基于AVL CRUISE的客車經(jīng)濟(jì)性仿真分析及驗證

可尚基, 錢曉東

(上海申龍客車有限公司， 上海 201108)

燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車的關(guān)鍵指標(biāo)之一，國家法規(guī)也不斷提高汽車油耗與排放要求。有著更高要求的C-WTVC循環(huán)工況油耗標(biāo)準(zhǔn)GB 30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》[1]已于2019年7月1日實(shí)施。本文利用AVL CRUISE軟件搭建某款旅游客車的燃油經(jīng)濟(jì)性仿真模型，將仿真數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)鼓試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，為后續(xù)整車油耗評估、發(fā)動機(jī)選型及整車動力系統(tǒng)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 建模與仿真

1.1 整車有關(guān)參數(shù)

整車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真涉及到的有關(guān)參數(shù)如下：整車外形尺寸8 045 mm×2 480 mm×3 350 mm，整備質(zhì)量8 100 kg，總質(zhì)量11 000 kg，輪胎滾動半徑0.454 m，變速器各擋位速比7.03/4.09/2.45/1.50/1.00/0.81/R6.48，主減速比4.1。

特征里程分配：市區(qū)/公路/高速=20%/30%/50%。發(fā)動機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 某款發(fā)動機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)

1.2 模型搭建

根據(jù)整車的基本構(gòu)成，使用CRUISE軟件搭建整車模型，輸入1.1節(jié)的基本參數(shù)，連接機(jī)械模型[2-5]與電氣信號[6-8]，如圖2所示。

圖2 整車搭建模型

1.3 參數(shù)設(shè)定

1) 整車行駛阻力依照《車輛產(chǎn)品<公告>技術(shù)審查規(guī)范性要求汽車部分(2012)版》推薦值[9]，查得車輛滑行阻力系數(shù)：A=676，B=5.03，C=0.144。

2) 車輛耗能元件根據(jù)冷卻風(fēng)扇、制動單元等附件功耗設(shè)定[10]：650 r/min對應(yīng)功耗1.5 kW，2 200 r/min 對應(yīng)功耗1.5 kW。

1.4 計算任務(wù)的設(shè)定

1) 按照GB/T 27840—2011《重型商用車燃料消耗量測量方法》[11]，C-WTVC循環(huán)工況(見圖3)分為市區(qū)、公路、高速三部分，需要分開設(shè)置。并按此標(biāo)準(zhǔn)制定C-WTVC循環(huán)數(shù)據(jù)路譜，其速度偏差控制在±3 km/h，完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CRUISE中。

圖3 中重型商用車 C-WTVC循環(huán)曲線

2) 依據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系式[12]：

ua=0.377rn/(igi0)

(1)

汽車行駛方程Ft=Ff+Fw+Fi+Fj[12]，功率與轉(zhuǎn)矩關(guān)系pe=Ttqn/9 550[12]，扭矩富裕率TM=Temax/Te[11],使用常用換擋車速，且采用二擋起步，設(shè)定換擋轉(zhuǎn)速。如3擋升4擋時的車速ua設(shè)定為25 km/h，變速器3擋速比為2.45，根據(jù)式(1)可得發(fā)動機(jī)升擋前轉(zhuǎn)速為1 467 r/min， 由于4擋時變速器速比為1.50，根據(jù)式(1)求出發(fā)動機(jī)升擋后轉(zhuǎn)速為880 r/min。換擋過程需要發(fā)動機(jī)提供的實(shí)時扭矩為438.1 N·m，查詢發(fā)動機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)，880 r/min轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最大扭矩為666 N·m，得出扭矩富裕率為1.52，滿足GB/T 27840—2011中規(guī)定的1.1倍扭矩富裕率的要求。其他擋位升擋前后的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算方法相同，匯總見表1。

1.5 仿真計算

使用Single Calculation模式進(jìn)行仿真，計算完成后，其結(jié)果在messages-result中查取。

表1 設(shè)定換擋數(shù)據(jù)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 仿真與試驗結(jié)果對比

提取CRUISE仿真結(jié)果后，按照C-WTVC三種工況對應(yīng)的特征里程分配比例進(jìn)行加權(quán)計算：綜合油耗=市區(qū)比例×市區(qū)油耗+公路比例×公路油耗+高速比例×高速油耗。仿真結(jié)果與公司檢測中心提供的轉(zhuǎn)鼓油耗實(shí)測值對比見表2。

表2 仿真油耗與轉(zhuǎn)鼓油耗對比 L/100 km

從表2可以得知，雖然綜合油耗兩者相對偏差為-1.7%，但是市區(qū)、公路、高速的油耗兩者相對偏差為3.42%、-3.99%、-3.41%，偏差值超過3%。

2.2 影響仿真精度的幾個重要因素

1) 整車行駛阻力推薦值與實(shí)際車輛滑行阻力存在一定偏差。利用汽車滑行試驗，測定實(shí)車行駛阻力。經(jīng)檢測中心進(jìn)行客車道路滑行試驗，測定其滑行阻力系數(shù)：A=691.5，B=6.265，C=0.126。

2) 耗能元件也是影響油耗的一個重要因素，對能耗貢獻(xiàn)較大的有冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇能耗。通過對冷卻系統(tǒng)水溫數(shù)據(jù)的采集，統(tǒng)計風(fēng)扇處于工作狀態(tài)的時間在整個試驗運(yùn)行過程中的占比，計算其能耗值。數(shù)據(jù)監(jiān)測打氣泵處于非卸荷狀態(tài)時的工作時間，統(tǒng)計其功耗。實(shí)際結(jié)果如下：650 r/min對應(yīng)功耗0.5 kW，1 300 r/min對應(yīng)功耗0.7 kW，2 200 r/min對應(yīng)功耗 1 kW。其他附件在試驗過程中能耗較小，忽略不計。

3) 從發(fā)動機(jī)的萬有特性圖上分析可知，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)燃油區(qū)間大致在1 200～1 450 r/min。在適宜的轉(zhuǎn)速區(qū)間，較早地切換到高擋位，可以有效提高發(fā)動機(jī)的負(fù)荷率，但可能會造成發(fā)動機(jī)后備功率不足。因此，換擋模式也是影響仿真精度的一個重要因素。

依照1.4節(jié) 2)中的計算方法，結(jié)合駕駛員實(shí)際操作中的換擋過程，重新設(shè)定駕駛員換擋規(guī)律，如將3擋升4擋時的車速ua變?yōu)?3 km/h，按照式(1)，求得發(fā)動機(jī)升擋前轉(zhuǎn)速變?yōu)? 350 r/min，升擋后轉(zhuǎn)速變?yōu)?21 r/min。換擋過程需要發(fā)動機(jī)提供的實(shí)時扭矩為431.9 N·m，查詢發(fā)動機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)，821 r/min轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最大扭矩為617 N·m，得出扭矩富裕率為1.43，滿足GB/T 27840—2011中規(guī)定的1.1倍扭矩富裕率的要求[11]。其他擋位設(shè)定方法相同，匯總見表3。

表3 重新設(shè)定換擋數(shù)據(jù)

2.3 重新進(jìn)行仿真計算

根據(jù)2.2節(jié)分析，重新設(shè)定CRUISE模型數(shù)據(jù)，再次運(yùn)行仿真任務(wù),其仿真結(jié)果與轉(zhuǎn)鼓試驗值的偏差見表4。

表4 新的仿真油耗與轉(zhuǎn)鼓油耗對比

各部分相對偏差都小于3%，相比第一次仿真結(jié)果，其準(zhǔn)確度得到很好的改善。

3 結(jié)束語

市區(qū)油耗仿真值與轉(zhuǎn)鼓油耗值還存在2.99%的偏差。為了提高仿真精度，后續(xù)需要采集附件功率、駕駛員換擋規(guī)律等數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步減小仿真值與試驗結(jié)果的差異，確保在新的車型匹配中更為準(zhǔn)確和高效。