不同发动机模型对整车经济性仿真计算的影响研究

工作特点，整车模型更具备一致性和准确性。

关键词：牵引车;汽车列车;发动机模型;CRUISE/CRUISE M;C-WTVC 循环;仿真计算

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）08-122-04

引言

我国汽车工业近年来的高速发展，节能与环保仍是永恒的主题。以石化燃料为主的汽、柴油车仍占主导地位。在货运汽车运输成本中，燃料消耗约占 20～30%。在中、重型卡车的中长途运输是主要的货物运输方式，降低货车的燃油消耗是目前汽车工业急需解决的问题之一[1]。

工信部在2008年启动了重型车燃料消耗量测量方法、限值标准的制定工作。鉴于国内重型车发展现状，经过广泛调查研究，提出了模拟计算法、底盘测功机法两种燃料消耗量测量方法，通过广大汽车厂试验和计算验证，完成了《商用车燃料消耗量测量方法》国家推荐标准的制订。2011年12月30日，GB/T27840-2011《商用车燃料消耗量测量方法》正式发布，2012年1月1日起实施[2]。

测定汽车的燃料消耗量可通过转鼓模拟试验、实际道路试验、模拟仿真三种方法来完成。比较起来，转鼓模拟试验对各种复杂的道路工况模拟结果数据可靠、可重复性好;但需要昂贵的大型转鼓试验台，在模拟试验时要预先设置车辆负载、滑行阻力等，对结果影响较大。道路试验简单易行，对设备的要求低，但道路条件、气候条件和试验人员因素对试验结果影响较大，可重复性和可比性差;另外，由于试验场地、驾驶员操作等因素影响，道路试验只适合简单稳态工况，瞬态工况难以实现。

模拟仿真通过编制程序或利用工程软件在计算机上模拟测定车辆在各种工况下的燃料消耗量，数据可靠、重复性也好，成本低，但前提是必须建立准确的整车模型（包括零部件和总成模型的准确性）。鉴于此，GB/T27840-2011规定，整车企业可采取转鼓模拟试验和模拟仿真计算法两种方案：对于基本型车辆应采用转鼓模拟试验法确定燃油消耗量;对于变型车辆可由生产企业选择采用模拟计算法或转鼓模拟试验法测定燃料消耗量。

AVL的CRUISE和CRUISE M软件是用于车辆系统动力学仿真分析的高级软件，分属不同的软件模块，可以实现对复杂车辆动力传动系统的仿真分析，进行动力性、经济性计算也各有特色。本文通过分析车辆系统中发动机的建模方法，阐述了从简单到详细、从静态到动态的发动机模型的优缺点，分别基于AVL的 CRUISE和CRUISE M软件建立了某牵引车及半挂车在不同发动机模型下的整车仿真模型并计算了在C-WTVC 循环工况经济性，结果表明，考虑实时动态性能的详细物理气缸模型更符合发动机的实际工作特点，整车模型更具备一致性和准确性。

1 汽车仿真计算中的发动机模型

汽车大部分时间处于非稳态工况下行驶，作为汽车动力的发动机也是依据稳态性能与传动系进行匹配的。要建立相对精确的发动机模型，需要有足够的实验数据支撑，或者符合实际的数学方法来描述，需要对其物理和化学过程进行精确的研究和描述。

建立发动机的数学模型的方法有两种：一是试验数据法，通过实验数据建立起来的仿真模型，利用发动机台架稳态试验数据，构造发动机稳态输出转矩与油门开度和发动机转速关系的三维数据表，这种模型主要用于发动机与整车的性能匹配以及发动机对整车动力性的影响。二是解析法，分析清楚发动机各个环节的机理，如油门变化、进气、燃烧、扭矩输出等，主要用于发动机本身性能的研究，尤其是利用燃料燃烧模型建立起来的仿真数学模型，可以进行参数优化、故障诊断、燃烧控制等[7]。

平均值模型是丹麦大学教授Elbert Hen-dricks1990年提出来的，认为发动机运行过程中的所有高频量都是瞬时变化并达到稳态，模型以代数方程式和微分方程的形式对发动机进行建模，方程从发动机基本物理量特征出发，按时间尺度原则，只考虑发动机状态变量的时间平均效应和各个过程的综合结果。平均值模型具有既可以描述电控发动机的动态特性，又不需要很大的模型运算量的特点[8，9]。

在實际的建模计算中，一种方法是考虑到节气门空气流动和气缸燃烧滞后等因素，在稳态模型（试验数据）的基础上作部分动态修正。二是利用燃料燃烧模型建立实时发动机模型。

2 CRUISE 和CRUISE M建模的不同特点

CRUISE是AVL系列软件的重要组成部分，主要用于研究汽车动力性、经济性与排放性能的汽车性能模拟软件。CRUISE采用了模块化建模方法，友好的用户界面，使得建模过程非常方便易行（见本文的模型）。

模型中的发动机数据是在稳定状态下得到的，然后考虑到瞬态效果进行修正，基于外特性和万有特性试验数据发动机模型数据及图示如图1所示：

CRUISE M是AVL另一款能进行整车性能计算的软件模块，其开发的目标是提供一个综合的仿真环境，满足日益复杂的车辆能量管理系统的开发需求。包含全部耦合子系统的系统级仿真，考虑所有子系统间的相互作用;可研究动态过程中发动机响应性对整车性能的影响;能进行车辆能量管理系统的概念设计、参数匹配与优化。

其中软件中的功能之一——CRUISE M Engine （实时发动机模型）是 “基于多学科汽车模型开发方案”的核心，主要应用于发动机性能的实时仿真计算，其中最主要特点是可以模拟发动机稳态和瞬态工况下的性能，且可扩展的模型详细程度：从气缸经验模型到详细物理气缸模型，根据不同阶段的需求，可搭建出不同详细程度的模型[5]。

CRUISE M中的实时发动机模型是在平均值模型的基础上，考虑实时动态性能的详细物理气缸模型，基于曲轴角度求解的气缸物理模型采用当前最先进的燃烧和排放模型，模拟空气流量和气缸燃烧滞后、传热等因素，实际上是一种零维的动态模型，模型的不同详细程度及与其他模型的比较如图2所示：

3 某牵引车及半挂车CRUISE 和CRUISE M建模与仿真结果比较

3.1 模型的建立

为了研究不同的发动机模型对整车性能仿真的影响，分别在CRUISE 和CRUISE M建立了某重型商用车牵引车和半挂车的整车模型，重点研究汽车实际行駛时多种不同工况对燃油消耗量的影响。

对于多工况燃油消耗量，各国制定了不同的循环工况，如欧洲使用较多的为 NEDC，日本采用10-15 循环工况，美国采用 UDC 循环工况等。GB/T27840-2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》规定的牵引车工况是 C-WTVC 循环工况。值得说明的是，C-WTVC 循环工况在软件中没有模板，要用“table editor”功能完成该循环工况，如图3所示。

重型商用车牵引车和半挂车其主要参数如表1所示，所配的某型增压柴油机技术参数如表2所示。

某重型半挂牵引车是后轮驱动式牵引汽车，包括其三轴形式的半挂车再内，该车车型是6X4+3的结构形式，从CRUISE/CRUISE M软件提供的元件库窗口中拖入所需的元件，然后按各元件间信号关系以及能量传递的输入和输出关系进行机械和信号连接，建立了如图4所示的CRUISE模型，而在CRUISE M建立的模型如图5所示。通过Desk界面的Project Date设置用于计算整车的动力性与经济性指标的任务，就可以计算出相应的汽车性能指标。

3.2性能仿真与验证

通过CRUISE和CRUISE M软件设置以下计算子任务：（1）最高车速计算（Maximum Velocity）;（2）原地起步连续换档加速性能计算（Shifting Gears from Standstill）计算起步换挡加速0～80 km/h的时间（s）;（3）爬坡性能分析（Climbing Performance）;（4）稳态行驶性能分析（Constant Drive）计算等速行驶燃油消耗量;（5）循环行驶工况（Cycle Run）计算C-WTVC 循环油耗;同时根据相应的燃油测试标准及仪器对半挂牵引车的性能进行了台架测试。另外，某用户的车辆从宜昌到深圳往返，绝大部分里程是高速公路，也提供了油耗数据，仅供参考。

动力性及经济性的仿真结果与试验结果如表3所示。

通过表3数据的对比分析得出：重型商用车牵引车和半挂车在CRUISE和CRUISE M中性能计算基本上都得到了与实际值接近的结果，总的趋势也基本一致。总的说来，仿真结果优于实际，最高车速偏低、爬坡度偏小、油耗都偏高，原因是两个模型采用了相同的阻力模型且偏小，因此，模型均有改进的空间。稳态性能如最高车速、爬坡度误差较小且相近，等速百公里油耗误差也相近，但CRUISE M更小。瞬态性能如40～80 km/h加速时间和起步换挡加速0～80 km/h的时间误差均较大，原因是试验是人工操作，时间长，仿真计算中CRUISE M更小且更符合要求，突出的是C-WTVC循环燃油消耗非常准确。用户的行程绝大部分里程是高速公路，油耗较低。

4 结论

分析了车辆系统中发动机的建模方法，发动机模型对车辆经济性计算影响很大。基于AVL的 CRUISE和CRUISE M软件建立了某牵引车及半挂车在不同发动机模型下的整车仿真模型，对其动力性和燃油经济性进行了模拟仿真和计算分析，结合试验结果，验证了半挂牵引车及列车模型的正确性。车辆性能的仿真值总体上优于实验值，个别值相对误差还较大， 原因是阻力模型值偏小，因此，模型均有改进的空间。

对该汽车列车在C-WTVC 循环工况经济性进行了仿真计算并与实测值进行比较，结果表明，考虑实时动态性能的详细物理气缸模型更符合发动机的实际工作特点，整车模型更具备一致性和准确性

参考文献

[1] http：///a/272680436_347537.

[2] GBT 27840-2011重型商用车辆燃料消耗量测量方法.2012.

[3] GB 30510-2014重型商用车辆燃料消耗量限值.2014.

[4] AVL-Cruise整车性能计算分析流程与规范.2010.

[5] CRUISE M系列教程车辆传动系统建模.2015.

[6] Lino Guzzella[瑞士]，Antonio Sciarretta[法]著;邹渊，胡晓松译，车辆驱动系统建模与优化（M）.

[7] 魏胜锋，王绍桄，张云龙等，发动机实时模拟系统中的发动机模型及其应用[J].内燃机工程2002.6.

[8] 杭勇，柴油发动机控制模型及控制算法的设计与仿真研究[D].江苏：江苏大学，2002.

[9] 郑广勇，基于整车性能要求的系列柴油机性能设计及开发[D].吉林：吉林大学，2013.

[10] 郑天雷等，我国重型商用车第三阶段燃料消耗量限值研究[J].中国汽车2018.11.

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