苏天晨
(华晨汽车工程研究院)
对于汽车而言,动力总成匹配的合理性程度越高,越能发挥发动机的自身性能,不但大大提高整车的动力性,而且使发动机运行在相对较好的高效区内,减少燃油消耗量。由于动力性与经济性本身是相互矛盾的,很多情况下不可兼顾,文章基于Cruise软件对一款现有轿车存在的油耗较高的问题进行匹配优化仿真分析,最终在不减弱动力性的前提下降低燃油消耗量,以满足法规要求。
确定发动机最优工作曲线的方法一般有3种:1)基于发动机功率;2)基于发动机转速;3)基于发动机最低比油耗[1]。
由于基于发动机转速的最优工作曲线,在满足车速的需求时不一定能满足整车功率的需求,适合于具有拥有另一动力源的混合动力汽车;而基于发动机最低比油耗的最优工作曲线,在满足最低油耗时,不一定能满足车速和整车功率的需求;因此只有基于发动机功率的最优工作曲线适合具有变速器的传统汽车,因为当不能满足车速时可以通过变速器提供其允许范围内的合适传动比来实现发动机转速与需求车速之间的速度匹配。
因此文章采用基于发动机功率的方法来确定发动机的最优工作曲线。
将某发动机输出功率下发动机效率最高的发动机工作点,作为发动机在该输出功率下的最优工作点,并将整个发动机输出功率范围内各输出功率下的发动机最优工作点连成线,即得到基于发动机功率的发动机最优工作线。具体计算方法如下。
1)在发动机最小输出功率(Pmin)至发动机最大输出功率(Pmax)范围内,均匀取m个功率点,即:P1,P2,…,Pk,…,Pm,其中:P1=Pmin,Pm=Pmax,k=1,2,…,m。
2)对于第k个功率点,绘制发动机输出功率为Pk时的等功率曲线EkFk,该等功率曲线上各点的发动机转速(ω)和转矩(T)满足ωT=Pk。发动机等功率曲线应限制在发动机转速范围[ωmin,ωmax]内及发动机最大转矩曲线M1Mn下方。计算EkFk曲线上各发动机工作点的发动机效率:
3)将Pk下,ηk,i的最大值所对应的发动机工作点Qk(ωi,ηmax,Pk/ωi,ηmax)作为Pk时的最优工作点。
4)按上述方法,确定发动机在各输出功率P1,P2,…,Pm下的最优工作点Q1,Q2,…,Qm,将其顺序相连,可得基于发动机功率的发动机最优工作线Q1Qm[2]。
以某款发动机为例所作出的发动机最优工作曲线Q1Qm,如图1所示。
仿真模型中所用到的整车参数,如表1所示。
表1 仿真所需整车参数
文章基于Cruise 软件平台搭建的整车动力传动系模型,如图2所示。
运行仿真,仿真结果与目标值对比,如表2所示。
表2 现有车型的仿真结果
从表2中可以看出,在动力性方面,其计算值均能满足目标值;在经济性方面,循环工况的油耗值均超过目标值,其中NEDC 工况中,大部分发动机工作点距发动机最佳工作曲线较远,如图1所示(蓝色空圈为NEDC 下发动机工作点)。为使发动机工作点更接近发动机最优工作曲线,只能将变速器的总速比降低,但是降低速比又会使动力性下降,因此新开发变速器速比应有减有增,以满足动力性和经济性的平衡。
文章采用已经开发的4 款变速器及6 款主减速比对整车的动力性经济性进行匹配优化,其变速器个挡位速比和主减速比的数值,如表3和表4所示。
表3 现有车型可选变速器速比
表4 现有车型可用主减速比
利用Cruise 所搭建的整车模型对上述参数进行动力性经济性仿真,仿真结果,如表5所示。
表5 现有车型的匹配仿真结果
3.2.1 否定指标
无论哪一项设计目标都是代表了整车的性能,因此所有计算结果都必须满足设计目标。在表5中,没有满足设计目标的组合就必须被否定。
3.2.2 目标函数的建立
基于表5中的仿真结果,通过最高车速和1 挡最大爬坡度这2 项否决指标判别后,整车动力传动系匹配优化主要通过起步换挡0~100 km/h 加速能力、5 挡超车60~100 km/h 加速能力和NEDC 循环工况的燃料消耗等结果进行寻优。
根据特定问题所追求的目标,用设计变量的数学函数关系式来表达它,这就是优化设计的目标函数。文章以动力性和燃料经济性为双目标函数,采用线性加权组合的方法将其转换成单一目标函数,建立整车的参数优化模型,如式(2)所示。
式中:r1,r2——动力性和燃料经济性加权因子;
D(x)——动力性能;
Qs(x)——燃料经济性能。
3.2.3 性能最优匹配
为了消除量纲的影响,首先需要进行各参数的无量纲变换。假设参数x 的均值是,方差 δ,则x 按式(3)转换为y:
然后使用式(2)进行加权评分,最终各传动系匹配结果的评分,如表6所示。
表6 现有车型的优化匹配结果
因为汽车的加速性能和燃料经济性能的取值都已经取为绝对值,因此取最大值评分1.955 为最优结果。图3示出新动力总成发动机NEDC 工况下工作点。
综合以上分析的动力性与经济性仿真结果,匹配A4-B2 动力传动系的汽车既有良好的动力性,也具有不错的经济性,整车性能较好,从发动机工作点与发动机最优曲线的关系(图4)也可以看出,在NEDC 工况下的发动机工况点也更接近发动机最优工作曲线,因此可选择该匹配到此款车上。
文章利用Cruise 软件,通过最优工作曲线的确定以及应用加权评分法所得到的动力传动系的最优匹配是A4-B2,不仅保证了良好的动力性能,也使现有车型能够满足燃油消耗量的目标值,为现有车型重新匹配出更加合理的动力总成。