LNG重型牽引車經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性研究

張恒，鄭志強(qiáng)，肖城

LNG重型牽引車經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性研究

張恒，鄭志強(qiáng)，肖城

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章針對(duì)不同動(dòng)力匹配的LNG重型牽引車，采用CRUISE仿真分析與車輛實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性研究，確定了仿真分析方法的可行性，為通過仿真分析進(jìn)行動(dòng)力匹配的優(yōu)化提供了借鑒。

CRUISE；LNG重型牽引車；經(jīng)濟(jì)性；動(dòng)力性：動(dòng)力匹配

前言

LNG重型牽引車作為一種生產(chǎn)資料，其經(jīng)濟(jì)性備受關(guān)注[1-4]。動(dòng)力匹配作為影響整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，在車型開發(fā)中至關(guān)重要。本文采用CRUISE仿真與車輛實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析相結(jié)合來進(jìn)行動(dòng)力匹配對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性的影響研究，這一方法降低了車型開發(fā)中動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)的周期和成本，同時(shí)保證了在特定工況下整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

1 整車仿真

1.1 仿真模型

采用CRUISE建立天然氣牽引車整車仿真模型，并進(jìn)行各部件參數(shù)設(shè)置，整車仿真模型如圖1所示，包括牽引車、掛車、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器、駕駛員、車輪等。各模塊之間采用機(jī)械連接和CAN總線連接，實(shí)現(xiàn)駕駛員對(duì)整車的控制[5]。

圖1 整車仿真模型

圖2 Ⅰ和Ⅱ機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

1.2 參數(shù)設(shè)置

進(jìn)行整車及動(dòng)力總成的參數(shù)設(shè)置，整車參數(shù)包括整備質(zhì)量，車貨總重，阻力系數(shù)等。發(fā)動(dòng)機(jī)分別采用了某天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，分別為Ⅰ機(jī)型（P12）和Ⅱ機(jī)型（P13），其外特性曲線如圖2所示，Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率明顯高于Ⅰ，同時(shí)在中間轉(zhuǎn)速區(qū)（1100rpm-1500rpm），扭矩輸出也更加平穩(wěn)。

為保證仿真分析結(jié)果的可靠性，模型中變速箱參數(shù)與實(shí)際車輛保持一致，均采用某12檔直接檔變速箱a和超速檔變速箱b，進(jìn)行各檔變速比見表1，動(dòng)力匹配方案見表2。

表1 變速箱各檔速比

表2 動(dòng)力匹配方案

1.3 仿真結(jié)果

采用Cruise進(jìn)行了6種不同動(dòng)力匹配的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，采用路譜如圖3所示。

圖3 國道及高速路譜

仿真結(jié)果如表3所示。動(dòng)力匹配引起的經(jīng)濟(jì)性差異可通過對(duì)比方案1~3、方案4~6得出。從表3中可以看出，在國道工況下，經(jīng)濟(jì)性方案5優(yōu)于方案4優(yōu)于方案6，方案2優(yōu)于方案1優(yōu)于方案3；在高速工況下，經(jīng)濟(jì)性方案4優(yōu)于方案6優(yōu)于方案5，經(jīng)濟(jì)性方案1優(yōu)于方案3優(yōu)于方案2。

對(duì)比不同動(dòng)力匹配下整車的動(dòng)力性可看出，匹配Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)的整車較Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)最高車速更高。原地起步加速時(shí)間方案5優(yōu)于方案4優(yōu)于方案6，方案2優(yōu)于方案1優(yōu)于方案3。次高檔與最高檔超越加速時(shí)間方案4優(yōu)于方案6優(yōu)于方案5，方案1優(yōu)于方案3優(yōu)于方案2。考慮附著力，最大爬坡度為25%。爬坡能力方案4優(yōu)于方案6優(yōu)于方案5，方案1優(yōu)于方案3優(yōu)于方案2。

綜合上述經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性分析，Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性優(yōu)于Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)，Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)則具有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性；動(dòng)力匹配方案2（方案5）更適用于國道工況，方案1（方案4）更適用于高速工況。

表3 不同動(dòng)力匹配方案經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性對(duì)比

2 車輛實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

2.1 車輛配置

Cruise仿真對(duì)比分析了不同排量發(fā)動(dòng)機(jī)及不同動(dòng)力匹配方案下的經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性，但仿真模型和實(shí)際工況仍有一定差異。仿真結(jié)果表明動(dòng)力匹配方案2（方案5）更適用于國道工況，方案1（方案4）更適用于高速工況，但在車輛實(shí)際運(yùn)行中，路況并非單一不變，因此，方案3（方案6）動(dòng)力匹配的實(shí)際應(yīng)用意義更大。

本節(jié)共選擇40輛市場運(yùn)行車輛，針對(duì)市場占有量較大的超速檔+3.73動(dòng)力匹配，分析Ⅰ和Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性，同時(shí)對(duì)比仿真分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 高速路況車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

圖4 燃料消耗率分布曲線

圖5 功率分布曲線

選擇常用車速在70-100km/h，常用擋位集中在11擋和12擋的兩批車輛進(jìn)行高速路況車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)分析。Ⅰ和Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)車輛高速路況下氣耗分別為28.06kg/hkm和30.83kg/ hkm。圖4和圖5分別為Ⅰ和Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)在高速路況下燃料消耗率和功率分布曲線，從圖4中可看出，除在200-210g/kw·h燃料消耗率區(qū)間內(nèi)Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)占比更高外，其余區(qū)間Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)占比均小于Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)。從圖5中可看出，在高功率區(qū)，Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)車輛占比更大，結(jié)合圖4和圖5，可得出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的增加導(dǎo)致Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)的氣耗增加。根據(jù)功率的分布曲線可看出，在高速路況下，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的市場需求更高。圖6為Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)和Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)的車速分布，加權(quán)車速分別為74.95km/h和75.38km/h，車速差異較小，因此，更高的功率需求可認(rèn)為是較高的后備功率需求。

圖6 車速分布曲線

2.3 國道路況車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

選擇常用車速在40-60km/h，常用擋位也集中在10擋、11擋和12擋的兩批車輛進(jìn)行國道路況車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)分析。Ⅰ和Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)車輛其百公里氣耗分別為31.96kg和37.48kg。從圖7中可看出，整車工況主要分布在外特性曲線的前半部分。圖8為國道路況功率分布曲線，對(duì)比可看出在國道路況下，常用功率分布無明顯差異，在較高功率區(qū)，Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)車輛無后備功率需求。

由圖6可看出，Ⅰ和Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)國道路況下車速均主要分布在40-60km/h。Ⅰ和Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)的加權(quán)車速分別為45.64km/h和46.22km/h，車速差異較小。綜合分析可看出，在國道工況下，Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出可以滿足實(shí)際工況需求，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也更優(yōu)。

2.4 經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性分析

根據(jù)整車仿真及車輛實(shí)際運(yùn)行結(jié)果對(duì)比，Ⅱ發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性更優(yōu)，而Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)；實(shí)際運(yùn)行中，路況并非單一不變，方案3（方案6）動(dòng)力匹配的實(shí)際應(yīng)用意義最大。

從方案3和方案6動(dòng)力匹配方案下的車輛實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)可看出，在高速路況下，方案6更能夠滿足動(dòng)力需求，同時(shí)也可看出市場對(duì)后備功率有一定需求；反觀國道路況下，方案3和方案6輸出功率分布無較大差異。綜合分析，在動(dòng)力匹配的過程中，常用路況為高速的車輛應(yīng)匹配大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，而常用路況為國道的車輛對(duì)大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)需求不明顯，在進(jìn)行動(dòng)力匹配時(shí)，應(yīng)更加注重經(jīng)濟(jì)性，在輸出扭矩可滿足的情況下小馬力發(fā)動(dòng)機(jī)更能滿足實(shí)際需求。

3 結(jié)論

（1）基于Cruise仿真分析了兩種馬力發(fā)動(dòng)機(jī)、6種動(dòng)力匹配方案下的整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，并通過實(shí)際車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模擬仿真計(jì)算的可行性。

（2）對(duì)比分析高速和國道路況下，相同動(dòng)力匹配的兩種馬力車輛的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出高速路況，可匹配大馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)；國道工況，小馬力發(fā)動(dòng)機(jī)可滿足實(shí)際需求。

[1] 陳昊,韓斌,陳軼嵩,等.天然氣汽車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].中國能源, 2018 2:36-41.

[2] 柯賢志.淺析LNG在商用車中的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù),2014 3:14- 17.

[3] 丁祁玉.關(guān)于LNG清潔能源汽車的應(yīng)用與推廣探討[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017 7:27-28.

[4] 王占黎,李廣,劉勇,等.LNG在陸上交通領(lǐng)域利用現(xiàn)狀及前景分析[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2014 8(4):60-63.

[5] 姚鵬華,王鐵,申晉憲,等.LNG牽引汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)正交優(yōu)化匹配[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2016 35(5):774-777.

Research on Economy and Dynamic Performance of LNG Heavy-duty Trucks

Zhang Heng, Zheng Zhiqiang, Xiao Cheng

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

In this thesis, the method of combining software simulation as CRUISE with actual operation data of vehicle was used for economic and dynamic analysis of LNG heavy-duty trucks which matching different engines, drive axles and gearboxes. Different dynamic matching schemes adapt to the working conditions was identified and reference was provided for dynamic matching optimization in this thesis.

CRUISE; LNG heavy-duty trucks; Economic; Dynamic; Power matching

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.032

U461.2

A

1671-7988(2021)03-106-03

U461.2

A

1671-7988(2021)03-106-03

張恒（1993-），男，碩士，就職于陜西重型汽車有限公司，從事替代燃料重型貨車整車設(shè)計(jì)工作。