上高原地區覆蓋面積65%以上，而以柴油機為動力的汽車運輸和工程機械在我國高原地區占有重要地位。因此，柴油機適應性對于高原運輸、裝載能力的改善具有重要的意義[1-3]。

按照傳統方法，柴油機定型后進行高原道路試驗，暴露問題后改進設計驗證后再生產，研制周期長且成本較高，還受現場路試條件和整車傳感器安裝的限制，高原路面不能全部遍歷，關鍵運行特征不能及時捕捉。為了使柴油機動力系統在定型裝車前將潛在問題最大程度暴露，同時加快柴油機研制進程，高原用柴油機裝車前通常需經過高原模擬環境系統的測試和驗證。然而，利用試驗室高原模擬環境系統驗證合格的柴油機在高原實際使用過程中仍出現動力不足、經濟性差、熱負荷高，甚至零部件失效等問題。文獻[1]和文獻[4]提出了柴油機試驗設計的方法，文獻[1]注重穩態工況的載荷力，文獻[4]更加注重道路實際工況的結合，二者設計都未考慮高原條件。

本研究主要基于三型工程機械用柴油機，收集其使用過程中的運行數據，分析柴油機高原應用呈現的狀態和特征，并構建表達高原特征的試驗循環，以解決柴油機高原臺架試驗方法不足的問題。

1 試驗數據的采集和處理

1.1 柴油機特征信息

觀察對象主要為表1所示的三型增壓中冷電控柴油機，主要用途為工程機械，具有一定的代表性。

表1 柴油機主要技術參數

1.2 行駛數據采集

為了最大程度發現柴油機高原應用存在的問題，主要觀察三型柴油機在海拔4 000 m以上高原地區的運行行為，并預先布置傳感器(見表2)捕捉柴油機性能特征，觀察累計約1年，采集數據能夠代表柴油機運行的特征。

表2 傳感器布置位置

1.3 數據標準化處理

為了確保裝不同車輛柴油機之間載荷分布的可比較性，同時方便統一分析柴油機呈現的特征，對采集的數據按照式(1)進行標準化處理。

式中：Xnorm表示標準化參數；xmax表示運行參數的設計上限；xmin表示運行參數的設計下限；xact表示運行參數的實測值，可為實際轉速、實際扭矩、排氣溫度、出水溫度、機油壓力等。

2 柴油機高原特征分析

2.1 實際運行特征分析

柴油機實際使用過程中轉速和扭矩分布見圖1。由圖1可知，柴油機裝車實際使用過程中存在超標定轉速和超怠速轉速的使用情況，其中超標定轉速使用占比近10%，也存在部分低于怠速轉速使用情況并有扭矩輸出；柴油機工作主要集中在50%～100%的中高轉速區間，使用率高達71.5%，在該轉速范圍內柴油機輸出扭矩多數情況都高于10%最大扭矩；在0%～50%的中低轉速區間，柴油機使用率低，僅為15.7%，其中以中高負荷運轉為主，即主要集中在60%最大扭矩以上負荷運行。總的來看，柴油機高原運行主要集中在最大扭矩轉速和標定轉速之間。

圖1 標準化轉速和扭矩分布

柴油機裝車在高原使用時的功率輸出情況見圖2，最大輸出功率100%，說明適應性控制合理，抑制了高原環境功率降低的發生。近60%以上運行工況輸出功率高于50%，各輸出功率段使用率都高于10%，其中以80%～90%輸出功率段的使用率最高，約16%。結合圖1，輸出功率高于50%的行為主要發生在30%～105%的標準化轉速區間，相當于實際轉速區間為1 220～2 270 r/min。中低功率運行行為較少，使用率低于40%。

圖2 輸出功率分布及使用情況

2.2 呈現狀態特征分析

由于整車傳感器安裝位置的局限，呈現狀態特性分析主要針對電控系統監控參數進行，各參數總體運行變化見圖3至圖5。

圖3 柴油機水溫變化情況

由圖3知，柴油機裝車高原使用過程中，駕駛員嚴格遵守了柴油機維護使用說明，即每次行駛前加熱冷卻水至要求溫度。約占2%的水溫低于控制要求，考慮為車輛行駛前柴油機加熱過程中數據。然而，柴油機隨車使用過程中冷卻水溫很難控制在預定的目標區，實際上僅有22.5%行為在控制區，75.5%行為都超過了水溫控制上限，最高超限達125%。按照試驗室臺架試驗的經驗，柴油機80%以上運行行為冷卻水溫都在目標控制區，很少有超限的情況，這說明臺架驗證未能全面考慮柴油機實際狀況。

由圖4知，柴油機裝車實際使用過程中，機油壓力基本都在正常工作區域，但下限設計較大致使較多工況點機油壓力存在超下限的行為。柴油機機油壓力下限實際是隨轉速變化的4次多項式曲線：y=-4×10-7x4+ 0.000 1x3-0.016 9x2+1.038 1x-7.010 8，而設計的控制要求是階躍線，且高于使用值，說明設計不是很合理。此外，個別工況點存在機油壓力超上限和超下限的行為，超限幅度較小，且不連續，考慮為瞬態行為，可忽略。

圖4 柴油機機油壓力變化情況

圖5 柴油機排氣溫度變化情況

由圖5知，柴油機裝車高原實際使用過程中，各轉速下最低排氣溫度值隨轉速呈線性變化：y=0.364x+5，即隨轉速增加，最低排氣溫度增加。在幾乎整個轉速區間內，排氣溫度都有超上限的情況，最高超限達120%，遠超過臺架試驗時極值溫度，尤其在中間轉速附近超上限發生率最高，說明柴油機裝車實際使用過程中在中間轉速附近大負荷工作較為頻繁。此外，柴油機裝車行駛過程中工況瞬態變化，加之水溫、油溫等條件的不可控，整體散熱不好，出現較多的排溫超限的情況。

以8缸機為例，柴油機裝車實際行駛過程中增壓比要比臺架試驗時測得的值大(見圖6)，而且在30%～100%轉速范圍內，增壓比存在超過設計值的情況，其中最大扭矩轉速工況增壓比最大，且超出最多。通常，臺架高原模擬試驗時柴油機以穩態工況為主，而實際使用時柴油機大部分時間處于瞬態工況運行，這可能是導致增壓比超過設計值的主要因素。

圖6 柴油機增壓比變化情況

3 研制驗證用試驗循環設計

3.1 總體運行特征表達

柴油機實際使用時運行特征不能在臺架試驗時充分驗證，以致一些潛在問題在用戶使用時發生。考慮這一情況的存在，有必要制定能表征實際行駛行為的瞬態試驗循環，進而補充和完善臺架試驗驗證的手段和方法[5]。

車輛行駛過程柴油機運行工況的變化是駕駛員行為、路面形式等共同作用的結果，是轉速、扭矩隨時間隨機變化的歷程，規律性差，難以形成統一臺架驗證循環。為了方便描述柴油機裝車實際使用特征，設計獨立參數和組合參數進行描述，包括轉速和扭矩、功率、轉速變化率、扭矩變化率、扭矩和轉速變化率、轉速和扭矩變化率、功率變化率，并設計單個試驗循環的總時間為10 min。對參數(如轉速、扭矩、功率等)變化率的定義如下：

式中：R表示參數變化率；X表示標準化參數(如轉速、扭矩或功率)；T表示采集時間點，本研究中所用采樣頻率為1 Hz，即Ti+1-Ti=1 s。為了進一步具體化柴油機裝車后的總體特征，引入參數相對發生率(RFO)，即劃分區間內特征發生頻率數所占用于特征分析總數的百分比。

基于道路載荷數據的柴油機總體運行特征見圖7至圖13。圖7示出柴油機高頻行為主要集中在低轉速低扭矩和高轉速高扭矩區。圖8顯示柴油機中高功率段運行較頻繁，其中80%～90%功率區間運行最為頻繁，對應轉速和扭矩的I9區，即中高轉速、中高扭矩區。圖9、圖10和圖13呈現出大致相同的特征，即高頻行為主要集中在中間區域，符合正態分布規律。圖11顯示轉速變化主要集中在-10 %/s～10 %/s之間，對應全部扭矩區間分布較為平均，其中轉速正變化在扭矩90%～100%時分布最大。圖12示出轉速和扭矩變化率的總體分布特征，高頻行為也是主要集中在扭矩-10%～10%之間區域，轉速方向高轉速區域柴油機運行行為更頻繁。

圖7 轉速和扭矩描述的總體特征

圖8 功率描述的總體特征

圖9 轉速變化率描述的總體特征

圖10 扭矩變化率描述的總體特征

圖11 轉速變化率和扭矩描述的總體特征

圖12 轉速和扭矩變化率描述的總體特征

圖13 功率變化率描述的總體特征

3.2 特征提取及循環制定

為了獲得代表總體特征的試驗循環用于臺架試驗驗證，在以標準化轉速和標準化扭矩為特征的全部載荷歷程中，從起點開始截取窗口長度L=600的載荷數據(見圖14)，計算7種特征參數(包括轉速和扭矩、功率、轉速變化率、扭矩變化率、扭矩和轉速變化率、轉速和扭矩變化率、功率變化率)的x2校驗，移動窗口L/6長度，繼續計算7種參數x2校驗，直至窗口移至最后一點，選取x2校驗值總體較小的一段作為待定試驗循環。對選定的試驗循環進一步進行局部調整，以使7種參數的x2校驗值都小于對應卡方分布臨界值。

圖14 L=600的載荷數據載取

待定試驗循環選取過程中，所用x2校驗的計算方法為

式中：O表示觀察發生頻率；E表示期望發生頻率。

對于每種特征參數，在每一區間進行x2校驗計算，并整體求和，其結果應小于自由度和P(x2>xa2)=0.1確定的卡方分布臨界值。如自由度為15，P(x2>xa2)=0.1確定的卡方分布臨界值為22.31，x2分布計算的結果應小于該值。實際上，x2校驗值越小，表明所選循環與道路載荷總體特征越接近，也越能代表對應路面道路載荷數據整個歷程分布特征。

對于組合特征參數“標準化轉速和標準化扭矩”，在各區間利用相對發生率(RFO)計算期望發生數與觀察發生數，結果見表3。選取數據段計算x2校驗值為49.29，小于卡方分布臨界值152.12，滿足要求。根據這一原則，并結合局部的調整，最后確定的試驗循環見圖15。

表3 組合特征參數(標準化轉速和扭矩)的分布情況

圖15 最終臺架試驗循環

如圖16所示，最終確定試驗循環的轉速和扭矩分布與載荷總體分布(見圖1)具有相似性，轉速和扭矩遍歷分布外輪廓與總體是一致的，行為特征主要集中在中高轉速區，這與總體也是一致的。因此，確定的試驗循環能夠代表總體特征，可用于高原模擬臺架開展的臺架驗證。

圖16 最終循環的轉速和扭矩分布

4 結論

a) 柴油機在海拔4 300 m以上實際高原環境地區運行存在較為嚴重的超速行駛行為，超速高達130%；運行主要集中在中高轉速中高負荷區域；以中高功率輸出為主，其中以大于50%輸出功率占較高的比例；

b) 柴油機在海拔4 300 m以上實際高原環境地區運行，冷卻水溫度存在嚴重的超限行為，排氣溫度也存在超限行為；各轉速排溫下限隨轉速呈線性變化；各轉速機油壓力下限隨轉速呈4次多項式關系變化，存在輕微超限行為；

c) 柴油機高原使用增壓比存在超過設計值的行為，其中在最大扭矩轉附近，增壓比高達3.5；

d) 設計轉速和扭矩、功率、轉速變化率、扭矩變化率、扭矩和轉速變化率、轉速和扭矩變化率、功率變化率等參數，設定分度區間，采用相對發生率分析方法實現了道路載荷特征的描述和分析；

e) 針對臺架驗證不充分的問題，基于獨立參數和組合參數設計了可代表柴油機裝車道路運行行為的試驗循環，可用于高原環境模擬條件下的性能驗證。