基于多領(lǐng)域耦合的整車(chē)高溫開(kāi)空調(diào)經(jīng)濟(jì)性研究

李 敏,陳偉國(guó),王愛(ài)國(guó) ，郭 順

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)與軌道學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.?？铺┛藙?dòng)力總成有限公司 研發(fā)中心,安徽 蕪湖 241000)

0 前言

汽車(chē)涉及機(jī)械、電子、液壓、控制等多學(xué)科,在整車(chē)車(chē)能量管理研發(fā)的過(guò)程中,多領(lǐng)域系統(tǒng)的交叉耦合作用日益凸顯,多學(xué)科系統(tǒng)集成仿真成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。隨著法規(guī)對(duì)油耗要求的加嚴(yán),GB/T 19233-2020《輕型汽車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法》已于2020-06-02發(fā)布,與前版法規(guī)相比,工況由NEDC(new european driving cycle,NEDC)變更為WLTC(worldwide light-duty test cycle,WLTC)和中國(guó)汽車(chē)行駛測(cè)試循環(huán)CLTC(China light-duty vehicle test cycle,CLTC),并制定了空調(diào)開(kāi)啟制冷狀態(tài)下的油耗試驗(yàn)方法[1]。各主機(jī)廠(chǎng)需要深度挖掘各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)高溫下節(jié)油的貢獻(xiàn),其中空調(diào)系統(tǒng)對(duì)油耗有較大影響,但同時(shí)學(xué)科之間的交互影響也是必須考慮在其中的問(wèn)題。比如,高溫環(huán)境下,整車(chē)進(jìn)氣溫度較高,會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能變差[2]。

因此,綜合考慮多領(lǐng)域耦合因素的影響,搭建了高溫環(huán)境下整車(chē)開(kāi)空調(diào)能量管理集成仿真模型,實(shí)現(xiàn)了某海外工況下的集成仿真與試驗(yàn)的相關(guān)性分析,并在此基礎(chǔ)上對(duì)其它三種法規(guī)工況進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè),為挖掘節(jié)油潛力提供了一定的依據(jù)。

1 高溫環(huán)境對(duì)整車(chē)經(jīng)濟(jì)性的影響

1.1 進(jìn)氣溫度對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

進(jìn)氣溫度是保證汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)整車(chē)性能的重要參數(shù)。進(jìn)氣溫度升高到一定溫度時(shí),點(diǎn)火角推遲,燃燒特性發(fā)生改變,進(jìn)而影響了經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者或工程師,通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車(chē)試驗(yàn)或仿真手段,證明了進(jìn)氣溫度對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響[3-7]。研究表明,進(jìn)氣溫度對(duì)爆震燃燒和部分燃燒邊界影響顯著,進(jìn)氣溫度升高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有負(fù)面影響;進(jìn)氣溫度每上升10%,燃油經(jīng)濟(jì)性惡化1%;降低進(jìn)氣溫度有利于改善油耗和排放。

1.2 空調(diào)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

汽車(chē)空調(diào)作為整車(chē)舒適性的必不可少的部分,對(duì)整車(chē)油耗有較大影響。美國(guó)較早實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛開(kāi)空調(diào)時(shí)的排放性能測(cè)試評(píng)價(jià),以及空調(diào)技術(shù)節(jié)油測(cè)試評(píng)價(jià)。歐洲正在編制MACTP法規(guī)來(lái)測(cè)試計(jì)算車(chē)輛的空調(diào)油耗。NERL有研究報(bào)告顯示空調(diào)每百公里油耗約1.8～2.0 L[8].美國(guó)加州環(huán)保局ARB聯(lián)合AVL公司,計(jì)算了汽車(chē)空調(diào)對(duì)整車(chē)油耗的影響,結(jié)果顯示空調(diào)制冷約占5.5%油耗。中國(guó)也針對(duì)空調(diào)展開(kāi)了一系列對(duì)油耗影響的研究:文獻(xiàn)[9-10]以NEDC進(jìn)行了空調(diào)開(kāi)啟、關(guān)閉的油耗研究,結(jié)果表明環(huán)境溫度每增加5 ℃,空調(diào)附加每百公里油耗升高0.2～0.3 L;光照強(qiáng)度每增加100 W/m2,空調(diào)附加每百公里油耗升高0.07～0.09 L.文獻(xiàn)[11-12]探討空調(diào)試驗(yàn)中溫度、濕度、光照強(qiáng)度、空調(diào)壓縮機(jī)排量及浸車(chē)時(shí)間等對(duì)油耗結(jié)果的影響。

2 多領(lǐng)域耦合集成仿真研究

2.1 集成研究思路

當(dāng)前多領(lǐng)域的集成仿真,主要有兩種:一種是在統(tǒng)一的軟件仿真平臺(tái),另一種則是多軟件協(xié)同仿真[13-16]。文章利用一種主軟件,集成其他兩種專(zhuān)業(yè)軟件來(lái)進(jìn)行協(xié)同仿真。聯(lián)合仿真因各自軟件的運(yùn)行步長(zhǎng)、與其他軟件交互的接口等問(wèn)題,在多軟件聯(lián)合仿真調(diào)試方面,需要熟悉各軟件的工作特性和接口特性,具有較大的難度。但是,其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用單領(lǐng)域軟件的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)。多軟件集成的聯(lián)合仿真思路如圖1所示。

圖1 軟件集成聯(lián)合仿真思路Fig.1 Co-simulation of software integration

2.2 集成仿真模型搭建

2.2.1集成軟件

集成軟件,在聯(lián)合仿真過(guò)程中,是連接其他各領(lǐng)域?qū)I(yè)仿真工具的橋梁和紐帶,采用TCP/IP等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的數(shù)據(jù)交換和調(diào)用,以完成整車(chē)物理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的建模與聯(lián)合仿真[17]。不同的仿真軟件建立通信之后,其中熱管理系統(tǒng)的空調(diào)負(fù)載,可以作為整車(chē)物理系統(tǒng)的輸入變量。

2.2.2整車(chē)物理模型

整車(chē)物理模型,主要由整車(chē)、離合器、變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、主減速器、駕駛室模塊、輪胎、顯示器、附件系統(tǒng)等模塊組成。其中與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)連接的空調(diào)負(fù)載,由另一專(zhuān)業(yè)軟件C作為輸入。

2.2.3空調(diào)系統(tǒng)熱管理模型

空調(diào)系統(tǒng)熱管理模型,動(dòng)態(tài)地考察了各子系統(tǒng)溫度的變化及熱效應(yīng)對(duì)空調(diào)負(fù)載的影響,進(jìn)而影響整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。熱管理系統(tǒng),主要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)艙系統(tǒng)、附件系統(tǒng)等組成。熱管理元件間的相互協(xié)調(diào)作用來(lái)滿(mǎn)足整車(chē)熱管理系統(tǒng)的需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)車(chē)為一輛搭載6速手動(dòng)擋、1.5 L排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、

手動(dòng)空調(diào)的SUV車(chē),基本參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 車(chē)輛基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of vehicle

3.1 進(jìn)氣溫度對(duì)油耗萬(wàn)有特性的影響

整車(chē)在高溫環(huán)境倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行關(guān)空調(diào)經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度基本高于50 ℃,利用試驗(yàn)采集的轉(zhuǎn)速、扭矩?cái)?shù)據(jù),在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性中進(jìn)行查表校核,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)瞬時(shí)油耗與查表理論瞬時(shí)油耗差異較大。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(electronic control unit,ECU)控制策略,推測(cè)進(jìn)氣溫度導(dǎo)致燃燒特性發(fā)生了變化,因此在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行了進(jìn)氣溫度對(duì)萬(wàn)有特性影響的試驗(yàn)研究。

部分轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的油耗燃油消耗率及萬(wàn)有特性整體對(duì)比,如圖2所示。結(jié)果表明:燃油消耗率,在低負(fù)荷衰減較小,高負(fù)荷衰減基本超過(guò)20%. 據(jù)此表現(xiàn)推測(cè)高溫環(huán)境下,空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)的油耗,因燃燒特性發(fā)生變化導(dǎo)致油耗有一定程度衰減,且衰減的程度與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的分布有一定關(guān)聯(lián)。

3.2 高溫開(kāi)空調(diào)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

為驗(yàn)證高溫下空調(diào)對(duì)整車(chē)經(jīng)濟(jì)性的影響,以海外某工況為基礎(chǔ)分別進(jìn)行了常溫關(guān)空調(diào)、高溫關(guān)空調(diào)和高溫開(kāi)空調(diào)下的油耗測(cè)試。試驗(yàn)均進(jìn)行預(yù)處理、浸車(chē)后在轉(zhuǎn)鼓環(huán)境倉(cāng)開(kāi)展。其中,高溫試驗(yàn):高溫浸車(chē)后,環(huán)境倉(cāng)溫度約為30 ℃,開(kāi)空調(diào)時(shí)全光譜類(lèi)型光照強(qiáng)度850 W/m2、空調(diào)設(shè)置為最大冷卻模式、風(fēng)量置于中間位置、環(huán)境相對(duì)濕度50%,高溫空調(diào)關(guān)閉時(shí),關(guān)閉太陽(yáng)輻射;常溫試驗(yàn):常溫浸車(chē)后,環(huán)境溫度約為25 ℃(試驗(yàn)條件基本同國(guó)內(nèi)NEDC法規(guī)工況)。三種狀態(tài)下油耗結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 油耗試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Fuel consumption test results

如表3所示:在此基礎(chǔ)工況下,進(jìn)氣溫度升高導(dǎo)致油耗增加4.1%;高溫開(kāi)空調(diào)時(shí),空調(diào)系統(tǒng)致油耗較常溫關(guān)空調(diào)時(shí)油耗增加25.8%. 因此,空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟后對(duì)油耗影響20.8%.

4 經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)研究

4.1 仿真與試驗(yàn)相關(guān)性對(duì)標(biāo)

4.1.1子系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)相關(guān)性對(duì)標(biāo)

1)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性進(jìn)行了常溫工況仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo),在對(duì)標(biāo)好的基礎(chǔ)上,結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制策略,推遲燃燒中心和持續(xù)期,增加缸內(nèi)傳熱系數(shù),高進(jìn)氣溫度下的仿真與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的燃油消耗率、進(jìn)氣量對(duì)比見(jiàn)圖3.

2)在一維軟件搭建完成空調(diào)總成模型,進(jìn)行各子模型系統(tǒng)模型艙溫及各出風(fēng)口溫度、風(fēng)量、節(jié)溫器流量對(duì)標(biāo),其中節(jié)溫器進(jìn)行了大循環(huán)、小循環(huán)流量對(duì)標(biāo);風(fēng)量校核為CFD(computational fluid dynamics,CFD)計(jì)算風(fēng)量,與一維軟件中標(biāo)定的風(fēng)量進(jìn)行校核?？照{(diào)子系統(tǒng)校核的部分結(jié)果見(jiàn)圖4.

4.1.2整車(chē)仿真與試驗(yàn)相關(guān)性分析

在子系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)?zāi)Ｐ托ｒ?yàn)誤差基本小于4%基礎(chǔ)上,集成多領(lǐng)域軟件,對(duì)整車(chē)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行高溫環(huán)境下經(jīng)濟(jì)性仿真。仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3,開(kāi)空調(diào)的過(guò)程曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖5.

表3 仿真與試驗(yàn)油耗結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of fuel consumption results between simulation and test

(a)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

由表3及圖5結(jié)果分析可知,仿真與試驗(yàn)的空調(diào)開(kāi)啟、關(guān)閉狀態(tài)下的整車(chē)油耗結(jié)果誤差小于2%,空調(diào)開(kāi)啟過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)油耗等吻合情況較好。在模型精度較高的基礎(chǔ)上,可開(kāi)展其他經(jīng)濟(jì)性循環(huán)工況的預(yù)測(cè)研究。

4.2 其它工況預(yù)測(cè)研究

以對(duì)標(biāo)模型為基礎(chǔ),進(jìn)行多軟件聯(lián)合仿真NEDC、WLTC、CLTC工況高溫環(huán)境下的油耗表現(xiàn)。三種循環(huán)工況主要特性見(jiàn)表4,油耗表現(xiàn)見(jiàn)圖6.

表4 三種循環(huán)工況主要特性Table 4 Main properties of three cycles

(a)三種循環(huán)工況開(kāi)關(guān)空調(diào)油耗

由圖6數(shù)據(jù)分析可知:

1)空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)下,空調(diào)對(duì)三種循環(huán)工況的整車(chē)油耗影響明顯,增幅為23%～31%,其中NEDC、WLTC工況油耗增幅較為接近。結(jié)合表4工況的主要特性,WLTC怠速工況占比最少,空調(diào)影響油耗增幅為23%,是三種循環(huán)工況中最低。空調(diào)開(kāi)啟后,為提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性,并為起步加速提供一定的功率儲(chǔ)備,需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速特性。怠速轉(zhuǎn)速提高200 r/min,空調(diào)輸出功率約2 kW。怠速轉(zhuǎn)速的提高和負(fù)載的增大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)的油耗表現(xiàn)明顯上升[18]。

2)結(jié)合三種循環(huán)的運(yùn)行工況點(diǎn)分布情況,NEDC工況在低負(fù)荷區(qū)域工況占比最多,WLTC工況運(yùn)行更寬廣,在高于150 N·m的運(yùn)行工況點(diǎn)高于NEDC和WLTC工況。結(jié)合前述高進(jìn)氣溫度導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性衰減,對(duì)WLTC工況(由低速段、中速段、高速段和超高速段組成)下的超高速工況表現(xiàn)非常明顯,約10%,高于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的幾種工況。

3)對(duì)NEDC(由4個(gè)市區(qū)ECE和1個(gè)市郊EUDC組成)高溫油耗表現(xiàn),市區(qū)工況下怠速及低速工況比例較高,此時(shí)市區(qū)工況下空調(diào)所導(dǎo)致的油耗增幅明顯高于市郊工況按照加速、勻速、減速、怠速進(jìn)行分解統(tǒng)計(jì)分析,循環(huán)工況的怠速下,空調(diào)致油耗增幅41%;市區(qū)低速行駛工況致油耗增幅42%;NEDC綜合油耗增幅31%.

4)依據(jù)聯(lián)合仿真的各循環(huán)下車(chē)內(nèi)降溫曲線(xiàn),其中NEDC工況車(chē)內(nèi)溫度下降最快,CLTC工況降溫過(guò)程最慢,主要是因低速段平均車(chē)速低和怠速比例高所致。在相同的環(huán)境條件和空調(diào)設(shè)置的情況下,空調(diào)制冷能力僅受壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速影響,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速越高,空調(diào)冷卻能力越強(qiáng)。其中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)制冷量的影響超過(guò)50%,冷凝器風(fēng)速對(duì)制冷量的影響小于15%.CLTC工況下平均車(chē)速較NEDC和WLTC工況低,造成CLTC工況下空調(diào)制冷量小,車(chē)內(nèi)降溫過(guò)程較慢。

5 結(jié)論

本文綜合考慮了高溫環(huán)境下多領(lǐng)域?qū)φ?chē)經(jīng)濟(jì)性影響,搭建聯(lián)合仿真模型,以某車(chē)型海外工況為基礎(chǔ),進(jìn)行高溫環(huán)境下仿真與試驗(yàn)相關(guān)性分析,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了NEDC、WLTC和CLTC三種循環(huán)工況的經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)。得到以下結(jié)論:

1)進(jìn)氣溫度升到一定度數(shù)時(shí),點(diǎn)火角推遲,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性發(fā)生改變,影響了經(jīng)濟(jì)性。燃油消耗率,在低負(fù)荷衰減較小,高負(fù)荷衰減基本超過(guò)20%.

2)高溫空調(diào)開(kāi)啟后,對(duì)各工況的油耗增幅影響顯著,增幅為23%～31%,其中WLTC工況增幅最低為23%.空調(diào)對(duì)整車(chē)油耗的影響,與怠速段和低速段有較大關(guān)聯(lián),其中NEDC工況怠速油耗增幅達(dá)42%.CLTC工況低速段平均車(chē)速約12.0 km/h,降溫過(guò)程最慢。

3)在多領(lǐng)域耦合的背景下,多軟件集成聯(lián)合仿真,可以經(jīng)濟(jì)有效地從系統(tǒng)集成和整車(chē)角度綜合考慮動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)、控制和優(yōu)化等各影響因素的靈敏度分析,為搭建整車(chē)能量仿真平臺(tái)提供一定的參考,為挖掘節(jié)油潛力提供分析依據(jù)。