摘要：采用Simulink軟件建立了整車動力系統(tǒng)模型，通過計算可以獲得給定道路環(huán)境和車速條件下的發(fā)動機動力性能需求，并與AMESim模型的計算結果進行了對比分析。結果表明：Simulink模型具有較高的仿真精度，比AMESim的建模方式更加自由，并便于細化拓展，為發(fā)動機細化研究提供了一個很好的平臺。

關鍵詞：Simulink；AMESim；發(fā)動機性能；整車動力模型；

中圖分類號：U467.1 文獻標志碼： A 文章編號：1005-2550（2013）04-0020-05

在動力總成的設計工作中，要面對動力性與經(jīng)濟性、成本之間的矛盾。如何規(guī)劃總成平臺，引入先進技術，在動力性、經(jīng)濟性與成本之間尋找平衡，使產(chǎn)品更具競爭力，同時保證平臺的生命周期，配合整車的市場細分戰(zhàn)略，是設計人員一直需要面對的問題。

目前，已逐步摒棄傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計加公式校核的設計方式，更多的是采用Cruise、AMESim等軟件輔助設計。這些軟件可以依據(jù)輸入的整車參數(shù)、發(fā)動機特性曲線、傳動比等參數(shù)進行計算，能全面反應設計輸入的仿真效果。但是，涉及具體總成及零部件設計時，軟件需要輸入的排放數(shù)據(jù)等參數(shù)很難獲取，若實際設計中并不涉及排放分析，只分析動力性能，那么這些參數(shù)并不必要，這些軟件的全面性在此時會成為限制，從而無法進行擴展，解決零部件對整體性能的影響等具體問題。

本文利用Simulink軟件建立的整車動力系統(tǒng)模型，根據(jù)不同道路環(huán)境的輸入條件，對不同車型搭載發(fā)動機的常用工況區(qū)間進行明確，并利用Simulink平臺的靈活性展開拓展應用探討。為發(fā)動機的動力性能計算，甚至是發(fā)動機的能量管理提供一種思路，以便在發(fā)動機設計過程中主動引入先進技術，提升競爭力。

1 整車動力系統(tǒng)模型的構建原理

Simulink整車動力系統(tǒng)模型的構建以行駛平衡方程為理論基礎，以風速、坡度等道路環(huán)境參數(shù)為輸入變量，以不同車型的相關配置參數(shù)為輸入變量，最終計算出對發(fā)動機輸出扭矩、功率等動力性的需求。

歸納所需的風速、坡度、等道路環(huán)境參數(shù)，結合整車相關配置，就可以計算得到整車動力性需要的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等要求。而這些，無疑是發(fā)動機設計工作中，動力性能的最直觀目標：如果發(fā)動機的萬有特性曲線能涵蓋這些“轉(zhuǎn)速-扭矩”點，那么整車動力性得以保證。根據(jù)這些點的分布情況對燃油消耗率及排放能力進行優(yōu)化，整車燃油經(jīng)濟性及排放能力也得以優(yōu)化。

2 整車動力系統(tǒng)模型建立

2.1 行駛平衡模型建立

行駛平衡模型如圖2所示。

各項行駛阻力分別建立計算模型，依行駛平衡方程求和，得到整車所需驅(qū)動力FT。從模型中所需輸入可見，行駛平衡方程FT=Ff+FW+Fi+Fj 中各項阻力均與車速以及道路環(huán)境有關，即需要“車速-時間”曲線和道路環(huán)境參數(shù)作為輸入。

結合整車數(shù)據(jù)等參量，并對車輛減速階段進行處理，可以計算出發(fā)動機需要輸出的扭矩Ttq。

2.2 機械傳動模型建立

機械傳動模型如圖3所示。

在傳動系統(tǒng)中，不同的擋位有著不同的傳動比，影響著車速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的對應關系。因此如何建立圖3中“擋位選擇”模型，合理選擇擋位，對整個模型都有很大的影響。經(jīng)過多種擋位控制策略的比較與選擇，最終選用stateflow構建的換擋模型。

選定兩個換擋轉(zhuǎn)速，即升擋轉(zhuǎn)速與降擋轉(zhuǎn)速，剔除掉駕駛員水平差異后，一旦發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于升擋轉(zhuǎn)速，擋位上升，一旦發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于降擋轉(zhuǎn)速，擋位下降。在stateflow中，為了更好的模擬實際情況，為每次換擋都設定了一個換擋實際。stateflow流程圖如圖5所示。

4 與AMESim模型計算結果的比較

從圖9可以看出，Simulink計算結果的點基本全部處于1100～1300rpm，600～1600Nm的區(qū)間內(nèi)，AMESim計算結果的點大部分也處于這個區(qū)間內(nèi)，但更為分散，從形狀上看兩者的結果分布狀況也大致相同。兩者的差別在于Simulink模型建立只考慮了扭矩功率等性能要求，點的分布反映出道路環(huán)境對發(fā)動機動力性能的需求，而AMESim模型輸入了發(fā)動機相關參數(shù)，點的分布更符合實際DCI11發(fā)動機的特性，且反映到車速擬合上會存在高速驅(qū)動力性能不夠的問題。

5 Simulink模型的拓展探討

以上Simulink模型計算得到的發(fā)動機性能需求均是在只考慮道路環(huán)境等外界輸入的前提下得到的，目的是計算發(fā)動機動力性能需求。若發(fā)動機萬有特性包含計算得到的點區(qū)間，那么整車基于此道路環(huán)境的動力需求就能得到保證。整個模型輸入簡潔、目標明確、形式靈活，這也是與AMESim或者Cruise等模型最大的區(qū)別。這樣的自由度為模型的修改提供了更廣闊的空間，在設計工作中可以更加專注于模型的擴展，而無需考慮如何克服軟件內(nèi)固有元件的限制。

等速油耗也可以通過對此Simulink模型進行擴展，加入圖10所示模塊進行計算獲得：結合具體發(fā)動機特性數(shù)據(jù)，處理成be元件進行查表，再通過integrator元件進行積分，就可以得到總油耗。通過與道路試驗得到的油耗進行比較，發(fā)現(xiàn)油耗擬合度達到97%?？梢娊Y合實際發(fā)動機數(shù)據(jù)進行拓展后，此模型與實際值具有較高擬合度。

也可結合發(fā)動機附件功率，倒拖扭矩的數(shù)據(jù)，進一步獲得發(fā)動機的輸出要求，乃至結合熱效率獲得缸內(nèi)燃燒的要求，為發(fā)動機主動采用新技術，如優(yōu)化燃燒、提高熱效率、回收熱能等。

還可以利用Simulink模型的靈活性，對此模型進行拓展，計算整車動力需求的具體分布，再根據(jù)發(fā)動機輸出性能的特性分布，在工況循環(huán)中擴大發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能的覆蓋率，減少處于瞬態(tài)變速的時間，使發(fā)動機更多時間處于經(jīng)濟區(qū)域，降低油耗，優(yōu)化整車經(jīng)濟性。

6 結論

采用Simulink軟件工具建立了整車動力系統(tǒng)仿真模型和仿真計算并與AMESim模型的計算結果進行了對比與分析，結果表明Simulink模型計算結果具有較高的可信度。同時此模型有著比AMESim或者Cruise等軟件更加自由的建模方式，并可細化拓展，以便深入研究整車動力性能與發(fā)動機新技術的直觀聯(lián)系，為發(fā)動機的細化研究提供了一個很好的平臺。

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