节能减排是当今汽车工业发展的重要方向，随着国家乘用车燃料消耗量限值日益严格，汽车厂商开始应用各种节油措施来降低整车油耗，如发动机起停系统、蓄电池智能充电系统、可变进气格栅和低滚阻轮胎等，而新技术带来的负面效应是整车成本的不断上升。
另一方面，消费者对汽车驾驶品质的要求也越来越高，如更快的加速性能、更低的振动噪声等，而油耗和加速性能又常常以一对矛盾体出现在整车开发过程中。
在这一背景之下，本文应用AVL CRUISE软件，从油耗开发和驾驶品质的方向对某车型的换档策略进行测试和优化。研究在不增加整车成本的情况下改善燃油经济性，且尽量维持甚至提升原有加速性能的方法，实现降低成本、节约燃油和保证动力的三赢目标。

建模
1.整车模型

图 1  CRUISE整车仿真模型

本文依托于某在开发车型进行研究，使用该车型的整车参数建立CRUISE仿真模型（见图1）。使用6档DCT，以升档曲线为例，优化前的换档策略如图2所示。仿真模型准确性已经过验证，与实车测试相比误差小于1.5%。

图 2   优化前的换档策略

为对比换档策略优化前后的燃油经济性，在模型中建立了2个油耗计算工况。分别为国内目前普遍使用的NEDC综合工况，以及将来可能将采用的WLTC世界工况。由于针对燃油经济性的优化主要涉及中低转速区间，因而动力性方面以20%节气门开度下的0～40 km/h加速时间，以及在40%节气门开度下的40～80 km/h加速时间，作为对比评估的依据。
2.台架模型
本文换档策略的测试优化原理为，通过CRUISE软件计算得到不同节气门开度和不同发动机转速下对应的各工况点的比油耗，然后再根据车轮动态半径和变速器各档位的速比，将其换算为不同节气门开度和不同车速下对应的各工况点的比油耗（见图3）。而换档策略正是基于节气门开度和车速来制定的，因此可通过调整换档策略使其处于各档位的发动机经济工作区域，从而达到节油效果。

图 3  发动机万有特性曲线（左）和加速踏板特性曲线（右）

发动机台架模型中发动机与法兰连接，用于实现测功机的功能，通过编写控制策略分别对发动机和法兰进行操作（见图4）。定义比油耗目标之后，可计算出比油耗值等于目标值的工况点，工况点数据包括发动机转速、节气门开度并对应比油耗值。将工况点数据信号提取之后，可输入至MATLAB编写的可视化程序中对换档策略进行优化。

图4   CRUISE发动机台架模型

验证计算
1.台架模型计算

图5   换档策略优化前后对比

运行台架模型并导出工况点数据，同优化前的换档策略（下文记作“换档策略1”）一起输入至可视化工具（见图5）。发动机燃油特性经济区域从左至右分别对应变速器档位的1～6档。可见换档策略1并未能使发动机工作在每个档位的最经济区域。因此需要对换档策略进行调整，总体原则如下：
（1）结气门开度在10%以下换档策略主要受发动机最低转速限制，不建议调整；
（2）为改善燃油经济性，换档尽量处于相邻档位经济区域的重叠部分；
（3）为提升低转速区间动力性，在优先考虑油耗的前提下因尽量推迟升档；
（4）实际调整需视发动机特性、变速器速比和驾驶品质等多种因素综合考虑。
依据以上原则，对换档策略进行优化，其中主要调整范围为10%～80%节气门开度区间。将该换档策略计作“换档策略2”，用于后续计算（见图5）。
2.整车模型计算

表 1  换档策略优化前后对比

运行整车模型得到换档策略1和换档策略2对应的各工况油耗和加速时间如表1所示。可见针对该车型的NEDC工况，换档策略的优化并没有对油耗有明显改进。而在WLTC工况下，有1.7%的油耗优化。
同时，由于发动机处于中低转速区间时换档点普遍后移，用户实际常用车速段的加速性能有较大幅度提升。

分析
1.油耗分析
人们通常的认知是升档越快越省油，但对比换档策略1和换档策略2对应的中低转速区间升档点，可见换档策略2的升档更晚但在WLTC中的油耗表现却更好，说明档位的高低对油耗的影响并不是绝对的，发动机是否工作在每个档位的经济区域才是关键。

图6  NEDC工况节气门开度

然而在NEDC中，换档策略优化的效果并不明显，分析原因是由于NEDC工况驾驶时所用到的节气门开度较小（见图6），一般均＜15%，而节气门开度为10%左右的换档策略如之前所述，主要受各档位发动机最低转速限制而无法过多调整。因此，NEDC工况的油耗受换档策略调整的影响很小，在NEDC中的两种换档策略的档位变化情况几乎一致（见图7）。

图7  优化前后的NEDC工况行驶档位

2.驾驶品质

图8  换档策略优化前后的发动机转速变化

在调整优化换档策略时，理论上若换档点继续向右调整至相邻档位的重叠区间，会带来更多的油耗优化。但实际上也会同时引起中小油门情况下发动机转速过高（见图8），换档策略2对应的20%油门开度下，
1～3档的换档转速约为2 150～2 300 r/min，而换档策略1的对应换档转速约为1 700～1 850 r/min。若将换档策略2的换档点继续右移，将导致换档前的发动机转速变得更高。

图9  各档位发动机转速与加速踏板位置的关系

对比某运动型轿车各档位不同油门开度下的升档转速实测数据，其在20%节气门门开度下，各档位升档时的发动机最高转速均不超过2 300 r/min（见图9）。因此，对于低转速情况来说，从驾驶品质和振动、噪声的角度看，过高的发动机转速将会导致用户抱怨，故不再对换档点继续右移。可见在优化换档策略时需要综合考虑多方面因素。

结论
1.运用CRUISE软件测试、优化换档策略可以同时兼顾油耗和驾驶品质开发，即在不增加整车成本的情况下实现更好的燃油经济性和动力性。
2.燃油经济性是优化换档策略的主要目标，但同时因综合考虑动力性、驾驶品质、振动噪声的要求，且不同的发动机调整方式也可能会有不相同。
3.本课题后续将针对不同的发动机的万有特性、加速特性曲线以及换档策略之间的影响关系做进一步的研究。
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