重型半掛牽引車燃油經(jīng)濟(jì)性提升研究*

尤國(guó)貴，蘇俊收，陳太榮

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009；2. 徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州 221000；3. 徐工汽車事業(yè)部技術(shù)中心，徐州 221000）

前言

隨著全球能源短缺問(wèn)題日益明顯，新的國(guó)家法規(guī)對(duì)油耗限值要求越來(lái)越嚴(yán)格。對(duì)于重型半掛牽引車來(lái)說(shuō)，提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性勢(shì)在必行。重型半掛牽引車的常用工況是高速工況，空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化對(duì)于提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性有立竿見(jiàn)影的效果。雖各大主機(jī)廠和研究機(jī)構(gòu)對(duì)商用車空氣動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化方式多種多樣，但很多數(shù)值模擬計(jì)算缺乏同步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，以至于仿真數(shù)據(jù)的可信度需要試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)。整車動(dòng)力總成部件的參數(shù)組合方式直接決定了整車的節(jié)能潛力。而在發(fā)動(dòng)機(jī)確定的情況下，變速器的參數(shù)和后橋傳動(dòng)比對(duì)車輛的功率需求和燃料消耗量有重要影響。

本文中通過(guò)對(duì)重型半掛牽引車后視鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了車輛的風(fēng)阻系數(shù)。并以重型半掛牽引車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法對(duì)牽引車的動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳。同時(shí)優(yōu)化了電控硅油風(fēng)扇的控制策略。對(duì)優(yōu)化后的車輛進(jìn)行仿真分析和實(shí)車驗(yàn)證，仿真結(jié)果和實(shí)車測(cè)試結(jié)果一致，車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性相比于優(yōu)化前有明顯提升。

1 重型半掛牽引車空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

重型半掛牽引車的燃油經(jīng)濟(jì)性取決于整車行駛阻力的大小。當(dāng)半掛牽引車的行駛車速超過(guò)80 km/h，空氣阻力占整車行駛阻力的2/3。對(duì)于常年行駛于高速上的重型半掛牽引車來(lái)說(shuō)，減小整車風(fēng)阻，能夠有效減小車輛的行駛阻力。

因Base 版本后視鏡迎風(fēng)阻力較大，為降低車輛的空氣阻力，對(duì)后視鏡的迎風(fēng)面曲率進(jìn)行了優(yōu)化。將原Base 版后視鏡替換為優(yōu)化后的整體式后視鏡，整體后視鏡引起的氣流分離較弱，優(yōu)化后的迎風(fēng)面積要小于原后視鏡面積。試驗(yàn)結(jié)果顯示空氣阻力系數(shù)降低的效果較明顯，相比于Base版本后視鏡降低了12counts。并將整體式后視鏡應(yīng)用到新開(kāi)發(fā)的車型中。圖1 為風(fēng)洞試驗(yàn)Base模型。Base 版本后視鏡模型和優(yōu)化的后視鏡模型見(jiàn)圖2 和圖3。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)Base模型

圖2 Base版后視鏡模型

圖3 優(yōu)化的后視鏡模型

2 整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

在發(fā)動(dòng)機(jī)已選定的情況下，汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)是車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的重要方向之一。變速器參數(shù)與主減速比的選擇不僅要滿足車輛基本的動(dòng)力性能要求，而且應(yīng)使車輛運(yùn)行工況盡可能處于發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線的經(jīng)濟(jì)區(qū)域。通過(guò)優(yōu)化傳動(dòng)系的速比實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)匹配。使車輛在保證動(dòng)力性要求的前提下，達(dá)到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性。整車基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 基礎(chǔ)車型配置參數(shù)

2.1 目標(biāo)函數(shù)

基于車輛的行駛工況，以綜合工況的燃油消耗量和固定擋位的加速時(shí)間作為車輛經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)。

式中：為經(jīng)濟(jì)性權(quán)重系數(shù)；為動(dòng)力性權(quán)重系數(shù)，+= 1；為綜合工況的燃油消耗量，L/100 km；為固定擋位加速時(shí)間，s。

2.1.1 等速行駛工況燃油消耗量計(jì)算

整個(gè)等速過(guò)程行程的燃油消耗量為

折算成等速百公里燃油消耗量為

式中：為發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率，kW；為燃油消耗率，g/（kW·h）；為等速行駛車速，km/h；柴油的值為7.94-8.13 N/L。

2.1.2 加速行駛工況燃油消耗量計(jì)算

在汽車加速行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)還須提供克服加速阻力的功率。發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率為

式中：為空氣阻力系數(shù)；為車輛迎風(fēng)面積，m；為整車重力，N；為車輛的傳遞效率；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

在計(jì)算由以等加速度加速行駛至的燃油消耗量時(shí)，把加速過(guò)程分隔為若干個(gè)區(qū)間，速度每增加1 km/h 為一個(gè)小區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的燃油消耗量可根據(jù)其平均的單位時(shí)間燃油消耗量與行駛時(shí)間之積求得。各區(qū)間起始或終了車速所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的單位時(shí)間燃油消耗量Q，可根據(jù)相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率與燃油消耗率求得：

車輛行駛速度每增加1 km/h所需時(shí)間Δ為

從行駛初速度加速至+1 所需燃油消耗量1為

式中：Q為行駛初速度時(shí)，即時(shí)刻的單位時(shí)間燃油消耗量，mL/s；Q為行駛初速度+1 時(shí)，即時(shí)刻的單位時(shí)間燃油消耗量，mL/s。

而車速由+1再增加1 km/h所需的燃油量為

式中Q為車速+2 時(shí)，即時(shí)刻的單位時(shí)間燃油消耗量，mL/s。

每個(gè)區(qū)間的燃油消耗量為

整個(gè)加速過(guò)程的燃油消耗量為

2.1.3 怠速停車時(shí)的燃油消耗量計(jì)算

若怠速停車時(shí)間為，則燃油燃油量為

式中為怠速工況單位時(shí)間的燃油消耗量，mL/s。

2.1.4 整車循環(huán)工況的百公里燃油消耗量計(jì)算

式中：（）為時(shí)刻單位時(shí)間對(duì)應(yīng)的燃油消耗量，mL/s；為循環(huán)工況下的燃油消耗量，mL；為循環(huán)工況所行駛的距離，km；為整車循環(huán)工況百公里燃油消耗量，L；為循環(huán)所需時(shí)間；為循環(huán)平均車速。

2.1.5 固定擋位的加速時(shí)間計(jì)算

固定擋位的加速時(shí)間是以直接擋（速比為1的擋位）50-80 km/h的加速時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：=50 km/h，=80 km/h；為整車滿載總質(zhì)量，kg；為車輛驅(qū)動(dòng)力，N；為車輛的滾動(dòng)阻力，N；為車輛的空氣阻力，N。

2.2 設(shè)計(jì)變量

以變速器各擋速比和后橋速比作為設(shè)計(jì)變量，文中優(yōu)化的車型變速器具有12個(gè)前進(jìn)擋。表達(dá)式為

式中：…、為變速器1 擋到12 擋的傳動(dòng)比；為主減速器傳動(dòng)比。

2.3 約束條件

在滿足交通部法規(guī)JTT719—2016《營(yíng)運(yùn)貨車燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)》限值要求的基礎(chǔ)上，本文也制定了新的燃油消耗量性能目標(biāo)值。GB30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》中對(duì)滿載49 t半掛牽引車燃油消耗限值要求為40 L/100km，此油耗限值的制定是基于C-WTVC 行駛工況測(cè)試而得。C-WTVC 是在世界商業(yè)用車輛瞬態(tài)循環(huán)的基礎(chǔ)上，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)。C－WTVC循環(huán)由市區(qū)、公路和高速工況3 部分組成。為徐工企業(yè)自定的道路測(cè)試油耗限值。為C-WTVC工況下，臺(tái)架試驗(yàn)油耗限值。

（1）直接擋最大動(dòng)力因數(shù)約束

式中：為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；為變速器擋位速比；為車輛的傳遞效率；為車輪滾動(dòng)半徑，m；為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)應(yīng)的車速，km/h；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；為主減速比。

（2）最高車速的約束

式中為車輛的最高車速，km/h。

（3）最大傳動(dòng)比約束

式中：為行駛最大坡度角，%；為最大路面附著系數(shù)；為驅(qū)動(dòng)輪上的法向反作用力，N。

（4）中間各擋傳動(dòng)比約束

變速器各擋位傳動(dòng)比一般按照等比數(shù)列進(jìn)行分配，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)功率的充分利用。擋位數(shù)為12，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

基于目標(biāo)函數(shù)以C-WTVC 為車輛的循環(huán)工況，利用MATLAB 最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中的遺傳算法工具箱完成整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。圖4 為遺傳算法的流程圖。

圖4 遺傳算法流程圖

遺傳算法的運(yùn)算流程如下。

進(jìn)行優(yōu)化求解，設(shè)種群的大小為=100；遺傳算法運(yùn)算的終止進(jìn)化代數(shù)：=200；交叉概率：=0.6；變異概率：=0.001；

設(shè)計(jì)變量的上限為

設(shè)計(jì)變量的下限為

優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后對(duì)比數(shù)據(jù)

3 電控硅油風(fēng)扇控制策略優(yōu)化

冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速主要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、進(jìn)氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等來(lái)進(jìn)行控制。目前車輛使用的風(fēng)扇類型為電控硅油風(fēng)扇。

如果電控硅油風(fēng)扇控制邏輯和標(biāo)定不合理會(huì)導(dǎo)致整車燃油消耗和噪聲較大，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，從而會(huì)影響車輛的正常行駛。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的外部條件（水溫、進(jìn)氣溫度、空調(diào)等），通過(guò)優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制策略動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能工作在最佳溫度。在滿足整車散熱需求的前提下有效降低風(fēng)扇功率消耗，最終達(dá)到降低油耗且能降低發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的效果。

圖5 為風(fēng)扇控制邏輯圖，圖6 為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊。

圖5 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊

圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制策略模塊

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制的模塊主要有兩部分組成，即風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計(jì)算模塊和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計(jì)算是根據(jù)當(dāng)前整車的冷卻需求，調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求。如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需求轉(zhuǎn)速的計(jì)算是冷卻水溫和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)查表獲得，并根據(jù)不同的大氣壓力進(jìn)行修正。優(yōu)化的控制策略將更多影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的因素加入控制策略中，對(duì)于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速需求計(jì)算更為精準(zhǔn)，保證了各部件處于高效狀態(tài)。根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求值和當(dāng)前風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速差值，優(yōu)化前的轉(zhuǎn)速控制策略采用的是PI 閉環(huán)控制，優(yōu)化后的控制策略采用PID 閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PWM（脈沖寬度調(diào)制）占空比，控制電控硅油風(fēng)扇離合器工作腔硅油量，實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，控制精度更高。

當(dāng)風(fēng)扇控制PWM 占空比小于13%，可判斷風(fēng)扇斷開(kāi)；當(dāng)風(fēng)扇控制PWM 占空比大于85%，判斷風(fēng)扇完全接合；當(dāng)PWM 占空比介于85%和13%之間風(fēng)扇處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

4.1 仿真結(jié)果驗(yàn)證

利用Crusie 軟件創(chuàng)建整車性能仿真模型，整車仿真模型如圖7所示。

圖7 整車仿真模型

將優(yōu)化前后的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和風(fēng)扇控制策略進(jìn)行仿真對(duì)比分析，Simulink 控制策略模型經(jīng)過(guò)編譯器生成DLL 文件格式。將生成風(fēng)扇控制策略DLL 文件集成到Crusie 中進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算，對(duì)控制策略進(jìn)行虛擬驗(yàn)證。聯(lián)合仿真的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 系統(tǒng)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果

根據(jù)表3 可知，在滿足車輛動(dòng)力性能的前提下，系統(tǒng)優(yōu)化后的整車在C-WTVC 循環(huán)工況下的燃油消耗量降低了1.7%，常用車速80 km/h等速工況下，燃油消耗量降低2.1%。

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

與計(jì)算機(jī)仿真不同，現(xiàn)實(shí)中因資源條件限制，在選配變速器和后橋時(shí)，不能嚴(yán)格按照優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行變速器和后橋的速比選擇，只能選配最為接近優(yōu)化后的動(dòng)力總成參數(shù)。利用重型轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)，分別對(duì)優(yōu)化前后的車輛進(jìn)行油耗測(cè)試。基于C-WTVC循環(huán)，按照GB T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測(cè)量方法》進(jìn)行試驗(yàn)，如圖8 所示。試驗(yàn)過(guò)程中，車輛運(yùn)行狀態(tài)保持與C-WTVC 循環(huán)一致，速度偏差不超過(guò)±3 km/h。每次超過(guò)車速偏差的時(shí)間不超過(guò)2 s，累計(jì)不應(yīng)超過(guò)10 s。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖8 重型轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)

表4 車輛優(yōu)化前后臺(tái)架油耗試驗(yàn)結(jié)果

從表4 可看出，空氣阻力系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)附件功耗和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的車輛，燃油消耗量相比原始車輛降低了2%。仿真計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差小于5%，也進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

5 實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)車道路試驗(yàn)中采用了VBOX整車性能測(cè)試系統(tǒng)和德國(guó)GREGORY Flowtronic Technology GmbH 公司制造的GREGORY Flowtronic 油耗儀系統(tǒng)。圖9為試驗(yàn)車輛，滿載總質(zhì)量為49000 kg，圖10為試驗(yàn)設(shè)備。

圖9 試驗(yàn)車輛

圖10 試驗(yàn)設(shè)備

參照法規(guī)GB/T 12543—2009《汽車加速性能試驗(yàn)方法》和GB/T 12544—2012《汽車最高車速試驗(yàn)方法》進(jìn)行車輛動(dòng)力性能測(cè)試。按照交通部推薦測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JTT 719—2016《營(yíng)運(yùn)貨車燃料消耗量限值及測(cè)量方法》在徐州周邊路段進(jìn)行燃油消耗量測(cè)試。將改進(jìn)后的車輛和基礎(chǔ)車型進(jìn)行道路對(duì)比測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。表5 表明，優(yōu)化后的車輛在滿足動(dòng)力性能目標(biāo)要求的前提下，燃油經(jīng)濟(jì)性比優(yōu)化前有明顯提升。80 km/h等速工況燃油消耗量降低了3.8%，加速工況的燃油消耗量也有明顯降低。基于JT/T719—2016 的綜合工況，百公里油耗減少了1.14 L，相當(dāng)于降低了3%。

表5 優(yōu)化前后車輛性能數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)論

（1）針對(duì)目前市場(chǎng)上重型半掛牽引車燃油消耗量高的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化后視鏡的迎風(fēng)面曲率，將原Base 版后視鏡替換為改進(jìn)后的整體式后視鏡，降低了車輛的風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果證明了優(yōu)化方案的可行性。

（2）利用遺傳算法對(duì)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)電控硅油風(fēng)扇的控制策略進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)聯(lián)合仿真計(jì)算可得優(yōu)化后的車輛，在滿足動(dòng)力性的前提下，C-WTVC循環(huán)工況燃油消耗量降低1.7%。

（3）分別對(duì)基礎(chǔ)車輛和優(yōu)化后的車輛進(jìn)行實(shí)車性能測(cè)試。從臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)化了風(fēng)阻系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)附件功耗和傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的車輛，在CWTVC 循環(huán)工況下燃油消耗量降低2%。同時(shí)道路試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后的車輛在80 km/h等速工況燃油消耗量降低了3.8%，基于JT/T719—2016 的綜合工況燃油消耗量降低3%，優(yōu)化效果明顯。同時(shí)也驗(yàn)證了本文優(yōu)化方案的可行性。上述方法對(duì)重型商用車的燃油經(jīng)濟(jì)性開(kāi)發(fā)和提升具有一定的指導(dǎo)意義。