不同發動機模型對整車經濟性仿真計算的影響研究*

邱煜，韓同群，黃兵鋒

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不同發動機模型對整車經濟性仿真計算的影響研究*

邱煜，韓同群*，黃兵鋒

（湖北汽車工業學院，湖北 十堰 442002）

車輛仿真模型可以模擬計算整車的的動力性、經濟性和排放性能等，其結果與實際的符合度依賴于車輛各系統及零部件模型或參數的準確性。發動機模型對車輛仿真結果有較大的影響，通過分析車輛系統中發動機的建模方法，闡述了從簡單到詳細、從靜態到動態的發動機模型的優缺點，基于AVL的 CRUISE和CRUISE M軟件建立了某牽引車及半掛車在不同發動機模型下的整車仿真模型，對該汽車列車在C-WTVC 循環工況經濟性進行了仿真計算并與實測值進行比較，結果表明，考慮實時動態性能的詳細物理氣缸模型更符合發動機的實際工作特點，整車模型更具備一致性和準確性。

牽引車；汽車列車；發動機模型；CRUISE/CRUISE M；C-WTVC 循環；仿真計算

引言

我國汽車工業近年來的高速發展，節能與環保仍是永恒的主題。以石化燃料為主的汽、柴油車仍占主導地位。在貨運汽車運輸成本中，燃料消耗約占20～30%。在中、重型卡車的中長途運輸是主要的貨物運輸方式，降低貨車的燃油消耗是目前汽車工業急需解決的問題之一[1]。

工信部在2008年啟動了重型車燃料消耗量測量方法、限值標準的制定工作。鑒于國內重型車發展現狀，經過廣泛調查研究，提出了模擬計算法、底盤測功機法兩種燃料消耗量測量方法，通過廣大汽車廠試驗和計算驗證，完成了《商用車燃料消耗量測量方法》國家推薦標準的制訂。2011年12月30日，GB/T27840-2011《商用車燃料消耗量測量方法》正式發布，2012年1月1日起實施[2]。

測定汽車的燃料消耗量可通過轉鼓模擬試驗、實際道路試驗、模擬仿真三種方法來完成。比較起來，轉鼓模擬試驗對各種復雜的道路工況模擬結果數據可靠、可重復性好；但需要昂貴的大型轉鼓試驗臺，在模擬試驗時要預先設置車輛負載、滑行阻力等，對結果影響較大。道路試驗簡單易行，對設備的要求低，但道路條件、氣候條件和試驗人員因素對試驗結果影響較大，可重復性和可比性差；另外，由于試驗場地、駕駛員操作等因素影響，道路試驗只適合簡單穩態工況，瞬態工況難以實現。

模擬仿真通過編制程序或利用工程軟件在計算機上模擬測定車輛在各種工況下的燃料消耗量，數據可靠、重復性也好，成本低，但前提是必須建立準確的整車模型（包括零部件和總成模型的準確性）。鑒于此，GB/T27840-2011規定，整車企業可采取轉鼓模擬試驗和模擬仿真計算法兩種方案：對于基本型車輛應采用轉鼓模擬試驗法確定燃油消耗量；對于變型車輛可由生產企業選擇采用模擬計算法或轉鼓模擬試驗法測定燃料消耗量。

AVL的CRUISE和CRUISE M軟件是用于車輛系統動力學仿真分析的高級軟件，分屬不同的軟件模塊，可以實現對復雜車輛動力傳動系統的仿真分析，進行動力性、經濟性計算也各有特色。本文通過分析車輛系統中發動機的建模方法，闡述了從簡單到詳細、從靜態到動態的發動機模型的優缺點，分別基于AVL的 CRUISE和CRUISE M軟件建立了某牽引車及半掛車在不同發動機模型下的整車仿真模型并計算了在C-WTVC 循環工況經濟性，結果表明，考慮實時動態性能的詳細物理氣缸模型更符合發動機的實際工作特點，整車模型更具備一致性和準確性。

1 汽車仿真計算中的發動機模型

汽車大部分時間處于非穩態工況下行駛，作為汽車動力的發動機也是依據穩態性能與傳動系進行匹配的。要建立相對精確的發動機模型，需要有足夠的實驗數據支撐，或者符合實際的數學方法來描述，需要對其物理和化學過程進行精確的研究和描述。

建立發動機的數學模型的方法有兩種：一是試驗數據法，通過實驗數據建立起來的仿真模型，利用發動機臺架穩態試驗數據，構造發動機穩態輸出轉矩與油門開度和發動機轉速關系的三維數據表，這種模型主要用于發動機與整車的性能匹配以及發動機對整車動力性的影響。二是解析法，分析清楚發動機各個環節的機理，如油門變化、進氣、燃燒、扭矩輸出等，主要用于發動機本身性能的研究，尤其是利用燃料燃燒模型建立起來的仿真數學模型，可以進行參數優化、故障診斷、燃燒控制等[7]。

平均值模型是丹麥大學教授Elbert Hen-dricks1990年提出來的，認為發動機運行過程中的所有高頻量都是瞬時變化并達到穩態，模型以代數方程式和微分方程的形式對發動機進行建模，方程從發動機基本物理量特征出發，按時間尺度原則，只考慮發動機狀態變量的時間平均效應和各個過程的綜合結果。平均值模型具有既可以描述電控發動機的動態特性，又不需要很大的模型運算量的特點[8,9]。

在實際的建模計算中，一種方法是考慮到節氣門空氣流動和氣缸燃燒滯后等因素，在穩態模型（試驗數據）的基礎上作部分動態修正。二是利用燃料燃燒模型建立實時發動機模型。

2 CRUISE 和CRUISE M建模的不同特點

CRUISE是AVL系列軟件的重要組成部分,主要用于研究汽車動力性、經濟性與排放性能的汽車性能模擬軟件。CRUISE采用了模塊化建模方法，友好的用戶界面，使得建模過程非常方便易行（見本文的模型）。

模型中的發動機數據是在穩定狀態下得到的，然后考慮到瞬態效果進行修正，基于外特性和萬有特性試驗數據發動機模型數據及圖示如圖1所示：

圖1 發動機外特性及萬有特性

CRUISE M是AVL另一款能進行整車性能計算的軟件模塊，其開發的目標是提供一個綜合的仿真環境，滿足日益復雜的車輛能量管理系統的開發需求。包含全部耦合子系統的系統級仿真，考慮所有子系統間的相互作用；可研究動態過程中發動機響應性對整車性能的影響；能進行車輛能量管理系統的概念設計、參數匹配與優化。

其中軟件中的功能之一——CRUISE M Engine （實時發動機模型）是 “基于多學科汽車模型開發方案”的核心，主要應用于發動機性能的實時仿真計算，其中最主要特點是可以模擬發動機穩態和瞬態工況下的性能，且可擴展的模型詳細程度：從氣缸經驗模型到詳細物理氣缸模型，根據不同階段的需求，可搭建出不同詳細程度的模型[5]。

CRUISE M中的實時發動機模型是在平均值模型的基礎上，考慮實時動態性能的詳細物理氣缸模型，基于曲軸角度求解的氣缸物理模型采用當前最先進的燃燒和排放模型，模擬空氣流量和氣缸燃燒滯后、傳熱等因素，實際上是一種零維的動態模型，模型的不同詳細程度及與其他模型的比較如圖2所示：

圖2 實時發動機模型的不同詳細程度及與其他模型的比較

3 某牽引車及半掛車CRUISE 和CRUISE M建模與仿真結果比較

3.1 模型的建立

為了研究不同的發動機模型對整車性能仿真的影響，分別在CRUISE 和CRUISE M建立了某重型商用車牽引車和半掛車的整車模型，重點研究汽車實際行駛時多種不同工況對燃油消耗量的影響。

對于多工況燃油消耗量，各國制定了不同的循環工況，如歐洲使用較多的為 NEDC，日本采用10-15 循環工況，美國采用 UDC 循環工況等。GB/T27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》規定的牽引車工況是 C-WTVC 循環工況。值得說明的是，C-WTVC 循環工況在軟件中沒有模板，要用“table editor”功能完成該循環工況，如圖3所示。

圖3 C-WTVC 循環工況的編輯

重型商用車牽引車和半掛車其主要參數如表1所示，所配的某型增壓柴油機技術參數如表2所示。

表1 某半掛牽引車和半掛車的整車參數

表2 某增壓柴油機參數

某重型半掛牽引車是后輪驅動式牽引汽車，包括其三軸形式的半掛車再內，該車車型是6X4+3的結構形式，從CRUISE/CRUISE M軟件提供的元件庫窗口中拖入所需的元件，然后按各元件間信號關系以及能量傳遞的輸入和輸出關系進行機械和信號連接，建立了如圖4所示的CRUISE模型，而在CRUISE M建立的模型如圖5所示。通過Desk界面的Project Date設置用于計算整車的動力性與經濟性指標的任務，就可以計算出相應的汽車性能指標。

圖4 某重型商用車牽引車和半掛車的CRUISE模型

圖5 某重型商用車牽引車和半掛車的CRUISE M模型

3.2 性能仿真與驗證

通過CRUISE和CRUISE M軟件設置以下計算子任務：（1）最高車速計算(Maximum Velocity)；（2）原地起步連續換檔加速性能計算(Shifting Gears from Standstill)計算起步換擋加速0～80 km/h的時間（s）；（3）爬坡性能分析(Climbing Performance）；（4）穩態行駛性能分析（Constant Drive）計算等速行駛燃油消耗量；（5）循環行駛工況（Cycle Run）計算C-WTVC循環油耗；同時根據相應的燃油測試標準及儀器對半掛牽引車的性能進行了臺架測試。另外，某用戶的車輛從宜昌到深圳往返，絕大部分里程是高速公路，也提供了油耗數據，僅供參考。

動力性及經濟性的仿真結果與試驗結果如表3所示。

表3 動力性及經濟性的計算結果與試驗結果對比

通過表3數據的對比分析得出：重型商用車牽引車和半掛車在CRUISE和CRUISE M中性能計算基本上都得到了與實際值接近的結果，總的趨勢也基本一致。總的說來，仿真結果優于實際，最高車速偏低、爬坡度偏小、油耗都偏高，原因是兩個模型采用了相同的阻力模型且偏小，因此，模型均有改進的空間。穩態性能如最高車速、爬坡度誤差較小且相近，等速百公里油耗誤差也相近，但CRUISE M更小。瞬態性能如40～80 km/h加速時間和起步換擋加速0～80 km/h的時間誤差均較大，原因是試驗是人工操作，時間長，仿真計算中CRUISE M更小且更符合要求，突出的是C-WTVC循環燃油消耗非常準確。用戶的行程絕大部分里程是高速公路，油耗較低。

4 結論

分析了車輛系統中發動機的建模方法，發動機模型對車輛經濟性計算影響很大。基于AVL的 CRUISE和CRUISE M軟件建立了某牽引車及半掛車在不同發動機模型下的整車仿真模型，對其動力性和燃油經濟性進行了模擬仿真和計算分析，結合試驗結果,驗證了半掛牽引車及列車模型的正確性。車輛性能的仿真值總體上優于實驗值,個別值相對誤差還較大, 原因是阻力模型值偏小，因此，模型均有改進的空間。

對該汽車列車在C-WTVC 循環工況經濟性進行了仿真計算并與實測值進行比較，結果表明，考慮實時動態性能的詳細物理氣缸模型更符合發動機的實際工作特點，整車模型更具備一致性和準確性

[1]http://www.sohu.com/a/272680436_347537.

[2] GBT 27840-2011重型商用車輛燃料消耗量測量方法.2012.

[3] GB 30510-2014重型商用車輛燃料消耗量限值.2014.

[4] AVL-Cruise整車性能計算分析流程與規范.2010.

[5] CRUISE M系列教程車輛傳動系統建模.2015.

[6] Lino Guzzella[瑞士],Antonio Sciarretta[法]著;鄒淵,胡曉松譯,車輛驅動系統建模與優化（M）.

[7] 魏勝鋒,王紹桄,張云龍等,發動機實時模擬系統中的發動機模型及其應用[J].內燃機工程2002.6.

[8] 杭勇,柴油發動機控制模型及控制算法的設計與仿真研究[D].江蘇:江蘇大學,2002.

[9]鄭廣勇,基于整車性能要求的系列柴油機性能設計及開發[D].吉林:吉林大學,2013.

[10] 鄭天雷等,我國重型商用車第三階段燃料消耗量限值研究[J].中國汽車2018.11.

Study on the Influence of Different Engine Models on the Simulation Calculation of Vehicle Economy*

Qiu Yu, Han Tongqun*, Huang Bingfeng

( Hubei Institute of Automobile Engineering, Hubei Shiyan 442002 )

The vehicle simulation model can simulate the dynamics, economy and emission performance of the vehicle, and the result and the actual degree of conformity depend on the accuracy of the vehicle's various systems and parts models or parameters. The engine model has a great influence on the results of vehicle simulation. By analyzing the modeling method of the engine in the vehicle system, the advantages and disadvantages of the engine model from simple to detailed, from static to dynamic are elaborated. Based on AVL CRUISE and CRUISE M software, a vehicle simulation model of a tractor and a semi-trailer under different engine models was established. The simulation calculation of the vehicle train's economy in the C-WTVC cycle was carried out and compared with the measured values. The results show that The detailed physical cylinder model considering real-time dynamic performance is more consistent with the actual working characteristics of the engine, and the vehicle model is more consistent and accurate.

Tractor; Truck trains; Engine model; CRUISE/CRUISE M; C-WTVC Cyclic; Simulation calculation

U464

A

1671-7988(2019)08-122-04

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1671-7988(2019)08-122-04

邱煜(1995-)，男，碩士研究生，就讀于湖北汽車工業學院，研究方向：汽車動力學仿真。

韓同群，男，教授，主要從事汽車及發動機匹配研究。

基金項目：“汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，汽車零部件技術湖北省協同創新項目（2015XTZX0425）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.039