楊靖,米林,李洋濤

(1.重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054；2.滑鐵盧大學(xué)機械與機電工程學(xué)院，加拿大 滑鐵盧 N2L3G1)

整車循環(huán)工況模擬計算中的瞬態(tài)問題研究

楊靖1,米林1,李洋濤2

(1.重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054；2.滑鐵盧大學(xué)機械與機電工程學(xué)院，加拿大 滑鐵盧 N2L3G1)

運用商業(yè)軟件計算整車循環(huán)工況燃油消耗時，計算值與道路實測值之間存在較大的偏差，通過對軟件的功能原理進行分析，指出了軟件計算中存在不足的原因，并提出了將瞬態(tài)數(shù)據(jù)納入計算以減少計算誤差的方法。分別用基于發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)萬有特性結(jié)合瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)的兩種方法，對整車循環(huán)工況燃油消耗進行了數(shù)值模擬計算，并與整車道路測試數(shù)據(jù)進行比較。結(jié)果表明，采用發(fā)動機瞬態(tài)特性與整車循環(huán)工況計算關(guān)聯(lián)的方法，可減小模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果間的偏差。

穩(wěn)態(tài)工況；瞬態(tài)工況；燃油消耗；數(shù)值模擬

目前，我國處于最新汽車排放和經(jīng)濟性法規(guī)實施階段，為了降低整車燃油消耗，生產(chǎn)廠家和研究機構(gòu)紛紛采取新的技術(shù)和研究手段以實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[1-3]。其中低成本、高效率的數(shù)值模擬手段被廣泛地采用，并由此出現(xiàn)了一些較為成熟的整車性能數(shù)值模擬商業(yè)軟件，國內(nèi)外應(yīng)用最多的有GT-Drive和Cruise軟件等[4-5]。上述商業(yè)軟件在計算和優(yōu)化整車油耗的過程中，通常用整車和傳動系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及發(fā)動機萬有特性導(dǎo)入并標(biāo)定后進行計算[6-8]。眾所周知，應(yīng)用軟件建模后首先都要對模型進行標(biāo)定，其標(biāo)定數(shù)據(jù)通常是穩(wěn)態(tài)測量所得，并且模型中導(dǎo)入的發(fā)動機萬有特性也是穩(wěn)態(tài)測得，以此為依據(jù)來計算循環(huán)工況時便會出現(xiàn)較大的偏差。為了減小此偏差，可能的辦法則是通過修正一些邊界條件或計算系數(shù)等，使得循環(huán)工況計算值與實測值接近[9]。之前在多款車型的性能模擬計算過程中發(fā)現(xiàn)，計算值與實測值總是存在偏差，采用不同的循環(huán)工況或不同的車型計算則偏差的大小也不同，且計算值普遍小于實測值。說明計算誤差不是簡單的模型標(biāo)定能夠徹底消除的，應(yīng)該從其他方面找出問題，采取適當(dāng)?shù)姆椒右越鉀Q。

1 模擬計算中的瞬態(tài)問題分析

1.1變工況時發(fā)動機工作點移動路徑分析

發(fā)動機萬有特性的獲取均在穩(wěn)態(tài)工況測得，以此計算整車等速100 km燃油消耗量時能夠得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，因為車輛等速等負(fù)荷運行時變速器的擋位不變，發(fā)動機的輸出也不變，即發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)條件下工作，所以計算時直接用萬有特性數(shù)據(jù)是沒有問題的[10]。而當(dāng)整車以循環(huán)工況運行時，發(fā)動機的工況點也隨之而變，用商業(yè)軟件計算循環(huán)工況100 km燃油消耗量時，首先需要知道發(fā)動機工況點的變化路徑，才可以根據(jù)路徑上對應(yīng)的發(fā)動機參數(shù)或插值進行計算。工況點變化路徑判斷錯誤，將給計算帶來較大的誤差[11]。

整車在循環(huán)工況下需要按照規(guī)定進行加、減速或恒速運行，現(xiàn)僅以最簡單的等加速工況為例(見圖1)。圖1中T為發(fā)動機扭矩、n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速、V為車速，車速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間是線性關(guān)系，可以通過Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ擋位線關(guān)聯(lián)起來，而在發(fā)動機萬有特性區(qū)域中的Ⅰ′，Ⅱ′，Ⅲ′則為整車勻速行駛時各擋變速比下的擋位線，它決定了某擋位下發(fā)動機所對應(yīng)的扭矩所在點。此圖也稱之為整車萬有特性圖，它可以清楚地表達(dá)車速、擋位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速與扭矩和油耗率等之間的關(guān)系。

由圖1可知，若整車初始速度為V1時變速器在Ⅱ擋上，發(fā)動機則在萬有特性的a點工作；當(dāng)整車從初始速度V1等加速到車速V2時，發(fā)動機的工作點也隨之發(fā)生變化，但此時對應(yīng)車速V2的發(fā)動機工作點b點卻不是唯一的。在加速過程中若不換擋，僅通過直接加大油門來實現(xiàn)加速，則車速沿?fù)跷痪€Ⅱ過渡到車速V2，發(fā)動機的歷程則是從a沿?fù)跷痪€Ⅱ′過渡到b1點。但更有可能是在加速的過程中變速器換擋，油門需要隨之配合以完成加速過程。那么何時換擋、油門如何配合則取決于換擋策略。如加速初期尚未換擋時，則車速沿?fù)跷痪€Ⅱ加速，直到某中間車速V′時換到Ⅲ擋，之后再通過加大油門將車速沿?fù)跷痪€Ⅲ加速到車速V2，此時發(fā)動機工作點變化的歷程則是a—a′—b′—b2。在循環(huán)工況中無論加速還是減速，發(fā)動機都存在工況點變化的路徑問題。

圖1 車輛等加速工況時的工作歷程示意

可見，車速加速到V2時變速器是否換擋，會影響V2所對應(yīng)的發(fā)動機工況點b是否唯一，且發(fā)動機從a點到b點的歷程難以確定。由于商業(yè)模擬通用軟件只能設(shè)定換擋規(guī)律，而實際車輛的換擋策略無法得知，且每一款車的換擋策略都不同。正如駕駛手動擋汽車的司機，其操作習(xí)慣是完全不同的[12]，因此，人為設(shè)定換擋模式并以此確定計算路徑用于計算循環(huán)工況沒有真實性依據(jù)，會導(dǎo)致循環(huán)工況數(shù)值模擬計算結(jié)果產(chǎn)生偏差。

1.2變工況時發(fā)動機參數(shù)變化的影響

ECU是發(fā)動機的控制單元，針對發(fā)動機所處的不同狀態(tài)和變工況要求，每一款發(fā)動機的可變參數(shù)都有其自身的算法和瞬態(tài)控制規(guī)則。例如發(fā)動機在加速時，除加大油門外一般都會額外增加供油量，所增加油量的多少則取決于發(fā)動機工作的狀態(tài)和油門踏板的動作情況等，即加、減速過程中油量的變化也不是唯一或線性變化[13]。某車加速時所采集到的90 s內(nèi)發(fā)動機過量空氣系數(shù)變化曲線見圖2。由圖可以看出，發(fā)動機萬有特性穩(wěn)態(tài)工況點之間的插值所計算的參數(shù)與瞬態(tài)變工況實際的控制參數(shù)值完全不同[14]，因此計算時應(yīng)充分考慮到穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)參數(shù)的差別[15]。

圖2 加速工況發(fā)動機參數(shù)變化情況

變工況參數(shù)的變化可以說明，即使得到了變工況的精確路徑，若不考慮瞬態(tài)參數(shù)變動的因素，數(shù)值計算的結(jié)果與實際結(jié)果仍將存在較大的誤差[16]。

2 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)特性測試

2.1試驗用發(fā)動機和測試設(shè)備

研究選擇了一款單缸摩托車汽油機，通過臺架試驗分別獲得了發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)及標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下的瞬態(tài)數(shù)據(jù)[17-18]。試驗用發(fā)動機及主要測試設(shè)備見表1和表2。

表1 試驗用發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

表2 主要測試設(shè)備

2.2發(fā)動機穩(wěn)態(tài)萬有特性

依據(jù)發(fā)動機臺架測試規(guī)范測得的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)特性見圖3和圖4。

圖3 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)等燃油消耗率特性

圖4 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)過量空氣系數(shù)特性

2.3發(fā)動機瞬態(tài)特性

循環(huán)工況發(fā)動機性能測試所采用的方法如下：當(dāng)整車按NEDC標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況運行時，在確定了換擋規(guī)律的情況下以時間為橫坐標(biāo)，同步采集發(fā)動機瞬態(tài)的轉(zhuǎn)速和油門開度等數(shù)據(jù)[19]。后續(xù)在發(fā)動機臺架測試時，仍以時間為橫坐標(biāo)，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度變化數(shù)據(jù)輸入測功機，由此采集到的發(fā)動機各參數(shù)就是對應(yīng)整車循環(huán)工況時的瞬態(tài)數(shù)據(jù)[20]。整車循環(huán)工況見圖5，與之同步的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度見圖6。

圖5 整車循環(huán)工況曲線

圖6 循環(huán)工況與發(fā)動機運行參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

循環(huán)工況共歷時1 200 s，發(fā)動機臺架試驗時主要采集了過量空氣系數(shù)、平均損失壓力和平均指示壓力等[21-22]，為了更清晰地看到瞬態(tài)工況時的發(fā)動機參數(shù)變化情況，現(xiàn)將循環(huán)工況前190 s曲線放大(見圖7和圖8)。

圖7 190 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速、油門開度、過量空氣系數(shù)瞬態(tài)曲線

圖8 190 s內(nèi)的平均損失壓力、平均指示壓力瞬態(tài)曲線

3 瞬態(tài)數(shù)據(jù)納入循環(huán)工況計算

進行循環(huán)工況計算前，通過對瞬態(tài)數(shù)據(jù)的適當(dāng)處理，在原發(fā)動機穩(wěn)態(tài)萬有特性基礎(chǔ)上，用瞬態(tài)的燃油耗消率數(shù)據(jù)替換對應(yīng)點的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，使計算整車循環(huán)工況時所用發(fā)動機參數(shù)與實際過程一致。瞬態(tài)數(shù)據(jù)納入循環(huán)工況計算的流程見圖9。

圖9 瞬態(tài)數(shù)據(jù)納入循環(huán)工況計算流程

數(shù)據(jù)替換時可以根據(jù)精度要求確定步長大小,步長間隔1 s或0.5 s等。在萬有特性上，根據(jù)循環(huán)工況所采集到的某一時刻的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速n和平均有效壓力NMEP，確定發(fā)動機工作點所在位置。試驗數(shù)據(jù)中發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和過量空氣系數(shù)、燃油消耗率的理論關(guān)系如下。

對于穩(wěn)態(tài)而言，

(1)

(2)

式中：α為過量空氣系數(shù)；Vs為氣缸排量；Φa為充量系數(shù)；ρs為空氣密度；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；Gb為發(fā)動機1 h供油量；Lo為燃燒1 kg燃料理論空氣量；Pe為發(fā)動機功率；be為燃油消耗率。

對于瞬態(tài)而言，某一時段的燃油耗消率為

(3)

式中：t為時間；BE為瞬態(tài)燃油消耗率；GB為瞬態(tài)燃油消耗量；PE為瞬態(tài)功率。時間間隔很短時瞬態(tài)值可以用該時間段平均值替代：

(4)

若步長為1 s時，令t2-t1=1 s，則

(5)

進行發(fā)動機臺架瞬態(tài)測試時，根據(jù)整車循環(huán)工況所采集到的發(fā)動機瞬態(tài)轉(zhuǎn)速、油門開度隨時間的變化規(guī)律進行臺架試驗，可以方便地采集到溫度、壓力、氣體流量、1 h燃油消耗量、過量空氣系數(shù)等。

發(fā)動機瞬態(tài)工況時的過量空氣系數(shù)曲線見圖10。與圖4穩(wěn)態(tài)時相比，過量空氣系數(shù)發(fā)生了很大的變化。

圖10 發(fā)動機瞬態(tài)過量空氣系數(shù)

對于瞬態(tài)工況，計算時根據(jù)式(5)可以用平均值替代瞬時值，這一平均值可視為發(fā)動機在此時刻的“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”值。無論發(fā)動機是穩(wěn)態(tài)還是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，只要發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩相同，則在發(fā)動機萬有特性上就是唯一對應(yīng)的工況點。當(dāng)以瞬態(tài)參數(shù)替換萬有特性上同一工況點穩(wěn)態(tài)參數(shù)后，此時的發(fā)動機萬有特性圖就可稱之為“循環(huán)工況下的萬有特性圖”(見圖11)。

圖11 循環(huán)工況發(fā)動機萬有特性圖

同一工況點上瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的發(fā)動機功率相同，所以在圖11上任何工況下有

Pe=Pe′。

(6)

所以在同一工況點瞬態(tài)燃油消耗率可以表達(dá)為

(7)

實際上循環(huán)工況的每個步長下，瞬態(tài)數(shù)據(jù)替換穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的過程中，也同時明晰了發(fā)動機工況變化的路徑，所以數(shù)據(jù)替換時解決了本文中1.1節(jié)和1.2節(jié)中所提出的發(fā)動機變工況時的歷程問題和變工況時的參數(shù)變化問題。使用新的萬有特性圖進行整車循環(huán)工況的油耗模擬計算和優(yōu)化分析時，可以提供更加接近于實際的計算結(jié)果。

4 含瞬態(tài)數(shù)據(jù)的計算結(jié)果驗證

本研究用GT-Drive軟件搭建了整車數(shù)值模擬計算模型[23](見圖12)。計算整車循環(huán)工況100 km燃油消耗量過程中，是否考慮瞬態(tài)數(shù)據(jù)唯一的不同是分別導(dǎo)入萬有特性圖11和圖3。

圖12 整車性能數(shù)值計算模型

整車循環(huán)工況100 km燃油消耗量穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果、瞬態(tài)計算結(jié)果、試驗測試結(jié)果對比見圖13。

圖13 兩種計算結(jié)果與實測值比較

由圖13可見，瞬態(tài)計算的結(jié)果更接近于實際情況，誤差約在3.89%，而用穩(wěn)態(tài)發(fā)動機萬有特性所計算的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差約為14.76%。

5 結(jié)論

a) 車輛等速運行時發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)工作，所以運用穩(wěn)態(tài)發(fā)動機萬有特性計算整車等速100 km燃油消耗量比較準(zhǔn)確，但不適合用于計算循環(huán)工況100 km燃油消耗量，否則計算所產(chǎn)生的偏差比較大；

b) 整車循環(huán)工況運行時，發(fā)動機隨車速變化的工況點移動歷程隨換擋規(guī)律不同而不同，所以用穩(wěn)態(tài)發(fā)動機萬有特性按兩工況點連線間的插值計算整車100 km燃油消耗量，是產(chǎn)生較大計算誤差的主要因素之一；

c) 發(fā)動機瞬態(tài)參數(shù)不同于穩(wěn)態(tài)參數(shù)，用穩(wěn)態(tài)發(fā)動機萬有特性計算整車循環(huán)工況100 km燃油消耗量，是計算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差的另一主要因素；

d) 用瞬態(tài)數(shù)據(jù)替換穩(wěn)態(tài)萬有特性中對應(yīng)工況點的數(shù)據(jù)后，可以獲得循環(huán)工況下的發(fā)動機萬有特性，將其用于計算整車循環(huán)工況100 km燃油消耗量，可以提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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TransientProblemsofVehicleDrivingCycleCalculation

YANG Jing1,MI Lin1，LI Yangtao2

(1.Vehicle Engineering Institute,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China;2.Department of Mechanical and Mechatronics Engineering,University of Waterloo,Waterloo N2L3G1,Canada)

There was a big deviation between the calculated and measured value when using commercial software to calculate the fuel consumption of vehicle driving cycle. The calculation problem of software was pointed out through analyzing the function and principle of software. Then it was put forward that transient data should participate in the calculation to reduce the error. Furthermore, the fuel consumption of vehicle driving cycle was calculated and compared with the measured data based on universal characteristic data and transient data. The results show that the error between simulation and test decreases after introducing the transient data.

steady condition；transient condition；fuel consumption；numerical simulation

2017-04-18；

2017-06-25

楊靖(1957—)，女，教授，主要研究方向為內(nèi)燃機性能開發(fā)及動力匹配搭載；yangjing10@vip.sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.016

TK411.2

B

1001-2222(2017)05-0083-05

[編輯： 姜曉博]