基于Cruise的微卡發(fā)動機匹配分析

劉猛，祖炳鋒*，徐玉梁，王振，秦憲濤

基于Cruise的微卡發(fā)動機匹配分析

劉猛1，祖炳鋒1*，徐玉梁1，王振1，秦憲濤2

（1.天津內(nèi)燃機研究所，天津 300072；2.北汽黑豹（威海）汽車有限公司，山東 威海 264400）

合適的動力總成對整車動力性、燃油經(jīng)濟性有非常重要的作用，文章利用Cruise仿真軟件對匹配某款微卡的幾款發(fā)動機在不同傳動系速比下進行了整車性能分析，在滿足整車動力性的前提下，選出了最佳的發(fā)動機匹配方案，使燃油經(jīng)濟性最低，并滿足了最新的法規(guī)油耗限值要求。

Cruise；發(fā)動機；微卡；動力性；經(jīng)濟性

前言

汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能，也是在市場中是否具有競爭力的基本標志，其很大程度上取決于發(fā)動機與整車傳動系統(tǒng)的匹配是夠合理。

目前國內(nèi)部分車企在選擇發(fā)動機時，仍采用理論計算公式分析整車的動力性，工作量較大，特別是計算燃油經(jīng)濟性時，由于發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速、不同扭矩下的燃油消耗完全不同，很難進行精確的分析，只能進行實車試驗，增加開發(fā)費用，延長設(shè)計周期。對于獨立的發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)，開發(fā)出適合整車廠需求的發(fā)動機，更具有長遠意義。

Cruise軟件是奧地利AVL公司開發(fā)研究的整車性能分析軟件，主要針對整車的動力性、燃油經(jīng)濟性、排放性能等性能進行仿真分析，它采用模塊化的設(shè)計方法，可以進行發(fā)動機、變速器、車橋主減、輪胎型號、整車整備質(zhì)量及最大質(zhì)量等與車輛的匹配優(yōu)化。目前國內(nèi)應(yīng)用Cruise軟件進行仿真的企業(yè)越來越多，大量的試驗結(jié)果證明，其仿真準確性較高，可以作為傳動系統(tǒng)匹配的基本工具。

對于微卡，一般使用中低速大扭矩的柴油機作為動力總成的首選，由于國Ⅵ排放使用的后處理成本增加太高，汽油機使用的越來越多。2020年將要執(zhí)行的《輕型商用車輛燃料消耗量限值》對于微卡的油耗限值做了新的要求，使用汽油機的微卡要想達到要求，必須進行技術(shù)升級，但開發(fā)周期有限，非常有必要使用Cruise軟件進行提前分析預(yù)判。

本文對一款匹配1.5L四缸自然吸氣汽油機的微卡，應(yīng)用Cruise軟件進行了整車動力性、燃油經(jīng)濟性的計算，并分別對比了1.5L增壓汽油機、1.8L自然吸氣汽油機、2.0L米勒循環(huán)自然吸氣汽油機共四款發(fā)動機在最優(yōu)主減下的油耗表現(xiàn)，結(jié)果顯示，增大排量或升級為增壓，是降低油耗的有效方式，這為整車廠及發(fā)動機廠選擇匹配發(fā)動機提供了參考。

1 微卡動力性及燃油經(jīng)濟性評價指標

1.1 動力性

動力性主要評價指標：最高車速、加速時間、最大爬坡度。其中與乘用車不同的是，微卡以拉貨為主，在滿載質(zhì)量下的最大爬坡度往往是最重要的指標。

1.1.1 最大爬坡度

最大爬坡度是指汽車滿載時在良好路面上用一擋克服的最大坡度，代表汽車的爬坡能力。爬坡度用坡度的角度值（以度數(shù)表示）或以坡度起止點的高度差與其水平距離的比值（正切值）的百分數(shù)來表示。

對于微卡，經(jīng)常會在多種地區(qū)多種路面上行駛，在滿載時最大爬坡度一般要求大于30%，也就是16.7°。

1.1.2 最高車速

最高車速是指在水平良好的路面（混凝土或瀝青）上汽車能達到的最高行駛車速，是汽車在平坦路面無風(fēng)條件下，行駛阻力和驅(qū)動力平衡時的車速。

對于微卡的用途及安全性，最高車速一般要求在100km/ h 左右。

1.1.3 加速時間

加速時間，即汽車的加速性能，包括汽車的原地起步加速時間和超車加速時間。

原地起步加速時間，指汽車從靜止狀態(tài)下，由第一擋起步，并以最大的加速強度（包括選擇最恰當(dāng)?shù)膿Q擋時機）逐步換至高擋后，到某一預(yù)定的距離車速或車速所需的時間。

超車加速時間，對提高汽車的平均行駛中由某一車速開始，用最高擋或次高擋全力加速至某一高速所需要的時間，用來表示汽車超車時的加速能力。

1.2 燃油經(jīng)濟性

在保證動力性的條件下，汽車以盡量小的耗油量經(jīng)濟行駛的能力。

車輛燃油經(jīng)濟性是以確定的試驗循環(huán)行駛情況下的循環(huán)燃油耗和在平坦路面以一定速度行駛情況下的等速燃油耗來表示，常用L/100km為計量單位。

對于輕型車，我國采用的測試方法標準是《GB/T 19233-2008 輕型汽車燃料消耗量試驗方法》，同時油耗試驗要結(jié)合排放進行，其采用的試驗循環(huán)來自《GB 18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法》的規(guī)定，參考的是歐洲的NEDC （New European Driving Cycle）循環(huán)。

NEDC循環(huán)包含4個城市循環(huán)（1部）和1個郊區(qū)循環(huán)（2部）。從下圖可以看到，2部郊區(qū)循環(huán)的車輛行駛距離占比很大，即這種循環(huán)偏重于中高速工況。

圖1 NEDC循環(huán)

2 Cruise原型車建模分析

2.1 Cruise原型車建模

Cruise采用模塊化設(shè)計，包含整車車身、發(fā)動機、離合器、變速箱、主減速器、差速器、制動器及輪胎等元件模型，建模時根據(jù)需要拖入建模窗口，建立數(shù)據(jù)傳輸鏈接，添加到駕駛室模塊對車輛進行控制，即可建模整車仿真模型。

圖2 Cruise整車模型

建模完成后，需要對各個元件的參數(shù)進行輸入，以發(fā)動機為例，需要輸入發(fā)動機的氣缸數(shù)、排量、怠速油耗、外特性、萬有特性數(shù)據(jù)等。

其中微卡的整車參數(shù)如下：

表1 整車基本參數(shù)

目前匹配的1.5L自然吸氣發(fā)動機(簡稱1.5自吸)參數(shù)如下：

表2 1.5自吸基本參數(shù)

發(fā)動機萬有特性如下：

2.2 Cruise仿真結(jié)果

在Crusie計算整車性能時，我們增加了更小一級的速比4.875，用于計算對比。

整車質(zhì)量對動力及經(jīng)濟性影響很大，對于最大爬坡度，選擇滿載質(zhì)量；對于NEDC循環(huán)油耗，根據(jù)法規(guī)油耗選擇空載質(zhì)量；對于等速百公里油耗，選擇半載最高檔位工況；其余選擇空載質(zhì)量。

在Cruise軟件中，添加計算任務(wù)后，可得到如下結(jié)果：

表3 不同速比下仿真結(jié)果

通過表3我們可以看出，在主減降低后，整車經(jīng)濟性得到了提升，但動力性降低，特別是滿載最大爬坡度從32.3%降低到28.9%，已經(jīng)不滿足整車設(shè)計要求（一般≥30%）。主減速比5.375設(shè)計比較合理。

空載NEDC循環(huán)油耗為9.66L/100km。對于整備質(zhì)量1380kg的微卡，2020年法規(guī)油耗限值要求為7.8L/100km，顯然目前匹配的1.5L自然吸氣汽油機遠遠達不到目標要求。

在滿足整車動力性的前提下，降低主減能有效降低油耗，而想要提高整車動力性，需要更大功率及扭矩的發(fā)動機，因此要滿足2020年法規(guī)油耗限值要求，需要對發(fā)動機平臺進行升級。

3 不同發(fā)動機匹配方案分析

本文選擇了三款更高功率及扭矩的發(fā)動機，采用Cruise軟件進行了最優(yōu)速比下的整車性能對比分析，三款四缸發(fā)動機主要性能參數(shù)如下：

表4 三款發(fā)動機基本參數(shù)

上述均為國內(nèi)性能比較先進的配乘用車發(fā)動機，都采用了VVT可變氣門正時技術(shù)。其中2.0自吸汽油機（簡稱2.0自吸）采用了高壓縮比及米勒循環(huán)技術(shù)，發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時以奧托循環(huán)模式工作，輸出最大扭矩；在中高轉(zhuǎn)速時，以阿特金森方式工作，實現(xiàn)最佳的燃油性,。而1.5L增壓汽油機（簡稱1.5增壓），通過增壓方式實現(xiàn)了功率和扭矩的大幅提升，燃油消耗率相對高。

表5 不同主減下仿真結(jié)果

前面提到，對于卡車，最大爬坡度是一個最重要的指標。因此在Cruise計算時，其它整車參數(shù)不變，只優(yōu)化主減速比，重點分析在不同主減下，最大爬坡度和NEDC循環(huán)油耗的變化。

從開發(fā)成本考慮，從市場上選取現(xiàn)有的主減進行對比分析，選取了5.375、4.875、4.33、3.9共4種微卡常用的主減，本文將對上述4款主減與上述4款發(fā)動機進行橫向和縱向比較，找出同時滿足整車經(jīng)濟性和動力性的最佳組合。

由表5可以看出：

（1）在主減為5.375時，扭矩越大的發(fā)動機，滿載爬坡度越大并滿足＞30%的要求，但NEDC循環(huán)油耗沒有改善甚至加大，主要原因為發(fā)動機沒有運行在最佳油耗區(qū)。

（2）在主減為4.875時，最大爬坡度開始降低，油耗有明顯改善，但離目標油耗差距很大。

（3）在主減為4.33時，油耗進一步改善，2.0自吸和1.5增壓發(fā)動機最大爬坡度仍有很大富裕，而1.8自吸已經(jīng)優(yōu)化到極限。

（4）在主減為3.9時， 1.5增壓發(fā)動機最大爬坡度36.8%，油耗降低到每百公里8.2L，離7.8L的目標油耗越來越近； 2.0L自吸發(fā)動機差一些，但均可通過其它方式進一步降低油耗，滿足目標值。

圖4 1.5增壓發(fā)動機萬有特性

1.5增壓發(fā)動機的最大扭矩大于其它發(fā)動機，特別是低速扭矩更大，見圖4，在1500rpm時就能達到最大扭矩，可以選擇較小的主減在滿足最大爬坡度的前提下實現(xiàn)油耗的降低。

綜上可以看出，想實現(xiàn)目標油耗，發(fā)動機需要增大排量（同時考慮米勒循環(huán)）或者升級為增壓機型。由于卡車的最高車速遠遠小于乘用車，發(fā)動機在匹配開發(fā)時，可降低額定轉(zhuǎn)速功率，增大低速扭矩。

通過Cruise仿真計算，可以確定滿足目標油耗需要的發(fā)動機形式，并根據(jù)仿真結(jié)果針對性的對發(fā)動機進行低速性能的優(yōu)化，并進一步從成本、發(fā)動機機艙的布置空間出發(fā)，最終選擇合適的發(fā)動機。

4 結(jié)論

Cruise仿真軟件對汽車匹配分析具有快速和準確的優(yōu)勢。根據(jù)Cruise仿真結(jié)果，本文得出以下結(jié)論：

（1）增大后橋主減，可降低NEDC循環(huán)油耗，但滿載最大爬坡度同時降低，需要滿足微卡最低30%爬坡度的限值要求。

（2）增大發(fā)動機排量或升級為增壓機型，提升發(fā)動機低速扭矩，是滿足目標油耗要求的一種有效方式，并需根據(jù)成本、發(fā)動機機艙空間合理選擇發(fā)動機形式。

（3）采用1.5T增壓汽油機匹配微卡后，整車百公里油耗從9.66L降低到8.18L,滿載最大爬坡度為36.8%，進一步降低主減即可達到7.8L的法規(guī)要求。

[1] 王望予.汽車設(shè)計.機械工業(yè)出版社,2017.8.

[2] AVL-Cruise manuals.

[3] 周龍保,劉巽俊,高宗英.內(nèi)燃機學(xué)[M].機械工業(yè)出版社,2005.1.

[4] 羅衛(wèi)東,邱望標.汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的計算機仿真與傳動系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代機械, 2008.2.

[5] 朱玉霞,王昕,鹿政華.基于Cruise軟件的中型卡車傳動系統(tǒng)匹配優(yōu)化分析[J].機電信息,2011.

Matching Analysis of Mini-Truck Engine Based on Cruise

Liu Meng1, Zu Bingfeng1*, Xu Yuliang1, Wang Zhen1, Qin Xiantao2

( 1.Tianjin internal combustion engine research institute, Tianjin 300072; 2.Beiqi Panther (Weihai) Automobile Co., Ltd, Shandong Weihai 264400 )

Appropriate powertrain plays an important role in vehicle power performance and fuel economy.This paper uses Cruise simulation software to analyze the vehicle performance of several engines matching a mini-truck under different transmission speed ratios.On the premise of satisfying the power of the vehicle, the best engine matching scheme is selected to minimize fuel economy and meet the latest requirements of fuel consumption limits.

Cruise; Engine; Mini-truck; Power performance; Economy performance

U464

A

1671-7988(2019)13-67-04

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1671-7988(2019)13-67-04

劉猛（1986－），男，學(xué)士，中級工程師職稱，現(xiàn)就職于天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所，主要研究方向為發(fā)動機設(shè)計與汽車匹配優(yōu)化。

祖炳鋒，男，天津大學(xué)機械工程學(xué)院教授，博士，碩士生導(dǎo)師，天津內(nèi)燃機研究所所長，研究方向發(fā)動機設(shè)計與過程優(yōu)化。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.024