某分時(shí)四驅(qū)越野車關(guān)鍵系統(tǒng)能耗分析

（北京北汽越野車研究院有限公司 北京 101300）

引言

越野車又稱Off Road 車輛，一般具備質(zhì)量大，越野能力強(qiáng)，四驅(qū)（分時(shí)、適時(shí)或全時(shí)）行駛幾個(gè)顯著特點(diǎn)，也正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，造成越野車的另一個(gè)突出特點(diǎn)：油耗高。影響整車油耗大小的主要因素包括整車質(zhì)量及尺寸、發(fā)動(dòng)機(jī)本身的能耗水平以及關(guān)鍵系統(tǒng)能耗損失。

本文重點(diǎn)研究一款分時(shí)四驅(qū)越野車各關(guān)鍵系統(tǒng)的能耗，一般整車能量流分析工作是通過(guò)仿真分析的方法進(jìn)行[1],本文將介紹通過(guò)試驗(yàn)手段分析整車在不同工況下的關(guān)鍵系統(tǒng)的能耗情況，結(jié)果更準(zhǔn)確。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可以指導(dǎo)后期仿真分析模型的優(yōu)化，并為實(shí)際車型開發(fā)提出有效的能耗優(yōu)化建議。

1 測(cè)試方案介紹

1.1 能量流基本理論

一般情況下，車輛在平直路面行駛時(shí)，整車阻力主要包括滾阻、風(fēng)阻以及加速阻力[2]，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，還應(yīng)包括傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)阻，尤其對(duì)于四驅(qū)車型，傳動(dòng)鏈比較長(zhǎng)，整車傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)阻的研究就顯得更為重要。

從整車能量管理角度，燃油燃燒產(chǎn)生的能量消耗主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)自身能耗[3]冷卻系統(tǒng)及散熱系統(tǒng)能耗、傳動(dòng)系統(tǒng)能耗以及車輛用來(lái)行駛的阻力能耗[4]。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)傳感器布置方案

為保證各系統(tǒng)能準(zhǔn)確地反映在實(shí)車狀態(tài)下的真實(shí)能耗，各系統(tǒng)能耗測(cè)試均在整車狀態(tài)下測(cè)試，通過(guò)在傳動(dòng)系統(tǒng)不同位置布置轉(zhuǎn)矩傳感器，測(cè)試不同部位的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，結(jié)合設(shè)備測(cè)試的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，最終計(jì)算出不同部位的能耗，整車傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳感器布置方案如圖1 所示。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)傳感器布置方案

其中，▲表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳感器，用于測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)在整車狀態(tài)下實(shí)際的飛輪端轉(zhuǎn)矩；●表示傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩傳感器，用于測(cè)試前后傳動(dòng)軸及前驅(qū)動(dòng)半軸在整車狀態(tài)下實(shí)際的轉(zhuǎn)矩；◆表示輪端轉(zhuǎn)矩傳感器，用于測(cè)試4 個(gè)車輪輪端的實(shí)際的轉(zhuǎn)矩。

1.3 冷卻系統(tǒng)傳感器布置方案

冷卻系統(tǒng)能耗是通過(guò)在冷卻系統(tǒng)中安裝流量傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器，檢測(cè)主要管路的冷卻液變化參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到冷卻系統(tǒng)的能耗，即熱損耗。整車?yán)鋮s系統(tǒng)相關(guān)傳感器布置方案如圖2所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)傳感器布置方案

其中，◆表示流量傳感器，用于測(cè)試不同冷卻管路的流量變化；■表示溫度傳感器，用于測(cè)試不同冷卻管路的溫度變化；●表示壓力傳感器，用于測(cè)試不同冷卻管路的壓力變化。

此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管布置溫度傳感器以及流量傳感器，用來(lái)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能耗損失。試驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)及電池的電流和電壓，用來(lái)測(cè)試低壓電器負(fù)載能耗。

1.4 測(cè)試工況及測(cè)試內(nèi)容

按照以上測(cè)試方案，結(jié)合車型實(shí)際行駛工況及油耗法規(guī)工況，測(cè)試以下工況的傳動(dòng)系統(tǒng)能耗。

1.4.1 滑行工況此工況是整車在實(shí)際道路的平直路面車速?gòu)?30km/h～0 空擋滑行的測(cè)試工況。

1.4.2 NEDC 工況

此工況是當(dāng)前乘用車綜合油耗測(cè)試工況，包括4個(gè)市區(qū)工況和一個(gè)市郊工況，工況運(yùn)行總時(shí)間為1 180 s，累計(jì)總里程11 km[5]，工況循環(huán)圖如圖3 所示。

1.4.3 WLTC 工況

此工況是當(dāng)前乘用車國(guó)六排放測(cè)試工況，包括低速段、中速段、高速段和超高速段4 部分組成，工況運(yùn)行總時(shí)間為1 800 s,累計(jì)總里程約23 km[6],工況循環(huán)圖如圖4 所示。

圖3 NEDC 工況循環(huán)圖

圖4 WLTC 工況循環(huán)圖

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 滑行工況整車及系統(tǒng)能耗

整車滑行工況主要研究整車傳動(dòng)系統(tǒng)能耗，按照傳感器的布置方案，整車滑行阻力包括風(fēng)阻、滾阻、變速器+分動(dòng)器阻力、后橋阻力、前傳+前差速器阻力、前半軸+前輪轂阻力以及制動(dòng)拖滯阻力，各系統(tǒng)能耗如圖5 所示。

圖5 滑行工況各系統(tǒng)能耗

試驗(yàn)測(cè)得，整車130 km/h～0 的整車滑行工況中，風(fēng)阻能耗占比39%，滾阻能耗占比35%，變速器及分動(dòng)器能耗占比9%，后橋能耗占比5%，前半軸+前輪轂?zāi)芎恼急?%，前傳+前差速器能耗占比4%，制動(dòng)拖滯能耗占比2%。

通過(guò)對(duì)此款分時(shí)四驅(qū)整車滑行阻力進(jìn)行測(cè)試，得出此車型整車阻力特點(diǎn)如下：

1）整車風(fēng)阻和滾阻占整車阻力的74%，傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)阻占整車阻力的26%；

2）整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)因前傳動(dòng)軸、前主減差速器、前半軸及前輪轂帶來(lái)的阻力能耗占整車阻力能耗的10%；

2.2 等速工況整車系統(tǒng)能耗

整車等速行駛工況中，各系統(tǒng)能耗如圖6 所示。

圖6 等速工況各系統(tǒng)能耗

等速行駛過(guò)程中，隨著車速增加，傳動(dòng)系統(tǒng)能耗占比降低，滾阻能耗降低，風(fēng)阻能耗增加，車速在55 km/h 以下時(shí)，整車滾阻能耗大于整車風(fēng)阻能耗；車速在55 km/h 時(shí)，風(fēng)阻與滾阻帶來(lái)的能耗相當(dāng)，隨著車速的繼續(xù)增加，風(fēng)阻的能耗占比越來(lái)越大。

2.3 NEDC 工況測(cè)試結(jié)果

整車在環(huán)境艙內(nèi)，按照法規(guī)要求，測(cè)得NEDC 工況中各系統(tǒng)能耗如圖7 所示。

試驗(yàn)測(cè)得，整個(gè)NEDC 工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能耗損失占28.6%，發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射能耗占比39.6%，發(fā)動(dòng)機(jī)自身摩擦能耗占比3.9%，發(fā)動(dòng)機(jī)電器附件能耗占比1.3%,發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際飛輪端有效輸出能量只有26.6%。從發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端到車輪端，變速器+分動(dòng)器能耗占比5.3%，車橋及輪轂?zāi)芎恼急?.6%。最終，NEDC 工況中，實(shí)際傳遞到車輪端用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)的有效能量只占總?cè)加偷?7.7%。

圖7 NEDC 工況各系統(tǒng)能耗

2.4 WLTC 工況測(cè)試結(jié)果

整車在環(huán)境艙內(nèi)，按照法規(guī)要求，測(cè)得WLTC工況中各系統(tǒng)能耗如圖8 所示。

圖8 WLTC 工況各系統(tǒng)能耗

試驗(yàn)測(cè)得，整個(gè)WLTC 工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能耗損失占29.6%，發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射能耗占比39.5%，發(fā)動(dòng)機(jī)自身摩擦能耗占比2.9%，發(fā)動(dòng)機(jī)電器附件能耗占比0.9%,發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際飛輪端有效輸出能量只有27.1%。從發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端到車輪端，變速器+分動(dòng)器能耗占比3.9%，車橋及輪轂?zāi)芎恼急?.0%。最終，WLTC 工況中，實(shí)際傳遞到車輪端，用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)的有效能量只占總?cè)加偷?0.2%。

通過(guò)對(duì)此款分時(shí)四驅(qū)整車NEDC 工況和WLTC工況能耗進(jìn)行測(cè)試，得出此類車型在NEDC 工況和WLTC 工況中的能耗特點(diǎn)如下：

1）兩個(gè)工況中，實(shí)際傳遞到車輪端，用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)的有效能耗只有17%～20%。

2）WLTC 工況雖然比NEDC 工況劇烈，但WLTC工況實(shí)際傳遞到車輪端的有效能耗比NEDC 工況多2.5%，主要原因是WLTC 工況更多地利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)域。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)一款分時(shí)四驅(qū)越野車進(jìn)行不同工況下的整車阻力及關(guān)鍵系統(tǒng)能耗測(cè)試，得到整車關(guān)鍵系統(tǒng)在不同工況下的能耗損失，為整車能量管理開發(fā)提供了有利的數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合以上測(cè)試分析結(jié)果提出以下幾個(gè)方面的結(jié)論和建議：

1）分時(shí)四驅(qū)車型，一般通常工作在兩驅(qū)（后驅(qū)）模式，此時(shí)，前傳動(dòng)軸到前驅(qū)動(dòng)半軸因從動(dòng)車輪（前車輪）反拖帶來(lái)的能耗損失明顯，應(yīng)采用有效措施降低此部分的能耗損失。

2）車輛在高速行駛時(shí)，風(fēng)阻是主要的能耗源頭，提升整車高速油耗最有效的方案就是降低整車風(fēng)阻。

3）此類車型在WLTC 工況和NEDC 工況中，WLTC工況的能量利用率更高。