某煤炭運(yùn)輸牽引車經(jīng)濟(jì)性改善設(shè)計(jì)

李冀，張衡，劉偉，陳偉建，李艷慧（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

某煤炭運(yùn)輸牽引車經(jīng)濟(jì)性改善設(shè)計(jì)

李冀，張衡，劉偉，陳偉建，李艷慧
（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

為改善某車型投放至市場后的經(jīng)濟(jì)性，保持車型競爭力，從發(fā)動機(jī)與整車匹配技術(shù)方案上著手，就細(xì)分市場傳動匹配優(yōu)化、電控風(fēng)扇搭載及EBP策略調(diào)整等技術(shù)方案對整車經(jīng)濟(jì)性的改善進(jìn)行了分析，并完成了對應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)濟(jì)性改善效果明顯。

經(jīng)濟(jì)性；傳動匹配；電控風(fēng)扇；EBP策略

新車型設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需要對布置方案和技術(shù)方案固化，實(shí)現(xiàn)空間及成本目標(biāo)的充分利用。整車經(jīng)濟(jì)性在車型設(shè)計(jì)開發(fā)完畢后已基本定型，但具體運(yùn)行路況不同及駕駛習(xí)慣差異仍會導(dǎo)致油耗水平出現(xiàn)較大波動。當(dāng)前不同區(qū)域不同排放要求帶來的運(yùn)營成本增加使部分市場的用戶對車輛經(jīng)濟(jì)性十分敏感，如何尋找并匹配技術(shù)方案對經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行改善，從而幫助用戶節(jié)省運(yùn)營成本，同時保證下一年度車型競爭力是年型車設(shè)計(jì)中必須要考慮問題。

本文從某煤炭運(yùn)輸牽引車的發(fā)動機(jī)和整車匹配技術(shù)方案著手，結(jié)合市場運(yùn)行情況和駕駛習(xí)慣，分析傳動匹配、電控風(fēng)扇和EBP策略對整車經(jīng)濟(jì)性影響，通過優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終達(dá)到改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性的目的，并取得良好效果。

1　車型經(jīng)濟(jì)性改善需求及市場背景

某煤炭運(yùn)輸牽引車是針對煤炭運(yùn)輸工況開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型車輛，行駛區(qū)域多為平原及丘陵，路況較好，且無超載情況。

車型相關(guān)參數(shù)如下：

表1　車型參數(shù)

在市場投放正值國四排放標(biāo)準(zhǔn)升級，部分地區(qū)用戶抱怨尿素消耗新增運(yùn)營成本，期望車型運(yùn)營成本有所降低。

2　經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化技術(shù)方案

2.1基于市場需求的傳動速比優(yōu)化

整車特性中動力性與經(jīng)濟(jì)性需要相互平衡，比如高效運(yùn)輸車輛注重動力性，經(jīng)濟(jì)性必然無法做到經(jīng)濟(jì)型車輛水平，而經(jīng)濟(jì)型車輛的動力性則會更弱一些。雖然動力性與經(jīng)濟(jì)性的平衡取決于整個動力總成的設(shè)計(jì)，但對于某一需求，必然存在動力性與經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的配置。

在車型設(shè)計(jì)之初，傳動速比已根據(jù)市場需求進(jìn)行過優(yōu)化匹配，但由于用戶使用習(xí)慣、路況等多方面影響，車型立項(xiàng)前的特性需求總會與車輛投放市場后的使用情況存在些許偏差，從而可能導(dǎo)致車型當(dāng)前配置在某種路況下并不是最優(yōu)的情況。

影響車型動力性經(jīng)濟(jì)性的配置中，發(fā)動機(jī)MAP在固化后難以輕易變更，同一接口的變速箱與后橋可以存在多種速比進(jìn)行互換，車輪一般會有多種配置由用戶選擇，難以進(jìn)行固化或完全變更。針對車型投放進(jìn)入市場后發(fā)動機(jī)無法更換和車輪存在多種配置情況，可以通過同一接口變速箱和后橋中不同傳動速比的調(diào)節(jié)進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，即通過傳動速比再次調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化。

2.2電控風(fēng)扇搭載

發(fā)動機(jī)熱管理是目前實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動機(jī)功率密度、改善經(jīng)濟(jì)性和可靠性的重要技術(shù)手段之一，除基于朗肯循環(huán)的廢氣熱量利用等技術(shù)外，控制發(fā)動機(jī)水溫，使發(fā)動機(jī)盡快暖機(jī)，并使水溫在小范圍內(nèi)浮動的技術(shù)更成熟，更容易在整車實(shí)現(xiàn)，電控風(fēng)扇技術(shù)就是這其中之一。

電控風(fēng)扇是通過標(biāo)定，使不同水溫與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)，通過調(diào)整風(fēng)扇離合器接合占空比，使不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可控，從而使水溫盡快升至合適溫度后進(jìn)行精確控制。

2.3EBP策略調(diào)整

針對不同車輛負(fù)荷及動力需求，在同一發(fā)動機(jī)MAP上進(jìn)行不同的策略設(shè)置，從而提升經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)已在很多發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)，康明斯發(fā)動機(jī)將此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式稱為EBP節(jié)油開關(guān)。

EBP節(jié)油開關(guān)有三檔：Economic（經(jīng)濟(jì)模式）、Basic（標(biāo)準(zhǔn)模式）、Power（動力模式），不同模式下發(fā)動機(jī)MAP外特性限值不同，加速度限值也不同，通過這種方法限制粗暴操作影響，使發(fā)動機(jī)盡可能多時間工作在MAP經(jīng)濟(jì)區(qū)。

3　技術(shù)方案實(shí)施

3.1傳動速比優(yōu)化

整車傳動系統(tǒng)由12檔變速箱和4.44速比后橋組成，與此變速箱接口相同，可以互換的變速箱速比可分直接檔和超速檔，原車采用超速檔速比。同時同一接口的后橋在4.44附近還有3.42和4.88等速比可選擇，由于是經(jīng)濟(jì)型車型，選取3.42速比進(jìn)行對比。

在設(shè)計(jì)開發(fā)之初，針對“直接檔+4.44”和“超速檔+3.42”進(jìn)行過動力性經(jīng)濟(jì)性仿真分析，仿真模型如圖1所示，次高檔與最高檔油耗對比見表2：

表2　次高檔與最高檔經(jīng)濟(jì)性對比

考慮設(shè)計(jì)輸入中實(shí)際運(yùn)輸狀況為“空載去程、滿載回程，常用車速60～80km/h”，由于次高檔與最高檔均能覆蓋60～80km/h，為提高車輛在行駛過程中的檔位維持能力，推薦駕駛員在常用車速內(nèi)選用動力性更足的次高檔，從而選取次高檔更經(jīng)濟(jì)的“直接檔+4.44”配置。

但此速比是否與駕駛員駕駛習(xí)慣匹配，是否還有繼續(xù)優(yōu)化的空間，還需對后市場數(shù)據(jù)收集、分析。現(xiàn)選取八位用戶，安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并在一段時間后為其中兩位更換為配置“超速檔+3.42”進(jìn)行比較。

3.2電控風(fēng)扇

原車型開發(fā)設(shè)計(jì)時從經(jīng)濟(jì)性考慮，配置機(jī)械直連風(fēng)扇，隨著時間推移，電控風(fēng)扇技術(shù)日趨成熟，電控硅油離合器風(fēng)扇在商用車上逐漸推廣應(yīng)用，但用戶在前期購買支出后，后續(xù)可因此技術(shù)節(jié)省運(yùn)營成本程度如何，還需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

由于發(fā)動機(jī)策略為閉環(huán)控制，電控風(fēng)扇精確控制策略無法應(yīng)用，本次試驗(yàn)采用on/off控制模式。

電控風(fēng)扇試驗(yàn)方案見表3，與此同時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也從5月到11月一直搭載在換裝有電控風(fēng)扇的用戶車上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以此作為用戶的使用情況和全年使用情況數(shù)據(jù)積累。

表3　電控風(fēng)扇試驗(yàn)方案

3.3EBP策略調(diào)整

經(jīng)過對用戶數(shù)據(jù)及使用習(xí)慣分析，了解到用戶一般去程空載時使用E檔，返程滿載時使用B檔，但仍存在去程半載帶一些貨物的情況，當(dāng)前E/B/P三檔動力無問題。

為避免修改E/B檔曲線后造成用戶難以適應(yīng)的情況，確定不對E/B檔曲線進(jìn)行更改，曲線如圖2所示EBP曲線。其中E檔曲線能確保車貨總重不超過40t時的動力性，B檔、P檔能確保滿載時動力性。

同時對E檔和B檔加速度進(jìn)行管理，避免粗暴操作帶來發(fā)動機(jī)負(fù)荷突變，從而跳出經(jīng)濟(jì)區(qū)的情況，由于加速度管理策略無法在仿真計(jì)算中體現(xiàn)效果，所以本技術(shù)應(yīng)用主要靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

新舊EBP策略對比試驗(yàn)方案如表4，以B檔經(jīng)濟(jì)性改善情況作為評價(jià)指標(biāo)，通過滿載B檔對比驗(yàn)證加速度管理策略的效果。

表4　新舊B檔曲線對比試驗(yàn)方案

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1傳動速比優(yōu)化分析

4.1.1用戶使用情況

用戶使用工況為“全程平原或丘陵路況，去程空載走高速，返程滿載走國道，且收費(fèi)站前存在堵車情況”，比設(shè)計(jì)輸入工況更豐富，并存在一定差異。經(jīng)過長期統(tǒng)計(jì)歸納，市場上此車型油耗水平處于34～37L/100km之間。更換速比后的用戶經(jīng)濟(jì)性提升2.5%，但有用戶改變路線，行程經(jīng)過山區(qū)路況時經(jīng)濟(jì)性明顯惡化。

更換過速比配置車輛的用戶油門開度、檔位分布、車速分布、發(fā)動機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速分布及如圖3所示：

4.1.2換速比前后數(shù)據(jù)分析

圖3中油門開度＞10%區(qū)間內(nèi)趨勢及數(shù)值基本相同，可見用戶駕駛習(xí)慣基本不變，不受配置變更影響。

在使用習(xí)慣不變情況下，換裝后車速比換裝前車速略低，使用第12檔時間更長，此工況下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速向低于1300轉(zhuǎn)/min區(qū)間轉(zhuǎn)移，同時大于90%的負(fù)荷率占比下降。

相比換速比前，更高的直接檔使用比例和低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷轉(zhuǎn)移趨勢使整車傳動效率提高同時，發(fā)動機(jī)工作區(qū)間也向經(jīng)濟(jì)區(qū)收縮。這兩點(diǎn)變化是經(jīng)濟(jì)性改善的原因，而導(dǎo)致實(shí)際使用情況與前期仿真計(jì)算出現(xiàn)偏差的原因，則是復(fù)雜的路況信息及駕駛員應(yīng)對路況時的駕駛習(xí)慣與仿真固有策略的差異。

4.2電控風(fēng)扇經(jīng)濟(jì)性改善程度分析

4.2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

電控風(fēng)扇直連和on/off對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5：

表5　電控風(fēng)扇對比試驗(yàn)結(jié)果

圖4為實(shí)際風(fēng)扇工作時間占比，直連風(fēng)扇工作時間占比100%，電控風(fēng)扇工作時間占比1.8%。

圖5為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同期跟車監(jiān)測數(shù)據(jù)，跟車時間從5月至11月，覆蓋整個夏天，為一年中經(jīng)濟(jì)性改善效果最小的半年。

4.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)選取符合用戶使用情況的高速路進(jìn)行，但由于水溫及電控風(fēng)扇優(yōu)化效果受氣溫影響較大。此處結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算擬合。

根據(jù)圖6電控風(fēng)扇功耗曲線，結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，理論節(jié)油效果見表6。

表6　5至11月平均節(jié)油效果

從本次試驗(yàn)及數(shù)據(jù)收集分析看來，在包括有整個夏季的半年中，電控風(fēng)扇結(jié)合率高于全年水平，節(jié)油效果仍可達(dá)到2.8%，此值可作為電控風(fēng)扇全年節(jié)油效果的偏向保守的參考值。

4.3EBP策略調(diào)整方案驗(yàn)證

4.3.1用戶使用情況

新舊B檔曲線對比試驗(yàn)結(jié)果見表7，添加加速度管理策略后，新標(biāo)定B檔曲線相比原標(biāo)定B檔曲線能提升經(jīng)濟(jì)性1.91%。

表7　新舊B檔曲線對比試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)平均車速均在40～42km/h之間，且平均車速與百公里油耗趨勢相同。發(fā)動機(jī)工況分布見圖7，主要工作區(qū)分布合理，可見操作正常，無刻意粗暴操作。

對比新舊標(biāo)定B檔曲線下的發(fā)動機(jī)主要工作區(qū)，可見分布情況類似，對于試驗(yàn)結(jié)果差異，應(yīng)是加速度管理策略導(dǎo)致，如操作粗暴，則優(yōu)化效果會更明顯。

5　結(jié)論

由于理論及仿真計(jì)算的最優(yōu)速比并不完全能適應(yīng)市場需求，后市場還需根據(jù)具體路況和用戶習(xí)慣進(jìn)行針對性調(diào)整，本車型通過速比優(yōu)化可帶來原運(yùn)輸線路2.5%經(jīng)濟(jì)性改善。

雖然電控風(fēng)扇節(jié)油效果與環(huán)境溫度有關(guān)，但應(yīng)用于本車型可帶來至少2.8%經(jīng)濟(jì)性改善。若應(yīng)用于運(yùn)行于南方區(qū)域的車型，改善效果會減弱。

本車型通過對EBP策略加入加速度管理功能，帶來了至少1.91%的經(jīng)濟(jì)性改善，對于操作習(xí)慣不好的駕駛員，經(jīng)濟(jì)性改善情況更為明顯。

該車型應(yīng)用以上技術(shù)后，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化超過7%，用戶感知明顯。

［1］張波濤，鄧禮建，陳其志，鄭國世，電控硅油風(fēng)扇改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的研究，汽車科技，2014.1.

［2］唐應(yīng)時，肖啟瑞，李雪鵬，姚漢波，汽車動力傳動系仿真與優(yōu)化，計(jì)算機(jī)仿真，2009.6.

［3］蔣學(xué)鋒，徐賢，坡道行駛工況下載貨汽車換擋規(guī)律的研究，汽車科技，2011.3.

［4］付強(qiáng)，朱陶鋒，電子風(fēng)扇在海格客車上的節(jié)能應(yīng)用，客車技術(shù)與研究，2011.6.

［5］馬小峰，匹配技術(shù)方案對國III柴油機(jī)油耗影響，現(xiàn)代車用動力，2012.4.

專家推薦

汪曙：

本文通過對特定區(qū)域運(yùn)輸環(huán)境的分析，運(yùn)用傳動系統(tǒng)速比匹配、電控風(fēng)扇和EBP策略對牽引車在特定運(yùn)輸環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證取得良好的改善效果。文中敘述的技術(shù)方案是目前國際上比較成熟的技術(shù)，但在國內(nèi)仍處于行業(yè)領(lǐng)先水平，有很強(qiáng)的實(shí)用性，是未來智能卡車自學(xué)習(xí)功能的基礎(chǔ)，建議發(fā)表。該技術(shù)方案可以作為區(qū)域市場動力性、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化措施加以推廣應(yīng)用。

Optimize of A Coal Transportation Tractor's Fuel Economy

LI Ji, ZHANG Heng, LIU Wei, CHEN Wei-jian, LI Yan-hui
（ DongFeng Commercial Vehicle Technical Center, Wuhan 430056, China ）

As one way to keep the vehicle more competitive which after putting into market, we should improve the fuel economy of this vehicle. From the aspect of how to match engine and vehicle, we analyzed the plan of choose transmission system matching, use electronic fan, optimize EBP strategy, and then finished experiments. The results of these experiments shows the fuel economy is improved obviously.

Fuel economy； Transmission system matching； Electronic fan； EBP strategy

U462.1

A

1005-2550（2016）03-0007-06