整车循环工况模拟计算中的瞬态问题研究

杨靖,米林,李洋涛

(1.重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054；2.滑铁卢大学机械与机电工程学院，加拿大 滑铁卢 N2L3G1)

整车循环工况模拟计算中的瞬态问题研究

杨靖1,米林1,李洋涛2

(1.重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054；2.滑铁卢大学机械与机电工程学院，加拿大 滑铁卢 N2L3G1)

运用商业软件计算整车循环工况燃油消耗时，计算值与道路实测值之间存在较大的偏差，通过对软件的功能原理进行分析，指出了软件计算中存在不足的原因，并提出了将瞬态数据纳入计算以减少计算误差的方法。分别用基于发动机万有特性数据和稳态万有特性结合瞬态特性数据的两种方法，对整车循环工况燃油消耗进行了数值模拟计算，并与整车道路测试数据进行比较。结果表明，采用发动机瞬态特性与整车循环工况计算关联的方法，可减小模拟计算结果与实测结果间的偏差。

稳态工况；瞬态工况；燃油消耗；数值模拟

目前，我国处于最新汽车排放和经济性法规实施阶段，为了降低整车燃油消耗，生产厂家和研究机构纷纷采取新的技术和研究手段以实现节能减排的目的[1-3]。其中低成本、高效率的数值模拟手段被广泛地采用，并由此出现了一些较为成熟的整车性能数值模拟商业软件，国内外应用最多的有GT-Drive和Cruise软件等[4-5]。上述商业软件在计算和优化整车油耗的过程中，通常用整车和传动系统的相关参数及发动机万有特性导入并标定后进行计算[6-8]。众所周知，应用软件建模后首先都要对模型进行标定，其标定数据通常是稳态测量所得，并且模型中导入的发动机万有特性也是稳态测得，以此为依据来计算循环工况时便会出现较大的偏差。为了减小此偏差，可能的办法则是通过修正一些边界条件或计算系数等，使得循环工况计算值与实测值接近[9]。之前在多款车型的性能模拟计算过程中发现，计算值与实测值总是存在偏差，采用不同的循环工况或不同的车型计算则偏差的大小也不同，且计算值普遍小于实测值。说明计算误差不是简单的模型标定能够彻底消除的，应该从其他方面找出问题，采取适当的方法加以解决。

1 模拟计算中的瞬态问题分析

1.1变工况时发动机工作点移动路径分析

发动机万有特性的获取均在稳态工况测得，以此计算整车等速100 km燃油消耗量时能够得到较为准确的结果，因为车辆等速等负荷运行时变速器的挡位不变，发动机的输出也不变，即发动机在稳态条件下工作，所以计算时直接用万有特性数据是没有问题的[10]。而当整车以循环工况运行时，发动机的工况点也随之而变，用商业软件计算循环工况100 km燃油消耗量时，首先需要知道发动机工况点的变化路径，才可以根据路径上对应的发动机参数或插值进行计算。工况点变化路径判断错误，将给计算带来较大的误差[11]。

整车在循环工况下需要按照规定进行加、减速或恒速运行，现仅以最简单的等加速工况为例(见图1)。图1中T为发动机扭矩、n为发动机转速、V为车速，车速与发动机转速之间是线性关系，可以通过Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ挡位线关联起来，而在发动机万有特性区域中的Ⅰ′，Ⅱ′，Ⅲ′则为整车匀速行驶时各挡变速比下的挡位线，它决定了某挡位下发动机所对应的扭矩所在点。此图也称之为整车万有特性图，它可以清楚地表达车速、挡位、发动机转速与扭矩和油耗率等之间的关系。

由图1可知，若整车初始速度为V1时变速器在Ⅱ挡上，发动机则在万有特性的a点工作；当整车从初始速度V1等加速到车速V2时，发动机的工作点也随之发生变化，但此时对应车速V2的发动机工作点b点却不是唯一的。在加速过程中若不换挡，仅通过直接加大油门来实现加速，则车速沿挡位线Ⅱ过渡到车速V2，发动机的历程则是从a沿挡位线Ⅱ′过渡到b1点。但更有可能是在加速的过程中变速器换挡，油门需要随之配合以完成加速过程。那么何时换挡、油门如何配合则取决于换挡策略。如加速初期尚未换挡时，则车速沿挡位线Ⅱ加速，直到某中间车速V′时换到Ⅲ挡，之后再通过加大油门将车速沿挡位线Ⅲ加速到车速V2，此时发动机工作点变化的历程则是a—a′—b′—b2。在循环工况中无论加速还是减速，发动机都存在工况点变化的路径问题。

图1 车辆等加速工况时的工作历程示意

可见，车速加速到V2时变速器是否换挡，会影响V2所对应的发动机工况点b是否唯一，且发动机从a点到b点的历程难以确定。由于商业模拟通用软件只能设定换挡规律，而实际车辆的换挡策略无法得知，且每一款车的换挡策略都不同。正如驾驶手动挡汽车的司机，其操作习惯是完全不同的[12]，因此，人为设定换挡模式并以此确定计算路径用于计算循环工况没有真实性依据，会导致循环工况数值模拟计算结果产生偏差。

1.2变工况时发动机参数变化的影响

ECU是发动机的控制单元，针对发动机所处的不同状态和变工况要求，每一款发动机的可变参数都有其自身的算法和瞬态控制规则。例如发动机在加速时，除加大油门外一般都会额外增加供油量，所增加油量的多少则取决于发动机工作的状态和油门踏板的动作情况等，即加、减速过程中油量的变化也不是唯一或线性变化[13]。某车加速时所采集到的90 s内发动机过量空气系数变化曲线见图2。由图可以看出，发动机万有特性稳态工况点之间的插值所计算的参数与瞬态变工况实际的控制参数值完全不同[14]，因此计算时应充分考虑到稳态与瞬态参数的差别[15]。

图2 加速工况发动机参数变化情况

变工况参数的变化可以说明，即使得到了变工况的精确路径，若不考虑瞬态参数变动的因素，数值计算的结果与实际结果仍将存在较大的误差[16]。

2 发动机稳态与瞬态特性测试

2.1试验用发动机和测试设备

研究选择了一款单缸摩托车汽油机，通过台架试验分别获得了发动机的稳态及标准循环工况下的瞬态数据[17-18]。试验用发动机及主要测试设备见表1和表2。

表1 试验用发动机技术参数

表2 主要测试设备

2.2发动机稳态万有特性

依据发动机台架测试规范测得的发动机稳态特性见图3和图4。

图3 发动机稳态等燃油消耗率特性

图4 发动机稳态过量空气系数特性

2.3发动机瞬态特性

循环工况发动机性能测试所采用的方法如下：当整车按NEDC标准循环工况运行时，在确定了换挡规律的情况下以时间为横坐标，同步采集发动机瞬态的转速和油门开度等数据[19]。后续在发动机台架测试时，仍以时间为横坐标，将发动机转速和油门开度变化数据输入测功机，由此采集到的发动机各参数就是对应整车循环工况时的瞬态数据[20]。整车循环工况见图5，与之同步的发动机转速和油门开度见图6。

图5 整车循环工况曲线

图6 循环工况与发动机运行参数的对应关系

循环工况共历时1 200 s，发动机台架试验时主要采集了过量空气系数、平均损失压力和平均指示压力等[21-22]，为了更清晰地看到瞬态工况时的发动机参数变化情况，现将循环工况前190 s曲线放大(见图7和图8)。

图7 190 s内的转速、油门开度、过量空气系数瞬态曲线

图8 190 s内的平均损失压力、平均指示压力瞬态曲线

3 瞬态数据纳入循环工况计算

进行循环工况计算前，通过对瞬态数据的适当处理，在原发动机稳态万有特性基础上，用瞬态的燃油耗消率数据替换对应点的稳态数据，使计算整车循环工况时所用发动机参数与实际过程一致。瞬态数据纳入循环工况计算的流程见图9。

图9 瞬态数据纳入循环工况计算流程

数据替换时可以根据精度要求确定步长大小,步长间隔1 s或0.5 s等。在万有特性上，根据循环工况所采集到的某一时刻的瞬态转速n和平均有效压力NMEP，确定发动机工作点所在位置。试验数据中发动机的转速和过量空气系数、燃油消耗率的理论关系如下。

对于稳态而言，

(1)

(2)

式中：α为过量空气系数；Vs为气缸排量；Φa为充量系数；ρs为空气密度；n为发动机转速；Gb为发动机1 h供油量；Lo为燃烧1 kg燃料理论空气量；Pe为发动机功率；be为燃油消耗率。

对于瞬态而言，某一时段的燃油耗消率为

(3)

式中：t为时间；BE为瞬态燃油消耗率；GB为瞬态燃油消耗量；PE为瞬态功率。时间间隔很短时瞬态值可以用该时间段平均值替代：

(4)

若步长为1 s时，令t2-t1=1 s，则

(5)

进行发动机台架瞬态测试时，根据整车循环工况所采集到的发动机瞬态转速、油门开度随时间的变化规律进行台架试验，可以方便地采集到温度、压力、气体流量、1 h燃油消耗量、过量空气系数等。

发动机瞬态工况时的过量空气系数曲线见图10。与图4稳态时相比，过量空气系数发生了很大的变化。

图10 发动机瞬态过量空气系数

对于瞬态工况，计算时根据式(5)可以用平均值替代瞬时值，这一平均值可视为发动机在此时刻的“准稳态”值。无论发动机是稳态还是准稳态，只要发动机转速和扭矩相同，则在发动机万有特性上就是唯一对应的工况点。当以瞬态参数替换万有特性上同一工况点稳态参数后，此时的发动机万有特性图就可称之为“循环工况下的万有特性图”(见图11)。

图11 循环工况发动机万有特性图

同一工况点上瞬态和稳态的发动机功率相同，所以在图11上任何工况下有

Pe=Pe′。

(6)

所以在同一工况点瞬态燃油消耗率可以表达为

(7)

实际上循环工况的每个步长下，瞬态数据替换稳态数据的过程中，也同时明晰了发动机工况变化的路径，所以数据替换时解决了本文中1.1节和1.2节中所提出的发动机变工况时的历程问题和变工况时的参数变化问题。使用新的万有特性图进行整车循环工况的油耗模拟计算和优化分析时，可以提供更加接近于实际的计算结果。

4 含瞬态数据的计算结果验证

本研究用GT-Drive软件搭建了整车数值模拟计算模型[23](见图12)。计算整车循环工况100 km燃油消耗量过程中，是否考虑瞬态数据唯一的不同是分别导入万有特性图11和图3。

图12 整车性能数值计算模型

整车循环工况100 km燃油消耗量稳态计算结果、瞬态计算结果、试验测试结果对比见图13。

图13 两种计算结果与实测值比较

由图13可见，瞬态计算的结果更接近于实际情况，误差约在3.89%，而用稳态发动机万有特性所计算的结果与实测数据误差约为14.76%。

5 结论

a) 车辆等速运行时发动机处于稳态工作，所以运用稳态发动机万有特性计算整车等速100 km燃油消耗量比较准确，但不适合用于计算循环工况100 km燃油消耗量，否则计算所产生的偏差比较大；

b) 整车循环工况运行时，发动机随车速变化的工况点移动历程随换挡规律不同而不同，所以用稳态发动机万有特性按两工况点连线间的插值计算整车100 km燃油消耗量，是产生较大计算误差的主要因素之一；

c) 发动机瞬态参数不同于稳态参数，用稳态发动机万有特性计算整车循环工况100 km燃油消耗量，是计算结果产生较大误差的另一主要因素；

d) 用瞬态数据替换稳态万有特性中对应工况点的数据后，可以获得循环工况下的发动机万有特性，将其用于计算整车循环工况100 km燃油消耗量，可以提高计算结果的准确性。

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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

杨靖(1957—)，女，教授，主要研究方向为内燃机性能开发及动力匹配搭载；yangjing10@vip.sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.016

TK411.2

B

1001-2222(2017)05-0083-05

[编辑： 姜晓博]