基于NEDC油耗的CRUISE仿真與ISCA臺架驗證

喬曌，業(yè)德明，史雪純，王天禹

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

前言

計算機虛擬仿真技術(shù)可極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，目前已普遍應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)中，AVL CRUISE以其模塊化的界面、強大的數(shù)據(jù)處理功能得到了國內(nèi)外汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用。隨著全球能源問題和環(huán)境問題的日益加劇，人們對汽車節(jié)能環(huán)保的要求越來越高，油耗法規(guī)日趨嚴格，新技術(shù)、新材料、新方法等節(jié)能降耗措施普遍運用。而整車實際性能表現(xiàn)由于受到較多外界環(huán)境因素的影響，與 CAE理論模擬仿真往往會產(chǎn)生一定差異，這就對仿真精度提出了更高的要求，需要在開發(fā)初期對整車性能進行精準預(yù)測，評估各類節(jié)能方案的有效性及實際法規(guī)符合性。

通過理論結(jié)合實際，對機車匹配相關(guān)邊界參數(shù)進行整車級或系統(tǒng)級的測試，校準仿真模型，是提升CAE仿真精確度的有效途徑之一。整車相關(guān)參數(shù)，如整車滑行阻力、輪胎滾動半徑，變速器效率等往往可直接測量且精確度較高，但發(fā)動機搭載整車后相關(guān)瞬態(tài)或?qū)崟r參數(shù)與發(fā)動機臺架穩(wěn)態(tài)下測試的性能之間的差異性對整車最終性能表現(xiàn)及仿真精確度有重要影響。

整車級試驗對資源保障和試驗周期要求較高，且難以精確測量發(fā)動機實時扭矩等相關(guān)參數(shù)，因此，通過對發(fā)動機性能臺架進行改造，以實物發(fā)動機為基礎(chǔ)，對相關(guān)機車匹配邊界參數(shù)進行模擬輸入，運行整車工況，輸出整車性能（即ISAC功能臺架）。該方法可以獲取實時發(fā)動機特性參數(shù)，相比整車試驗，縮短驗證周期，且降低試驗資源投入，并在一定程度上可保證驗證的有效性。

本文以將以某款增壓機型為例，通過 ISAC臺架運行NEDC循環(huán)工況，獲取相關(guān)實時參數(shù)，與AVL CRUISE仿真結(jié)果進行對比分析，對仿真模型進行調(diào)節(jié)驗證，以提升發(fā)動機部件輸入?yún)?shù)的準確性及仿真分析的精確性。

圖1 Cruise軟件輸入?yún)?shù)部件示意圖

以圖1為例，在發(fā)動機臺架NEDC循環(huán)工況測試系統(tǒng)中，發(fā)動機模塊被實物發(fā)動機替代，其余零部件輸入?yún)?shù)與CRUISE保持一致，提升了輸入數(shù)據(jù)的有效性和可對比性。

1 發(fā)動機性能臺架介紹

ISAC臺架使用的測功機為施耐德提供的220kW型交流電力測功機（額定扭矩525NM，最高轉(zhuǎn)速12000r/min，轉(zhuǎn)動慣量0.313kg·m2），配油耗儀、燃油恒溫控制、發(fā)動機進氣流量計、機油恒溫控制、水恒溫控制等附屬設(shè)備，并有AVL的EMCON400測功機控制器實現(xiàn)測功機的實時控制，有 AVL PUMA臺架主控系統(tǒng)完成對于測功機試驗流程的控制，完成扭矩信號、燃油消耗量信號、發(fā)動機進氣流量信號、發(fā)動機溫度壓力數(shù)據(jù)、發(fā)動機水油輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。

圖2 ISAC臺架實物搭載示意圖

ISAC臺架基于AVL發(fā)動機性能臺架進行NEDC模擬仿真，與實車狀態(tài)下易受外部環(huán)境因素干擾相比，ISAC臺架可以標準狀態(tài)進行測試，且可實時測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩等相關(guān)參數(shù)。

圖3 臺架模擬整車功能測試界面

2 發(fā)動機臺架NEDC循環(huán)工況油耗驗證

2.1 發(fā)動機性能測試與部件輸入?yún)?shù)確認

發(fā)動機進行整車NEDC油耗試驗時，需完成該臺發(fā)動機外特性和萬有特性的實測，以某一款增壓發(fā)動機為例，實測發(fā)動機臺架性能如圖4所示。

圖4 發(fā)動機萬有特性示意圖

實物發(fā)動機在性能臺架完成裝配后，為保持分析的準確性，除發(fā)動機外，其余的機車匹配邊界參數(shù)需與cuirse軟件設(shè)置的輸入保持一致，如表1所示。

2.2 發(fā)動機臺架運行NEDC工況驗證

以實物發(fā)動機運行整車NEDC循環(huán)，其運行工況如圖5所示，從圖中可知，車速的偏差在規(guī)定誤差范圍內(nèi)，保證了NEDC循環(huán)實現(xiàn)的可行性和準確性。

2.2.1 發(fā)動機部件輸入?yún)?shù)驗證對比分析

發(fā)動機臺架整車NEDC循環(huán)油耗測試系統(tǒng)為基于發(fā)動機實驗室完成，與發(fā)動機外特性及萬有特性測量狀態(tài)相比，因處于同一實驗室及臺架易于控制在相同匹配邊界，可有效避免外界環(huán)境因素如溫度、壓力等的干擾，增強了實測驗證與理論分析對比的有效性。

為驗證發(fā)動機部件輸入?yún)?shù)的準確性，需對實測發(fā)動機轉(zhuǎn)速與理論計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行對比，以保證變速器速比、主減及輪胎滾動半徑的一致性；同時需要對發(fā)動機實測扭矩進行驗證對比，以保證整車阻力參數(shù)、傳動系效率等輸入?yún)?shù)的一致性。在以上實測與理論計算基本一致的狀態(tài)下，方可對發(fā)動機實際輸出的油耗率進行準確性判斷。

圖7 發(fā)動機實時扭矩

在循環(huán)油耗測試完成后，分別調(diào)取發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗率，與CRUISE軟件后處理數(shù)據(jù)進行驗證對比。

在穩(wěn)態(tài)工況下，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)，可以對仿真分析與測試過程的傳動系相關(guān)信息進行校核與驗證，如變速箱速比、車輪半徑等；以發(fā)動機扭矩為基礎(chǔ)，可以對整車阻力、重量、傳動系效率等進行驗證與確認；在瞬態(tài)工況下，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速、實時扭矩以及油耗的變化率等及其車速跟隨性，可以對仿真分析過程中發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)、怠速油耗等進行校核驗證。通過理論結(jié)合實際，對CRUISE仿真模型進行校核與調(diào)校，達到較高的試驗吻合度。（如圖6、圖7）

2.2.2 循環(huán)工況油耗驗證對比

通過ISAC發(fā)動機臺架運行NEDC完成循環(huán)和部分循環(huán)，確認實際臺架邊界狀態(tài)下，發(fā)動機匹配整車的實際油耗表現(xiàn)。通過實測發(fā)動機參數(shù)，結(jié)合仿真分析進行相互校驗，優(yōu)化仿真模型，CRUISE仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果對比如表2所示，仿真模型精確度可達95%以上。

表2 臺架NEDC油耗測試與理論分析對比

3 小結(jié)

仿真分析的精確度除受零部件系統(tǒng)輸入?yún)?shù)準確性影響外，發(fā)動機等部件的實時特性的準確性對其有重要影響。通過ISAC臺架模擬整車NEDC循環(huán)油耗測試，在相同實驗室狀態(tài)下可排除相關(guān)外界因素影響，增強了油耗測試結(jié)果的準確性和可對比性。與CRUISE仿真進行相互校驗，可有效提升仿真分析精確度。

通過該方法，可以在產(chǎn)品預(yù)研分析階段，通過將仿真分析與動力總成平臺化的發(fā)動機臺架拓展測試相結(jié)合，精準預(yù)測整車性能，為產(chǎn)品立項開發(fā)提供有力數(shù)據(jù)支撐，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

參考文獻

[1] AVL Cruise 2011 User guide.