基于整車性能達成的發動機優化需求（續2）

簡虎 任平

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心）

1.2 發動機動力性優化

根據發動機轉速將發動機轉速區段分為3 段，低轉速區段為 0～2 000 r/min，中轉速區段為 2 000～4 000 r/min，高轉速區段為4 000 r/min 以上。低轉速主要考察坡道起步及起步加速性能，中轉速區段是在全油門加速條件下考察4～6 擋位80～120 km/h 加速時間是否滿足動力性要求，高轉速區段為考察各擋最高車速性能。

1.2.1 低轉速區間段發動機動力性能需求

在發動機低轉速區段內，發動機輸出扭矩大，主要用于汽車起步，而坡道起步是對發動機低速性能的極限考驗，因此依據2 000 r/min20%坡道起步來確認低速區間段的扭矩性能是否滿足需求。圖2示出在Cruise軟件內輸入2 000 r/min20%坡道起步工作任務的輸出的結果。圖2中，離合器經過1 次半聯動，車速逐漸增加，發動機轉速隨著離合開度的降低而減小，但是車速保持提升，說明汽車能夠順利起步，且表1中0～100 km/h 加速時間達到了設計目標。而且100 km 車速出現在3 擋，100 km 加速時間也達到了設計要求，故綜合分析認為，在低轉速區段發動機動力性能滿足設計要求。

1.2.2 中轉速區間段發動機動力性能需求

中轉速段區間是在駕駛員全油門超車加速條件下考察發動機性能。由表1能夠看出，4～6 擋時，加速時間達不到設計目標，動力性能不能滿足要求，需要對相應轉速區段內發動機扭矩進行優化。4，5，6 擋在80～120 km/h時對應轉速范圍分別為 2400～3700，1900～2900，1600～2 500 r/min。可以看出，扭矩需要提升的轉速范圍為1 600～3 700 r/min。同時各擋位發動機轉速區間有交集，為保證動力性能夠滿足要求，在交集轉速區間內，采用優化比例最高的進行計算。

由表2可知，4，5，6 擋加速時間降低比例分別為13.2%，8.7%，8.5%。

由運動學原理可知，加速度（a/（m/s2））、速度（v/（m/s））及加速時間（t/s）有以下關系:

式中:v1，v2——速度積分的上下限值，m/s。

加速時間可以通過積分法或圖解法求出[1]，在對應速度區間內的面積就是通過此速度區間的加速時間。在速度范圍不變的條件下，可以計算出對應的加速度。圖3示出汽車的加速度倒數曲線圖，圖3b 中Δ 的面積為t。

以4 擋80～120 km/h 為例，在此區間段，需要降低加速時間13.2%，相當于將區間面積降低13.2%，因此考慮將在此速度區間劃分為N 個小區間，每個區間的Δv 為1。為使整個區間的面積下降13.2%，每個小區間面積均減少13.2%。于是得到加速度倒數曲線下降13.2%，即加速度曲線提高13.2%。同理于5，6 擋。推算出加速度后，由式（3）～（10）可以推算出各擋位轉速區間內對應的發動機扭矩。

式中:m——整車整備質量，kg；

Ft——驅動力，N；

Fw，Ff——空氣、滾動阻力，N。

式中:ua——車速，km/h；

r——輪胎滾動半徑，m；

n——發動機轉速，r/min；

i0，ig——主減速器、變速箱速比；

式中:f——滾動阻力系數；

A——迎風面積，m2；

CD——空氣阻力系數。

式中:ηT——傳動效率。

其中:f0=0.014

其中:δ1=δ2=0.03～0.05

將式（5）和（6）代入式（3），得出發動機扭矩:

假設加速時間需降低ξ（百分比），則相當于加速度需提升ξ，提升后加速度為a（1+ξ），將提升后的加速度代入式（9）推算出提升扭矩為:

根據發動機不同的轉速區間，通過上述推導的扭矩公式計算出優化后發動機的扭矩參數及提升比例，如表3所示。整車搭載原發動機時，將發動機轉速和扭矩代入由式（3）～（6）計算出的發動機對應轉速、對應扭矩下4，5，6 擋的車速及加速度，具體如表4所示。

表3 發動機扭矩的優化

表4 擋位的轉速扭矩車速及加速度關系

1.3 發動機經濟性優化

在發動機萬有特性曲線圖上，根據發動機在特定轉速所對應的功率下，可以確定單位時間內相應燃油消耗量（Qt/mL）。即:

式中:P——功率，kW；

ρ——燃油體積質量，kg/L；

g——重力加速度，m/s2；

b——燃油消耗率，g/kW·h。

1.3.1 等速油耗判斷

原等速油耗在通過降低2.9%后得到等速油耗目標值，并將車速代入式（4）得出發動機轉速；由式（5）計算出行駛阻力；由車速與行駛阻力計算出發動機需求功率；由式（13）可計算出發動機對應扭矩；由式（12）可計算出目標燃油消耗率。與當前發動機的燃油消耗率進行對比，得出平均差值比率與目標降低差值比率相同。如表5所示。

表5 發動機燃油消耗率的優化

等速油耗工況下，轉速1 000～3000 r/min 和扭矩25～90 N·m 屬于發動機的常用區域。根據式（12），在對應的轉速條件下，逐項優化燃油消耗量并使用Cruise和Origin 軟件繪制萬有特性圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，燃油消耗量優化前后等速油耗工況工作區域的變化。優化后2 個擋位等速油耗工況更好的運行在低油耗區域，優化效果明顯。

1.3.2 循環工況油耗分析

對比當前油耗與目標油耗，得出城區工況以及郊區工況的油耗降低比率，如表6所示。

表6 整車油耗差值對比

與等速油耗判斷一樣，繪制出城區工況和郊區工況下的萬有特性曲線圖，如圖5所示。從圖5可以看出，優化后城區循環工況工作在更省油的區段，同理郊區工況也是。通過這個方法，最大化的使汽車運行工況工作在最省油的區段，即降低了燃油消耗量。與等速油耗一樣，達到了優化的目的。

2 性能需求結果校驗

將優化后的數據輸入Cruise 軟件進行分析計算，并同優化前的計算結果對比。計算結果表明，通過對發動機扭矩及燃油消耗率的優化，使整車的動力性和經濟性均達到設計要求。表7示出發動機優化前后整車性能對比。

表7 發動機優化前后整車性能對比

3 結論

對發動機性能提出的優化需求并不是對發動機全轉速區段范圍內的扭矩及燃油消耗率都進行優化，而是針對性的對動力性和經濟性有直接影響的擋位所工作的發動機轉速區間范圍內進行合理的性能優化。發動機優化后，其性能在很好的滿足了汽車開發需求的同時，排量并未發生變化，保持了動力總成選型的定位。