劉猛，祖炳鋒*，徐玉梁，王振，秦憲濤

基于Cruise的微卡發(fā)動(dòng)機(jī)匹配分析

劉猛1，祖炳鋒1*，徐玉梁1，王振1，秦憲濤2

（1.天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072；2.北汽黑豹（威海）汽車(chē)有限公司，山東 威海 264400）

合適的動(dòng)力總成對(duì)整車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性有非常重要的作用，文章利用Cruise仿真軟件對(duì)匹配某款微卡的幾款發(fā)動(dòng)機(jī)在不同傳動(dòng)系速比下進(jìn)行了整車(chē)性能分析，在滿足整車(chē)動(dòng)力性的前提下，選出了最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)匹配方案，使燃油經(jīng)濟(jì)性最低，并滿足了最新的法規(guī)油耗限值要求。

Cruise；發(fā)動(dòng)機(jī)；微卡；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性

前言

汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車(chē)各種性能中最基本、最重要的性能，也是在市場(chǎng)中是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的基本標(biāo)志，其很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)與整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配是夠合理。

目前國(guó)內(nèi)部分車(chē)企在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，仍采用理論計(jì)算公式分析整車(chē)的動(dòng)力性，工作量較大，特別是計(jì)算燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同扭矩下的燃油消耗完全不同，很難進(jìn)行精確的分析，只能進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)，增加開(kāi)發(fā)費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。對(duì)于獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，開(kāi)發(fā)出適合整車(chē)廠需求的發(fā)動(dòng)機(jī)，更具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

Cruise軟件是奧地利AVL公司開(kāi)發(fā)研究的整車(chē)性能分析軟件，主要針對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能等性能進(jìn)行仿真分析，它采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車(chē)橋主減、輪胎型號(hào)、整車(chē)整備質(zhì)量及最大質(zhì)量等與車(chē)輛的匹配優(yōu)化。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用Cruise軟件進(jìn)行仿真的企業(yè)越來(lái)越多，大量的試驗(yàn)結(jié)果證明，其仿真準(zhǔn)確性較高，可以作為傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的基本工具。

對(duì)于微卡，一般使用中低速大扭矩的柴油機(jī)作為動(dòng)力總成的首選，由于國(guó)Ⅵ排放使用的后處理成本增加太高，汽油機(jī)使用的越來(lái)越多。2020年將要執(zhí)行的《輕型商用車(chē)輛燃料消耗量限值》對(duì)于微卡的油耗限值做了新的要求，使用汽油機(jī)的微卡要想達(dá)到要求，必須進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，但開(kāi)發(fā)周期有限，非常有必要使用Cruise軟件進(jìn)行提前分析預(yù)判。

本文對(duì)一款匹配1.5L四缸自然吸氣汽油機(jī)的微卡，應(yīng)用Cruise軟件進(jìn)行了整車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算，并分別對(duì)比了1.5L增壓汽油機(jī)、1.8L自然吸氣汽油機(jī)、2.0L米勒循環(huán)自然吸氣汽油機(jī)共四款發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)主減下的油耗表現(xiàn)，結(jié)果顯示，增大排量或升級(jí)為增壓，是降低油耗的有效方式，這為整車(chē)廠及發(fā)動(dòng)機(jī)廠選擇匹配發(fā)動(dòng)機(jī)提供了參考。

1 微卡動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 動(dòng)力性

動(dòng)力性主要評(píng)價(jià)指標(biāo)：最高車(chē)速、加速時(shí)間、最大爬坡度。其中與乘用車(chē)不同的是，微卡以拉貨為主，在滿載質(zhì)量下的最大爬坡度往往是最重要的指標(biāo)。

1.1.1 最大爬坡度

最大爬坡度是指汽車(chē)滿載時(shí)在良好路面上用一擋克服的最大坡度，代表汽車(chē)的爬坡能力。爬坡度用坡度的角度值（以度數(shù)表示）或以坡度起止點(diǎn)的高度差與其水平距離的比值（正切值）的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

對(duì)于微卡，經(jīng)常會(huì)在多種地區(qū)多種路面上行駛，在滿載時(shí)最大爬坡度一般要求大于30%，也就是16.7°。

1.1.2 最高車(chē)速

最高車(chē)速是指在水平良好的路面（混凝土或?yàn)r青）上汽車(chē)能達(dá)到的最高行駛車(chē)速，是汽車(chē)在平坦路面無(wú)風(fēng)條件下，行駛阻力和驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)的車(chē)速。

對(duì)于微卡的用途及安全性，最高車(chē)速一般要求在100km/ h 左右。

1.1.3 加速時(shí)間

加速時(shí)間，即汽車(chē)的加速性能，包括汽車(chē)的原地起步加速時(shí)間和超車(chē)加速時(shí)間。

原地起步加速時(shí)間，指汽車(chē)從靜止?fàn)顟B(tài)下，由第一擋起步，并以最大的加速?gòu)?qiáng)度（包括選擇最恰當(dāng)?shù)膿Q擋時(shí)機(jī)）逐步換至高擋后，到某一預(yù)定的距離車(chē)速或車(chē)速所需的時(shí)間。

超車(chē)加速時(shí)間，對(duì)提高汽車(chē)的平均行駛中由某一車(chē)速開(kāi)始，用最高擋或次高擋全力加速至某一高速所需要的時(shí)間，用來(lái)表示汽車(chē)超車(chē)時(shí)的加速能力。

1.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

在保證動(dòng)力性的條件下，汽車(chē)以盡量小的耗油量經(jīng)濟(jì)行駛的能力。

車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性是以確定的試驗(yàn)循環(huán)行駛情況下的循環(huán)燃油耗和在平坦路面以一定速度行駛情況下的等速燃油耗來(lái)表示，常用L/100km為計(jì)量單位。

對(duì)于輕型車(chē)，我國(guó)采用的測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)是《GB/T 19233-2008 輕型汽車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法》，同時(shí)油耗試驗(yàn)要結(jié)合排放進(jìn)行，其采用的試驗(yàn)循環(huán)來(lái)自《GB 18352.5-2013 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》的規(guī)定，參考的是歐洲的NEDC （New European Driving Cycle）循環(huán)。

NEDC循環(huán)包含4個(gè)城市循環(huán)（1部）和1個(gè)郊區(qū)循環(huán)（2部）。從下圖可以看到，2部郊區(qū)循環(huán)的車(chē)輛行駛距離占比很大，即這種循環(huán)偏重于中高速工況。

圖1 NEDC循環(huán)

2 Cruise原型車(chē)建模分析

2.1 Cruise原型車(chē)建模

Cruise采用模塊化設(shè)計(jì)，包含整車(chē)車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、主減速器、差速器、制動(dòng)器及輪胎等元件模型，建模時(shí)根據(jù)需要拖入建模窗口，建立數(shù)據(jù)傳輸鏈接，添加到駕駛室模塊對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制，即可建模整車(chē)仿真模型。

圖2 Cruise整車(chē)模型

建模完成后，需要對(duì)各個(gè)元件的參數(shù)進(jìn)行輸入，以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，需要輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)、排量、怠速油耗、外特性、萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)等。

其中微卡的整車(chē)參數(shù)如下：

表1 整車(chē)基本參數(shù)

目前匹配的1.5L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱1.5自吸)參數(shù)如下：

表2 1.5自吸基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性如下：

2.2 Cruise仿真結(jié)果

在Crusie計(jì)算整車(chē)性能時(shí)，我們?cè)黾恿烁∫患?jí)的速比4.875，用于計(jì)算對(duì)比。

整車(chē)質(zhì)量對(duì)動(dòng)力及經(jīng)濟(jì)性影響很大，對(duì)于最大爬坡度，選擇滿載質(zhì)量；對(duì)于NEDC循環(huán)油耗，根據(jù)法規(guī)油耗選擇空載質(zhì)量；對(duì)于等速百公里油耗，選擇半載最高檔位工況；其余選擇空載質(zhì)量。

在Cruise軟件中，添加計(jì)算任務(wù)后，可得到如下結(jié)果：

表3 不同速比下仿真結(jié)果

通過(guò)表3我們可以看出，在主減降低后，整車(chē)經(jīng)濟(jì)性得到了提升，但動(dòng)力性降低，特別是滿載最大爬坡度從32.3%降低到28.9%，已經(jīng)不滿足整車(chē)設(shè)計(jì)要求（一般≥30%）。主減速比5.375設(shè)計(jì)比較合理。

空載NEDC循環(huán)油耗為9.66L/100km。對(duì)于整備質(zhì)量1380kg的微卡，2020年法規(guī)油耗限值要求為7.8L/100km，顯然目前匹配的1.5L自然吸氣汽油機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到目標(biāo)要求。

在滿足整車(chē)動(dòng)力性的前提下，降低主減能有效降低油耗，而想要提高整車(chē)動(dòng)力性，需要更大功率及扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此要滿足2020年法規(guī)油耗限值要求，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)。

3 不同發(fā)動(dòng)機(jī)匹配方案分析

本文選擇了三款更高功率及扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用Cruise軟件進(jìn)行了最優(yōu)速比下的整車(chē)性能對(duì)比分析，三款四缸發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)如下：

表4 三款發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

上述均為國(guó)內(nèi)性能比較先進(jìn)的配乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，都采用了VVT可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)。其中2.0自吸汽油機(jī)（簡(jiǎn)稱2.0自吸）采用了高壓縮比及米勒循環(huán)技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)以?shī)W托循環(huán)模式工作，輸出最大扭矩；在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，以阿特金森方式工作，實(shí)現(xiàn)最佳的燃油性,。而1.5L增壓汽油機(jī)（簡(jiǎn)稱1.5增壓），通過(guò)增壓方式實(shí)現(xiàn)了功率和扭矩的大幅提升，燃油消耗率相對(duì)高。

表5 不同主減下仿真結(jié)果

前面提到，對(duì)于卡車(chē)，最大爬坡度是一個(gè)最重要的指標(biāo)。因此在Cruise計(jì)算時(shí)，其它整車(chē)參數(shù)不變，只優(yōu)化主減速比，重點(diǎn)分析在不同主減下，最大爬坡度和NEDC循環(huán)油耗的變化。

從開(kāi)發(fā)成本考慮，從市場(chǎng)上選取現(xiàn)有的主減進(jìn)行對(duì)比分析，選取了5.375、4.875、4.33、3.9共4種微卡常用的主減，本文將對(duì)上述4款主減與上述4款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行橫向和縱向比較，找出同時(shí)滿足整車(chē)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的最佳組合。

由表5可以看出：

（1）在主減為5.375時(shí)，扭矩越大的發(fā)動(dòng)機(jī)，滿載爬坡度越大并滿足＞30%的要求，但NEDC循環(huán)油耗沒(méi)有改善甚至加大，主要原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有運(yùn)行在最佳油耗區(qū)。

（2）在主減為4.875時(shí)，最大爬坡度開(kāi)始降低，油耗有明顯改善，但離目標(biāo)油耗差距很大。

（3）在主減為4.33時(shí)，油耗進(jìn)一步改善，2.0自吸和1.5增壓發(fā)動(dòng)機(jī)最大爬坡度仍有很大富裕，而1.8自吸已經(jīng)優(yōu)化到極限。

（4）在主減為3.9時(shí)， 1.5增壓發(fā)動(dòng)機(jī)最大爬坡度36.8%，油耗降低到每百公里8.2L，離7.8L的目標(biāo)油耗越來(lái)越近； 2.0L自吸發(fā)動(dòng)機(jī)差一些，但均可通過(guò)其它方式進(jìn)一步降低油耗，滿足目標(biāo)值。

圖4 1.5增壓發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性

1.5增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩大于其它發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是低速扭矩更大，見(jiàn)圖4，在1500rpm時(shí)就能達(dá)到最大扭矩，可以選擇較小的主減在滿足最大爬坡度的前提下實(shí)現(xiàn)油耗的降低。

綜上可以看出，想實(shí)現(xiàn)目標(biāo)油耗，發(fā)動(dòng)機(jī)需要增大排量（同時(shí)考慮米勒循環(huán)）或者升級(jí)為增壓機(jī)型。由于卡車(chē)的最高車(chē)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于乘用車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)在匹配開(kāi)發(fā)時(shí)，可降低額定轉(zhuǎn)速功率，增大低速扭矩。

通過(guò)Cruise仿真計(jì)算，可以確定滿足目標(biāo)油耗需要的發(fā)動(dòng)機(jī)形式，并根據(jù)仿真結(jié)果針對(duì)性的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速性能的優(yōu)化，并進(jìn)一步從成本、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙的布置空間出發(fā)，最終選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 結(jié)論

Cruise仿真軟件對(duì)汽車(chē)匹配分析具有快速和準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)Cruise仿真結(jié)果，本文得出以下結(jié)論：

（1）增大后橋主減，可降低NEDC循環(huán)油耗，但滿載最大爬坡度同時(shí)降低，需要滿足微卡最低30%爬坡度的限值要求。

（2）增大發(fā)動(dòng)機(jī)排量或升級(jí)為增壓機(jī)型，提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩，是滿足目標(biāo)油耗要求的一種有效方式，并需根據(jù)成本、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙空間合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)形式。

（3）采用1.5T增壓汽油機(jī)匹配微卡后，整車(chē)百公里油耗從9.66L降低到8.18L,滿載最大爬坡度為36.8%，進(jìn)一步降低主減即可達(dá)到7.8L的法規(guī)要求。

[1] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社,2017.8.

[2] AVL-Cruise manuals.

[3] 周龍保,劉巽俊,高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005.1.

[4] 羅衛(wèi)東,邱望標(biāo).汽車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)仿真與傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械, 2008.2.

[5] 朱玉霞,王昕,鹿政華.基于Cruise軟件的中型卡車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化分析[J].機(jī)電信息,2011.

Matching Analysis of Mini-Truck Engine Based on Cruise

Liu Meng1, Zu Bingfeng1*, Xu Yuliang1, Wang Zhen1, Qin Xiantao2

( 1.Tianjin internal combustion engine research institute, Tianjin 300072; 2.Beiqi Panther (Weihai) Automobile Co., Ltd, Shandong Weihai 264400 )

Appropriate powertrain plays an important role in vehicle power performance and fuel economy.This paper uses Cruise simulation software to analyze the vehicle performance of several engines matching a mini-truck under different transmission speed ratios.On the premise of satisfying the power of the vehicle, the best engine matching scheme is selected to minimize fuel economy and meet the latest requirements of fuel consumption limits.

Cruise; Engine; Mini-truck; Power performance; Economy performance

U464

A

1671-7988(2019)13-67-04

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劉猛（1986－），男，學(xué)士，中級(jí)工程師職稱，現(xiàn)就職于天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與汽車(chē)匹配優(yōu)化。

祖炳鋒，男，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士，碩士生導(dǎo)師，天津內(nèi)燃機(jī)研究所所長(zhǎng)，研究方向發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與過(guò)程優(yōu)化。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.024