底盘测功机阻力设定对汽车排放的影响分析
2023-01-07
来源:乌哈旅游
维普资讯 http://www.cqvip.com ・试验・测试・ 底盘测功机阻力设定对汽车排放的影响分析冰 李晶华 高俊华 黎 苏 刘 波 (1.河北工业大学;2.天津职业大学;3.中国汽车技术研究中心) 【摘要】结合理论分析与试验验证,分析了底盘测功机在标准推荐阻力和实际滑行阻力两种设定方法下对整车 油耗、排放等试验结果的影响。试验结果表明,I型试验时,利用标准推荐阻力对底盘测功机进行设定时测得的CO: 值比利用实际滑行阻力设定时测得的大;Ⅲ型试验时两种设定方法对测试结果没有影响;VI型试验时,利用实际滑 行阻力设定时测得的HC、CO和CO:值比推荐阻力设定下测得的小。 主题词:底盘测功机 阻力设定排放 中图分类号:U467文献标识码:A文章编号:1000—3703(2007)12—0035—04 Effect Analysis of Setting Resistance of Chassis Dynamometer on Exhaust Emission of Vehicle Li Jinghua1,2 Gao Junhuas,LiSu ,LiuBo (1.Hebei University of Technology;2.Tianjin Professional College:3.China Automotive Technology and Research Center) 【Abstract]Based on theory analysis and a lot of tests,this paper analyzed the effects of standard resistance and actua1.coasting resistance of chassis dy namometer on complete vehicle fuel consumption and exhaust emission etc.The test results show that the value of C02 acquired by using standard resistance are larger than that of using actual coasting resistance in the test of type I;in the test of type IU,these two methods have no effect on the test results;in the test of type VI,the values of HC,CO and CO2 acquired by using actual coasting resistance are less than those of using standard resistance. Key words:Chassis dynamometer,Setting resistance,Exhaust emission 1 前言 空气阻力、传动系阻力、坡道阻力及车辆惯性阻力 等的影响。 随着排放法规要求不断严格,我国的汽车排放 2.1.1轮胎滚动阻力 测试试验室越来越多,测试设备也达到了国际先进 车辆行驶时所受的轮胎滚动阻力是由地面与 水平。但由于对法规理解的不同,在进行相同试验 轮胎表面的摩擦而形成的摩擦阻力,轮胎滚动阻力 项目的试验时,各试验室所用的试验方法不近相 的数学模型为阻]: 同,从而造成试验结果差异较大。其中,最明显的差 Fr=P・ (a+b・V+C・ 。) (1) 异是对汽车底盘测功机技术参数的设定,这使底盘 式中,P为轮胎压力;L为作用在轮胎上的力; 为车 测功机不能准确统一地模拟被测车辆的行驶状态, 速; 为负值系数, 为正值系数;0、b、c均为常数。 极大地影响了汽车排放、加速性能、燃油消耗等试 从式(1)可看出,轮胎滚动阻力是由与速度无 验结果的准确性。本文就底盘测功机的阻力设定对 关的常数项及与速度相关的二次项组成 。 排放的影响进行研究,比较分析了不同阻力设定情 2.1.2空气阻力 况下的排放结果。 车辆行驶时受到的空气阻力 的数学模型口 为: 1 2 2底盘测功机阻力设定的理论依据 =÷Co"A・P~, (2) 2.1汽车道路阻力分析 式中, 为空气阻力系数;4为迎风面积;p为空气密 汽车在道路上行驶时,会受到轮胎滚动阻力、 度; ,为相对车速,无风时为汽车行驶速度。 天津市科技发展计划项目(06YFGZGX18000)。 2007年第l2期 一35— 维普资讯 http://www.cqvip.com ・试验・测试・ 2.1-3传动系阻力 传动系阻力由配合副相对运动存在的机械摩 擦引起的机械阻力和由齿轮等搅油引起的液力阻 力两部分组成,传动系阻力 的数学模型i4,5 ̄为: Fo=FNo+Fv・ (3) 式中, 。为与速度无关的传动系阻力系数;凡为传 动系阻力的速度影响系数。 2.1.4坡道阻力 汽车沿纵向坡路行驶时,受重力沿坡道分力的 作用,称为坡道阻力,坡道阻力 的数学表达式口 为: F/=m・g・sins (4) 式中,m为车辆质量;g为重力加速度: 为纵向坡 度角。 2.1.5惯性阻力 车辆变速行驶时,除克服上述阻力外,还需克 服其本身质量变速运动的惯性力,其由平移质量惯 性力和旋转质量惯性力两部分组成,数学式为: =m・誓+ ・誓(5) 式中, 为车辆行驶时所受的惯性阻力;m 为车辆平 移质量;.,l为驱动轮转动惯量; 为从动轮转动惯 量; 为发动机曲轴部件的转动惯量;以为离合器、 变速器、二次传动装置等旋转部件的转动惯量; 、 2、 和k 均为系数。 2.2车辆在底盘测功机上受力分析 汽车在底盘测功机滚轮上行驶时,仅驱动轮和 滚轮做相对旋转运动,而车辆相对于滚轮是静止 的,车速为零,滚轮表面取代了路面,因此可以得出 汽车在底盘测功机上变速行驶时力的方程为: F :Fb +F +F +F +F +Fo 6 式中, 为发动机输出力; 为底盘测功机制动力; 为测功机滚轮、惯性轮及轴系的总摩擦阻力,也 称为测功机内阻;Fr 为驱动轮与滚轮间的滚动阻 力; = ・誓为汽车驱动轮和发 动机曲轴部件、离合器、变速器、二次传动装置等旋 转部件的惯性力换算到车轮上的惯性阻力,r为驱 动轮半径; ’=R 2一。 为测功机设定惯量等级后的 滚轮、惯性轮及轴系产生的惯性阻力, 为转鼓旋转 部件以及加载的惯性载荷的转动惯量, 为转鼓半 径。 通过比较分析表明,车辆在道路上和在转鼓上 的受力是有差异的,如在转鼓上车辆不受风阻的影 一36一 响,在转鼓上受到的轮胎滚动阻力小于道路上的轮 胎滚动阻力等。目前采用滑行的方法来确定测功机 需要加载到转鼓上的力与速度的关系,即转鼓设定 值。可通过对转鼓电机设定负荷的方法来补偿车辆 在道路和转鼓上受力的差异。 3两种阻力设定方法的比较 根据标准 要求,可采用两种方法对底盘测功 机进行阻力设定,即标准推荐阻力设定(F=a+b・口 ) 和车辆滑行实际阻力设定(F=Fo+ ・ + ・ :)。 GB18352.3—2oo5《轻型汽车污染物排放限值及测 量方法》给出的标准推荐阻力设定值见表1。 表1标准推荐阻力设定值 车辆的基准质量 当量惯量 系数 RM/kg /kg 厂 a,N b/N(km.h) ≤480 455 3.8 0.026 1 480<RM≤540 510 4.2 0.028 2 540< ≤595 570 4.4 0.0296 595<R ≤650 625 4.6 0.0309 650<R ≤7 10 680 4.8 0.032 3 710<R ≤765 740 5.0 0.033 7 765<R ≤850 800 5_2 0.035 1 850<R ≤965 910 5.7 0.038 5 965<R ≤1 080 1 020 6.1 0.041 2 1 080<RM≤1 190 1 130 6.4 0.O43 3 1 190<R ≤1 305 1 250 6.8 0.046 0 1 305< ≤1 420 1 360 7.1 0.O48 1 1 420<R ≤1 530 1 470 7.4 0.0502 、1 530<RM≤1 640 1 590 7.6 0.051 5 1 640<RM≤1 760 1 700 7.9 0.053 6 1 760<RM≤1 870 1 810 8.2 0.055 7 1 870<RM≤1 980 1 930 8.5 0.057 7 1 980<RM≤2 100 2 040 8.7 0.059 1 2 100<R ≤2 210 2 150 8.9 0.060 5 2 210<RM≤2 380 2 270 9.1 0.O61 9 2 380<R ≤2 610 2 270 9.5 0.O64 6 RM>2 61O 2 270 9.9 0.O674 图1为不同当量惯量的车辆按两种设定方法 所得出的底盘测功机速度与阻力的关系曲线。从图 1可看出:在低速度区,标准推荐阻力均比实际滑行 阻力小;在车速为50 km/h附近时两种阻力值相等。 这是因为,标准推荐阻力是通过对不同车辆的滑行 汽车技术 维普资讯 http://www.cqvip.com ・试验・测试・ 按实际滑行方法对底盘测功机进行阻力设定可 数据进行综合分析后确定的一种折中方法,在一定 范围内要有合理性和有代表性,因此标准推荐阻力 一以接近真实地反映车辆在实际道路上行驶时所受阻 定要与实际滑行阻力有交叉,否则标准的制定就 力。如按标准推荐阻力设定方法进行设定,则相同当 偏离了实际情况。从图1可发现,高速区的标准推 荐阻力比实际滑行阻力大,因此可以推断,以标准 推荐阻力进行ECE循环试验时的试验结果比实际 排放值低,以标准推荐阻力进行EUDC循环试验时 的结果可能比实际排放值偏大。图1d中车辆的当 量惯量大于1 700 kg,按标准规定标准推荐阻力要 有一个1.3的倍数关系,因此两种阻力设定的交叉 点向高速方向推移。通过大量试验表明,当量惯量 小于1 250 kg的车辆进行滑行所得的滑行数据也有 相似的现象。 700 6oo z 500 4oo 瘦300 2oo loo 0 车速/km・h (a)当量惯量为1 250 kg 7oo 6oo z 500 蠢 2oo 1oo 0 车速/km・h (b)当量惯量为1 360 kg 900 8oo 7oo 薹蓁 2oo 1oo 0 车速/km・h (c)当量惯量为1 590 kg 1 2oo 1 o()o z 8oo 长600 雹400 2oo 0 车速/km・h (d)当量惯量为1 810 kg 图1 不同当量惯量车辆的两种阻力设定值比较 2007年第12期 量惯量的车辆在不同转鼓上设定的阻力一速度曲线 是相同的。通过式(1)、(3)、(4)可知,底盘测功机的 固有阻力与设定阻力之和是车辆在转鼓上运行时的 总阻力,由于每台测功机的固有阻力都不相同,所以 相同的车辆在不同转鼓上受到的总阻力是不同的。 图2为同一辆车分别在2台底盘测功机上滑行时所 测得的底盘测功机固有阻力。由图2可看出,当车速 低于50 km/h时,2台测功机的阻力偏差超过lO%, 因此以标准推荐阻力设定将产生不同试验室间的试 验结果的差异。 l30 Z 12o 雹1lO loo 车速/km・h 图2不同转鼓的固定阻力比较 4 阻力设定对试验测试结果的影响 4.1对I型试验的影响 为验证不同阻力设定对车辆在常温冷起动后排 放试验(I型试验的排放、油耗)结果的影响,设转鼓 阻力系数相同,但选择不同单位。正常设定时系数口、 b、c的单位分别为N、N/(km/h)和N/(kin/h)。,而错 误设定的系数单位分别为N、N/(m/s)、N/(m/s)。,两 种设定结果如图3所示。按图3所示的阻力曲线分 别进行排放试验,试验结果见表2。试验结果表明, 在错误的底盘测功机设定曲线情况下,车辆的所有 污染物排放值都比按正常设定情况低,最直观的是 CO 的差别,且油耗达到不可接受的程度。 7oo 6oo z 500 4o0 癌300 2oo 1oo 0 车速/kin・h 图3 同一辆车设定的不同阻力曲线 表2不同系数单位设定下的排放结果比较 单位设定 HC/ NO C0/ CO , 油耗/ g・km一 g・km一 g・km一 g・km一 L・(100km) 正常 0.049 0.029 0.448 215.278 9.218 错误 0.039 0.015 0.356 173.905 7.262 —37— 维普资讯 http://www.cqvip.com
・试验・测试・ 由于试验本身存在测试不确定度,因此按两种 阻力设定方法进行I型试验时,往往对HC、CO、NO 车辆在50 km/h等速行驶时,车辆的曲轴箱压力对 底盘测功机阻力设定不敏感。 0.85 0.80 0.75 排放结果的影响不明显,但对油耗的测试会存在明 显的差别,表3列出了两种阻力设定下的不同车辆 进行3次试验后平均油耗的差别。当量惯量小于 1 70o kg的车辆使用滑行阻力设定时的油耗要比按 标准推荐阻力设定时的小,而由于当量惯量大于 1 70o kg的车辆按标准推荐阻力设定时要乘以1.3 的系数,因此两种阻力设定下的油耗没有规律性差别。 表3两种阻力设定对I型试验油耗的影响 篓0・ :基 26 403 479 556 633 709 364 441 518 594 671 设定阻力/N 图4不I司阻力设定F的曲轴箱压力 4.3对Ⅵ型试验的影响 由于Ⅵ型试验只运行ECE循环,不同阻力设定 方法下的底盘测功机对车辆的排放和油耗的测试结 当量惯量 油耗/L・(100km) 两种阻力设定 序号 /kg 标准推荐 实际滑行 下的偏差/% 1 1 250 7_25 7.16 1.26 2 1 250 7.51 7.37 1.9O 3 1 360 8.76 8.53 2.70 4 1 360 9.26 8.98 3.12 5 1 59o 11.64 11_21 3.84 6 1 590 9.57 932 2.68 7 1 81O 11.82 11.78 0.34 8 1 81O 12.07 l235 —2_27 油耗的差别主要反映在试验的EUDC循环,该 循环下由于车速高,转鼓设定的力是随车速的提高 而增加的(图1),因而两种转鼓设定方法也在高速 阶段力的差异最大。在该循环下,由于排放控制系统 能正常工作,因此经济性是EUC标定的重点,如果 在此阶段阻力的差别大,则直接从车辆的油耗上反 映出来。而在试验的ECE循环中,由于两种阻力设 定方法之间力的差异较小,而车辆ECU在进行标定 时,要牺牲经济性来补偿排放性能,从而造成在该循 环下两种阻力设定对油耗影响不大。 4.2对Ⅲ型试验的影响 欧洲Ⅲ号标准对曲轴箱污染物排放试验(Ⅲ型 试验)有关底盘测功机的设定不很明确,使得不同试 验室对其阻力设定的理解不同,导致在进行50 km/ h、1.7倍负荷设定时采用了不同的设定方法。 GB18352.3—20o5标准中对Ⅲ型试验中工况号为3 的转鼓设定进行明确规定,即将I型试验中对转鼓 的设定值乘以1。7倍直接作为阻力进行设定。 为了验证不同阻力设定对曲轴箱排放的影响, 对同一辆车进行了曲轴箱压力测试。I型试验时车 速为50 km/h对应的阻力值为293。08 N,压力测试 的阻力设定从该值的1.1 1倍开始一直到2。35倍,试 验结果见图4。试验结果表明,在法规认证条件下, 一3R一 果都有影响。这是因为由标准推荐阻力设定的阻力 在车速小于50 km/h情况下,整条阻力设定曲线都 低予滑行阻力设定曲线(图1)。不同阻力设定方法 对Ⅵ型试验油耗的影响趋势与I型试验相反。低温 (一7℃)下运行ECE循环,车辆的CO 排放量非常大 (即基数大),因此两种阻力设定下CO 的差别会被 试验误差所掩盖;另外Ⅵ型试验不考察油耗,因此不 会对其油耗进行过多的研究。 Ⅵ型试验时HC和CO的排放值较高,车辆进 行试验时,在ECE循环的前195 S排放的HC和CO 占整个循环排放量的9O%以上。图5比较了同一辆 车在不同阻力设定下的前195 S的HC和CO瞬态 排放值。从图5可看出,标准推荐阻力设定下的排放 值比滑行阻力设定下的低。表4为不同当量惯量车 辆的3次Ⅵ型试验结果的平均值比较,从表中可看 出,标准推荐阻力下的排放结果比滑行阻力下的小。 时问/s (a)HC排放比较 时间/s (b)CO排放的比较 图5不同阻力设定下ECE循环前195 S的 HC和CO排放比较 汽车技术 维普资讯 http://www.cqvip.com
・试验・测试・ 表4不同阻力设定对Ⅵ型试验HC和CO排放的影响 d.底盘测功机按两种阻力方法进行的阻力设 当量惯量 THC/g。km一 CO/g・km一 序号 /kg 标准推荐 实际滑行 标准推荐 实际滑行 定对曲轴箱排放的影响不明显。 e. 如进行Ⅵ型试验,使用标准推荐阻力进行 设定时测得的HC、CO值都将比使用滑行方法进行 阻力设定测得的结果低。 参 考 文 献 1 SAE Recommend Practice,Stepwise Coastdown Methodology 1 2 3 4 5 6 7 8 1 250 1 250 1 360 1 360 1 590 1 590 1 810 1 810 1.08 1.34 1.54 0.98 0.74 1.45 1.28 1.76 1.21 1.43 1.67 1.01 0.79 1.65 1-31 1.89 7.34 6.98 3.42 2-36 7.87 7.67 3.77 2.68 for Measuring Tire Rolling Resistance,SAE J2452 SAE Hand・ 4.02 3.76 book. 8.97 5.69 12.34 9.32 6.03 12.56 2 SAE Recommend Practice,Road Load Measurement and Dyn— amomemerSimulationUsingCoastdownTechniques-SAEJ1263 SAE Handbook. 3 SAE Recommend Practice,Aerodynamic Testing of Road Ve— 5结束语 a. 在进行排放试验时,要尽可能地使用道路 滑行阻力进行设定,以便能准确地测量出车辆的排 放值。 hicles—Testing Methods and Procedures,SAE J2084 SAE Ha— ndbook. 4张学利,何勇.在用汽车传动系阻力的研究.公路交通科技, 2001(3):91~93. 5郁增德,谢军,王传鼎.底盘测功机模拟道路滑行试验.汽车 技术,1991(6):24~27. b.使用标准推荐阻力设定时,在车速小于50 km/h情况下,底盘测功机对车辆施加的阻力将小于 实际滑行方法设定的阻力;车速大于50 km/h时,底 盘测功机对车辆施加的阻力将大于实际滑行方法 设定的阻力。 6陈文润,王培玲,严峻,等.摩托车底盘测功机动力学原理.机 械设计,2001,18(2):22 ̄25. 7 国家环境保护总局、国家质量监督检验检疫总局. GB18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方 法》. c.如进行I型试验,使用标准推荐阻力进行 底盘测功机设定测得的油耗结果将比使用滑行方 (责任编辑修改稿收到日期为2007年10月11日。 文楫) 法进行阻力设定测得的结果高。 Automobile Exhaust Catalysis and OBDII Catalyst Monitoring, SAE Paper#931403,1993. 5 Theis J R,Labarge W J,Fisher G B.he EfTiects of Catalyst Vo— (上摄第34页) b.试验表明,车速与催化器进出口温差是影 响催化转化器工作效率的主要因素,且成正相关 性;针对试验车辆用催化转化器,应用多元线性回 lume and Ceria Content on the Emission Performance and Ox— 归理论初步建立了其转化效率的监控模型。 c. 由于本次试验样本量小,所建模型仍需改 进,下一步将研究采用具有自学习特点的人工神经 网络模型进行跟车试验晤],拓宽模型的输入参数,为 在用车排放控制提供技术支持。 参 考 文 献 7 ygen Storage Capacity of Automobile Catalysts,SAE Paper 932666.1993. 6 Panagiotis D,Pantelis N B.hree-Way TCatalyst Assessment Via Inlet—Outlet Temperature Measurements:A Preliminary Repo— rt,SAE paper942055,1994. 向东进.实用多元统计分析.武汉:中国地质大学出版社, 2005(9):35~38. 1 王建昕,傅立新,黎维彬.汽车排气污染治理及催化转化器. 北京:化学工业出版社,2000. 2 Joseph R T.Catalytic Convener Diagnosis Using the Catalyst Exotherm.SAE paper 942058,1994. 8 Ali Akcayo1.M.Artiifcial Neural Network Based Modeling of Heated catalytic converter performance,Applied Thermal En— gineering,0ct2005,25(14/1 5):234 1 ̄2350. 9 Panagiotis D,Pantelis B.Measurements ofThree-Way Catalyst 3 Hepburn J S,Gandhi H S.The Relationship between Catalyst Hydrocarbon Conversion Efficiency and Oxygen Storage Cap— acity,SAE Paper#92083 1,1992. Performance Under a Stepwise Constant Idle Speed Schedule, SAE paper 952400.1995. (责任编辑文楫) 4 Fisher G B。Theis J R.Casarella M V,et a1.The Role of Ceria in 修改稿收到日期为2007年11月12丑。 2007年第12期 39—