柴油機裝車實際高原環(huán)境應(yīng)用特征分析及驗證用試驗循環(huán)開發(fā)

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

據(jù)統(tǒng)計，我國海撥1 000 m以上高原地區(qū)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(qū)占有重要地位。因此，柴油機適應(yīng)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(tǒng)方法，柴油機定型后進行高原道路試驗，暴露問題后改進設(shè)計驗證后再生產(chǎn)，研制周期長且成本較高，還受現(xiàn)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(guān)鍵運行特征不能及時捕捉。為了使柴油機動力系統(tǒng)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(jīng)過高原模擬環(huán)境系統(tǒng)的測試和驗證。然而，利用試驗室高原模擬環(huán)境系統(tǒng)驗證合格的柴油機在高原實際使用過程中仍出現(xiàn)動力不足、經(jīng)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(shè)計的方法，文獻[1]注重穩(wěn)態(tài)工況的載荷力，文獻[4]更加注重道路實際工況的結(jié)合，二者設(shè)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(shù)據(jù)，分析柴油機高原應(yīng)用呈現(xiàn)的狀態(tài)和特征，并構(gòu)建表達高原特征的試驗循環(huán)，以解決柴油機高原臺架試驗方法不足的問題。

1 試驗數(shù)據(jù)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(shù)參數(shù)

1.2 行駛數(shù)據(jù)采集

為了最大程度發(fā)現(xiàn)柴油機高原應(yīng)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(qū)的運行行為，并預(yù)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(shù)據(jù)能夠代表柴油機運行的特征。

表2 傳感器布置位置

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)一分析柴油機呈現(xiàn)的特征，對采集的數(shù)據(jù)按照式(1)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式中：Xnorm表示標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)；xmax表示運行參數(shù)的設(shè)計上限；xmin表示運行參數(shù)的設(shè)計下限；xact表示運行參數(shù)的實測值，可為實際轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)定轉(zhuǎn)速和超怠速轉(zhuǎn)速的使用情況，其中超標(biāo)定轉(zhuǎn)速使用占比近10%，也存在部分低于怠速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速區(qū)間，使用率高達71.5%，在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)柴油機輸出扭矩多數(shù)情況都高于10%最大扭矩；在0%～50%的中低轉(zhuǎn)速區(qū)間，柴油機使用率低，僅為15.7%，其中以中高負荷運轉(zhuǎn)為主，即主要集中在60%最大扭矩以上負荷運行?？偟膩砜?，柴油機高原運行主要集中在最大扭矩轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速之間。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)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(yīng)性控制合理，抑制了高原環(huán)境功率降低的發(fā)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(jié)合圖1，輸出功率高于50%的行為主要發(fā)生在30%～105%的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)速區(qū)間，相當(dāng)于實際轉(zhuǎn)速區(qū)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(xiàn)狀態(tài)特征分析

由于整車傳感器安裝位置的局限，呈現(xiàn)狀態(tài)特性分析主要針對電控系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)進行，各參數(shù)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(shù)據(jù)。然而，柴油機隨車使用過程中冷卻水溫很難控制在預(yù)定的目標(biāo)區(qū)，實際上僅有22.5%行為在控制區(qū)，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(jīng)驗，柴油機80%以上運行行為冷卻水溫都在目標(biāo)控制區(qū)，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(qū)域，但下限設(shè)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(zhuǎn)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(shè)計的控制要求是階躍線，且高于使用值，說明設(shè)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(xù)，考慮為瞬態(tài)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(zhuǎn)速下最低排氣溫度值隨轉(zhuǎn)速呈線性變化：y=0.364x+5，即隨轉(zhuǎn)速增加，最低排氣溫度增加。在幾乎整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，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(zhuǎn)速附近超上限發(fā)生率最高，說明柴油機裝車實際使用過程中在中間轉(zhuǎn)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(tài)變化，加之水溫、油溫等條件的不可控，整體散熱不好，出現(xiàn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)，增壓比存在超過設(shè)計值的情況，其中最大扭矩轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)工況為主，而實際使用時柴油機大部分時間處于瞬態(tài)工況運行，這可能是導(dǎo)致增壓比超過設(shè)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(huán)設(shè)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(fā)生?？紤]這一情況的存在，有必要制定能表征實際行駛行為的瞬態(tài)試驗循環(huán)，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(jié)果，是轉(zhuǎn)速、扭矩隨時間隨機變化的歷程，規(guī)律性差，難以形成統(tǒng)一臺架驗證循環(huán)。為了方便描述柴油機裝車實際使用特征，設(shè)計獨立參數(shù)和組合參數(shù)進行描述，包括轉(zhuǎn)速和扭矩、功率、轉(zhuǎn)速變化率、扭矩變化率、扭矩和轉(zhuǎn)速變化率、轉(zhuǎn)速和扭矩變化率、功率變化率，并設(shè)計單個試驗循環(huán)的總時間為10 min。對參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等)變化率的定義如下：

式中：R表示參數(shù)變化率；X表示標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)(如轉(zhuǎn)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?yún)?shù)相對發(fā)生率(RFO)，即劃分區(qū)間內(nèi)特征發(fā)生頻率數(shù)所占用于特征分析總數(shù)的百分比。

基于道路載荷數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速低扭矩和高轉(zhuǎn)速高扭矩區(qū)。圖8顯示柴油機中高功率段運行較頻繁，其中80%～90%功率區(qū)間運行最為頻繁，對應(yīng)轉(zhuǎn)速和扭矩的I9區(qū)，即中高轉(zhuǎn)速、中高扭矩區(qū)。圖9、圖10和圖13呈現(xiàn)出大致相同的特征，即高頻行為主要集中在中間區(qū)域，符合正態(tài)分布規(guī)律。圖11顯示轉(zhuǎn)速變化主要集中在-10 %/s～10 %/s之間，對應(yīng)全部扭矩區(qū)間分布較為平均，其中轉(zhuǎn)速正變化在扭矩90%～100%時分布最大。圖12示出轉(zhuǎn)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(qū)域，轉(zhuǎn)速方向高轉(zhuǎn)速區(qū)域柴油機運行行為更頻繁。

圖7 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速變化率和扭矩描述的總體特征

圖12 轉(zhuǎn)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(huán)制定

為了獲得代表總體特征的試驗循環(huán)用于臺架試驗驗證，在以標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)速和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)(見圖14)，計算7種特征參數(shù)(包括轉(zhuǎn)速和扭矩、功率、轉(zhuǎn)速變化率、扭矩變化率、扭矩和轉(zhuǎn)速變化率、轉(zhuǎn)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(xù)計算7種參數(shù)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(huán)。對選定的試驗循環(huán)進一步進行局部調(diào)整，以使7種參數(shù)的x2校驗值都小于對應(yīng)卡方分布臨界值。

圖14 L=600的載荷數(shù)據(jù)載取

待定試驗循環(huán)選取過程中，所用x2校驗的計算方法為

式中：O表示觀察發(fā)生頻率；E表示期望發(fā)生頻率。

對于每種特征參數(shù)，在每一區(qū)間進行x2校驗計算，并整體求和，其結(jié)果應(yīng)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(jié)果應(yīng)小于該值。實際上，x2校驗值越小，表明所選循環(huán)與道路載荷總體特征越接近，也越能代表對應(yīng)路面道路載荷數(shù)據(jù)整個歷程分布特征。

對于組合特征參數(shù)“標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)速和標(biāo)準(zhǔn)化扭矩”，在各區(qū)間利用相對發(fā)生率(RFO)計算期望發(fā)生數(shù)與觀察發(fā)生數(shù)，結(jié)果見表3。選取數(shù)據(jù)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(jù)這一原則，并結(jié)合局部的調(diào)整，最后確定的試驗循環(huán)見圖15。

表3 組合特征參數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)速和扭矩)的分布情況

圖15 最終臺架試驗循環(huán)

如圖16所示，最終確定試驗循環(huán)的轉(zhuǎn)速和扭矩分布與載荷總體分布(見圖1)具有相似性，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速區(qū)，這與總體也是一致的。因此，確定的試驗循環(huán)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(huán)的轉(zhuǎn)速和扭矩分布

4 結(jié)論

a) 柴油機在海拔4 300 m以上實際高原環(huán)境地區(qū)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(zhuǎn)速中高負荷區(qū)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(huán)境地區(qū)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(zhuǎn)速排溫下限隨轉(zhuǎn)速呈線性變化；各轉(zhuǎn)速機油壓力下限隨轉(zhuǎn)速呈4次多項式關(guān)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(shè)計值的行為，其中在最大扭矩轉(zhuǎn)附近，增壓比高達3.5；

d) 設(shè)計轉(zhuǎn)速和扭矩、功率、轉(zhuǎn)速變化率、扭矩變化率、扭矩和轉(zhuǎn)速變化率、轉(zhuǎn)速和扭矩變化率、功率變化率等參數(shù)，設(shè)定分度區(qū)間，采用相對發(fā)生率分析方法實現(xiàn)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(shù)和組合參數(shù)設(shè)計了可代表柴油機裝車道路運行行為的試驗循環(huán)，可用于高原環(huán)境模擬條件下的性能驗證。