楊漢乾，胡昌佐，吳家鈺，嚴永林

(1.中南林業(yè)科技大學 機電工程學院，長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學 交通運輸與物流學院，長沙 410004)

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皮卡動力選型及匹配優(yōu)化研究

楊漢乾1，胡昌佐2，吳家鈺2，嚴永林1

(1.中南林業(yè)科技大學 機電工程學院，長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學 交通運輸與物流學院，長沙 410004)

摘要：以某款皮卡的動力性、經濟性和排放特性為優(yōu)化目標，利用GT-Drive軟件建立整車靜力學、運動學和動力學仿真模型，運用仿真模型開展了動力選型匹配再優(yōu)化研究。研究得到：在三款可選的發(fā)動機中，該皮卡搭載T20發(fā)動機的各項動力性指標最好，不同載荷下的百公里綜合油耗均最低；三款發(fā)動機的裸機排放都未能達到國IV和國V排放標準，需要采用尾氣凈化裝置才能達到國V標準。研究表明，皮卡可通過動力選型匹配再優(yōu)化的途徑，實現(xiàn)既能滿足動力性的要求又能降低油耗、減少排放，從而達到未來節(jié)能減排標準。

關鍵詞：動力選型；匹配優(yōu)化；節(jié)能減排；GT-Drive

引文格式：楊漢乾，胡昌佐，吳家鈺.皮卡動力選型及匹配優(yōu)化研究[J].森林工程，2016，32(1)：48-53.

0引言

隨著我國農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，農村土地實施集約化經營的政策逐步推廣，農民的生活水平逐漸提高，皮卡將成為一種重要農產品物資運輸工具和乘用工具[1]。同時，未來我國即將全面執(zhí)行排放要求更低的國五排放法規(guī)和實施更為嚴茍的第四階段燃油消耗標準。越來越嚴格的排放法規(guī)和車輛更低燃料消耗量限值標準，這就要求皮卡既要具備強勁的動力，又要具備良好的經濟性和排放性，但是動力性、經濟性和排放性是具有一定的相互制約性[2]。因此，這給皮卡車型的動力選型匹配帶來艱難的挑戰(zhàn)。

為了提前應對未來節(jié)能減排法規(guī)要求，需要對動力選型和傳動系統(tǒng)匹配再優(yōu)化研究。本文以某款皮卡的動力性、經濟性和排放特性為優(yōu)化目標，建立了整車靜力學、運動學和動力學仿真模型，運用仿真模型開展動力選型匹配優(yōu)化研究，在滿足原車各項動力性能的前提下尋求改善整車的燃油經濟性和排放性。

1整車動力學和運動學建模

1.1整車動力學、運動學建?；纠碚?/p>

整車運動學和動力學建模的目的是分析整車的基本性能，主要有動力性(主要參數(shù)有最高車速、爬坡能力和加速能力)、經濟性(主要參數(shù)有綜合油耗、等速油耗等)和排放特性(NOx和碳煙)，建模主要應用受力平衡、牛頓第二定律和功率平衡等基本原理[3]。

1.2整車和選型發(fā)動機基本參數(shù)

在創(chuàng)建整車的運動學和動力學模型時需要運用的整車結構和技術參數(shù)見表1。

表1　整車建模主要參數(shù)

注：表中“-”表示系數(shù)為1。

首先初選出了兩款發(fā)動機，該兩款發(fā)動機的功率與原車所搭載的發(fā)動機功率相當。三款發(fā)動機的名稱分別為T30A (原車發(fā)動機)，T30B和T20，其基本技術參數(shù)見表2。

1.3整車系統(tǒng)仿真模型

汽車的動力學模型是指在駕駛員控制發(fā)動機油門為全開狀態(tài)下，車速由發(fā)動機工作狀態(tài)和檔位控制所決定，主要是為了分析整車的加速性能和最高車速等。本皮卡動力學仿真模型中含有駕駛員、發(fā)動機、離合器、整車、輪胎、道路和環(huán)境等模塊，以及模塊之間信號傳遞傳感器和模塊之間的連接關系，如圖1所示。

汽車的靜力學分析是指車速恒定時，根據(jù)發(fā)動機額定扭矩、受力平衡和功率平衡以及車速和發(fā)動機轉速的對應關系，可計算得到最大爬坡度和最大承載質量等性能參數(shù)。

表2　選型發(fā)動機參數(shù)

注：WG為固定截面放氣閥式增壓器，VGT為可變截面增壓器，R2S為串聯(lián)式兩級增壓器?！?”表示系數(shù)為1。

汽車的運動學模型是指汽車按照已知道路循環(huán)工況(如NEDC，F(xiàn)TP75等)行駛，此時發(fā)動機工作狀況由車速和檔位控制所決定[4-5]，主要是為了分析典型工況下汽車的燃油經濟性和排放性。本文研究所開展的運動學仿真分析是基于NEDC循環(huán)工況，該皮卡運動學仿真模型包含發(fā)動機、變速器、差速器、離合器、整車、輪胎、道路和環(huán)境等，如圖2所示。

圖1　整車動力學模型Fig.1 The vehicle dynamic model

圖2　整車運動學模型Fig.2 The vehicle kinematic model

1.4仿真模型驗證

通過運行上述仿真模型可得到皮卡的主要性能參數(shù)，將此類參數(shù)與實驗數(shù)據(jù)進行對比，見表3。從表3可知，最高車速和油耗的仿真結果與實測值完全一致，綜合油耗的誤差在1%以內；最大爬坡度仿真結果要比官方公布值大40%左右，這是官方公布值一般要比該車的實際爬坡度要小的原因。這說明所創(chuàng)建的仿真模型是準確的，確保了后續(xù)動力選型和匹配優(yōu)化的研究結論可靠。

表3　仿真與實驗結果對比

注：#為整車轉鼓試驗實測值，*為官方車輛性能參數(shù)發(fā)布值。

2整車搭載不同發(fā)動機動力性、經濟性及排放性仿真分析

2.1整車動力性仿真分析

滿載和空載的動力特性參數(shù)見表4，從該表可知，該皮卡搭載T30A的最高車速和爬坡能力都優(yōu)于T30B，搭載T20發(fā)動機的各項動力性能參數(shù)都優(yōu)于前兩者。盡管T20發(fā)動機排量只有2.0L，但是由于采用了兩級增壓技術，使得發(fā)動機的單位體積發(fā)出的平均有效壓力遠遠高于前兩者的值。如果單以動力性能優(yōu)劣來選配發(fā)動機，則該皮卡搭載T20發(fā)動機的動力性最好。

表4　整車搭載三款發(fā)動機的動力性參數(shù)

2.2整車經濟性仿真分析

2.2.1全負荷加速油耗仿真分析

盡管全負荷加速油耗不能代表整車的實際燃油經濟性，但是可反映出整車在加速過程的油耗特性。從表5可知，皮卡搭載三款發(fā)動機的全速全負荷加速折合百公里油耗相差甚?。淮钶d任何一款發(fā)動機的空載油耗與滿載油耗基本一致，這是因為不管空載還是滿載，在全負荷加速時，整車的負載對油耗影響甚小。

表5　0至100km/h全速全負荷加速油耗

2.2.2綜合油耗仿真分析

本文所研究的皮卡屬于輕型商用車，質量小于3 500 kg，我國工信部規(guī)定其道路綜合油耗采用NEDC循環(huán)工況進行測試。NEDC循環(huán)工況是專門設計用于評估車輛(乘用車和小于3.5t商用車)的排放水平和燃油經濟性，它由怠速、加速、減速和等速等工況組成，其中怠速時間比例最高(69s，占35.4%)，其次是等速時間(57s，占35.4%)?；谒⒌倪\動學仿真模型，開展了空載和滿載兩種載荷在NEDC循環(huán)工況下的燃油經濟性和排放特性分析[6-8]。在運動學仿真分析中采用的換擋策略見表6，即不管整車搭載哪一款發(fā)動機，換擋策略都一樣。此外，經濟性仿真分析中路面坡度設為0。

表6NEDC循環(huán)工況換擋策略

km·h-1

Tab.6 The shift strategy for NEDC driving cycles

km·h-1

表7為該皮卡搭載三款發(fā)動機的綜合油耗，從該表可知，搭載T30A(原車動力)空載百公里綜合油耗為8.37L，該值小于對應排量的車輛在《輕型商用車輛燃料消耗量限值(GB20997-2007)》中的第二階段油耗限9.5L，搭載T30B發(fā)動機的油耗為8.5L，其經濟性比原車動力差1.6%，而搭載T20發(fā)動機的油耗為7.89L (對應排量的車輛在GB20997-2007中的第二階段油耗限值9.0L)。搭載三款發(fā)動機滿載的百公里綜合油耗分別是9.72、9.99、9.35L，T30B發(fā)動機油耗仍是最高，而T20發(fā)動機的油耗仍是最低。此外，從表7還可知，在NEDC道路循環(huán)工況下，同款發(fā)動機滿載百公里油耗要比空載的高。

表7　搭載不同發(fā)動機的綜合油耗

2.3整車排放特性仿真分析

2.3.1全負荷加速排放仿真分析

表8為該皮卡分別搭載三款發(fā)動機以全速全負荷加速的排放特性。從表可知，在全速全負荷加速過程中，整車的NOx和碳煙排放劇增，但滿載和空載之間的排放差異較小。整車搭載T20發(fā)動機的NOx和碳煙排放比搭載T30B的要低得多，說明該車搭載T20發(fā)動機的排放更好。由于T30A發(fā)動機沒有進行排放特性測試，所以排放無法預測，但對整車在轉鼓實驗臺上進行了測試，其排放能夠滿足國IV標準，見表9。

表8搭載不同發(fā)動機全速全負荷加速平均排放

km·h-1

Tab.8 The average emissions with different engines

km·h-1

2.3.2綜合工況排放仿真分析

通過運動學仿真分析不僅可以得到整車的綜合燃油消耗量，還可以得到各種有害物質的排放量。表9為皮卡分別搭載三款發(fā)動機在NEDC循環(huán)工況下的各種有害物質的排放量，表中還給出了國家第IV和第V階段排放限值。從該表可知，該皮卡搭載原動力(T30A)的裸車排放(未加裝尾氣凈化器)不能達到國IV標準，在加裝尾氣凈化器后可滿足國IV排放標準，但是仍未能滿足國V排放標準。如果搭載T30B或T20發(fā)動機，則需要采用尾氣凈化裝置來降低各有害排放物的排放量。其中，搭載T20發(fā)動機整車NOx、CO和THC都比搭載T30B的低，但顆粒排放量恰好相反。

表9搭載不同發(fā)動機NEDC循環(huán)工況平均排放

g·km-1

注：#為皮卡搭載T30A發(fā)動機加裝尾氣凈化器后的實測值，*為仿真計算得到的裸車排放，即該排放未經過尾氣凈化裝置處理。

國IV排放標準升級到國V標準，主要是顆粒有大幅減少，當前應對國IV排放標準的常用后處理器為DOC (Diesel Oxidation Catalyst，氧化催化轉化器)。從該數(shù)據(jù)分析可知，要滿足國V排放標準該皮卡無論搭載哪一款發(fā)動機，必須加裝DPF (Diesel Particulate Filter，微粒捕集器)來大幅度降低顆粒排放量，以及進一步提高NOx、CO和THC的催化轉化效率，或者進一步降低該類有害物的缸內排放量[9-12]。

為進一步分析該皮卡以NEDC循環(huán)工況在道路行駛中發(fā)動機的工作分布特性，文中將空載下發(fā)動機的所有工作點顯現(xiàn)在碳煙和NOx比排放的萬有特性圖中，此方式既直觀又深入地了解到發(fā)動機是否工作在低比排放區(qū)域，有助于為速比和換擋策略優(yōu)化提供指導方向，同時也為缸內凈化指出排放需要改善的重點區(qū)域。

圖3　搭載T30B空載發(fā)動機工作點在NOx MAP中的分布Fig.3 The working point distribution of T30Bengine without load in the NOx MAP

圖4　搭載T30B空載發(fā)動機工作點在Soot MAP中的分布Fig.4 The working point distribution of T30Bengine without load in the Soot MAP

圖3和圖4分別為整車搭載T30B發(fā)動機空載時發(fā)動機工作點在NOx和Soot脈譜中的分布。從圖6可知，Soot的最低比排放為0.1g/(kW·h)，該發(fā)動機的大部分工作點落在Soot較低排放區(qū)域，這是導致整車Soot排放較低的原因。

圖5　搭載T20空載發(fā)動機工作點在NOx MAP中的分布Fig.5 The working point distribution of T20engine without load in the NOx MAP

圖6　搭載T20空載發(fā)動機工作點在Soot MAP中的分布Fig.6 The working point distribution of T20engine without load in the Soot MAP

圖5和圖6分別為整車搭載T20發(fā)動機空載時發(fā)動機工作點在NOx和Soot MAP中的分布。從圖5可知，NOx的最低比排放為1g/(kW·h)，該值比T30B的要低，發(fā)動機的大部分工作點落在NOx低排放區(qū)域，這是導致整車NOx排放較低的原因。從圖6可知，Soot的最低比排放也為0.1g/(kW·h)，該值和T30B發(fā)動機的相同，但是發(fā)動機的大部分工作點落在Soot較高排放區(qū)域，這是導致整車Soot 排放高的原因。

從發(fā)動機燃燒特性可知，NOx和Soot兩種排放物存在此消彼長的矛盾關系，在實際應用中很難兼顧兩者的最低排放區(qū)域。特別是面對未來嚴格的國V排放法規(guī)，顆粒排放比國IV標準降低了92.5%，降幅巨大，缸內燃燒再優(yōu)化也很難做到不采用DPF使機內裸排放達到法規(guī)要求。但是，NOx排放國V比國IV的只降低了28%，NOx機內裸排放如能通過機內凈化技術來達到國V要求，則可降低尾氣凈化系統(tǒng)的復雜程度，也有利于減少成本。

3結論

(1)整車在全速全負荷加速時，無論搭載哪一款發(fā)動機，整車的負載情況對油耗和有害氣體排放量影響甚小。

(2)三款發(fā)動機中，該皮卡搭載T20發(fā)動機的各項動力性指標最好；且搭載T20發(fā)動機在NEDC循環(huán)工況下的空載和滿載兩種負荷的百公里綜合油耗最低，經濟性最好；變速器和換擋策略對降低油耗有進一步優(yōu)化的潛力。

(3)該皮卡搭載原動力(T30A)加裝尾氣凈化裝置滿足國IV排放標準，但是不能達到未來國V排放標準；該皮卡搭載T30B和T20兩款發(fā)動機的裸車排放都不能達到國IV和國V排放標準。要滿足國V排放標準該皮卡無論搭載哪一款發(fā)動機，都必須加裝微粒捕集器來大量降低顆粒排放量。

(4)農用皮卡可通過動力選型匹配再優(yōu)化的途徑，實現(xiàn)既能滿足動力性的要求又能降低油耗、減少排放，從而滿足未來市場要求。

【參考文獻】

[1]馮啟高，毛罕平.我國農業(yè)機械化發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J].農機化研究，2012.2(2)：245-248.

[2]林學東.汽車動力匹配技術[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3]余志生.汽車理論(5版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]寧予.基于GT-Drive的微型汽車動力傳動匹配分析及優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[5]曾文梅.一種全地形車用電磁閥控制二四驅切換差速前橋的研究[J].林業(yè)機械與木工設備，2013，41(10)：32-35.

[6]國家環(huán)境保護總局，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB18352.3-2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國III、IV階段)[S].北京：中國環(huán)境科學出版社出版，2005.

[7]國家環(huán)境保護部，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[S].北京：中國環(huán)境科學出版社出版，2013.

[8]杜青，楊延相，鄭偉，等.機動車排放測試循環(huán)特性分析及適用性評價[J].內燃機學報，2002，20(5)：403-407.

[9]李陽，郭秀榮，金帆，等.可抓卸式柴油機尾氣顆粒捕集器研制及安裝[J].林業(yè)機械與木工設備，2013，41(2)：39-41.

[10]Hallstrom K，Schiavon J.Euro IV and V diesel emission control system review [R].SAE Technical Paper 2007-01-2617，2007.

[11]Konieczny R，Muller W，Cherington B，et al.Pre-turbo charger catalyst-catalytic performances on an Euro V type diesel engine and robust design development[R].SAE Technical Paper 2008-01-0768，2008.

Study on Power Selection and Matching Optimization of Pickup

Yang Hanqian1，Hu Changzuo2，Wu Jiayu2，Yan Yonglin1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004；

2.School of Transportation and Logistics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004)

Abstract：Taking the performances of power，fuel economy and emission as optimization goals，the simulation models of statics，kinematics and dynamics of a pickup vehicle were built by using GT-Drive software.On this basis，the engine power selection and matching optimization were conducted by adopting the models.The results showed that the pickup vehicle had the best power performance and the lowest fuel consumption per 100km when it was assembled with T20 engine among three optional engines.The original emission of all three engines can’t meet the stage V emission standard of China only if all of them were equipped with exhaust gas purification devices.The results also indicated that the multiple goals of satisfying power requirement，reducing fuel consumption and toxic gas emission can be achieved on pickup vehicle by the method of engine power selection and matching optimization，which is beneficial for energy conservation and emission reduction.

Keywords：power selection；matching optimization；energy saving and emissions reduction；GT-Drive

作者簡介：第一楊漢乾，博士，講師。研究方向：內燃機性能正向開發(fā)和動力總成匹配技術。E-mail：yhanqian@sina.com

基金項目：湖南省自然科學基金重點資助項目(13JJ8001)；中南林業(yè)科技大學青年科學研究基金重點項目資助(JQ2012005A)

收稿日期：2015-08-12

中圖分類號：S 714.8

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)01-0048-06