基于整車HWY循環工況運行的柴油機設計及動力系統匹配研究

（中國北方發動機研究所天津300400）

基于整車HWY循環工況運行的柴油機設計及動力系統匹配研究

陳晉兵 王尚學 牛海杰 張志軍 董江峰 仲蕾 陳曉飛

（中國北方發動機研究所天津300400）

為滿足中重型車輛動圓點力系統需求而開發的目標車輛用柴油機，研究通過柴油機設計研發一款柴油機最大扭矩點1200N·m@1300r/min，最大功率265kW@2300r/min，最低油耗為195g/（kW·h）等指標要求。建立了整車動力系統仿真模型開展整車動力系統研究，搭載整車裝配道路試驗驗證所開發的柴油機與車輛匹配性能，運行最高車速為112.9 km/h，爬坡度達到31.5%，0～80 km/h加速特性為79.93 s；整車進行HWY工況運行，柴油機功率輸出在最大扭矩轉速范圍內1 300～1 500 r/min；根據整車道路試驗與仿真計算對柴油機Map圖進行最優化標定，實現柴油機高效運行點與柴油機使用工況高頻工作點區域重合，開發柴油機與目標車輛動力系統性能實現最優化匹配。

HWY循環工況動力系統匹配柴油機設計

引言

隨著用戶對整車動力性和經濟性要求不斷提高以及政府對汽車廢氣排放指標的日趨嚴格的控制，對整車動力總成的設計要求越來越高，所以柴油機與車輛的良好匹配成為動力總成設計中的一個重要環節。目前需要同時兼顧動力性、經濟性和排放性能的整車動力總成優化匹配，而動力傳動系合理匹配對整車性能起到關鍵性作用。在采用設計經驗及道路試驗為主的設計方法中，不僅設計周期較長，且成本較高。采用整車動力系統性能仿真計算獲得整車動力要求從而確定匹配動力要求，不僅縮短設計試驗周期，也大大降低了研發經費[1-3]。

整車動力總成的優化匹配設計，可以從柴油機和傳動系統兩個方面入手[4]。通常傳動系統中的變速箱傳動比范圍的選擇以最高車速和最大爬坡度作為設計依據；而柴油機的選型，則可以綜合考慮動力性、經濟性等多方面的問題進行合理的匹配。在此基礎上，可以以動力總成最優化為目標，進行動力、傳動的聯合優化匹配。

本文以一款預研車型動力傳動系統為研究對象，應用GT-DRIVE軟件進行整車的動力性、運動學、靜力學分析研究，按照NEDC與HWY循環工況確認整車的動力性和經濟性要求。依據研究結果開發柴油機整機Map性能標定，實現柴油機與車輛最優匹配。

1動力傳動系性能參數分析

1.1 整車性能要求

開發柴油機為滿足目標整車動力系匹配要求，整車參數及性能要求見表1。

表1 整車參數及性能要求

柴油機提供整車行駛動力需求，貨車柴油機使用外特性最大功率比外特性最大功率小5%[5]，整車動力性評價指標包括最大爬坡度αmax，百公里加速性能，燃油經濟性指標以百km油耗表示。

車輛運行過程中不僅需要驅動力和行駛阻力相互平衡，柴油機功率和車輛行駛阻力功率必須平衡，即車輛運行過程中柴油機發出的功率始終等于機械傳動損失功率與全部運動阻力所消耗的功率[1]。

1.2 柴油機性能參數

通過柴油機性能開發獲得柴油機基本參數并完成首輪樣機研制工作，搭載整車進行道路試驗驗證，建立柴油機與整車性能匹配計算模型并進行模型標定，以此進行車輛動力系統靜力學、運動學、動力學研究。柴油機基本參數如表2所示。

表2 柴油機基本參數

通過柴油機性能開發及試驗獲得柴油機整機萬有特性如圖1所示，由圖可知柴油機最大扭矩點為1 200 N·m@1 300 r/min，最大功率為265 kW@ 2 300 r/min，最低油耗為195 g/（kW·h）。

圖1 柴油機萬有特性圖

2計算模型標定

2.1 柴油機模型標定

為保證整車動力模型準確性，首先對柴油機模型進行標定工作。通過柴油機臺架試驗獲得萬有特性試驗數據，以此對柴油機模型進行標定，實現缸內最大爆發壓力與進氣流量以及燃油消耗率等準確模型，本文只列出柴油機在最大扭矩點與最大功率點標定，如圖2、3所示。

圖2 最大扭矩點爆發壓力標定

圖3 最大功率點爆發壓力標定

分別對柴油機最大扭矩點爆發壓力圖2與柴油機最大功率點圖3中實測氣缸內爆發壓力與仿真模型計算氣缸內爆發壓力進行分析，實測柴油機最大扭矩點與最大功率點氣缸內爆發壓力最高為分別為16.55 MPa和15.61 MPa，完成仿真模型與實測氣缸內爆發壓力以及燃燒起始點等參數標定，表明所建立柴油機模型為準確模型，可以進行整車動力系統物理模型搭建。

2.2 整車模型建立及標定

獲得目標匹配車輛整車物理結構參數，首先建立整車結構參數模型，其次聯合已經標定后的柴油機模型實現整車仿真模型建立。通過整車搭載柴油機進行動力系統道路試驗如圖4所示，完成車輛性能測試及可靠性試驗，對動力裝置后的整車動力性、經濟性及可靠性進行了試驗驗證。

圖4 整車動力系統裝配圖

整車道路試驗獲得底盤系統性能參數包括表征底盤動力性參數如：整車最高車速，最大爬坡度，燃油經濟性參數如百km油耗等宏觀參數，以此對車輛動力系統模型標定，獲得準確車輛底盤動力模型，結果如表3、4所示。

表3 車輛道路試驗

表4 車輛經濟性計算結果

采用GT-Driver建立整車動力系統模型并進行整車模型標定，誤差值在5%以內，該計算模型可以較好地反映動力系統運行情況，滿足動力系統匹配標定準確性要求。

2.3 動力傳動系動力匹配分析研究

2.3.1 靜力學分析

通過車輛靜力學分析利用柴油機自身工況特性獲得柴油機牽引力、變速器輸出轉矩以及車輛自身所具有的各擋位爬坡性能等重要性能指標。

動力系統參數對車輛性能影響較大，主要包括：主減速器傳動比、變速箱傳動比和擋位數等，為獲得整車較高經濟性，匹配車輛動力系統希望柴油機可以工作在最低油耗區域，降低車輛燃油消耗率[4]。

換擋策略為最大扭矩點處進行升擋運行至1 800 r/min后切換擋位。

動力系驅動力平衡圖、動力系功率平衡圖如圖5、6所示。

由圖5可知在柴油機選用爬坡擋（1擋）運行時，車輛輸出最大扭矩為114 746N·m，最大爬坡度為31.5%；圖6為整車動力系功率平衡圖，整車最高加速度為3.6m/s2，后備功率儲備量滿足整車提速要求。

2.3.2 整車動力學分析

通過仿真模擬整車0～80km/h加速運行，以獲得整車動力性指標，如圖7、8所示。

圖5 動力系驅動力平衡圖

圖6 動力系功率平衡圖

圖7 0～80 km/h加速運行距離

圖8 柴油機加速工況扭矩輸出特性

整車0～80 km/h加速運行過程，所用的時間為79.93 s，圖7分析表明整車加速到80 km/h車速，柴油機運行最大扭矩點利用率較高，以獲得最短加速時間，符合整車性能要求。圖8為柴油機加速工況扭矩輸出特性，柴油機在各檔位運行處于最大扭矩轉速范圍內1 300～1 500 r/min，扭矩輸出效率較高。

2.3.3 運動學分析

采用整車城郊HWY運行工況循環，分析動力系統運動輸出特性。整車運行HWY循環后結果如圖9、10所示。

圖9HWY循環整車車速

圖9 顯示整車HWY循環運行過程中整車車速由50 km/h提高至HWY規定最高車速曲線，表明整車在中高轉速運行輸出加速度較低，需要對柴油機低速工況進行功率提升，優化柴油機采用渦輪增壓器低速響應特性，對渦輪增壓器進行性能提升以滿足動力系瞬態加速性能要求。

圖10HWY循環工況扭矩輸出特性

圖10 顯示車輛采用HWY循環工況柴油機運行工況點集中在最大扭矩中高負荷區域，較好地發揮柴油機的性能，該動力系設計滿足整車要求。

2.4 柴油機萬有特性優化標定研究

通過車輛道路試驗測試與整車動力系統性能測試模擬數據確定基于車輛使用工況和路譜的動力裝置最佳匹配，柴油機在1 300 r/min～2 200 r/min寬廣的轉速范圍內，大于45%負荷工況的燃油消耗率均低于205 g/（kW·h），覆蓋了目標載貨車輛運行HWY時的柴油機高頻工作區，整車綜合燃油經濟性達到了國內領先水平，如圖11所示。

圖11 基于路譜標定柴油機萬有特性

柴油機運行Map圖標定實現了柴油機與車輛動力系統最優化匹配設計，通過標定技術方法控制柴油機高效運行點與柴油機使用工況高頻工作點區域重合，從而提高整車動力系統性能。

3結論

1）通過柴油機臺架試驗獲得柴油機萬有特性曲線，最大扭矩點與最大功率點缸內爆發壓力分別為16.55 MPa和15.61 MPa，采用GT-DRIVE進行整車動力系統模型標定完成整車性能匹配研究。

2）柴油機性能開發過程中采用基于整車應用模式可有效提高柴油機與目標匹配車輛動力性能設計，通過性能匹配整車匹配車輛爬坡度31.5%，滿足車輛行駛爬坡度要求。

3）通過動力學分析獲得整車滿載25 000 kg工況下0～80 km/h加速特性，在79.93 s內整車以最大加速度達到80 km/h運行，滿足重型載貨車輛整車動力性要求。

4）運行工況整車車輛運行最高車速112.9 km/h，整車匹配柴油機進行HWY循環工況運行滿足要求，為進一步提高整車加速性能，要求柴油機在1 000～1 300 r/min區域進行扭矩提升，可通過增壓器優化實現扭矩提升要求。

5）通過電控技術對柴油機Map圖進行優化標定，實現柴油機高效運行區域與使用工況高頻運行點重合，以使整車動力系統性能最優，設計柴油機符合整車動力性能要求。

1余志生.汽車理論（第4版）[M].北京：機械工業出版社，2006

2喻凡，林逸.汽車系統動力學[M].北京：機械工業出版社，2005

3王鐵，武玉維，李萍鋒，等.重型載貨汽車動力傳動系統參數優化匹配[J].汽車技術，2010（9）：33-37

4Wang R R,Wang J M.Tire-road friction conefficient an tire cornering stiffness estimation based on longitudinal tire force differencegeneration[J].ControlEngineering Practice,2013,21 (1):65-75

5白鳳良.牽引車整車性能及動力裝置匹配分析[J].現代車用動力，2005（4）：26-29

Diesel Engine Design and Power System Matching Research Based on the Vehicle Driving HWY Cycles Operation

Chen Jinbing,Wang Shangxue,Niu Haijie,Zhang Zhijun,Dong Jiangfeng,Zhong Lei,Chen Xiaofei
China North Engine Research Institute(Tianjin,300400,Tianjin)

A diesel engine was designed whose nominal power is of 265 kW,the maximum torque of 1200 N·m and the minimum fuel consumption rate of 195 g/kW·h.The demand of medium-duty vehicle power system has being achieved by the diesel engine.The diesel engine′s maximum torque is 1 200 nm at 1 300 r/min,the maximum power is 265 kW at 2 300 r/min and the minimum fuel consumption is 195 g/kW·h. The vehicle power system simulation model is established to carry out the vehicle power system research. The vehicle pick up the vehicle road test assembly developed by diesel engine and vehicle matching.The vehicle ran the top speed of 112.9 km/h,its gradability reached 31.5%,0～80 km/h accelerating characteristics was 79.93 S.Under HWY operation,the diesel engine operating point is focused on the maximum torque speed range of 1 300～1 500 r/min.Based on diesel engine Map figure calibration technology,efficient point and working condition of high frequency point overlapped,thus the matching optimization of developed diesel engine with the target vehicle power system performance was achieved.

HWY cycle,Matching of power system,Diesel engine,Design

U464.12

A

2095-8234（2016）06-0012-05

2016-10-13）

本研究得到國家863計劃"中重型高功率密度V型清潔柴油機關鍵技術"項目（編號2012AA111709）資助。

陳晉兵（1985-），男，碩士，助理研究員，主要從事柴油機總體匹配技術研究。