蔡海濤，賀子龍，解小超

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230000)

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某乘用車的冷機(jī)油耗分析

蔡海濤，賀子龍，解小超

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230000)

梳理了冷機(jī)油耗的預(yù)測(cè)方法，重點(diǎn)分析了導(dǎo)入簡單冷卻、潤滑系統(tǒng)后的燃油修正。以某乘用車為例，實(shí)現(xiàn)了冷機(jī)的油耗分析，并對(duì)比了冷/熱機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。

冷起動(dòng)； 油耗分析； 燃油經(jīng)濟(jì)性

0　前言

按照GB18352.4-2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第五階段)》要求，輕型汽車在整車轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)(即常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn))測(cè)量油耗和排放污染物時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的初始狀態(tài)為冷機(jī)[1]。

按照GB/T18297-2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》要求：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行性能試驗(yàn)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率和燃油消耗量等時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的初始狀態(tài)為熱機(jī)[2]。

目前使用Cruise模擬整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性時(shí)，使用的發(fā)動(dòng)機(jī)MAP是通過臺(tái)架獲取的，發(fā)動(dòng)的工作狀態(tài)為熱機(jī)，其邊界條件與整車油耗試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是不符的。文中以某乘用車為例，對(duì)冷機(jī)油耗進(jìn)行分析和探討。

1　冷機(jī)油耗預(yù)測(cè)方法簡介

目前，預(yù)測(cè)整車?yán)錂C(jī)油耗的方法有以下幾種：

第一種方法是根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷機(jī)油耗可在熱機(jī)基礎(chǔ)上按某一常數(shù)(一般在7%～10%之間)修正。此法可粗略地預(yù)測(cè)冷機(jī)油耗，但因匹配車型不同，油耗修正結(jié)果各不相同，存在較大差異，且無瞬時(shí)油耗的差異體現(xiàn)。

第二種方法是通過采集和對(duì)比同一車型冷/熱機(jī)狀態(tài)的瞬時(shí)油耗量，將修正因子擬合成曲線(線性/曲線形式)[3-5]。此法與第一種方法類似，可較精確地顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)油耗變化，但未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的變化。

第三種方法是導(dǎo)入簡單冷卻、潤滑等系統(tǒng)的性能，根據(jù)公式模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的溫升特性和摩擦功的變化來預(yù)測(cè)整車油耗。此法能顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩和瞬時(shí)油耗的變化，相比方法一,方法二精度更高，但實(shí)時(shí)性較差。

第四種方法是集成發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)模型，冷卻、潤滑系統(tǒng)模型及固體結(jié)構(gòu)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，ECU控制策略等[6]。此法相比方法三實(shí)時(shí)性好，但模型復(fù)雜度高，搭建難度大。

從精度和難度的綜合角度考慮，第三種方法能滿足當(dāng)前的使用要求。

2　基于方法三的冷機(jī)修正原理

不同冷卻液溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油黏度不同，機(jī)械摩擦損失不同。通常情況下，冷卻溫度越高，機(jī)油黏度越低，機(jī)械摩擦損失越小，燃油經(jīng)濟(jì)性越好[7]。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過程中，為了克服發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間的摩擦損失，需參考發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度供給較濃的混合氣，此時(shí)為空燃比開環(huán)控制。暖機(jī)過程中，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)維持運(yùn)轉(zhuǎn)而不停機(jī)，并迅速提高排氣溫度，使催化轉(zhuǎn)化器和氧傳感器盡快達(dá)到工作溫度，從而改善排放及燃油特性，仍需要提供較濃的混合氣，發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)的噴油量相比熱機(jī)狀態(tài)會(huì)增加。待發(fā)動(dòng)機(jī)水溫接近或達(dá)到正常工作溫度后，不再對(duì)溫度修正來修正燃油[8]。

AVLCRUISE內(nèi)置一種“溫度模型+油耗模型”的方式來考慮冷機(jī)對(duì)油耗的影響[9-10]。

2.1溫度模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡關(guān)系可按下式(1)表示：

QT=QE+QS+QR+QB+QL

(1)

即發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗燃油具有的熱量QT最終轉(zhuǎn)化為有效功QE、傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量QS、不完全燃燒熱損失QB和其他熱量損失QL這5個(gè)部分。通常，不完全燃燒熱損失QB和其他熱量損失QL所占份比均較小，而前3項(xiàng)是最主要的部分[11]。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡關(guān)系如圖1所示。

進(jìn)入冷卻系的能量，一部分通過冷卻液溫度升高的形式實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)，一部分則散失到周圍環(huán)境中。冷卻系處于小循環(huán)時(shí)，散失的熱量較少；冷卻系處于大循環(huán)時(shí)，散失的熱量較大。根據(jù)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度與環(huán)境溫度的差值，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度變化可按式(2)求解：

(2)

式中：cρ,H2O為水的比熱容，為一常數(shù)；mE,eq為等效水質(zhì)量；?A

為熱容量系數(shù)，與冷卻特性有關(guān)。

2.2油耗模型

相同轉(zhuǎn)速下，冷/熱機(jī)的機(jī)械損失[以摩擦功(FMEP)來衡量]是不同的。從原理上說，F(xiàn)MEP受潤滑油的黏度影響，一般而言，油黏度隨水溫的升高而降低，對(duì)應(yīng)的FMEP減小。發(fā)動(dòng)機(jī)在相同轉(zhuǎn)速相同輸出扭矩時(shí)，通過計(jì)算不同溫度下的FMEP，即可計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)相比熱機(jī)狀態(tài)增加或減少的FMEP[見公式(3)]。在熱機(jī)油耗特性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油的修正。

(3)

式中：PE,fric,add為額外FMEP；PE,fric,ref為參考FMEP；ηE,act為實(shí)際油黏度；ηE,ref為參考油黏度；cE,fric,exp為FMEP變化的曲率因子。

3　模型搭建

3.1熱機(jī)模型搭建

以某乘用車為例，在模型中添加整車動(dòng)力系統(tǒng)包含車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、主減速器、輪胎等模塊。針對(duì)DCT車型，增加GBControl(變速箱控制)、GBProgram(變速箱程序)和DCTController(DCT控制器)3個(gè)部件。針對(duì)NEDC工況，考慮車輛的負(fù)載損失，這里只需增加冷卻機(jī)械風(fēng)扇的功率消耗。按要求設(shè)置正確的總線連接，建立如圖2所示的前置前驅(qū)(FF)模型。

對(duì)各部件輸入相關(guān)的性能參數(shù)，通過調(diào)整減速斷油控制策略、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等實(shí)現(xiàn)對(duì)熱機(jī)模型的校核。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)屬性修改

相比熱機(jī)，冷機(jī)的整車模型架構(gòu)是相同的，只需要更改發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，其他部件參數(shù)不變，發(fā)動(dòng)機(jī)的屬性設(shè)置見圖3。其中，“溫度模型”選擇“其他”，“溫度”選擇“計(jì)算獲得”，“燃油消耗模型”選擇“有效壓力因子”。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速由“固定值”更改為“怠速特性曲線”。

3.3FMEP模型參數(shù)輸入

FMEP模型參數(shù)見表1。

表1　FMEP輸入?yún)?shù)

3.4冷卻特性參數(shù)輸入

冷卻特性由冷卻系統(tǒng)的能力決定。對(duì)水冷式的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，冷卻能力主要受節(jié)溫器開啟程度的影響。冷卻系統(tǒng)的冷卻特性見圖4， 冷卻系統(tǒng)輸入?yún)?shù)見表2。

3.5怠速特性參數(shù)輸入

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，冷機(jī)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速是高于熱機(jī)狀態(tài)的。隨著水溫上升，怠速轉(zhuǎn)速逐漸降低。待水溫上升至一定值后，怠速轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定。怠速特性在計(jì)算冷機(jī)油耗時(shí)也是必不可少的輸入。不同水溫下的怠速特性見圖5。

4　整車經(jīng)濟(jì)性分析

圖6為冷機(jī)NEDC工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的上升過程，從結(jié)果上看:試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果還是比較吻合的。圖7—9分別對(duì)比了冷/熱機(jī)狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和瞬時(shí)油耗，在發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升的過程中(前400s左右)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速逐漸降低，輸出扭矩基本不變，額外的噴油逐漸減少;至水溫達(dá)到75 ℃左右，發(fā)動(dòng)機(jī)已基本處于熱機(jī)狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)油耗不再進(jìn)行修正。此車型的NEDC油耗冷機(jī)相比熱機(jī)高9.7%,見表3。

5　結(jié)束語

通過修改發(fā)動(dòng)機(jī)的屬性，輸入簡單冷卻、潤滑系統(tǒng)的性能，可實(shí)現(xiàn)冷機(jī)下的油耗分析，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等的工作狀況與實(shí)際也是比較接近的。此方法可以為開關(guān)式水泵、電子節(jié)溫器等的節(jié)油效果分析提供依據(jù)，也可以為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上模擬整車提供支持。

【1】國家環(huán)境保護(hù)總局.GB18352.4-2013輕型汽車排放污染物限值及試驗(yàn)方法[S].北京:中國環(huán)境出版有限責(zé)任公司,2013.

【2】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T18297-2001汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

【3】王琪,康飛.基于CRUISE軟件的起停系統(tǒng)仿真分析[C]//2013AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會(huì)論文,2013:31-37.

【4】賀子龍,劉閃閃.基于CRUISE的冷起動(dòng)條件下的燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析[J].汽車制造業(yè),2014(3/4):44-45.

【5】解小超,賀子龍.基于Cruise的車輛起停性能分析[J].汽車制造業(yè),2014(9)：60-61.

【6】蔡志強(qiáng),張功暉.仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)降油耗工作中的應(yīng)用[C]//2013AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會(huì)論文,2013:203-208.

【7】朱翔宇，童榮輝.電子水溫控制系統(tǒng)冷啟動(dòng)節(jié)油效果仿真[C]//2013AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會(huì)論文,2013:38-42.

【8】司利增.汽車計(jì)算機(jī)控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:71-74.

【9】李敏,牛大旭.車輛冷起動(dòng)模式下速比優(yōu)化對(duì)比分析[C]//2012AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會(huì)論文,2012:108-112.

【10】AVLCruiseUser’sGuide[M].

【11】常思勤.汽車動(dòng)力裝置[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006:31-32.

AnalysisofaPassengerCar’sEconomyunderCold-start

CAIHaitao,HEZilong,XIEXiaochao

(AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230000,China)

Thepredictionmethodsforfuelconsumptionundercold-startconditionwerereviewed.Theanalysisonfuelcorrectionwithsimplecoolingandlubricatingsystemwasfocusedon.Takingapassengercarasanexample,thefuelanalysiswasachieved,andthecold/heatengineworkingstateswerecompared.

Coldstart；Fuelconsumptionanalysis；Fueleconomy

2015-03-17

蔡海濤，男，本科，從事發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)管理工作。E-mail：jaccht@jac.com.cn。