基于整車能量流分析的WLTC循環油耗優化

楊如枝，梁源飛，滿興家，周正群，李露露

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

我國作為能源消耗大國，對石油、天然氣等化石燃料需求極大，能源消耗伴隨著環境污染，因此，面臨巨大的能源與環境污染的雙重壓力。同時，作為汽車保有量大國，雖然新能源汽車的比例在不斷增加，但傳統燃油車仍占主導，汽車的節能減排就顯得尤為重要。此外，碳中和和碳達峰目標年限的明確提出也使汽車節能減排的進程加快。

整車能量流分析與管理是在道路循環工況下確定燃料燃燒能量在整車系統中的流動分布，針對能耗損失高的區域，提出優化方案，降低整車的能耗損失，提高能量的利用率，進而提升整車的經濟性，達到節能減排的目的。整車能量流分析有助于改善汽車能量管理策略，更好的將整車目標進行分解，實現整車綜合性能目標。

整車能量流分布在不同的道路工況下表現不同，針對新歐洲駕駛循環（New Europen Driving Cycle, NEDC）的整車能量流分析進行了大量的研究，包括冷機與熱機狀態的能量流在占比、整車能量流冷啟動變化規律、冷卻液與排氣能量的分析、發動機缸內熱功轉換等。相較NEDC循環，世界輕型車測試循環（World Light Vehicle Test Cycle, WLTC）的平均車速更高且瞬態加速更激烈、覆蓋發動機工況更廣，對整車系統設計及標定策略的要求更高。因此，本文基于WLTC循環，進行整車能量流測試分析，確定能量流分布，針對能耗較大的系統進行仿真分析，得到優化方案并應用到實車，進而改善整車經濟性。

1 能量流測試

根據GB/T 19752—2005的規定，樣車在轉鼓環境倉進行整車能量流測試，整備質量為1 355 kg，滿載質量為1 735 kg。為更全面地評價整車能量流分布，采用相關測試設備獲取相關數據，主要測試設備如表1所示。

為分析評估整車能量利用與損耗，在測試過程中全面監測整車運行狀態，在整車的氣體流動、冷卻水流動和潤滑油流動路徑等關鍵位置布置了溫度、壓力、流量計等傳感器，用于測量不同位置的流體溫度、壓力和流量，如圖1和圖2所示。

表1 測試設備

圖1 氣路傳感器分布圖

圖2 冷卻水路和潤滑油路傳感器分布圖

整車能量流測試結果如圖3所示，包括了能量的利用和損耗，能量的利用比例稍微偏低，損耗偏高，主要是未燃化學能損失、換熱損失、排氣能量損失、泵氣損失。本文主要從熱管理方面，針對未燃化學能損失、換熱損失和排氣能量損失對整車WLTC循環工況油耗進行優化。

圖3 整車能量流分布圖

2 整車能量流仿真模型的搭建與校核

2.1 模型搭建

應用GT-Suite整車性能仿真平臺，基于整車各個子系統零部件，再結合整車各系統部件的實際結構及性能特征，分層分級搭建整車模型。整車模型的主要子系統模塊如圖4所示，主要包括發動機模塊⑦、傳動模塊③、整車模塊④、電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）模塊②、駕駛員模塊①、缸體換熱模塊⑤、發動機潤滑系統⑥、發動機冷卻系統⑧、前端冷卻模塊⑨以及傳動系統冷卻模塊⑩。

圖4 整車模型物理架構

2.2 整車能量流模型的校核

整車能量流模型的校核主要包括發動機性能模型校核、整車傳動系統狀態校核、發動機進排氣系統校核和發動機冷卻/潤滑系統狀態校核。

發動機性能模型校核包括使發動機外特性和部分負荷性能參數計算值與試驗值吻合。外特性主要以平均有效壓力（Brake Mean Effective Pressure, BMEP）相對誤差≤2%作為校核要求，部分負荷則以燃油消耗率達到測試值附近為準，如圖5、圖6所示。整車傳動系統狀態校核則是將已校核的發動機模型集成到整車模型中，給定相關水溫和油溫的測試邊界，將車速校核至±2 km/h的誤差范圍內，進而將加速踏板校核準確，如圖7所示。發動機進排氣系統氣路校核主要包括壓氣機前后的溫度/壓力、中冷前后的溫度/壓力、節氣門前后溫度/壓力和渦輪前后溫度/壓力，如圖8所示。冷卻/潤滑系統校核主要包括各支路的溫度、壓力及流量的校核，如圖9所示。模型完成校核 后，則可作為整車能量流的基準模型，進行后續優化分析。

圖5 發動機外特性BMEP校核

圖6 發動機部分負荷油耗校核

圖7 加速踏板開度校核

圖8 進排氣系統校核

圖9 冷卻/潤滑系統校核

3 整車油耗優化仿真分析

3.1 未燃化學能優化

未燃化學能偏高是因為在WLTC循環下的Lambda控制空間大，且恢復供油的Lambda為0.82～0.88，如圖10所示，過量空氣系數較濃。因此，可從恢復供油的過量空氣系數及斷油轉速 兩方面進行優化分析：（1）降低恢復供油時的加濃程度，將Lambda由0.88提高至1；（2）調整整車恢復供油的轉速至1 100 r/min，如表2所示。降低恢復供油的加濃程度后，WLTC循環的累積油耗由原機的1 217.31 g下降至1 210.64 g，改善了0.55%。調整恢復供油轉速為1 100 r/min后，累積油耗則降為1 200.59 g，相較原機下降了1.37%。

圖10 WLTC循環過量空氣系數

表2 調整恢復供油轉速 單位：r/min

3.2 換熱損失優化

換熱損失優化主要從發動機冷卻水溫溫升歷程、暖風換熱損失和無級變速器（Continuously Variable Transmission, CVT）油溫溫升歷程進行優化，減小換熱損失，降低整車WLTC循環油耗。

3.2.1 冷卻水溫溫升歷程及暖風換熱優化

圖11為發動機冷卻水溫升歷程與散熱器進水流量，由圖可知目前的水溫平臺為78.8 ℃，處于較低的水平且冷卻水溫度從23 ℃上升至80 ℃的時間為519 s，冷卻水溫在前期的溫升斜率較低。由圖12暖風進出口溫度及流量曲線可知，暖風流量與發動機轉速耦合，暖風系統常通，會增加暖機過程需加熱的水容積，延緩暖機過程。此外，增壓器出水回路不合理，出水直接進入膨脹水壺，如圖13原循環回路所示，導致膨脹水壺出水流量大，水壺中的水參與循環過程而導致暖機時間增加。

圖11 冷卻液溫度及散熱器流量

圖12 暖風進出水溫度及流量

圖13 循環回路更改圖

為減少換熱損失，優化分析方案包括：（1）提高發動機平衡水溫平臺，更改發動機節溫器，開啟溫度提高至84 ℃；（2）在暖通回路添加節溫器，在無采暖需求時切斷暖通流量；（3）更改增壓器回路與膨脹水壺管路布置，從發動機出水取水，接回小循環；（4）油冷器回路增加節溫器，開啟溫度為79 ℃。循環回路更改如圖14所示。

由圖14可知，冷卻水溫平臺提高至84 ℃，減少了傳熱損失，水溫前期溫升斜率提高，溫度上升加快，改善了發動機水溫歷程時間，使達到平衡水溫的時間減少了135 s。最終傳熱損失的減少使WLTC累積油耗由1 217.31 g降低至1 212.27 g，下降了0.42%。此外，由于所用的一維分析模型無法反映水溫對發動機燃燒和摩擦改善所帶來的效果，實際油耗改善率會更大，在進行實測時會反映出來。

圖14 發動機出水溫度

3.2.2 CVT油溫溫升歷程優化

圖15變速器溫升歷程顯示，采用無級變速器油（Continuously Variable Transmission Fluids，CVTF）換熱器實現變速器油和冷卻液換熱，使變速器油溫升高。在WLTC循環中，變速器的油溫在循環結束時上升至74 ℃，變速器在循環過程中基本處于最佳工作溫度以下。針對CVT油溫溫升歷程，基于當前管路循環（圖13原循環）管徑， 修改取水和回水口，即將與CVT油換熱的水路循環從發動機出水口取水，回水接回小循環水路，如圖16所示，并將節溫器開啟溫度調整為79 ℃。

圖15 變速器溫升歷程

圖16 熱管理系統架構優化示意圖

如圖17所示，優化后的發動機出水溫升歷程變化很小。此外，變速器油溫在800 s前后開啟快速升溫，迅速達到節溫器開啟溫度79 ℃。油溫升高使變速器效率有所提升，使WLTC循環累積油耗由1 217.31 g降低至1 214.90 g，有0.2%的改善。

圖17 發動機出水溫度和變速器油溫

3.3 排氣能量損失優化

圖18為催化器中心溫度和渦前溫度，催化器中心溫度上升至300 ℃是起燃完成的標志，由圖可知，發動機完成起燃過程需要76 s的時間。起燃完成后，催化器中心溫度繼續升高，是因為點火推遲，CA50（累計放熱量為50%時所對應的曲軸轉角）位置推遲，導致溫度升高。排氣溫度升高會導致排氣能量損失增加。因此，將起燃過程的CA50提前10°CA，以降低排氣溫度。CA50的提前使起燃過程的渦前溫度下降，如圖19所示。CA50提前使熱功轉換效率提高，降低了起燃過程中的排氣損失，使起燃過程的油耗降低，如圖19所示，WLTC循環的累積油耗從1 217.31 g降低至1 211.99 g，下降了0.44%。

圖18 催化器中心溫度和渦前溫度

圖19 累積油耗曲線對比

4 優化方案試驗驗證

綜合仿真優化方案得到WLTC循環降油耗總改善率為2.98%。為了驗證仿真優化方案實車測試效果，保持整車滑行阻力輸入與前序測試一致，在環境艙轉鼓開展WLTC工況油耗測試。

優化方案實測WLTC循環工況油耗取5次測試平均值為6.55 L/100 km，相比原樣車6.8 L/ 100 km，降低了3.68%。如圖20 WLTC循環工況的發動機出水溫度結果所示，原車發動機出水溫度達到平衡的時間為520 s，優化后的達到平衡溫度的時間為447 s，縮短了73 s，改善效果明顯。CVT油溫的溫升歷程則顯示，原車變速器油溫初始溫度為24 ℃，最高溫度為74 ℃；優化方案的初始油溫均為23 ℃，最高油溫為86 ℃，循環終了變速器油溫提升12 ℃。在循環前600 s，原車與優化樣車驗證試驗溫升幾乎一致，600 s到890 s整改后的樣車溫升較明顯加快，主要得益于冷卻液對變速器油的加熱效果。

圖 20 發動機出水溫度及變速器油溫

5 結論

通過對樣車WLTC循環工況的整車能量流測試，獲得能量流分布，對能量損失較大的部分進行仿真優化分析，再通過試驗驗證仿真分析結果，主要結論如下：

（1）樣車能量流測試的未燃化學能、換熱損失、排氣能量損失偏高；

（2）通過仿真分析優化標定、冷卻水路/油路循環、起燃過程，使WLTC循環油耗降低2.98%，其中影響較明顯的是減小恢復供油空燃比的濃度和降低恢復供油轉速；

（3）綜合優化方案試驗的發動機出水溫度達到平衡溫度的時間縮短了73 s，CVT油溫在循環終了時從74 ℃提高至86 ℃；

（4）綜合優化方案使WLTC循環百公里油耗從6.8 L降低至6.55 L，降低了3.68%。