摘要：采用Simulink軟件建立了整車動力系統(tǒng)模型，通過計(jì)算可以獲得給定道路環(huán)境和車速條件下的發(fā)動機(jī)動力性能需求，并與AMESim模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。結(jié)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(xì)化拓展，為發(fā)動機(jī)細(xì)化研究提供了一個(gè)很好的平臺。

關(guān)鍵詞：Simulink；AMESim；發(fā)動機(jī)性能；整車動力模型；

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

在動力總成的設(shè)計(jì)工作中，要面對動力性與經(jīng)濟(jì)性、成本之間的矛盾。如何規(guī)劃總成平臺，引入先進(jìn)技術(shù)，在動力性、經(jīng)濟(jì)性與成本之間尋找平衡，使產(chǎn)品更具競爭力，同時(shí)保證平臺的生命周期，配合整車的市場細(xì)分戰(zhàn)略，是設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)加公式校核的設(shè)計(jì)方式，更多的是采用Cruise、AMESim等軟件輔助設(shè)計(jì)。這些軟件可以依據(jù)輸入的整車參數(shù)、發(fā)動機(jī)特性曲線、傳動比等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能全面反應(yīng)設(shè)計(jì)輸入的仿真效果。但是，涉及具體總成及零部件設(shè)計(jì)時(shí)，軟件需要輸入的排放數(shù)據(jù)等參數(shù)很難獲取，若實(shí)際設(shè)計(jì)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(shí)會成為限制，從而無法進(jìn)行擴(kuò)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(jī)的常用工況區(qū)間進(jìn)行明確，并利用Simulink平臺的靈活性展開拓展應(yīng)用探討。為發(fā)動機(jī)的動力性能計(jì)算，甚至是發(fā)動機(jī)的能量管理提供一種思路，以便在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)過程中主動引入先進(jìn)技術(shù)，提升競爭力。

1 整車動力系統(tǒng)模型的構(gòu)建原理

Simulink整車動力系統(tǒng)模型的構(gòu)建以行駛平衡方程為理論基礎(chǔ)，以風(fēng)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(guān)配置參數(shù)為輸入變量，最終計(jì)算出對發(fā)動機(jī)輸出扭矩、功率等動力性的需求。

歸納所需的風(fēng)速、坡度、等道路環(huán)境參數(shù)，結(jié)合整車相關(guān)配置，就可以計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)工作中，動力性能的最直觀目標(biāo)：如果發(fā)動機(jī)的萬有特性曲線能涵蓋這些“轉(zhuǎn)速-扭矩”點(diǎn)，那么整車動力性得以保證。根據(jù)這些點(diǎn)的分布情況對燃油消耗率及排放能力進(jìn)行優(yōu)化，整車燃油經(jīng)濟(jì)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(xiàng)行駛阻力分別建立計(jì)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(xiàng)阻力均與車速以及道路環(huán)境有關(guān)，即需要“車速-時(shí)間”曲線和道路環(huán)境參數(shù)作為輸入。

結(jié)合整車數(shù)據(jù)等參量，并對車輛減速階段進(jìn)行處理，可以計(jì)算出發(fā)動機(jī)需要輸出的扭矩Ttq。

2.2 機(jī)械傳動模型建立

機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)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(gè)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(gòu)建的換擋模型。

選定兩個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)速高于升擋轉(zhuǎn)速，擋位上升，一旦發(fā)動機(jī)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(shí)際情況，為每次換擋都設(shè)定了一個(gè)換擋實(shí)際。stateflow流程圖如圖5所示。

4 與AMESim模型計(jì)算結(jié)果的比較

從圖9可以看出，Simulink計(jì)算結(jié)果的點(diǎn)基本全部處于1100～1300rpm，600～1600Nm的區(qū)間內(nèi)，AMESim計(jì)算結(jié)果的點(diǎn)大部分也處于這個(gè)區(qū)間內(nèi)，但更為分散，從形狀上看兩者的結(jié)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(diǎn)的分布反映出道路環(huán)境對發(fā)動機(jī)動力性能的需求，而AMESim模型輸入了發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)，點(diǎn)的分布更符合實(shí)際DCI11發(fā)動機(jī)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(jì)算得到的發(fā)動機(jī)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(jì)算發(fā)動機(jī)動力性能需求。若發(fā)動機(jī)萬有特性包含計(jì)算得到的點(diǎn)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(gè)模型輸入簡潔、目標(biāo)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(shè)計(jì)工作中可以更加專注于模型的擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)展，加入圖10所示模塊進(jìn)行計(jì)算獲得：結(jié)合具體發(fā)動機(jī)特性數(shù)據(jù)，處理成be元件進(jìn)行查表，再通過integrator元件進(jìn)行積分，就可以得到總油耗。通過與道路試驗(yàn)得到的油耗進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)油耗擬合度達(dá)到97%?？梢娊Y(jié)合實(shí)際發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓展后，此模型與實(shí)際值具有較高擬合度。

也可結(jié)合發(fā)動機(jī)附件功率，倒拖扭矩的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步獲得發(fā)動機(jī)的輸出要求，乃至結(jié)合熱效率獲得缸內(nèi)燃燒的要求，為發(fā)動機(jī)主動采用新技術(shù)，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(jìn)行拓展，計(jì)算整車動力需求的具體分布，再根據(jù)發(fā)動機(jī)輸出性能的特性分布，在工況循環(huán)中擴(kuò)大發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的覆蓋率，減少處于瞬態(tài)變速的時(shí)間，使發(fā)動機(jī)更多時(shí)間處于經(jīng)濟(jì)區(qū)域，降低油耗，優(yōu)化整車經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)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(jì)算并與AMESim模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比與分析，結(jié)果表明Simulink模型計(jì)算結(jié)果具有較高的可信度。同時(shí)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(xì)化拓展，以便深入研究整車動力性能與發(fā)動機(jī)新技術(shù)的直觀聯(lián)系，為發(fā)動機(jī)的細(xì)化研究提供了一個(gè)很好的平臺。

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