基于GT-SUITE整車暖機階段油耗仿真分析

陸淵，郭凱，邢小偉

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基于GT-SUITE整車暖機階段油耗仿真分析

陸淵，郭凱，邢小偉

（上海汽車集團股份有限公司技術中心 上海市汽車動力總成重點實驗室，上海 201804）

汽車動力性和燃油經濟性是其重要的使用性能，文章介紹了使用GT-SUITE軟件預測NEDC循環工況下暖機階段的油耗，重點分析了集成冷卻系統后對燃油消耗的修正。以某整車為例，通過CAE計算得到了冷啟動油耗分析結果，并結合排氣余熱回收裝置，分析了該裝置對NEDC循環工況下暖機階段油耗的影響。

動力性；經濟性；冷卻系統；GT-SUITE

引言

隨著CAFC目標逐年加嚴，無論是傳統汽車還是新能源汽車，都面臨著在控制成本的前提下進一步節能減排、降低能耗的巨大挑戰。通過對所有相關的子系統和部件進行能量分析，找出不同系統和部件對車輛性能的影響程度，找到潛在的節能空間，為明確經濟而有效的燃油經濟性設計方案提供決策依據，實現動力總成降油耗路線和整車節油措施的最優匹配。

冷卻系統的性能對油耗的影響在各大期刊上被廣泛討論。一些作者運用了試驗的方法，而另一些運用了仿真軟件去模擬加快水溫、油溫對油耗的影響。最終，都驗證了一個結論，水溫、油溫溫升越快，發動機油耗越低。一方面，油耗降低與機油黏度（機油溫度影響）有緊密的聯系，另一方面，加快溫升能減少冷卻液和發動機本體換熱過程中的能量損失。

1 整車能量管理模型建立

1.1 CAE模型建立

利用GT-SUITE搭建了整車能量管理VEM（Vehicle Energy Management）模型，包含了發動機、駕駛員、傳動系、整車等模型，如圖1所示，集成了冷卻系統，通過對標NEDC工況CAE計算結果和整車NEDC試驗數據（發動機油耗、冷卻水溫、變速箱檔位、發動機扭矩和半軸扭矩等），研究瞬態溫升對分解摩擦功FMEP的影響，從而分析其對整車油耗的影響。

風冷和水冷是兩種常用的冷卻系統，水冷被運用在如今市場上的多數汽車上。冷卻系統包含了冷卻液、散熱器或者其他換熱裝置、風扇、水泵、節溫器等等。

圖1 某車型能量管理VEM模型

圖2為一個典型的冷卻系統CAE模型，散熱器是整個冷卻系統中重量最重、體積最大的零部件，所以為了優化冷卻系統性能，必須詳細分析其性能。冷卻液容積是影響溫升過程的關鍵因素，通過管路連接各零部件形成了整個冷卻系統工作原理圖。

圖2 冷卻系統CAE模型

1.2 邊界條件

整車參數、發動機萬有特性、散熱量、變速箱傳動比、傳動效率、以及冷卻系統中水泵、散熱器等參數按實際提供參數輸入。模型中發動機、整車的部分參數如表1所示：

表1 某整車基本參數

1.3 計算工況

采用動力學計算方法，在NEDC工況下，通過駕駛員模型控制車速，與發動機油門位置、離合器位置、制動器位置、換擋策略和瞬態水溫互相匹配，得到車輛動態響應（發動機轉速、輸出扭矩），最終計算百公里油耗。

（1）發動機轉速計算

發動機轉速僅與汽車行駛速度、輪胎半徑和傳動速比有關，與當前車輛狀態（加速、減速或勻速等）沒有關系，發動機轉速如式1求得：

式中，Ua為汽車行駛速度，km/h；r為發動機轉速，r/min；n為車輪半徑，m；ig為變速箱速比；i0為主減速比。

通過車速、檔位既能求出當前發動機轉速。

（2）發動機扭矩計算

汽車運動過程中受到驅動力和行駛阻力的影響。驅動力通過曲軸輸出，經過傳動系傳遞到驅動輪上。行駛阻力包含滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和坡道阻力。發動機輸出扭矩計算公式如下：

式中，Ttq為發動機輸出扭矩，Nm；ηT為傳動器效率；F0，F1，F2為道路滑行阻力系數；δ為汽車旋轉換算系數；m為汽車質量。

1）勻速行駛，加速阻力不考慮。車速和檔位已知，可計算出發動機扭矩。

3）減速行駛時，發動機輸出扭矩僅和轉速相關。在GT中模擬時，這部分數據是不需要添加的。

得到發動機轉速、輸出扭矩后，通過查表BSFC得到發動機在NEDC循環工況下的瞬態油耗。

2 仿真結果

M1、M2類汽車（最大總質量不超過5噸）油耗試驗均按照NEDC循環工況進行。NEDC循環包含4個城市循環（195s）和1個市郊循環（400s），整個NEDC循環運行時間共1180s。

2.1 發動機FMEP修正

在GT-Suite軟件中建立了車輛NEDC循環油耗計算模型。為了更加充分得考慮由于水溫的變化引起發動機摩擦功變化對整車油耗的影響，集成冷卻系統模塊并開展了專項冷卻系統試驗，根據節溫器開啟、關閉兩種狀態下的熱耗散數據修正溫升曲線。發動機FMEP基于發動機臺架分解摩擦功試驗數據，圖3為某發動機整機在不同溫度下的FMEP數據。

圖3 某發動機分解摩擦功試驗數據

在模型中添加FMEP修正模塊，根據不同的水溫查表得到該溫度下的FMEP，當做額外的附件消耗，與整車扭矩需求相加。

在GT-Suite整車模型中，對發動機臺架穩態試驗與整車試驗瞬態溫升進行標定，在NEDC循環工況下，對發動機出水溫度進行標定，通過標定后的溫升曲線（圖4）和發動機轉速（圖5），得到瞬態FMEP，如圖6所示。

圖4 冷卻液瞬態溫升 Vs. 時間

圖5 某發動機轉速 CAE結果與試驗結果對比

圖6 某發動機瞬態FMEP

2.2 仿真結果與試驗結果對標

某車型NEDC油耗計算結果與試驗結果對比如表2。

表2 仿真與試驗對比

如圖5、圖7所示，進行了發動機扭矩、轉速、變速箱檔位、冷卻溫升的CAE計算結果和試驗數據對比，模擬了瞬態溫升對發動機FMEP和油耗的影響。

通過對比，可以看出計算結果與試驗結果整體上都比較接近。CAE計算和試驗輸出時間節點有差異，發動機轉速與真實值可能存在偏差。

綜上所述，仿真結果是合理可信的，所建立的模型精度也在一定的范圍內，能夠用于下一步能量流分析。

2.3 能量流分析

對于以內燃機為能量來源的車輛，發動機工作過程中，能量被分解成有效功、排氣帶走的能量、冷卻液帶走的能量和其他余項。圖8為某車型發動機能量流消耗分布，可用于后續發動機改型項目及相關平臺的開發和優化。能量平衡關系，如式3所示：

式中，Qfuel為燃料總的放熱量，J；Qm為有效功，J；Qex為排氣系統消耗的熱量，J；Qre為傳遞給冷卻系統的熱量，J；Qanother為其他損失的熱量，J；

將近三分之一的發動機能量被排氣系統帶走，排氣再利用有很大的潛力用來降低油耗。

3 瞬態溫升對整車暖機時油耗的影響

圖6為某發動機在NEDC工況下瞬態FMEP，可以看出在發動機暖機過程中（0-200s），水溫對FMEP的影響因子較大，加快暖機過程中水溫和油溫溫升速度能有效得降低FMEP，發動機摩擦損失能量變小，從而優化整車油耗。

圖9 余熱回收原理圖

圖9為發動機余熱回收裝置原理圖，該裝置可以回收排氣中的部分余熱來加熱冷卻液，不但可以快速提高暖機或小負荷運行時的冷卻液和機油溫度，提高燃燒效率，降低排放和油耗；而且在冬季時，可以提高降霜效果。

利用GT-SUITE建立整車模型在概念階段預測余熱回收裝置對整車油耗的影響。

圖10 采用余熱回收裝置瞬態溫升

圖11 暖機過程中FMEP變化對比

圖10展示了某發動機采用余熱回收裝置后，NEDC工況下，水溫達到80℃加快了13.8%。暖機過程中FMEP變化如圖11所示，油耗下降0.58%。

4 結語

（1）利用GT-SUITE搭建了能量管理VEM仿真模型，集成了冷卻系統，通過對比試驗結果，CAE模型能滿足計算需求，且達到了一定的計算精度。

（2）得到了發動機能量分配結果，為研究子系統之間的相互關聯及發動機改型方案奠定了基礎。

（3）分析了余熱回收裝置對暖機過程油耗的影響，該裝置在NEDC工況下，暖機過程中油耗收益達到0.58%。

[1] 周寶龍,高宗英.內燃機學.北京:機械工業出版社,2005.

[2] 陳家瑞,汽車構造.北京:機械工業出版社,2005.

[3] 張申祥,陳瑋,王善強等. 基于發動機臺架試驗的整車油耗測試方法,2016.

[4] Gamma Techonologies.GT-Suite.Vehicle Driveline and HEV Tutor -ials, 2017.

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Modeling and Validation based on GT-SUITE of Fuel Consumption during Engine Warm-up

Lu Yuan, Guo Kai, Xing Xiaowei

( Shanghai Automotive Group Co., Ltd. Technology Center, Shanghai Key Laboratory of Automotive Powertrain, Shanghai 201804 )

Fuel economy and drivability are the core evaluation standards of the vehicle performance. This paper introduced the simulation to calculate fuel consumption during warm-up, which mainly focused on the FMEP correction by considering cooling system using GT-SUITE. For example, after integrating with one fuel-benefit equipment, the fuel consumption of a passenger car during warm-up has been analyzed.

dynamics; economy; cooling system; GT-SUITE

U467

A

1671-7988(2019)08-115-04

U467

A

1671-7988(2019)08-115-04

陸淵（1990-），男，系統集成工程師，就職于上海汽車乘用車公司技術中心動力總成分析試驗部，主要從事整車動力性和經濟性（EMDQ）研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.037