基于實測與仿真耦合的發動機瞬態轉矩的在線檢測*

夏 言 董 浩 劉敬平 李洋洋 宋融峰

（1-湖南省產商品質量監督檢驗研究院 湖南 長沙 410007 2-湖南大學先進動力總成技術研究中心 3-湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室）

引言

發動機轉矩的精確測量對缸內燃燒的狀態評估以及控制十分重要，轉矩的在線檢測與發動機自動控制、排放監控和故障診斷密切相關。無論是傳統燃油車還是混合動力汽車，在實車運行狀態下對發動機的轉矩實時精確監測以及控制都是提高發動機熱-功轉換效率，降低發動機油耗及排放的關鍵[1-2]。

當前，整車狀態下發動機的轉矩檢測主要有2種方式：

1）通過整車通訊協議實時讀取電子控制單元（ECU）中發動機轉矩值。但一方面，此方法存在采樣頻率及信號可信度低的問題，難以捕捉發動機在瞬態工況下的轉矩變化；另一方面，此方法只適用于標定公司或提供通信協議的公司，對于第三方來說，無法借此獲取發動機實時轉矩。

2）在無通信協議的情況下，通過對影響發動機轉矩的運行、控制參數進行定性或定量研究，推演出能夠預測發動機轉矩的模型。

眾多學者對發動機轉矩的精確測量開展了相關研究，結果表明，發動機工作時可被表示為動態控制的體積腔[3]，因此可以通過對影響發動機轉矩的參數進行分析、建模，達到預測發動機轉矩的目的。DU C.等人[4]和Tadashi I.等人[5]分別采用人工神經網絡（artificial neural network，ANN）和混沌理論（chaos）開發出了相應的轉矩預測模型。Togun N.等人[6]和Arcaklioglu E.等人[7]則采用基于BP 神經網絡（backpropagation neural network，BPNN）的轉矩預測方法。Taraz D.建立了發動機轉速和轉矩的統計模型[8-9]。Ali S.等人基于多層神經網絡模型，采用頻率響應函數（frequency response function，FRF）估算曲軸動態轉速，達到了預測每一循環發動機轉矩的目的[10]。Li Zhixiong 等人提出基于離散滑模觀測器（sliding model observer，SMO）的在線估計算法來預測發動機轉矩[11]。然而，現有的預測方法仍存在學習速度慢、容錯能力差、算法不完備、樣本數據量大等缺點。

此外，還有一種通過在輸出軸上加裝轉矩傳感器實測發動機轉矩的方式。但轉矩傳感器不僅價格昂貴，而且在整車狀態下安裝難度大、通用性差（針對每一輛車，輸出軸都需進行重新標定），甚至會出現因發動機輸出軸與變速器之間的布置空間太小而導致無法安裝的問題。因此，如何在整車環境下獲取真實可信的高頻率發動機瞬態輸出轉矩，關系到車載環境發動機熱效率測試、混合動力系統動態協調控制、整車能量流評價等關鍵技術的研究。

本文提出一種基于信號實測與數模仿真耦合的車用發動機動態轉矩的整車在線檢測與評價方法，能夠解決現有技術不能精確地在線檢測發動機變工況下實時轉矩的問題。

1 方法和原理

發動機的熱功轉換效率主要由換氣過程、缸內燃燒過程決定，還與運動件的摩擦損失、各種相關附件損失有關[12-13]。燃燒放熱過程的相位以及燃燒效率反映了熱功轉換的質量，這主要取決于混合氣燃燒產生的熱量轉換成活塞指示功的效率，即指示熱效率。對于換氣過程，換氣結束時進氣量的多少和換氣過程中的泵氣損失是影響發動機熱功轉換過程的主要因素。一般情況下，附件損失很小，大約在300 W左右。運動件的摩擦損失主要與發動機轉速有關，其隨發動機轉速增高而增大。總之，對發動機熱效率影響最大的是燃燒放熱過程，也是熱功轉換過程中最重要的部分。

每個曲軸轉角都有對應的瞬時氣缸容積。可以根據發動機活塞的行程和氣缸直徑等參數來計算瞬時氣缸容積。

氣缸的瞬時容積采用如下公式計算：

式中：V 為瞬時氣缸容積，L；S 為行程，mm；D 為缸徑，mm；λ 為曲柄連桿比；ε 為壓縮比；φ 為曲軸轉角，（°）CA。

四沖程發動機的一個完整工作循環包括高壓循環和低壓循環。進氣過程和排氣過程組成低壓循環，壓縮過程和燃燒膨脹過程組成高壓循環。高壓循環的平均指示壓力計算公式為：

式中：IMEPHP為發動機高壓循環平均指示壓力（下標“HP”代表“高壓”，書寫時通常省略），一般表示為IMEP；p（φ）為缸內動態壓力在曲軸轉角為φ 時所對應的瞬時壓力，kPa；Vh為氣缸的有效工作容積，L；dV 為氣缸工作容積的微分；此處將曲軸轉角零點默認為點火上止點。

低壓循環過程的平均泵氣損失壓力計算公式為：

式中：PMEP 為發動機的平均泵氣損失壓力，kPa；p（φ）為缸內動態壓力在曲軸轉角為φ 位置時對應的瞬時壓力，kPa；dV 為氣缸工作容積的微分；Vh為氣缸的有效工作容積，L。

因此，在一個完整的工作循環中，發動機的凈平均指示壓力計算公式為：

式中：IMEP 為發動機的高壓循環平均指示壓力，kPa；PMEP 為發動機低壓循環平均泵氣損失壓力，kPa；NMEP 為發動機一個完整工作循環的凈平均指示壓力，kPa。

瞬態工況下的機械損失壓力（FMEP）可由發動機轉速和進氣壓力進行插值得到。其中，發動機轉速和進氣壓力主要在發動機穩態臺架上獲取。如無法獲取穩態發動機性能MAP，則可以通過已獲得的同類型發動機完整的萬有特性性能數據，總結共性規律得出[14]。

因此，發動機的平均有效壓力（BMEP）可采用如下公式計算：

式中：FMEP 為瞬態工況下的機械損失壓力，kPa。

發動機的瞬態轉矩可采用如下公式計算：

式中：Ttq為發動機的瞬態轉矩，N·m；τ 為沖程數（對于四沖程內燃機：τ=4，對于二沖程內燃機：τ=2）。

2 測試裝置及流程

基于信號實測與數模仿真耦合的車用發動機動態轉矩的整車在線檢測裝置，其結構如圖1 所示，主要部件為進氣側動態壓力傳感器、氣缸動態壓力傳感器、轉速傳感器、電荷放大器、瞬態數據采集設備和計算機等。

圖1 在線檢測裝置的結構示意圖

測試過程為：通過并聯屏蔽線束的方式，將發動機的轉速信號輸出到瞬態數據檢測設備中。發動機轉動1 圈所產生的360 個曲軸轉角脈沖信號中，包含1 個幅值高于其它脈沖的觸發信號，通過讀取該脈沖信號確定發動機的轉速。

計算機與瞬態數據采集設備通過數據線連接，接收瞬態數據采集設備所采集的對應數據（讀值），獲取發動機轉速、發動機的進氣側壓力、缸內動態壓力，并計算出發動機的IMEP 和PMEP；另外，依據發動機的轉速與進氣側壓力插值得到FMEP，計算發動機的BMEP；最后基于公式（6）計算出發動機的轉矩。

利用上述檢測裝置，可實現車用發動機動態轉矩的整車在線檢測與評價，能夠準確檢測發動機在整車狀態下運行時的實時輸出轉矩。該在線檢測方法實施流程如圖2 所示。

圖2 在線檢測方法的流程圖

包括如下步驟：

1）起動發動機運行，并完成各個信號處理器調試。起動發動機，根據試驗規范和標準調整發動機轉速及負荷，使其在預定試驗工況下運行；調節發動機的各項試驗參數指標，記錄試驗數據；起動檢測儀，確認上述對應的傳感器與檢測儀的端口一一接好，在檢測儀中輸入發動機基本參數及傳感器的參數。在進行正式試驗之前，需調整上止點，并將上止點信息儲存在檢測軟件中，避免發動機重啟后丟失上止點。

2）檢測發動機轉速、發動機進氣側壓力、缸內動態壓力。通過轉速傳感器讀取發動機轉速，通過進氣壓力傳感器讀取發動機進氣側壓力，通過缸內動態壓力傳感器采集缸內動態壓力。

3）根據缸內動態壓力與氣缸容積變化率的乘積積分，分別得到循環做功量、泵氣損失功，除以排量即得到IMEP、PMEP，NMEP=IMEP-PMEP。

4）基于實測發動機轉速和進氣壓力，在發動機的穩態臺架性能實測MAP 上插值得到機械損失壓力，用FMEP 表示。

5）根據計算出的IMEP 和PMEP，結合插值得到的FMEP，計算發動機的平均有效壓力BMEP，并結合發動機的排量計算出發動機的瞬態轉矩。

3 各缸均勻性分析

由于本方法只選取了一個氣缸的氣缸壓力進行數據采集分析，所以需要考慮瞬態工況下多缸發動機各缸之間的差異性。

以某四缸汽油機為例，在每一個氣缸均安裝動態壓力傳感器，同時測量所有4 個氣缸中的瞬態氣缸壓力。圖3 為發動機轉速隨時間的變化，圖4 為瞬態工況下發動機每個氣缸的IMEP 變化。圖5 為瞬態工況下發動機每個氣缸的IMEP 循環變動率。圖6 為每個氣缸的過量空氣系數。圖7 對比了每個氣缸的過量空氣系數循環變動率。可以看出，各缸IMEP 之間的差異主要來自于各缸之間循環進氣量與噴油量的細微差別；另外，循環變動率也是導致多缸發動機各缸性能不均勻的誘因。總的來說，各缸IMEP 與IMEP 平均值的差別不大于5%；且各缸IMEP 與IMEP 平均值的差別模式固定：即低于平均值者總是低于平均值，反之亦然。

圖3 瞬態工況下發動機轉速的變化

圖4 瞬態工況下發動機各缸IMEP 循環均勻性的對比

圖5 瞬態工況下發動機各缸IMEP 循環變動率

圖6 瞬態工況下發動機各缸過量空氣系數Φat 對比

圖7 瞬態工況下某發動機各缸過量空氣系數Φat 循環變動率

因此，可以通過對一個氣缸的氣缸壓力進行數據采集來表征整個發動機的性能。

4 方法驗證

為驗證本文提出的基于信號實測與數模仿真耦合的車用發動機動態轉矩檢測方法的準確度與精度，分別開展了發動機臺架瞬態（Load step）試驗以及整車道路循環試驗。

4.1 臺架瞬態試驗

發動機臺架瞬態性能可認為是臺架穩態工況到整車瞬態工況之間的過渡。因此，針對某柴油機開展典型轉速（1 800 r/min、2 000 r/min、2 200 r/min、2 400 r/min 等）下恒轉速全負荷加載瞬態試驗研究，試驗發動機參數如表1 所示。

表1 發動機基本參數

將上述發動機瞬態轉矩檢測技術應用于該試驗，試驗方法為：首先將發動機穩定在各種轉速下的某一小負荷工況；然后節氣門在預定時間內（0.2 s、5 s 等）全開，測功機按等轉速控制模式運行；之后全程記錄發動機進氣壓力、轉矩和轉速等參數；壓力傳感器采集的瞬態氣缸壓力和進氣壓力信號通過電荷放大器轉換后輸入瞬態檢測分析儀，轉速信號由專用通道輸入瞬態檢測分析儀；瞬態檢測分析儀獲取發動機轉速信號后，將轉速信號轉換為曲軸轉角信號，然后基于曲軸轉角信號記錄氣缸壓力、進氣壓力等瞬態信號；然后，瞬態氣缸壓力和進氣壓力信號實時耦合到瞬態檢測分析儀里的計算程序（軟件）。由此可以得到IMEP、PMEP 等性能參數，繼而得到發動機的瞬態轉矩。

圖8 為發動機臺架上恒轉速、0～全負荷瞬態加載（Load-Step）試驗中發動機轉矩計算值與AVL 動態測功機臺架實測值對比的結果。從圖8 可以看出，基于氣缸壓力計算的發動機轉矩與發動機臺架的實測結果吻合良好，表明所開發的基于信號實測與數模仿真耦合的車用發動機動態轉矩在線檢測技術具有相當高的精度和可信度。

圖8 臺架瞬態試驗轉矩計算值與實測值對比

4.2 整車道路循環試驗

對2 輛樣車開展整車道路循環試驗并對發動機轉矩檢測方法的精度進行驗證，試驗樣車主要技術參數如表2 所示。主要設備參數如表3 所示。在車輛驅動軸上安裝轉矩儀（由應變片、信號輸出設備和信號接收器組成），記錄車輛運行時輸出的發動機轉矩，如圖9 所示。

表2 試驗樣車主要技術參數

表3 測試設備規格

圖9 整車試驗的動力性能測試方法示意圖

圖10 為整車NEDC 循環工況下轉矩計算值與實測值的對比。

圖10 道路工況下樣車輪端轉矩實測結果與基于本方法計算結果對比

由圖10 可知，基于發動機氣缸壓力計算的轉矩與實測值高度吻合，總體偏差小于4%，驗證了本方法的準確度及精度。

5 結論

1）通過耦合先進傳感器技術以及發動機工作過程的數值仿真技術，將較難實現的瞬態轉矩的直接測試轉化成相對較容易實現的動態氣缸壓力測試，提供了一種道路工況下連續、在線檢測車用發動機瞬態轉矩的簡化方法。

2）汽油機各缸的工作均勻性（IMEP）誤差在5%以內，且各缸之間IMEP 的相對差別的形態不隨發動機轉速、負荷的變化而變化。因此，采用一個動態氣缸壓力傳感器代替每缸一個氣缸壓力傳感器，可進一步降低本方法的傳感器費用，而帶來的誤差在可接受的范圍內。

3）本方法無需在輸出軸上加裝轉矩傳感器即可對發動機飛輪端的瞬態轉矩進行在線檢測，可用于整車測量，應用范圍更加廣泛。

4）通過與臺架瞬態工況測試結果和采用應變片式轉矩儀在整車上實測的結果進行對比，驗證了本方法的準確度及精度，為整車運行條件下發動機的實際工作狀態的辨識、分析和優化調整提供了一種基礎手段。