基于AMESim的油耗影響因子分析及優化方法研究

杜炎熙，辛鵬

基于AMESim的油耗影響因子分析及優化方法研究

杜炎熙1，辛鵬2

（1.鄭州升達經貿管理學院 交通管理學院，河南 新鄭 451191；2.海馬汽車有限公司 研發中心，河南 鄭州 450016）

基于常溫穩態工況和NEDC循環工況，通過部件測試和整車測試得到對標車型和研究車型的整車能量分布，對比兩車各部件/子系統能耗差異，得到研究車型能耗較大的子系統或部件?；贏MESim搭建研究車型的整車模型，對相關部件進行優化仿真，預測各優化方案對整車油耗的影響效果，結果表明仿真結果與實車測試結果基本一致。該方法可用于指導實際工程開發。

能量分布；AMESim；整車模型；仿真優化

引言

目前我國油耗法規要求越來越高，整車油耗指標越來越嚴格，如何針對性地、有效地降低整車油耗是當前各大整車企業亟待解決的問題。一些前沿節能技術的開發和實施、各個關鍵部件性能的改善等舉措不能盲目進行，必須有科學的依據，不然極容易造成車型開發成本增加且無法達到預期的效果。獲取整車各相關子系統/部件的能量消耗，全局掌握整車能量分布，并與合理的對標車型對比，可快速、有效地找到研究車型能耗較大的部位，制定具體的優化措施；同時，為了了解各優化措施的實際降耗效果，找到最需要改進的油耗影響因子，仿真是一種快捷的方法[1]。為此，本文首先通過測試得到整車能量分布，評估出待優化的部件，制定具體的優化措施，在此基礎上采用AMESim搭建整車模型對各優化措施進行仿真，預測各油耗影響因子的油耗優化率，并采用實車測試結果驗證仿真結果。該方法可有效指導實際工程開發。

1 整車能量分布測試

整車能量分布測試，主要目的是通過測試得到整車各子系統、關鍵零部件等的性能、效率及能耗情況，通過研究車型和對標車型對比可快速找到研究車型能耗較大的部位，為油耗優化指明方向；整車能量分布測試結果也可用于整車AMESim模型的輸入、標定[2]。

1.1 整車能量分布測試試驗

針對整車能量分布測試，主要進行2類測試試驗：部件測試、整車測試。部件測試是為了獲取穩態工況下的關鍵部件特性或效率；整車測試是在穩態工況和NEDC循環工況下模擬真實的實車環境，獲取發動機MAP、變速器MAP及整車各主要部位物理量；所獲取的測量值可用于計算各部件能量消耗、建模參數輸入及模型標定。

1.1.1部件測試

（1）水泵特性試驗。

水泵特性試驗是為了獲取水泵的整體效率和揚程特性[3]。水泵特性試驗臺架如圖1所示。電動機用于驅動水泵，是試驗臺架的動力源；單向閥用于調節系統壓力和流量；加熱器用于加熱冷卻液并使其始終保持在合適的溫度附近（90 ℃）；水箱用于對回路加壓，以防止水泵入口處出現氣穴現象。

試驗時，通過測量得到不同轉速、不同壓降下的水泵流量特性，對數據進行后處理可得到水泵的整體效率和揚程特性等。

圖1 水泵特性試驗臺架示意圖

（2）機油泵特性試驗。

機油泵特性試驗臺架如圖2所示。電動機提供不同的轉速驅動機油泵，是動力源；機油泵的出口管路上有“T”形接頭，是將發動機潤滑回路下游的壓力反饋到機油泵的控制端口；單向閥用于調節壓力，進而調節泵的流量；在單向閥之后有熱交換器，用于維持回路的油溫，使其保持在合適的溫度附近。

圖2 機油泵特性試驗臺架示意圖

試驗時，取20 ℃和80 ℃兩個溫度，每個溫度下分別進行電磁閥激活和不激活兩種狀態的測試，測得不同溫度、不同狀態、不同轉速下機油泵的特性。

（3）交流發電機特性試驗。

圖3 交流發電機特性試驗臺架示意圖

交流發電機特性試驗臺架如圖3所示。14 V蓄電池是一個功率緩沖器，用于調節電壓及存儲電能；固定電阻和可變電阻用于調節電路中的功率負載；電動機可驅動交流發電機在不同轉速下運行；皮帶傳動用于施加電動機和交流發電機間的機械傳動比。試驗時，通過調節功率負載逐步實現多個運行工況轉速測點的測試，并針對每個轉速對數據進行處理，得到交流發電機整體效率和性能曲線。

1.1.2整車測試

進行整車測試的目的有兩個：一是在常溫穩態工況下獲取完整的發動機MAP和變速器MAP；一是在NEDC循環工況下監控車輛動力總成及各流體系統的表現。

整車測試在溫度、濕度能夠穩定控制的環境艙內的專用臺架上進行，4個獨立電機驅動4個車輪（輪胎要拆除），鼓風機對車輛正面吹風模擬風速，一個外部熱交換器替代散熱器以精確控制發動機冷卻液溫度和機油溫度，駕駛機器人操縱油門踏板和制動踏板[4]。除此之外，在發動機、傳動系統、發動機艙、電氣網絡等各個關鍵位置安裝溫度、壓力、轉速、流量等傳感器用于測量關鍵物理量。

1.2 整車能量分布結果對比

對測試數據進行處理、運算及分析，得到NEDC循環工況下研究車型和對標車型的整車能量分布對比，見表1。由表1可知，相比于對標車型，研究車型發動機機械摩擦損失、交流發電機能耗、傳動系統損失較大。

表1 研究車型及對標車型整車能量分布對比

系統/部件研究車型對標車型 發動機燃燒總能/%100100 發動機損失/%發動機其他損失51.352.4 發動機機械摩擦損失7.85.1 發動機排氣損失16.316 水泵能耗/%0.050.06 機油泵能耗/%0.750.9 交流發電機能耗/%2.431.21 傳動系統損失/%變速器損失5.54.6 半軸損失3.142.83 有效功/%12.7316.9

2 油耗影響因子優化仿真與驗證

相比于對標車型，研究車型具有三個較關鍵的油耗影響因子：發動機機械摩擦損失、交流發電機能耗及傳動系統損失。

為了直觀預測改善各個因子對油耗的影響程度，本文基于AMESim，根據研究車型的整車物理架構、各部件/系統結構及性能參數、測試數據搭建其整車模型，以仿真的方式量化影響效果，為實際工程開發指導方向[5]。

根據研究車型與對標車型測試數據的詳細對比分析，本文主要在整車模型上進行了以下仿真（參照對標車型）：（1）在實際FMEP基礎上降低10%；（2）將交流發電機改成根據蓄電池SOC和電壓狀態智能控制的發電機；（3）優化變速器的鎖止策略，使其與對標車型性能接近，具體如：在低轉速高負荷工況下，鎖止離合器在較低扭矩下就實現鎖止；（4）在實際制動盤總成阻力基礎上降低10%。整車模型優化仿真結果與實車驗證結果對比，見表2。

表2 整車模型優化仿真結果與實車測試結果對比

優化方案（參照對標車型）油耗優化率/% 模型仿真結果實車驗證結果 降低發動機機械摩擦1.351.3 降低制動器總成阻力2.62.38 優化變速器鎖止策略2.512.34 優化發電機控制策略2.182.05 降低制動器總成阻力+優化變速器鎖止策略+優化發電機控制策略6.656.44

由表2可知：基于AMESim采用仿真預測各優化措施的效果，是可行且較為準確的。

3 結論

本文基于常溫穩態工況和NEDC循環工況，通過測試得到對標車型和研究車型的整車能量分布對比，找到研究車型能耗較大的部位；基于AMESim搭建研究車型的整車模型，參照對標車型采取具體措施對相關部件進行優化仿真，得到各優化措施對整車油耗的影響效果，且仿真結果與實車驗證結果基本一致。該方法可以幫助我們有針對性地改善整車油耗，為實際工程開發指明方向。

[1] 倪計民,葉軍,嚴永華,等.基于整車性能的重型車用發動機優化配置[J].內燃機工程,2005(02):76-79.

[2] Qu X, Qi Z, Shi J, et al.Numerical Model of the Temperature Control Curve Linearity of HVAC Module in Automobile Air-Conditioning System and Applications[J].Journal of Thermal Science and Eng- ineering Applications,2010,2(4): 041008.

[3] 仲韻,顧寧,梁樂華,等.基于AMESim的發動機冷卻系統的仿真分析[J].交通節能與環保, 2008(1):38-41.

[4] 譚罡風.重型汽車動力傳動系熱管理系統研究[D].武漢:武漢理工大學,2011.

[5] Burke J,Haws J.Vehicle thermal systems modeling using flowmas- ter2[R].SAE Technical Paper.2001:01-1696.

Research on Analysis and Optimization Method of Fuel Consumption Influencing Factor Based on AMESim

DU Yanxi1, XIN Peng2

( 1.Zhengzhou Shengda University, Institute of Traffic and Management, Henan Xinzheng 451191;2. R&D Center, HAIMA Car Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450016 )

Based on steady state conditions at room temperature and the NEDC cycle conditions, getting the vehicle energy distribution of two vehicles by means of components test and complete vehicle test, compare energy consumption differences of the two vehicle’s components/subsystems and get the subsystems or components of large energy consumption of basic vehicle. Building the vehicle model of basic vehicle based on AMESim, optimizing and simulating the related components to predict the effects on the vehicle fuel consumption optimization schemes. The results show that the simulation results and the vehicle actual test results are basically the same. This method can be used to guide the actual project development.

Energy distribution;AMESim;Complete vehicle model;Simulation and optimization

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.022

U463.5

A

1671-7988(2021)21-92-03

U463.5

A

1671-7988(2021)21-92-03

杜炎熙（1991—），女，碩士，就職于鄭州升達經貿管理學院交通管理學院，主要研究方向：車輛仿真、新能源汽車等。