郑春芳 李腾腾 汪晓伟

摘 要：为了重型车PEMS测试排放结果满足国六法规要求，文章基于发动机在环系统对重型车PEMS试验方法进行研究。通过对驾驶员模型换挡策略的研究使VSM模拟工况与实际道路PEMS工况分布一致。经过对试验结果对比分析，发动机在环测试系统油耗及排放水平能达到与实际道路试验相近的测试结果。发动机在环平台可以实现PEMS循环重复性测试，减少实车测试次数和风险，缩短整车正向开发周期。

关键词：发动机在环;PEMS;换档策略;重复性测试

中图分类号：U463.8  文献标识码：B  文章编号：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

我国汽车产业的快速发展，帶来巨大经济效益，也给环境带来尾气污染，其中重型车尾气污染尤为严重。我国环保部门高度重视重型车排气污染物的治理，出台一系列监管和处罚措施。《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》（中国第六阶段）法规增加了对整车实际道路排放测试要求^[1]。

在整车实际道路排放的优化过程中，通常采用的测试设备为便携式排放测试系统（PEMS），该类型设备需要面对实际交通情况、外部环境温度、天气条件、路面坡度等一系列不可控的外部因素，对整车开发试验测试数据的精准性、可重复性影响非常大。

发动机在环（Engine-in-Loop，EIL）是将真实发动机和排放设备与整车模拟模块（Vehicle Simulation Model，VSM）连接，通过测试连接模块传输信号而搭建的测试平台。发动机作为动力输出，排放设备负责监测排放污染物数值，虚拟整车模型和驾驶员模型代替真实整车行驶。该平台能够消除发动机模型带来的误差，采用最先进的排放测试系统，具有测试精准的优势。

早在2008年，AVL与VOLVO两家公司合作，首次将发动机在环技术应用到一款新型卡车开发测试中。2012年，AVL公司开始为整车企业提供发动机在环仿真技术在整车开发过程中的测试和分析服务。迄今为止，发动机在环技术在国外已得到应用和推广，尤其在轻型车开发领域，已经得到广泛认可^[2]。目前，国内发动机在环仿真还处于起步阶段，一汽大众已在新能源汽车开发领域有所应用，刘双虎、孔垂颖等对发动机在环仿真技术的表征指标一致性和真实性进行了研究^[3]。本文研究采用发动机在环技术将真实的路面信息和驾驶路径在VSM系统中再现，进而减少实车路面驾驶次数，提升测试数据的精确性和可重复性^[4-8]。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

发动机在环测试平台，包括发动机、电力测功机、排放设备、PUMA控制系统、测试连接（Test.CONNECT）系统及VSM软件。系统工作原理如图1，整车模型参数下载到VSM软件系统中，根据设定好的驾驶循环，由模拟驾驶员进行驾驶行为，根据车速、档位、行驶阻力等参数计算出发动机的转速和扭矩，通过 Test.bed.CONNECT，发送给台架控制系统 PUMA，PUMA 控制测功机转速和发动机油门开度，发动机做出相应的动作，此时台架的传感器采集发动机参数，经 PUMA 传回 VSM 系统，作为整车模型的输入参数，参与下一个步长整车动力学模型计算^[4]。

本试验平台应用了AVL公司440kW型号为INDY P44-4/ 1867-1XS-1的测功机，能够准确读取发动机转速、扭矩、功率等重要参数;进气系统采用AVL公司ACS2400FH，控制进气温度及湿度，保证进气过程温度及湿度是恒定的;油耗仪选用AVL公司735s/753C，确保进油温度恒定;排放采样分析系统选AVLAMA i60分析仪，对排气中各个污染物进行精准测量;颗粒采样选用AVL公司SPC 472及AVL 489颗粒物计数器;实时系统（Test.bed.CONNECT）用于实现将VSM系统输出的信号传输给PUMA系统，也可以将PUMA从发动机端收集到信息传递给VSM。具体测试设备名称如表1。

发动机是选用某国六标准发动机，详细的发动机及整车参数见表2。

1.2 试验方法

1.2.1 试验边界条件控制

为了保证试验数据有效，在试验前，控制标定点试验边界条件如表3：

1.2.2 实际行驶路线在模型中的平顺

为了使發动机在环系统真实模拟整车实际道路行驶路线，需要将真实的PEMS信息包括时间、车速、经度、纬度、海拔信息导入谷歌地图，确认PEMS实际路径及地理位置，对车辆行驶过程中，交通信号灯或交通堵塞导致的重复路线，颠簸路面导致的不光滑点进行平顺，PEMS路径平顺前后对比如图2和图3。

平顺好的PEMS路径导入到VSM软件中通过调整曲率、加速度、路面坡度、路面模型等参数最后形成平顺的路面文件。将导出的路面文件导入到VSM软件中，这样在发动机在环平台上可以重复真实车辆PEMS循环。

1.2.3 换挡方案^[5-9]

平顺后数据导入到VSM，VSM系统车速与实际路面车速具有很好的跟随行如图4所示，但是PEMS行驶的发动机工况点与VSM具有很大的差异性（图5 ），为使VSM工况点与实际道路工况点保持一致需要调节VSM驾驶员模型的换挡策略。

基于以上PEMS与VSM工况点的差异设计出3种换挡策略方案策，方案1：将升档与降档转速下降（100-200）rpm;方案2：将升档转速和降档转速下降（100-300）rpm;方案3：将升档转速和降档转速下降（100-400）rpm。具体方案见表4。

2 PEMS循环测试结果及分析

2.1 基于三种换挡方案工况结果分析

换挡策略方案1调整（100-200）rpm后，PEMS工况与VSM工况大部分没有重合，如图6所示。主要原因是调整之后的换挡转速对工况分布有影响，小部分工况与PEMS工况重合。工况分布趋势说明换挡转速整体高于换挡转速。

换挡策略方案2调整（100-300）rpm后，VSM工况点与PEMS实际工况点重合区域较方案1加大，如图7所示。此方案说明大部分的换换挡策略方案3调整（100-400）rpm，基于前两方案的调整，此次换档转速进行小幅度调整，通过微调转速，VSM工况分布基本与实际工况重合，如图8所示。驾驶员模型换挡策略与实际情况基本吻合。

通过以上3种方案PEMS工况与VSM工况对比分析，发现方案3 VSM工况与PEMS工况分布基本一致。所以方案3换挡策略为最终方案。

2.2 VSM与实际道路PEMS结果分析

基于以上换档策略研究结果，结合在VSM系统中搭建的道路模型、整车模型、驾驶员模型，将实际的整车工况在发动机在环系统进行复现测试，并对VSM的测试结果与实际整车PEMS测试结果进行对比。

2.2.1 CO₂排放对比

根据碳平衡原理，CO₂排放能够表征整车燃油消耗。从图9可以看出，发动机在环仿真系统和整车实际道路排放测试设备在PEMS工况下，测得数据趋势基本一致，累计结果偏差约为5%。

2.2.2 NOx排放对比

从图10可以看出，PEMS设备测得的NOx趋势与发动机在环设备测得的NOx趋势基本一致，NOx累计偏差在6.5%。3200秒之前，NOx累计偏差在5%，（3200-7800）秒之间，NOx排放累积量偏大，这主要是因为NOx排放与SCR转化效率有关。SCR转化效率受催化器前排气温度有的影响，进入催化器温度对比如图11。催化器前端温度在3500秒以内PEMS和VSM有10℃左右偏差，NOx差异4%左右。（3500-9000）秒范围，发动机在环催化器前端温度高于整车发动机催化器前端 30℃，NOx排放差异明显，累计量偏差在7%。除此，NOx累计排放量偏差还与测试设备、排气管路长度等因素相关。

2.2.3 PN排放对比

图11为PEMS测得的PN累计排放与发动机在环系统测得的PN累计排放对比，累积量偏差在10%左右。从图中可以看出，PEMS测得的PN累计排放与发动机在环系统测得的PN累计排放趋势基本一致。排放污染物中的颗粒物经过DPF处理后，绝大部分颗粒物被吸附，而PN排放差异主要受DPF碳载量影响。

3 结论与展望

本文基于发动机在环系统通过     对重型车PEMS测试方法的研究，得出以下结论：

（1）通过对驾驶员模型中换挡转速的优化，能够实现实际道路PEMS工况与VSN工况分布基本一致。

（2）经过对VSM系统与实际PEMS循环油耗表征参数CO₂以及主要排气污染物NOx、PN分析发现，发动机在环测试系统油耗及排放水平能达到与实际道路试验相近的测试结果。

因此，发动机在环平台可以实现PEMS循环重复性测试，这种研究方法可以缩短整车正向开发周期，减少实车试验次数、风险。

参考文献

[1] GB 17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法[S].2018.

[2] 张宏超，马骏达，李克，刘双喜，高海洋，等.基于发动机在环测试的车辆传动系最优匹配的研究[J].汽车工程，2014，36.（8）：1020-1023.

[3] 刘双虎，孔垂颖.基于发动机在环的整车性能仿真技术一致性与真实性研究[J].小型内燃机与摩托车，2012，6（41）：24-26.

[4] 刘双虎.面向整车性能的发动机在环测试技术应用研究[D].河北工业大学.2014.

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