基于整車性能達成的發(fā)動機優(yōu)化需求（續(xù)2）

簡虎 任平

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心）

1.2 發(fā)動機動力性優(yōu)化

根據(jù)發(fā)動機轉速將發(fā)動機轉速區(qū)段分為3 段，低轉速區(qū)段為 0～2 000 r/min，中轉速區(qū)段為 2 000～4 000 r/min，高轉速區(qū)段為4 000 r/min 以上。低轉速主要考察坡道起步及起步加速性能，中轉速區(qū)段是在全油門加速條件下考察4～6 擋位80～120 km/h 加速時間是否滿足動力性要求，高轉速區(qū)段為考察各擋最高車速性能。

1.2.1 低轉速區(qū)間段發(fā)動機動力性能需求

在發(fā)動機低轉速區(qū)段內(nèi)，發(fā)動機輸出扭矩大，主要用于汽車起步，而坡道起步是對發(fā)動機低速性能的極限考驗，因此依據(jù)2 000 r/min20%坡道起步來確認低速區(qū)間段的扭矩性能是否滿足需求。圖2示出在Cruise軟件內(nèi)輸入2 000 r/min20%坡道起步工作任務的輸出的結果。圖2中，離合器經(jīng)過1 次半聯(lián)動，車速逐漸增加，發(fā)動機轉速隨著離合開度的降低而減小，但是車速保持提升，說明汽車能夠順利起步，且表1中0～100 km/h 加速時間達到了設計目標。而且100 km 車速出現(xiàn)在3 擋，100 km 加速時間也達到了設計要求，故綜合分析認為，在低轉速區(qū)段發(fā)動機動力性能滿足設計要求。

1.2.2 中轉速區(qū)間段發(fā)動機動力性能需求

中轉速段區(qū)間是在駕駛員全油門超車加速條件下考察發(fā)動機性能。由表1能夠看出，4～6 擋時，加速時間達不到設計目標，動力性能不能滿足要求，需要對相應轉速區(qū)段內(nèi)發(fā)動機扭矩進行優(yōu)化。4，5，6 擋在80～120 km/h時對應轉速范圍分別為 2400～3700，1900～2900，1600～2 500 r/min。可以看出，扭矩需要提升的轉速范圍為1 600～3 700 r/min。同時各擋位發(fā)動機轉速區(qū)間有交集，為保證動力性能夠滿足要求，在交集轉速區(qū)間內(nèi)，采用優(yōu)化比例最高的進行計算。

由表2可知，4，5，6 擋加速時間降低比例分別為13.2%，8.7%，8.5%。

由運動學原理可知，加速度（a/（m/s2））、速度（v/（m/s））及加速時間（t/s）有以下關系:

式中:v1，v2——速度積分的上下限值，m/s。

加速時間可以通過積分法或圖解法求出[1]，在對應速度區(qū)間內(nèi)的面積就是通過此速度區(qū)間的加速時間。在速度范圍不變的條件下，可以計算出對應的加速度。圖3示出汽車的加速度倒數(shù)曲線圖，圖3b 中Δ 的面積為t。

以4 擋80～120 km/h 為例，在此區(qū)間段，需要降低加速時間13.2%，相當于將區(qū)間面積降低13.2%，因此考慮將在此速度區(qū)間劃分為N 個小區(qū)間，每個區(qū)間的Δv 為1。為使整個區(qū)間的面積下降13.2%，每個小區(qū)間面積均減少13.2%。于是得到加速度倒數(shù)曲線下降13.2%，即加速度曲線提高13.2%。同理于5，6 擋。推算出加速度后，由式（3）～（10）可以推算出各擋位轉速區(qū)間內(nèi)對應的發(fā)動機扭矩。

式中:m——整車整備質量，kg；

Ft——驅動力，N；

Fw，F(xiàn)f——空氣、滾動阻力，N。

式中:ua——車速，km/h；

r——輪胎滾動半徑，m；

n——發(fā)動機轉速，r/min；

i0，ig——主減速器、變速箱速比；

式中:f——滾動阻力系數(shù)；

A——迎風面積，m2；

CD——空氣阻力系數(shù)。

式中:ηT——傳動效率。

其中:f0=0.014

其中:δ1=δ2=0.03～0.05

將式（5）和（6）代入式（3），得出發(fā)動機扭矩:

假設加速時間需降低ξ（百分比），則相當于加速度需提升ξ，提升后加速度為a（1+ξ），將提升后的加速度代入式（9）推算出提升扭矩為:

根據(jù)發(fā)動機不同的轉速區(qū)間，通過上述推導的扭矩公式計算出優(yōu)化后發(fā)動機的扭矩參數(shù)及提升比例，如表3所示。整車搭載原發(fā)動機時，將發(fā)動機轉速和扭矩代入由式（3）～（6）計算出的發(fā)動機對應轉速、對應扭矩下4，5，6 擋的車速及加速度，具體如表4所示。

表3 發(fā)動機扭矩的優(yōu)化

表4 擋位的轉速扭矩車速及加速度關系

1.3 發(fā)動機經(jīng)濟性優(yōu)化

在發(fā)動機萬有特性曲線圖上，根據(jù)發(fā)動機在特定轉速所對應的功率下，可以確定單位時間內(nèi)相應燃油消耗量（Qt/mL）。即:

式中:P——功率，kW；

ρ——燃油體積質量，kg/L；

g——重力加速度，m/s2；

b——燃油消耗率，g/kW·h。

1.3.1 等速油耗判斷

原等速油耗在通過降低2.9%后得到等速油耗目標值，并將車速代入式（4）得出發(fā)動機轉速；由式（5）計算出行駛阻力；由車速與行駛阻力計算出發(fā)動機需求功率；由式（13）可計算出發(fā)動機對應扭矩；由式（12）可計算出目標燃油消耗率。與當前發(fā)動機的燃油消耗率進行對比，得出平均差值比率與目標降低差值比率相同。如表5所示。

表5 發(fā)動機燃油消耗率的優(yōu)化

等速油耗工況下，轉速1 000～3000 r/min 和扭矩25～90 N·m 屬于發(fā)動機的常用區(qū)域。根據(jù)式（12），在對應的轉速條件下，逐項優(yōu)化燃油消耗量并使用Cruise和Origin 軟件繪制萬有特性圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，燃油消耗量優(yōu)化前后等速油耗工況工作區(qū)域的變化。優(yōu)化后2 個擋位等速油耗工況更好的運行在低油耗區(qū)域，優(yōu)化效果明顯。

1.3.2 循環(huán)工況油耗分析

對比當前油耗與目標油耗，得出城區(qū)工況以及郊區(qū)工況的油耗降低比率，如表6所示。

表6 整車油耗差值對比

與等速油耗判斷一樣，繪制出城區(qū)工況和郊區(qū)工況下的萬有特性曲線圖，如圖5所示。從圖5可以看出，優(yōu)化后城區(qū)循環(huán)工況工作在更省油的區(qū)段，同理郊區(qū)工況也是。通過這個方法，最大化的使汽車運行工況工作在最省油的區(qū)段，即降低了燃油消耗量。與等速油耗一樣，達到了優(yōu)化的目的。

2 性能需求結果校驗

將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)輸入Cruise 軟件進行分析計算，并同優(yōu)化前的計算結果對比。計算結果表明，通過對發(fā)動機扭矩及燃油消耗率的優(yōu)化，使整車的動力性和經(jīng)濟性均達到設計要求。表7示出發(fā)動機優(yōu)化前后整車性能對比。

表7 發(fā)動機優(yōu)化前后整車性能對比

3 結論

對發(fā)動機性能提出的優(yōu)化需求并不是對發(fā)動機全轉速區(qū)段范圍內(nèi)的扭矩及燃油消耗率都進行優(yōu)化，而是針對性的對動力性和經(jīng)濟性有直接影響的擋位所工作的發(fā)動機轉速區(qū)間范圍內(nèi)進行合理的性能優(yōu)化。發(fā)動機優(yōu)化后，其性能在很好的滿足了汽車開發(fā)需求的同時，排量并未發(fā)生變化，保持了動力總成選型的定位。