基于發動機在環的重型車PEMS測試方法研究

鄭春芳 李騰騰 汪曉偉

摘 要：為了重型車PEMS測試排放結果滿足國六法規要求，文章基于發動機在環系統對重型車PEMS試驗方法進行研究。通過對駕駛員模型換擋策略的研究使VSM模擬工況與實際道路PEMS工況分布一致。經過對試驗結果對比分析，發動機在環測試系統油耗及排放水平能達到與實際道路試驗相近的測試結果。發動機在環平臺可以實現PEMS循環重復性測試，減少實車測試次數和風險，縮短整車正向開發周期。

關鍵詞：發動機在環;PEMS;換檔策略;重復性測試

中圖分類號：U463.8 ?文獻標識碼：B ?文章編號：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

我國汽車產業的快速發展，帶來巨大經濟效益，也給環境帶來尾氣污染，其中重型車尾氣污染尤為嚴重。我國環保部門高度重視重型車排氣污染物的治理，出臺一系列監管和處罰措施。《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）法規增加了對整車實際道路排放測試要求^[1]。

在整車實際道路排放的優化過程中，通常采用的測試設備為便攜式排放測試系統（PEMS），該類型設備需要面對實際交通情況、外部環境溫度、天氣條件、路面坡度等一系列不可控的外部因素，對整車開發試驗測試數據的精準性、可重復性影響非常大。

發動機在環（Engine-in-Loop，EIL）是將真實發動機和排放設備與整車模擬模塊（Vehicle Simulation Model，VSM）連接，通過測試連接模塊傳輸信號而搭建的測試平臺。發動機作為動力輸出，排放設備負責監測排放污染物數值，虛擬整車模型和駕駛員模型代替真實整車行駛。該平臺能夠消除發動機模型帶來的誤差，采用最先進的排放測試系統，具有測試精準的優勢。

早在2008年，AVL與VOLVO兩家公司合作，首次將發動機在環技術應用到一款新型卡車開發測試中。2012年，AVL公司開始為整車企業提供發動機在環仿真技術在整車開發過程中的測試和分析服務。迄今為止，發動機在環技術在國外已得到應用和推廣，尤其在輕型車開發領域，已經得到廣泛認可^[2]。目前，國內發動機在環仿真還處于起步階段，一汽大眾已在新能源汽車開發領域有所應用，劉雙虎、孔垂穎等對發動機在環仿真技術的表征指標一致性和真實性進行了研究^[3]。本文研究采用發動機在環技術將真實的路面信息和駕駛路徑在VSM系統中再現，進而減少實車路面駕駛次數，提升測試數據的精確性和可重復性^[4-8]。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

發動機在環測試平臺，包括發動機、電力測功機、排放設備、PUMA控制系統、測試連接（Test.CONNECT）系統及VSM軟件。系統工作原理如圖1，整車模型參數下載到VSM軟件系統中，根據設定好的駕駛循環，由模擬駕駛員進行駕駛行為，根據車速、檔位、行駛阻力等參數計算出發動機的轉速和扭矩，通過?Test.bed.CONNECT，發送給臺架控制系統?PUMA，PUMA 控制測功機轉速和發動機油門開度，發動機做出相應的動作，此時臺架的傳感器采集發動機參數，經?PUMA 傳回?VSM 系統，作為整車模型的輸入參數，參與下一個步長整車動力學模型計算^[4]。

本試驗平臺應用了AVL公司440kW型號為INDY P44-4/?1867-1XS-1的測功機，能夠準確讀取發動機轉速、扭矩、功率等重要參數;進氣系統采用AVL公司ACS2400FH，控制進氣溫度及濕度，保證進氣過程溫度及濕度是恒定的;油耗儀選用AVL公司735s/753C，確保進油溫度恒定;排放采樣分析系統選AVLAMA i60分析儀，對排氣中各個污染物進行精準測量;顆粒采樣選用AVL公司SPC 472及AVL 489顆粒物計數器;實時系統（Test.bed.CONNECT）用于實現將VSM系統輸出的信號傳輸給PUMA系統，也可以將PUMA從發動機端收集到信息傳遞給VSM。具體測試設備名稱如表1。

發動機是選用某國六標準發動機，詳細的發動機及整車參數見表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗邊界條件控制

為了保證試驗數據有效，在試驗前，控制標定點試驗邊界條件如表3：

1.2.2 實際行駛路線在模型中的平順

為了使發動機在環系統真實模擬整車實際道路行駛路線，需要將真實的PEMS信息包括時間、車速、經度、緯度、海拔信息導入谷歌地圖，確認PEMS實際路徑及地理位置，對車輛行駛過程中，交通信號燈或交通堵塞導致的重復路線，顛簸路面導致的不光滑點進行平順，PEMS路徑平順前后對比如圖2和圖3。

平順好的PEMS路徑導入到VSM軟件中通過調整曲率、加速度、路面坡度、路面模型等參數最后形成平順的路面文件。將導出的路面文件導入到VSM軟件中，這樣在發動機在環平臺上可以重復真實車輛PEMS循環。

1.2.3 換擋方案^[5-9]

平順后數據導入到VSM，VSM系統車速與實際路面車速具有很好的跟隨行如圖4所示，但是PEMS行駛的發動機工況點與VSM具有很大的差異性（圖5 ），為使VSM工況點與實際道路工況點保持一致需要調節VSM駕駛員模型的換擋策略。

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

2 PEMS循環測試結果及分析

2.1 基于三種換擋方案工況結果分析

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

換擋策略方案2調整（100-300）rpm后，VSM工況點與PEMS實際工況點重合區域較方案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調整（100-400）rpm，基于前兩方案的調整，此次換檔轉速進行小幅度調整，通過微調轉速，VSM工況分布基本與實際工況重合，如圖8所示。駕駛員模型換擋策略與實際情況基本吻合。

通過以上3種方案PEMS工況與VSM工況對比分析，發現方案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與實際道路PEMS結果分析

基于以上換檔策略研究結果，結合在VSM系統中搭建的道路模型、整車模型、駕駛員模型，將實際的整車工況在發動機在環系統進行復現測試，并對VSM的測試結果與實際整車PEMS測試結果進行對比。

2.2.1 CO₂排放對比

根據碳平衡原理，CO₂排放能夠表征整車燃油消耗。從圖9可以看出，發動機在環仿真系統和整車實際道路排放測試設備在PEMS工況下，測得數據趨勢基本一致，累計結果偏差約為5%。

2.2.2 NOx排放對比

從圖10可以看出，PEMS設備測得的NOx趨勢與發動機在環設備測得的NOx趨勢基本一致，NOx累計偏差在6.5%。3200秒之前，NOx累計偏差在5%，（3200-7800）秒之間，NOx排放累積量偏大，這主要是因為NOx排放與SCR轉化效率有關。SCR轉化效率受催化器前排氣溫度有的影響，進入催化器溫度對比如圖11。催化器前端溫度在3500秒以內PEMS和VSM有10℃左右偏差，NOx差異4%左右。（3500-9000）秒范圍，發動機在環催化器前端溫度高于整車發動機催化器前端?30℃，NOx排放差異明顯，累計量偏差在7%。除此，NOx累計排放量偏差還與測試設備、排氣管路長度等因素相關。

2.2.3 PN排放對比

圖11為PEMS測得的PN累計排放與發動機在環系統測得的PN累計排放對比，累積量偏差在10%左右。從圖中可以看出，PEMS測得的PN累計排放與發動機在環系統測得的PN累計排放趨勢基本一致。排放污染物中的顆粒物經過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 結論與展望

本文基于發動機在環系統通過? ? ?對重型車PEMS測試方法的研究，得出以下結論：

（1）通過對駕駛員模型中換擋轉速的優化，能夠實現實際道路PEMS工況與VSN工況分布基本一致。

（2）經過對VSM系統與實際PEMS循環油耗表征參數CO₂以及主要排氣污染物NOx、PN分析發現，發動機在環測試系統油耗及排放水平能達到與實際道路試驗相近的測試結果。

因此，發動機在環平臺可以實現PEMS循環重復性測試，這種研究方法可以縮短整車正向開發周期，減少實車試驗次數、風險。

參考文獻

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