整車循環工況模擬計算中的瞬態問題研究

楊靖,米林,李洋濤

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

整車循環工況模擬計算中的瞬態問題研究

楊靖1,米林1,李洋濤2

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

運用商業軟件計算整車循環工況燃油消耗時，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，并提出了將瞬態數據納入計算以減少計算誤差的方法。分別用基于發動機萬有特性數據和穩態萬有特性結合瞬態特性數據的兩種方法，對整車循環工況燃油消耗進行了數值模擬計算，并與整車道路測試數據進行比較。結果表明，采用發動機瞬態特性與整車循環工況計算關聯的方法，可減小模擬計算結果與實測結果間的偏差。

穩態工況；瞬態工況；燃油消耗；數值模擬

目前，我國處于最新汽車排放和經濟性法規實施階段，為了降低整車燃油消耗，生產廠家和研究機構紛紛采取新的技術和研究手段以實現節能減排的目的[1-3]。其中低成本、高效率的數值模擬手段被廣泛地采用，并由此出現了一些較為成熟的整車性能數值模擬商業軟件，國內外應用最多的有GT-Drive和Cruise軟件等[4-5]。上述商業軟件在計算和優化整車油耗的過程中，通常用整車和傳動系統的相關參數及發動機萬有特性導入并標定后進行計算[6-8]。眾所周知，應用軟件建模后首先都要對模型進行標定，其標定數據通常是穩態測量所得，并且模型中導入的發動機萬有特性也是穩態測得，以此為依據來計算循環工況時便會出現較大的偏差。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等，使得循環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現，計算值與實測值總是存在偏差，采用不同的循環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定能夠徹底消除的，應該從其他方面找出問題，采取適當的方法加以解決。

1 模擬計算中的瞬態問題分析

1.1變工況時發動機工作點移動路徑分析

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

整車在循環工況下需要按照規定進行加、減速或恒速運行，現僅以最簡單的等加速工況為例(見圖1)。圖1中T為發動機扭矩、n為發動機轉速、V為車速，車速與發動機轉速之間是線性關系，可以通過Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ擋位線關聯起來，而在發動機萬有特性區域中的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動機所對應的扭矩所在點。此圖也稱之為整車萬有特性圖，它可以清楚地表達車速、擋位、發動機轉速與扭矩和油耗率等之間的關系。

由圖1可知，若整車初始速度為V1時變速器在Ⅱ擋上，發動機則在萬有特性的a點工作；當整車從初始速度V1等加速到車速V2時，發動機的工作點也隨之發生變化，但此時對應車速V2的發動機工作點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加速，則車速沿擋位線Ⅱ過渡到車速V2，發動機的歷程則是從a沿擋位線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，則車速沿擋位線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擋位線Ⅲ加速到車速V2，此時發動機工作點變化的歷程則是a—a′—b′—b2。在循環工況中無論加速還是減速，發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所對應的發動機工況點b是否唯一，且發動機從a點到b點的歷程難以確定。由于商業模擬通用軟件只能設定換擋規律，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，其操作習慣是完全不同的[12]，因此，人為設定換擋模式并以此確定計算路徑用于計算循環工況沒有真實性依據，會導致循環工況數值模擬計算結果產生偏差。

1.2變工況時發動機參數變化的影響

ECU是發動機的控制單元，針對發動機所處的不同狀態和變工況要求，每一款發動機的可變參數都有其自身的算法和瞬態控制規則。例如發動機在加速時，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動機工作的狀態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內發動機過量空氣系數變化曲線見圖2。由圖可以看出，發動機萬有特性穩態工況點之間的插值所計算的參數與瞬態變工況實際的控制參數值完全不同[14]，因此計算時應充分考慮到穩態與瞬態參數的差別[15]。

圖2 加速工況發動機參數變化情況

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

2 發動機穩態與瞬態特性測試

2.1試驗用發動機和測試設備

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動機的穩態及標準循環工況下的瞬態數據[17-18]。試驗用發動機及主要測試設備見表1和表2。

表1 試驗用發動機技術參數

表2 主要測試設備

2.2發動機穩態萬有特性

依據發動機臺架測試規范測得的發動機穩態特性見圖3和圖4。

圖3 發動機穩態等燃油消耗率特性

圖4 發動機穩態過量空氣系數特性

2.3發動機瞬態特性

循環工況發動機性能測試所采用的方法如下：當整車按NEDC標準循環工況運行時，在確定了換擋規律的情況下以時間為橫坐標，同步采集發動機瞬態的轉速和油門開度等數據[19]。后續在發動機臺架測試時，仍以時間為橫坐標，將發動機轉速和油門開度變化數據輸入測功機，由此采集到的發動機各參數就是對應整車循環工況時的瞬態數據[20]。整車循環工況見圖5，與之同步的發動機轉速和油門開度見圖6。

圖5 整車循環工況曲線

圖6 循環工況與發動機運行參數的對應關系

循環工況共歷時1 200 s，發動機臺架試驗時主要采集了過量空氣系數、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工況時的發動機參數變化情況，現將循環工況前190 s曲線放大(見圖7和圖8)。

圖7 190 s內的轉速、油門開度、過量空氣系數瞬態曲線

圖8 190 s內的平均損失壓力、平均指示壓力瞬態曲線

3 瞬態數據納入循環工況計算

進行循環工況計算前，通過對瞬態數據的適當處理，在原發動機穩態萬有特性基礎上，用瞬態的燃油耗消率數據替換對應點的穩態數據，使計算整車循環工況時所用發動機參數與實際過程一致。瞬態數據納入循環工況計算的流程見圖9。

圖9 瞬態數據納入循環工況計算流程

數據替換時可以根據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，根據循環工況所采集到的某一時刻的瞬態轉速n和平均有效壓力NMEP，確定發動機工作點所在位置。試驗數據中發動機的轉速和過量空氣系數、燃油消耗率的理論關系如下。

對于穩態而言，

(1)

(2)

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

對于瞬態而言，某一時段的燃油耗消率為

(3)

式中：t為時間；BE為瞬態燃油消耗率；GB為瞬態燃油消耗量；PE為瞬態功率。時間間隔很短時瞬態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)

進行發動機臺架瞬態測試時，根據整車循環工況所采集到的發動機瞬態轉速、油門開度隨時間的變化規律進行臺架試驗，可以方便地采集到溫度、壓力、氣體流量、1 h燃油消耗量、過量空氣系數等。

發動機瞬態工況時的過量空氣系數曲線見圖10。與圖4穩態時相比，過量空氣系數發生了很大的變化。

圖10 發動機瞬態過量空氣系數

對于瞬態工況，計算時根據式(5)可以用平均值替代瞬時值，這一平均值可視為發動機在此時刻的“準穩態”值。無論發動機是穩態還是準穩態，只要發動機轉速和扭矩相同，則在發動機萬有特性上就是唯一對應的工況點。當以瞬態參數替換萬有特性上同一工況點穩態參數后，此時的發動機萬有特性圖就可稱之為“循環工況下的萬有特性圖”(見圖11)。

圖11 循環工況發動機萬有特性圖

同一工況點上瞬態和穩態的發動機功率相同，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燃油消耗率可以表達為

(7)

實際上循環工況的每個步長下，瞬態數據替換穩態數據的過程中，也同時明晰了發動機工況變化的路徑，所以數據替換時解決了本文中1.1節和1.2節中所提出的發動機變工況時的歷程問題和變工況時的參數變化問題。使用新的萬有特性圖進行整車循環工況的油耗模擬計算和優化分析時，可以提供更加接近于實際的計算結果。

4 含瞬態數據的計算結果驗證

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

圖12 整車性能數值計算模型

整車循環工況100 km燃油消耗量穩態計算結果、瞬態計算結果、試驗測試結果對比見圖13。

圖13 兩種計算結果與實測值比較

由圖13可見，瞬態計算的結果更接近于實際情況，誤差約在3.89%，而用穩態發動機萬有特性所計算的結果與實測數據誤差約為14.76%。

5 結論

a) 車輛等速運行時發動機處于穩態工作，所以運用穩態發動機萬有特性計算整車等速100 km燃油消耗量比較準確，但不適合用于計算循環工況100 km燃油消耗量，否則計算所產生的偏差比較大；

b) 整車循環工況運行時，發動機隨車速變化的工況點移動歷程隨換擋規律不同而不同，所以用穩態發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，是產生較大計算誤差的主要因素之一；

c) 發動機瞬態參數不同于穩態參數，用穩態發動機萬有特性計算整車循環工況100 km燃油消耗量，是計算結果產生較大誤差的另一主要因素；

d) 用瞬態數據替換穩態萬有特性中對應工況點的數據后，可以獲得循環工況下的發動機萬有特性，將其用于計算整車循環工況100 km燃油消耗量，可以提高計算結果的準確性。

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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，主要研究方向為內燃機性能開發及動力匹配搭載；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]