基于發動機在環(EIL)測試的車輛傳動系最優匹配的研究

張宏超，馬俊達，李 克，劉雙喜，高海洋

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300162； 2.河北工業大學，天津 300401)

前言

汽車行駛性能的好壞，直接取決于發動機性能與動力傳動系統的匹配情況。在新車型研發過程中，一般采用純軟件仿真計算和研發經驗相輔的手段來設計整車傳動系各參數[1-2]，在試制車輛完成之前沒有有效手段來測試和驗證整車動力總成的真實性能，阻礙了整車性能的進一步提高。

本文中基于發動機試驗臺架，利用dSPACE實時仿真系統和車輛實時動力學模型，建立了基于實時車輛模型的發動機在環(EIL)測試系統，把實物發動機作為整個測試系統的動力源，以消除由于內燃機燃燒過程的復雜性而引起的仿真誤差，保證了汽車動力性和燃油經濟性測試的精確性。實現了在實物車輛試制之前，用在研車輛所選用的真實發動機和設計參數，在發動機在環測試環境下進行多輪的半物理仿真試驗，在試驗數據中優化整車動力總成的設計參數，提高了整車動力總成的優化程度，降低開發費用，縮短開發周期。

同時，本文中以某微型車的試驗方案為例，利用基于車輛動力學模型的發動機在環測試環境，建立了一個包括此車型所選用的實物發動機和設計參數的半物理整車模型。試驗方法依據國標規定的汽車性能試驗方法，分別建立了動力性和燃油經濟性的試驗路況。對其動力總成的不同匹配方案進行半物理汽車性能試驗，通過對試驗結果的分析確定出最佳的動力總成匹配方案。從而在不延長動力總成開發周期的前提下，完成了其開發后期測試環節，保證了動力總成匹配的合理性[3-4]。

1 EIL整車測試平臺

1.1 實時測試平臺

發動機在環整車實時測試平臺主要由dSPACE實時運算單元、實時車輛動力學模型、AVL測功機、實物發動機和油耗儀等組成，如圖1所示。車輛動力學模型跟據在研車輛的設計參數進行參數配置，實現對在研車輛的精確仿真；dSAPCE實時仿真硬件平臺是模型的計算載體，其內運行模型跟據輸入(包括來自測功機平臺的信號)實現輸出與現實時間同步的整車信號計算結果，并由AVL的瞬時動態測功機將計算結果動態地施加在發動機上；發動機ECU跟據轉速和由dSPACE控制的加速踏板等信號對測試機加載負荷做出響應，高精度地模擬其在實車上的運行工況；AVL測功機系統測量發動機瞬時響應并發回dSPACE實時仿真硬件，作為整車模型的輸入參數，參與下一個計算步長的整車動力學模型計算。上述系統就構成了基于發動機轉速/轉矩的閉環控制流。

1.2 車輛動力學模型

ASM整車動力學模型是基于dSPACE硬件開發的具有實時計算能力的模型，包括ECU模型、發動機模型、傳動系模型、車身模型、行走系模型和環境模型幾個子系統。其中，ECU模型主要負責換擋策略等功能；發動機模型為簡單的一維仿真模型，可以輸出發動機轉速、轉矩等信息；傳動系模型主要為變速器模型、傳動軸模型和主減速器模型；車輛模型包括車輛的外形尺寸、懸架、輪胎和質心等；環境模型主要包括駕駛員模型、道路模型和天氣模型等。具體的模型結構如圖2所示。

2 汽車動力傳動系統理論分析

整車的動力性、燃油經濟性和排放特性都取決于發動機的性能和動力傳動系統。所以在整車性能優化匹配研究過程中，汽車各項性能指標的權衡和發動機與傳動系間的合理匹配非常重要。當汽車及其動力傳動系統的結構已經確定之后，其性能指標與發動機性能指標之間的關系主要包括以下幾個方面。

(1) 車速與發動機轉速、傳動比的關系

車速與發動機轉速之間的關系為

(1)

式中：ik為變速器的速比；i0為主減速器的傳動比；r為輪胎的滾動半徑；n為發動機轉速。

(2) 牽引力與發動機轉矩、傳動比的關系

汽車牽引力和發動機轉矩與傳動比之間的關系為

(2)

式中：T為車輪的驅動轉矩；Ttq為發動機的輸出轉矩；ηT為傳動系統的傳動效率。

(3) 車速、牽引力與發動機功率的關系

發動機的輸出功率為

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3)中，整理得

(4)

(4) 汽車的燃油消耗量

汽車的100km燃油消耗量的計算公式為

(5)

式中：i為發動機氣缸數；Vs為氣缸工作容積；ρ為燃油密度；pme為平均有效壓力；be為發動機的燃油消耗率。

由式(5)分析可知，要減小汽車的燃油消耗量提高整車的燃油經濟性，就必須優化匹配發動機和動力傳動系統以及選擇合理的輪胎參數，在保證汽車動力性的前提下，盡可能降低發動機的燃油消耗率或采用小排量的發動機[5]。

3 發動機在環整車性能測試

3.1 目標配置

研究中采用純軟件仿真與EIL測試相結合的方法。在純軟件仿真階段，通過對多種動力總成配置的分析只篩選出兩種目標配置，然后通過對動力性和經濟性的試驗驗證來確定最合理的匹配方案。動力總成配置如表1所示。

表1 動力總成目標配置

3.2 動力性能測試

3.2.1 原地起步連續換擋加速性能

在模型中建立與實際相符的道路工況，根據汽車加速性能試驗方法的國標要求，將汽車停于試驗路段之一端，變速器置入該車的起步擋位，迅速起步并將油門踏板快速踩到底，使汽車盡快加速行駛，當發動機達到最大功率轉速時，力求迅速平穩地換擋，換擋后立即將油門全開(研究中使用了由硬件模擬的電子油門裝置，油門信號由0開啟到100%狀態所需時間小于500ms)，直至最高擋最高車速的80%以上，對于轎車應加速到100km/h以上。試驗過程中，通過對換擋策略和油門開度的控制來完成0-100km/h的加速試驗過程并監測其加速時間和發動機的運行狀態。圖3為0-100km/h加速控制曲線。由圖可見，發動機從怠速轉速800r/min起步后，油門迅速全開達到99.7%，當達到最大轉矩轉速附近依次換擋，換擋過程中隨著速比的變化，轉速有所滑落，但隨著轉矩的迅速增大發動機轉速迅速升高直至達到汽車的最高擋位。加速過程中，隨著擋位的變化，車速也會逐漸地升高直至達到所規定的試驗車速。

兩種目標方案均采用相同的控制方法和試驗方法，圖4為0-100km/h的加速性能。由圖可見：加速過程結束時間方案A為20.6s、方案B為21.5s，雖然兩種配置加速時間僅相差0.9s，但兩者加速過程中換擋時刻卻不相同；在2擋升至5擋過程中，A方案均提前B方案3s左右，高擋位的加速度也略高于B方案。

3.2.2 超越加速性能

根據GB/T 12545.1—2008建立最高擋和次高擋加速性能EIL試驗駕駛循環。車輛以60km/h平穩前行的狀態作為加速開始段，試驗過程中變速器預定擋位固定,油門迅速全開，使汽車加速行駛至該擋最大車速的80%以上，對于轎車應達到100km/h,測試其加速時間。圖5為最高擋和次高擋加速性能，因為車輛的主減速比不同使得汽車高擋位性能也有所不同。從圖中可以看出，在60-100km/h加速試驗中，隨著擋位的升高動力性都會有所下降，但能更好地利用發動機功率而提高汽車高速行駛時的燃油經濟性。方案A的最高擋位和次高擋位動力性(5擋：21s；4擋：13.7s)明顯要強于方案B的動力性(5擋：26.5s；4擋：16.9s)。由于動力性和經濟性都是相對的，在相同動力源的情況下，方案B的經濟性必然要優于方案A。在動力性都滿足設計要求的前提下，動力配置的選擇應更側重于良好的燃油經濟性，這同樣符合當下的汽車設計理念。

3.3 燃油經濟性測試

3.3.1 等速油耗測試

參照GB/T 19233—2008的有關規定，在不同車速下進行等速百公里油耗試驗[6]，作出汽車的等速百公里油耗特性曲線。試驗時車速從20km/h起測，以20km/h的整數倍遞增，均勻選取試驗車速，直到達到120km/h。試驗中針對車輛駕駛特點分別在3、4、5擋上選取5個車速進行等速油耗的試驗,各擋車速下油耗如圖6所示，由于各擋所覆蓋的車速有所不同，3擋在車速20和30km/h下是最經濟擋位也是最常使用的擋位。隨著車速的升高，4擋和5擋覆蓋的車速范圍也逐漸的增大，從4擋和5擋的油耗曲線可以看出，在各個車速下4擋所對應的油耗都比5擋的油耗稍高一些。在高速行駛時，最高擋位具有良好的燃油經濟性，而次高擋同樣具有寬泛的車速范圍且具有良好的高擋位加速性能。

根據車輛的具體行駛條件，兩種測試方案在相同擋位下具有代表性常用車速的等速油耗如圖7所示。由圖可見：隨著車速和發動機轉速的升高，兩種方案各擋的油耗差距也在不斷地增大，油耗差距并不明顯的3擋在車速60km/h時，最大差距達到0.084kg/h；隨著擋位的升高，在高速行駛狀態下方案A的油耗都高于方案B的等速油耗，最大差距在0.118 6kg/h，B方案良好的燃油經濟性較為凸顯。

3.3.2 綜合循環油耗

等速油耗不能全面地反映整車實際行駛條件下的燃油經濟性，為了得到與實際道路情況更為接近的燃油經濟性數據，采用綜合道路循環[7](NEDC循環)來對整車油耗進行評價。NEDC綜合循環測試過程如圖8所示，圖中分別對瞬時油耗和發動機轉速進行了實時比較。基于EIL的NEDC循環中，發動機轉速在由整車動力學模型以駕駛員動作、道路環境、發動機轉矩等作為輸入實時計算，實時控制，保證在第一階段的市區循環中發動機怠速穩定(偏差：±20r/min)，在第二階段市郊循環中等速運行時車速穩定(偏差：±5km/h)。整個測試循環油耗均采用AVL燃油消耗量測試儀和燃油溫度控制儀(AVL735、AVL753C)進行實時監測，保證了油耗測量的精確性[8]。

4 汽車性能測試結果

表2為汽車性能測試結果，根據整車動力性和經濟性的評價指標和車輛的設計理念進行匹配分析可知，在動力性能方面方案A略勝一籌，但方案B的動力性能也足以滿足日常使用的設計要求。由于目前的微型車以超輕的車身和良好的燃油經濟性被大眾所青睞，所以其更強調燃油特性。方案B與方案A相比在常用擋位的等速百公里油耗下降了0.2～0.3L左右，而綜合工況(NEDC)百公里油耗降低了0.19L。所以從該車型的實際使用條件來分析，該車型則更側重于燃油經濟性而動力性能只須滿足較低的行駛要求即可，故方案B應作為最佳配置方案[9]。

表2 汽車性能測試結果

5 結論

本文中研究了基于發動機在環與實時車輛動力學模型的整車動力總成匹配方法。基于發動機試驗臺架，利用dSPACE實時仿真系統和車輛實時動力學模型，建立了基于實時車輛模型的發動機在環測試系統，把實物發動機作為整個測試系統的動力源，以消除由于內燃機燃燒過程的復雜性而引起的仿真誤差，保證了汽車動力性和燃油經濟性測試的精確性。試驗表明，基于發動機在環的測試環境能夠提供與道路試驗相近的測試精度，為整車研發過程提供了有效的試驗手段和數據支持，可大大降低開發費用，縮短開發周期。

[1] Shinya Akizuki. Development of a Power-train for a Formula SAE Competition Vehicle[C]. SAE Paper 2010-32-0085.

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[5] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,1996.

[6] GB/T 19233—2008 輕型汽車燃料消耗量試驗方法[S].2008.

[7] GB 18352.3—2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法[S].2005.

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[9] 岳驚濤,廖苓平,彭莫.汽車動力系統的合理匹配評價[J].汽車工程,2004,26(1):102-106.