王慶年，李 峰，王鵬宇，饒淼濤，李治萱

（吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022）

0 引 言

混合動力汽車參數(shù)匹配是混合動力技術(shù)的核心內(nèi)容［1－2］，發(fā)動機作為絕大多數(shù)動力的來源，其匹配的優(yōu)劣更是決定了整車的性能。目前對混合動力汽車發(fā)動機的參數(shù)匹配大多是根據(jù)動力性要求，計算發(fā)動機最大功率需求［3－4］。在滿足最大功率需求的前提下進一步提高發(fā)動機高效區(qū)利用率將能夠有效降低整車燃油消耗率。目前對發(fā)動機工作狀態(tài)的統(tǒng)計大多是對工作點的統(tǒng)計，而控制策略、換擋規(guī)律的不同會導(dǎo)致同一循環(huán)工況下發(fā)動機工作點的不同，因此基于發(fā)動機工作點對發(fā)動機高頻使用區(qū)進行統(tǒng)計不夠準確。本文以功率需求為目標對發(fā)動機需求功率的高頻使用區(qū)間進行統(tǒng)計。以發(fā)動機在此區(qū)間上的效率發(fā)揮程度為評價指標對發(fā)動機進行優(yōu)選。

1 基于循環(huán)工況發(fā)動機高頻使用區(qū)的統(tǒng)計方法

在常用工況下的整車需求功率可以通過實車試驗或者仿真統(tǒng)計得到［5－6］，圖1為某轎車（整車質(zhì)量1800 kg）在不同車速下需求功率分布關(guān)系。據(jù)此統(tǒng)計得到的發(fā)動機需求功率如圖2中以N為中心的類似正態(tài)分布區(qū)域A-A′所示。對于混合動力汽車，這樣的統(tǒng)計結(jié)果不能反映發(fā)動機實際工作情況，因為整車功率需求通常由發(fā)動機、電動機協(xié)同提供，由于發(fā)動機在低速（轉(zhuǎn)速低于nmin）和低功率區(qū)（發(fā)動機功率小于）的燃油效率都很低，排放也差，在此區(qū)域內(nèi)通常以純電動模式驅(qū)動。純電動所消耗的電能可以由再生制動回收一部分，其余的需要在發(fā)動機驅(qū)動時給電池充電，在統(tǒng)計中將這部分電能消耗轉(zhuǎn)化為對發(fā)動機功率需求的增加，以純電動的發(fā)動機平均等效功率來表示：

同時，考慮到由發(fā)動機提供的附件功率Pa，可將考慮電量平衡和附件功率后發(fā)動機功率高頻使用區(qū)從圖2所示以N為中心的區(qū)域A-A′移動到以M為中心的區(qū)域B-B′，如圖2所示，依據(jù)此種方法確定的高頻使用區(qū)覆蓋了實際工況下大多數(shù)發(fā)動機工作點，可以較準確地確定發(fā)動機高頻使用區(qū)位置。

基于上述統(tǒng)計，引入發(fā)動機效率區(qū)間權(quán)重函數(shù)G來表示發(fā)動機在此功率工作的幾率，由循環(huán)工況的需求功率統(tǒng)計結(jié)果可將G定義為功率p的函數(shù)，為了計算方便，將G轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T的函數(shù)，由于工況需求功率的分布不是規(guī)則函數(shù)，因此可表示為分段函數(shù)形式：

圖1 需求功率分布圖Fig.1 Required power graph

圖2 發(fā)動機高頻使用區(qū)移動示意圖Fig.2 HFWA of engine

2 基于發(fā)動機高頻使用區(qū)的發(fā)動機優(yōu)選

圖3 燃燒效率函數(shù)Fig.3 Combustion efficiency function

如圖3所示將發(fā)動機燃燒效率η定義為發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T的函數(shù)，如下式：

為了評價發(fā)動機在某一工況下的效率發(fā)揮情況，引入“發(fā)動機效率發(fā)揮度”的概念［8］。定義發(fā)動機效率發(fā)揮程度Dm為發(fā)動機在高頻使用區(qū)內(nèi)的所有利用燃燒效率之和與以最大燃燒效率ηmax在此區(qū)間內(nèi)工作的利用燃燒效率之和的比值，即

式中：Dm值越大代表發(fā)動機在高頻工作區(qū)的利用燃燒效率越高；nup、ndown、Tup、Tdown分別為發(fā)動機高頻工作區(qū)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的上下限。

對于三款高效區(qū)分布不同的發(fā)動機，在采用瞬時等效油耗最低控制策略下［9－10］，選擇美國的Atmis工況、歐洲的NEDC工況以及日本的1015工況進行比較，結(jié)果如表1所示，其高效區(qū)與常用功率區(qū)以及循環(huán)工況工作點的分布如圖4所示。

表1 不同發(fā)動機不同工況D m值和油耗對比Table 1 Contrast of D m and fuel consumption of three different engines under different driving cycles

圖4 三款發(fā)動機的高效區(qū)與常用功率區(qū)以及循環(huán)工況工作點示意圖Fig.4 High efficient area，HFWA of engine and driving cycles working point of three engines

由表1和圖4可知，發(fā)動機2的高效區(qū)和高頻使用區(qū)重合度最高，而發(fā)動機3的高效區(qū)和高頻使用區(qū)重合度最低。同一工況下發(fā)動機2的Dm相對于發(fā)動機3高2.78%（Atmis工況）、燃油消耗最多可降低9.91%（NEDC工況），在現(xiàn)有三款發(fā)動機中，發(fā)動機2是最優(yōu)選擇。因此發(fā)動機高效區(qū)與高頻使用區(qū)越接近，發(fā)動機的實際工作點與發(fā)動機的高效區(qū)重合度越高，同一工況的發(fā)動機效率發(fā)揮程度Dm值越大，經(jīng)濟性也越好。根據(jù)Dm值和油耗表現(xiàn)可以確定發(fā)動機2為最適合該車型的發(fā)動機。在發(fā)動機設(shè)計階段也可以參照此方法確定發(fā)動機的高頻率使用區(qū)，通過對關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整使發(fā)動機高效區(qū)與高頻使用區(qū)盡量重合，以提高發(fā)動機利用燃油效率。

3 結(jié)束語

基于對特定循環(huán)工況下發(fā)動機需求功率的統(tǒng)計分析，分析關(guān)鍵參數(shù)選取對發(fā)動機高頻使用區(qū)的影響，最終得到發(fā)動機高頻使用區(qū)間及其分布函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，以發(fā)動機效率發(fā)揮程度Dm為評價指標提出了某車型基于特定循環(huán)工況的發(fā)動機優(yōu)選方法。經(jīng)過仿真分析驗證，該方法可在備選發(fā)動機中選出經(jīng)濟性最佳的一款，為發(fā)動機優(yōu)選提供了一種方法，同時也可為專用發(fā)動機設(shè)計提出技術(shù)指標要求。

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