基于Cruise 的商用车经济性匹配研究

作者:祝龙林 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:43 发布时间:2017-04-13
节能降耗是商用车未来竞争的核心方向,本文基于Cruise 软件说明了整车动力性、经济 性的匹配方法。论述了商用车经济性影响因素及整车降油耗技术方案,为未来商用车设计提供 参考。
基于Cruise 的商用车经济性匹配研究

随着汽车技术发展,用户对汽车的要求越来越高,不仅要求具备良好的动力性、舒适性,同时考虑到燃油成本增加,对经济性也提出了更高要求。整车经济性研究主要目的是根据整车路谱和使用情况,通过对发动机、变速器、驱动桥及轮胎等合理匹配,使汽车长期工作在发动机最经济区域,同时满足整车动力性要求。本文根据匹配情况采用降油耗技术方案进行整车降油耗方案设计。

基于Cruise的商用车经济性匹配方法
      采用Cruise软件进行车辆建模,建立相应物理连接和数据连接,输入整车及传动系统各部件参数,进行运算和输出结果,然后分析结果,根据结果对系统部件提出优化要求。Cruise计算的主要意义在于多方比较,单一方案计算需要有准确的汽车运行载荷谱输入。
      1. 经济性匹配分析流程
      具体的匹配分析流程如图1所示。

图1 车辆经济性匹配分析流程

2. Cruise建模
     (1)仿真模型建立
       根据车辆驱动形式,运用Cruise软件建立车辆仿真运算模型,可以单独建立主车模型,也可以建立主车带挂车模型,图2为某4×2载货车的Cruise计算模型。

  图2 某4×2 载货车Cruise 运算模型
        启动Cruise软件,在左侧元件库分别将整车模块Vehicle、发动机模块Engine离合器模块Clutch、变速器模块Gear Box、主减速器模块Single Ratio、差速器模块Differential、传动轴模块Shaft、制动器模块Brake、车轮模块wheel、驾驶室模块Cockpit和控制模块Monitor调至建模区,分别进行物理连接和数据连接。
       (2)建立物理连接
        物理连接也称为“机械连接”,是通过鼠标点击将整车的动力传递系统连接起来,实际操作中右键点击每个图标的输出口的connect命令,移动鼠标到要连接的另一个图标的输入口,点击左键,这样就建立了从输出到输入之间的连接,连接原则和实际汽车的能量传递一致。
       (3)建立数据连接
        数据连接主要是连接各个部件的控制接口,是用来传递发动机转矩、节气门开度和变速档位等一些重要信息,是仿真重要组成部分。数据连接主要连接以下关系:
Brake→Brake Pressure→Cockpit→Brake Pressure;
Clutch→Designed Clutch Release→Cockpit→Designed Clutch Release;
Cockpit→Speed→Engine→Speed;
Cockpit→Operation control→Engine→Operationcontrol;
Cockpit→Gear indicator→Gearbox→Current gear;
Engine→Start switch→Cockpit→Start switch;
Engine→Load signal→Cockpit Load signal;
Gear Box→Desired Gear→Desired Gear。
        3. Cruise模型参数输入
        Cruise计算模型主要输入参数部件包括:整车、发动机、离合器、变速器、差速器、主减速器、制动器和轮胎等。整车模块主要输入整车整备质量、满载质量、迎风面积、风阻系数、轴距以及各载荷下的质心坐标;发动机模块主要输入发动机排量、转速、转动惯量、外特性曲线、万有特性曲线和摩擦功等;离合器模块主要输入离合器转动惯量和最大承受转矩;变速器模块主要输入变速器各档位速比、各档位齿轮齿数、各档位传动效率和各档转动惯量;主减速器模块主要输入主减速器速比、转动惯量和传动效率;差速器模块主要输入速比和转动惯量;轮胎模块主要输入轮胎静力半径、滚动半径和滚动阻力曲线;驾驶室模型主要输入底盘模式、作用档位、最大制动力、缓速器级数、加速踏板行程特性、离合器踏板行程特性和制动踏板行程特性等参数。
根据计算目的和要求不同,模型参数输入的准确度也不同,如只关心经济性、动力性,而对整车的滑行特性、制动特性不太关注,则只需设置与经济性、动力性相关的参数。
        4. 匹配结果分析
        主要进行以下内容计算:①循环工况测试,整车按照指定路谱运行,模拟整车的实际行驶工况,计算循环百公里油耗;②爬坡性能测试,计算整车在不同负载下各个档位、车速下的最大爬坡度;③稳态行驶工况,计算各档车速、等速百公里油耗、发动机负荷率及各档最高车速;④全负荷加速测试,计算各档最大加速度、起步连续换档加速时间和超车加速时间;⑤制动/滑行/倒拖计算,计算整车在某一车速下,制动、滑行和反拖工况下的整车性能。某4×2载货车利用Cruise模型计算结果如表1、图3~7所示。

表1 某4×2 载货车动力性、经济性计算结果

图3 循环工况下发动机工作区域

商用车经济性提升技术分析
      1. 汽车工况油耗分析
      汽车油耗与运行工况密切相关,一般商用车运行工况如图8所示,主要包括怠速、加速、匀速和减速四种工况,商用车降油耗也主要从这四种工况着手分析。
      (1)汽车怠速时,动力传递中断,主要油耗来自发动机,因此怠速工况降油耗主要降低发动机转速或者是采用怠速起停技术。
      (2)汽车加速时,发动机转速变化较大,同时油门开度变化大,需要功率较大,同时换档有动力中断,所以汽车油耗点交分散,此时降低油耗最好的方法就是增大发动机功率来减少换档而引起的油耗损失。
      (3)汽车匀速行驶时,发动机转速稳定,为了保持车速,节气门开度会有变化,此中工况要求降油耗必须标定发动机定制化万有特性,以其适应整车,此种工况也是商用车最多的使用工况,主要通过发动机数据标定与整车传动系统合理匹配来实现。
      (4)汽车减速时,发动机转速较低,转矩较小或是被倒拖,此时降油耗就需要提高发动机断油转速,同时发动机低速低转矩油耗要低。

2. 商用车经济性影响因素
      商用车经济性影响因素主要有人的因素、车的因素及路的因素三个方面,其中车的影响因素最大,每一个大的影响因素下面细分了具体系统的影响因素,各个系统的影响因素里面又细分了具体的影响要素(见图9),每个影响要素里面还会细分影响变量。系统影响要素里面发动机的影响要素最大,发动机的影响变量里面又以发动机的燃烧热效率最大。商用车在进行降油耗分析时,要遵循从“因素→要素→变量”的逐级逐步分析过程。
      3. 商用车经济性提升措施
     (1)发动机
      发动机经济性的优劣,直接决定了整车的经济性,各发动机厂商都在开发更经济的发动机,主要从以下几个方面考虑:
     1)提高发动机燃油喷油压力;
     2)提高热效率及机械效率,减小运动副的摩擦;
     3)针对客户车辆的使用情况,匹配合适排量的发动机,并对发动机的万有特性进行优化;
     4)精确控制气门正时,优化工作循环;
     5)采用可控增压技术,控制进气压力;
     6)采用熄火断缸等新技能技术;
     7)采用新技术,匹配节能附件,比如采用电控风扇、离合器型空压机、变排量机油泵、双模空调压缩机、电控水泵和可调排量机油泵等;
     8)精确控制尿素喷射,减少尿素消耗量;
     9)发动机轻量化设计,发动机升质量控制在80~85 kg;
    10)发动机整车动力附件优化,减小排气背压、进气阻力和中冷阻力等。

(2)动力总成匹配
       动力总成匹配主要目的是让整车行驶时发动机工作点靠近发动机最低燃油消耗区,兼顾整车动力性和经济性,《Volvo货车动力总成匹配》指出,汽车列车运行在正常工况下应保证直接档能上1.5%的坡度,并且保证至少80%的行车时间在挂在直接档上,这样有利于整车动力性和经济性。动力匹配主要考虑        以下因素:
      1)发动机万有特性图  最低油耗区的面积越大越好,整车行驶时,发动机工作点越靠近最低经济区越好;
      2)后桥形式及速比  匹配适合的双级、单级驱动桥及速比;
      3)变速器匹配适合的档位及速比  遵循匹配优化优先,档位增加次之原则;
      4)轮胎  轮胎对于降低油耗可以说是至关重要,现在的轮胎厂商为不同使用工况的车辆设计了不同类型的轮胎,合理选择轮胎能够大幅提高燃油经济性;

5)载荷路谱  采集整车行驶载荷路谱,为每一辆汽车匹配定制化的动力总成;
       6)匹配工况  采用C-WTVC(GB30510—2014 重型商用车燃料消耗量限值)匹配工况。
     (3)整车阻力
       根据统计经验,车辆高速行驶时,空气阻力所造成的油耗约占总油耗的50%,因此各主机厂都在致力于不断降低货车的风阻系数,主要考虑以下因素:驾驶室造型;驾驶室顶部大灯;驾驶室和半挂车之间间隙;外置喇叭或后视镜等产生扰流作用的部件;遮阳罩;半挂车侧防护栏;牵引车侧防护栏;导流罩、驾驶室侧导流板和前扰流。

图8 一般商用车运行工况

(4)驾驶习惯
       司机的驾驶习惯对油耗影响巨大,激进的驾驶习惯可能使油耗增加10%~20%。驾驶时可参考以下方法操作:
      1)尽量使发动机在绿区内工作,发动后不要马上踩节气门,缓缓的使车滑动起来,开始的时候尽量使用低档,避免离合器
滑磨;
     2)在稳定行驶时,尽量采用最高档,使发动机保持较低的转速;
     3)不要让发动机暖机时间过长,避免发动机在不必要的时候处于怠速,例如在上、下货的时候,应关闭发动机;
    4)保持与前车的距离,这样能减少加速和制动的概率,而增加车辆滑行的可能。
    5)如果时间要求不高,尽量保持较低的巡航车速。

(5)其他措施
      其他整车降油耗主要措施有以下几方面:
     1)整车轻量化设计。
     2)提高运输效率,加长、加大汽车。
     3)车队管理技术方面,可根据实时的卫星信息反馈,计算并告知驾驶员最优的路线,同时还能实时记录驾驶员的驾驶动作,分析其驾驶习惯,为后续的驾驶培训提供对应的资料。使用这套系统能够大幅降低整个车队的油耗。
    4)车型应用细分。车型一般都划分为长途运输、短途配送和工程用车。在此基础上,根据车辆的不同使用用途,再细分设计。例如高密度重载、轻抛物质运输等,根据不同的细分优化设计匹配。
    5)采用智能巡航系统等,整车提前加速或者减速,降低油耗。

结束语
      汽车动力性、经济性匹配研究是汽车动力总成研究的核心,是一个系统工程,需要经过计算分析与试验验证各个阶段,在计算分析时,首先要求初选动力总成元件,再组合方案,进行多方案分析计算,大马力发动机匹配直接档变速器和小速比后桥是趋势。Cruise软件是计算汽车动力性、经济性的常用软件,其参数输入越细致全面、准确,计算结果则更具可信性。在进行经济性计算时,最好能够采集汽车实际运行路谱输入,这样计算结果与试验结果将更加吻合。商用车经济性提升是全球各大主机厂共同的追求,也是未来汽车的核心竞争力,这是一个系统工程,要综合多方面因素全面考虑。