基于GT-SUITE整車暖機階段油耗仿真分析

陸淵，郭凱，邢小偉

?

基于GT-SUITE整車暖機階段油耗仿真分析

陸淵，郭凱，邢小偉

（上海汽車集團股份有限公司技術中心 上海市汽車動力總成重點實驗室，上海 201804）

汽車動力性和燃油經(jīng)濟性是其重要的使用性能，文章介紹了使用GT-SUITE軟件預測NEDC循環(huán)工況下暖機階段的油耗，重點分析了集成冷卻系統(tǒng)后對燃油消耗的修正。以某整車為例，通過CAE計算得到了冷啟動油耗分析結果，并結合排氣余熱回收裝置，分析了該裝置對NEDC循環(huán)工況下暖機階段油耗的影響。

動力性；經(jīng)濟性；冷卻系統(tǒng)；GT-SUITE

引言

隨著CAFC目標逐年加嚴，無論是傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車，都面臨著在控制成本的前提下進一步節(jié)能減排、降低能耗的巨大挑戰(zhàn)。通過對所有相關的子系統(tǒng)和部件進行能量分析，找出不同系統(tǒng)和部件對車輛性能的影響程度，找到潛在的節(jié)能空間，為明確經(jīng)濟而有效的燃油經(jīng)濟性設計方案提供決策依據(jù)，實現(xiàn)動力總成降油耗路線和整車節(jié)油措施的最優(yōu)匹配。

冷卻系統(tǒng)的性能對油耗的影響在各大期刊上被廣泛討論。一些作者運用了試驗的方法，而另一些運用了仿真軟件去模擬加快水溫、油溫對油耗的影響。最終，都驗證了一個結論，水溫、油溫溫升越快，發(fā)動機油耗越低。一方面，油耗降低與機油黏度（機油溫度影響）有緊密的聯(lián)系，另一方面，加快溫升能減少冷卻液和發(fā)動機本體換熱過程中的能量損失。

1 整車能量管理模型建立

1.1 CAE模型建立

利用GT-SUITE搭建了整車能量管理VEM（Vehicle Energy Management）模型，包含了發(fā)動機、駕駛員、傳動系、整車等模型，如圖1所示，集成了冷卻系統(tǒng)，通過對標NEDC工況CAE計算結果和整車NEDC試驗數(shù)據(jù)（發(fā)動機油耗、冷卻水溫、變速箱檔位、發(fā)動機扭矩和半軸扭矩等），研究瞬態(tài)溫升對分解摩擦功FMEP的影響，從而分析其對整車油耗的影響。

風冷和水冷是兩種常用的冷卻系統(tǒng)，水冷被運用在如今市場上的多數(shù)汽車上。冷卻系統(tǒng)包含了冷卻液、散熱器或者其他換熱裝置、風扇、水泵、節(jié)溫器等等。

圖1 某車型能量管理VEM模型

圖2為一個典型的冷卻系統(tǒng)CAE模型，散熱器是整個冷卻系統(tǒng)中重量最重、體積最大的零部件，所以為了優(yōu)化冷卻系統(tǒng)性能，必須詳細分析其性能。冷卻液容積是影響溫升過程的關鍵因素，通過管路連接各零部件形成了整個冷卻系統(tǒng)工作原理圖。

圖2 冷卻系統(tǒng)CAE模型

1.2 邊界條件

整車參數(shù)、發(fā)動機萬有特性、散熱量、變速箱傳動比、傳動效率、以及冷卻系統(tǒng)中水泵、散熱器等參數(shù)按實際提供參數(shù)輸入。模型中發(fā)動機、整車的部分參數(shù)如表1所示：

表1 某整車基本參數(shù)

1.3 計算工況

采用動力學計算方法，在NEDC工況下，通過駕駛員模型控制車速，與發(fā)動機油門位置、離合器位置、制動器位置、換擋策略和瞬態(tài)水溫互相匹配，得到車輛動態(tài)響應（發(fā)動機轉速、輸出扭矩），最終計算百公里油耗。

（1）發(fā)動機轉速計算

發(fā)動機轉速僅與汽車行駛速度、輪胎半徑和傳動速比有關，與當前車輛狀態(tài)（加速、減速或勻速等）沒有關系，發(fā)動機轉速如式1求得：

式中，Ua為汽車行駛速度，km/h；r為發(fā)動機轉速，r/min；n為車輪半徑，m；ig為變速箱速比；i0為主減速比。

通過車速、檔位既能求出當前發(fā)動機轉速。

（2）發(fā)動機扭矩計算

汽車運動過程中受到驅動力和行駛阻力的影響。驅動力通過曲軸輸出，經(jīng)過傳動系傳遞到驅動輪上。行駛阻力包含滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和坡道阻力。發(fā)動機輸出扭矩計算公式如下：

式中，Ttq為發(fā)動機輸出扭矩，Nm；ηT為傳動器效率；F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2為道路滑行阻力系數(shù)；δ為汽車旋轉換算系數(shù)；m為汽車質量。

1）勻速行駛，加速阻力不考慮。車速和檔位已知，可計算出發(fā)動機扭矩。

3）減速行駛時，發(fā)動機輸出扭矩僅和轉速相關。在GT中模擬時，這部分數(shù)據(jù)是不需要添加的。

得到發(fā)動機轉速、輸出扭矩后，通過查表BSFC得到發(fā)動機在NEDC循環(huán)工況下的瞬態(tài)油耗。

2 仿真結果

M1、M2類汽車（最大總質量不超過5噸）油耗試驗均按照NEDC循環(huán)工況進行。NEDC循環(huán)包含4個城市循環(huán)（195s）和1個市郊循環(huán)（400s），整個NEDC循環(huán)運行時間共1180s。

2.1 發(fā)動機FMEP修正

在GT-Suite軟件中建立了車輛NEDC循環(huán)油耗計算模型。為了更加充分得考慮由于水溫的變化引起發(fā)動機摩擦功變化對整車油耗的影響，集成冷卻系統(tǒng)模塊并開展了專項冷卻系統(tǒng)試驗，根據(jù)節(jié)溫器開啟、關閉兩種狀態(tài)下的熱耗散數(shù)據(jù)修正溫升曲線。發(fā)動機FMEP基于發(fā)動機臺架分解摩擦功試驗數(shù)據(jù)，圖3為某發(fā)動機整機在不同溫度下的FMEP數(shù)據(jù)。

圖3 某發(fā)動機分解摩擦功試驗數(shù)據(jù)

在模型中添加FMEP修正模塊，根據(jù)不同的水溫查表得到該溫度下的FMEP，當做額外的附件消耗，與整車扭矩需求相加。

在GT-Suite整車模型中，對發(fā)動機臺架穩(wěn)態(tài)試驗與整車試驗瞬態(tài)溫升進行標定，在NEDC循環(huán)工況下，對發(fā)動機出水溫度進行標定，通過標定后的溫升曲線（圖4）和發(fā)動機轉速（圖5），得到瞬態(tài)FMEP，如圖6所示。

圖4 冷卻液瞬態(tài)溫升 Vs. 時間

圖5 某發(fā)動機轉速 CAE結果與試驗結果對比

圖6 某發(fā)動機瞬態(tài)FMEP

2.2 仿真結果與試驗結果對標

某車型NEDC油耗計算結果與試驗結果對比如表2。

表2 仿真與試驗對比

如圖5、圖7所示，進行了發(fā)動機扭矩、轉速、變速箱檔位、冷卻溫升的CAE計算結果和試驗數(shù)據(jù)對比，模擬了瞬態(tài)溫升對發(fā)動機FMEP和油耗的影響。

通過對比，可以看出計算結果與試驗結果整體上都比較接近。CAE計算和試驗輸出時間節(jié)點有差異，發(fā)動機轉速與真實值可能存在偏差。

綜上所述，仿真結果是合理可信的，所建立的模型精度也在一定的范圍內，能夠用于下一步能量流分析。

2.3 能量流分析

對于以內燃機為能量來源的車輛，發(fā)動機工作過程中，能量被分解成有效功、排氣帶走的能量、冷卻液帶走的能量和其他余項。圖8為某車型發(fā)動機能量流消耗分布，可用于后續(xù)發(fā)動機改型項目及相關平臺的開發(fā)和優(yōu)化。能量平衡關系，如式3所示：

式中，Qfuel為燃料總的放熱量，J；Qm為有效功，J；Qex為排氣系統(tǒng)消耗的熱量，J；Qre為傳遞給冷卻系統(tǒng)的熱量，J；Qanother為其他損失的熱量，J；

將近三分之一的發(fā)動機能量被排氣系統(tǒng)帶走，排氣再利用有很大的潛力用來降低油耗。

3 瞬態(tài)溫升對整車暖機時油耗的影響

圖6為某發(fā)動機在NEDC工況下瞬態(tài)FMEP，可以看出在發(fā)動機暖機過程中（0-200s），水溫對FMEP的影響因子較大，加快暖機過程中水溫和油溫溫升速度能有效得降低FMEP，發(fā)動機摩擦損失能量變小，從而優(yōu)化整車油耗。

圖9 余熱回收原理圖

圖9為發(fā)動機余熱回收裝置原理圖，該裝置可以回收排氣中的部分余熱來加熱冷卻液，不但可以快速提高暖機或小負荷運行時的冷卻液和機油溫度，提高燃燒效率，降低排放和油耗；而且在冬季時，可以提高降霜效果。

利用GT-SUITE建立整車模型在概念階段預測余熱回收裝置對整車油耗的影響。

圖10 采用余熱回收裝置瞬態(tài)溫升

圖11 暖機過程中FMEP變化對比

圖10展示了某發(fā)動機采用余熱回收裝置后，NEDC工況下，水溫達到80℃加快了13.8%。暖機過程中FMEP變化如圖11所示，油耗下降0.58%。

4 結語

（1）利用GT-SUITE搭建了能量管理VEM仿真模型，集成了冷卻系統(tǒng)，通過對比試驗結果，CAE模型能滿足計算需求，且達到了一定的計算精度。

（2）得到了發(fā)動機能量分配結果，為研究子系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)及發(fā)動機改型方案奠定了基礎。

（3）分析了余熱回收裝置對暖機過程油耗的影響，該裝置在NEDC工況下，暖機過程中油耗收益達到0.58%。

[1] 周寶龍,高宗英.內燃機學.北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[2] 陳家瑞,汽車構造.北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3] 張申祥,陳瑋,王善強等. 基于發(fā)動機臺架試驗的整車油耗測試方法,2016.

[4] Gamma Techonologies.GT-Suite.Vehicle Driveline and HEV Tutor -ials, 2017.

[5] Wamei L and Bengt S. Vehicle Cooling Systems for Reducing Fuel Consumption and Carbon Dioxide: Literature Survey. SAE Paper 2010-01-1509.

[6] Sammer S, Jean-Francois H and Alain M, et al. Combined Modeling of Thermal Systems of an Engine in the Purpose of a Reduction in the Fuel Consumption. SAE Paper 2013-24-0142.

Modeling and Validation based on GT-SUITE of Fuel Consumption during Engine Warm-up

Lu Yuan, Guo Kai, Xing Xiaowei

( Shanghai Automotive Group Co., Ltd. Technology Center, Shanghai Key Laboratory of Automotive Powertrain, Shanghai 201804 )

Fuel economy and drivability are the core evaluation standards of the vehicle performance. This paper introduced the simulation to calculate fuel consumption during warm-up, which mainly focused on the FMEP correction by considering cooling system using GT-SUITE. For example, after integrating with one fuel-benefit equipment, the fuel consumption of a passenger car during warm-up has been analyzed.

dynamics; economy; cooling system; GT-SUITE

U467

A

1671-7988(2019)08-115-04

U467

A

1671-7988(2019)08-115-04

陸淵（1990-），男，系統(tǒng)集成工程師，就職于上海汽車乘用車公司技術中心動力總成分析試驗部，主要從事整車動力性和經(jīng)濟性（EMDQ）研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.037