基于Cruise的微卡发动机匹配分析

工作量较大，特别是计算燃油经济性时，由于发动机在不同转速、不同扭矩下的燃油消耗完全不同，很难进行精确的分析，只能进行实车试验，增加开发费用，延长设计周期。对于独立的发动机生产企业，开发出适合整车厂需求的发动机，更具有长远意义。

Cruise软件是奥地利AVL公司开发研究的整车性能分析软件，主要针对整车的动力性、燃油经济性、排放性能等性能进行仿真分析，它采用模块化的设计方法，可以进行发动机、变速器、车桥主减、轮胎型号、整车整备质量及最大质量等与车辆的匹配优化。目前国内应用Cruise软件进行仿真的企业越来越多，大量的试验结果证明，其仿真准确性较高，可以作为传动系统匹配的基本工具。

对于微卡，一般使用中低速大扭矩的柴油机作为动力总成的首选，由于国Ⅵ排放使用的后处理成本增加太高，汽油机使用的越来越多。2020年将要执行的《轻型商用车辆燃料消耗量限值》对于微卡的油耗限值做了新的要求，使用汽油机的微卡要想达到要求，必须进行技术升级，但开发周期有限，非常有必要使用Cruise软件进行提前分析预判。

本文对一款匹配1.5L四缸自然吸气汽油机的微卡，应用Cruise软件进行了整车动力性、燃油经济性的计算，并分别对比了1.5L增压汽油机、1.8L自然吸气汽油机、2.0L米勒循环自然吸气汽油机共四款发动机在最优主减下的油耗表现，结果显示，增大排量或升级为增压，是降低油耗的有效方式，这为整车厂及发动机厂选择匹配发动机提供了参考。

1 微卡动力性及燃油经济性评价指标

1.1 动力性

动力性主要评价指标：最高车速、加速时间、最大爬坡度。其中与乘用车不同的是，微卡以拉货为主，在满载质量下的最大爬坡度往往是最重要的指标。

1.1.1 最大爬坡度

最大爬坡度是指汽车满载时在良好路面上用一挡克服的最大坡度，代表汽车的爬坡能力。爬坡度用坡度的角度值（以度数表示）或以坡度起止点的高度差与其水平距离的比值（正切值）的百分数来表示。

对于微卡，经常会在多种地区多种路面上行驶，在满载时最大爬坡度一般要求大于30%，也就是16.7°。

1.1.2 最高车速

最高车速是指在水平良好的路面（混凝土或沥青）上汽车能达到的最高行驶车速，是汽车在平坦路面无风条件下，行驶阻力和驱动力平衡时的车速。

对于微卡的用途及安全性，最高车速一般要求在100km/ h 左右。

1.1.3 加速时间

加速时间，即汽车的加速性能，包括汽车的原地起步加速时间和超车加速时间。

原地起步加速时间，指汽车从静止状态下，由第一挡起步，并以最大的加速强度（包括选择最恰当的换挡时机）逐步换至高挡后，到某一预定的距离车速或车速所需的时间。

超车加速时间，对提高汽车的平均行驶中由某一车速开始，用最高挡或次高挡全力加速至某一高速所需要的时间，用来表示汽车超车时的加速能力。

1.2 燃油经济性

在保证动力性的条件下，汽车以盡量小的耗油量经济行驶的能力。

车辆燃油经济性是以确定的试验循环行驶情况下的循环燃油耗和在平坦路面以一定速度行驶情况下的等速燃油耗来表示，常用L/100km为计量单位。

对于轻型车，我国采用的测试方法标准是《GB/T 19233-2008 轻型汽车燃料消耗量试验方法》，同时油耗试验要结合排放进行，其采用的试验循环来自《GB 18352.5-2013 轻型汽车污染物排放限值及测量方法》的规定，参考的是欧洲的NEDC （New European Driving Cycle）循环。

NEDC循环包含4个城市循环（1部）和1个郊区循环（2部）。从下图可以看到，2部郊区循环的车辆行驶距离占比很大，即这种循环偏重于中高速工况。

2 Cruise原型车建模分析

2.1 Cruise原型车建模

Cruise采用模块化设计，包含整车车身、发动机、离合器、变速箱、主减速器、差速器、制动器及轮胎等元件模型，建模时根据需要拖入建模窗口，建立数据传输链接，添加到驾驶室模块对车辆进行控制，即可建模整车仿真模型。

建模完成后，需要对各个元件的参数进行输入，以发动机为例，需要输入发动机的气缸数、排量、怠速油耗、外特性、万有特性数据等。

其中微卡的整车参数如下：

目前匹配的1.5L自然吸气发动机（简称1.5自吸）参数如下：

发动机万有特性如下：

2.2 Cruise仿真结果

在Crusie计算整车性能时，我们增加了更小一级的速比4.875，用于计算对比。

整车质量对动力及经济性影响很大，对于最大爬坡度，选择满载质量;对于NEDC循环油耗，根据法规油耗选择空载质量;对于等速百公里油耗，选择半载最高档位工况;其余选择空载质量。

在Cruise软件中，添加计算任务后，可得到如下结果：

通过表3我们可以看出，在主减降低后，整车经济性得到了提升，但动力性降低，特别是满载最大爬坡度从32.3%降低到28.9%，已经不满足整车设计要求（一般≥30%）。主减速比5.375设计比较合理。

空载NEDC循环油耗为9.66L/100km。对于整备质量1380kg的微卡，2020年法规油耗限值要求为7.8L/100km，显然目前匹配的1.5L自然吸气汽油机远远达不到目标要求。

在满足整车动力性的前提下，降低主减能有效降低油耗，而想要提高整车动力性，需要更大功率及扭矩的发动机，因此要满足2020年法规油耗限值要求，需要对发动机平台进行升级。

3 不同发动机匹配方案分析

本文选择了三款更高功率及扭矩的发动机，采用Cruise软件进行了最优速比下的整车性能对比分析，三款四缸发动机主要性能参数如下：

上述均为国内性能比较先进的配乘用车发动机，都采用了VVT可变气门正时技术。其中2.0自吸汽油机（简称2.0自吸）采用了高压缩比及米勒循环技术，发动机在低转速时以奥托循环模式工作，输出最大扭矩;在中高转速时，以阿特金森方式工作，实现最佳的燃油性，。而1.5L增压汽油机（简称1.5增压），通过增压方式实现了功率和扭矩的大幅提升，燃油消耗率相对高。

前面提到，对于卡车，最大爬坡度是一个最重要的指标。因此在Cruise计算时，其它整车参数不变，只优化主减速比，重点分析在不同主减下，最大爬坡度和NEDC循环油耗的变化。

从开发成本考虑，从市场上选取现有的主减进行对比分析，选取了5.375、4.875、4.33、3.9共4种微卡常用的主减，本文将对上述4款主减与上述4款发动机进行横向和纵向比较，找出同时满足整车经济性和动力性的最佳组合。

由表5可以看出：

（1）在主减为5.375时，扭矩越大的发动机，满载爬坡度越大并满足>30%的要求，但NEDC循环油耗没有改善甚至加大，主要原因为发动机没有运行在最佳油耗区。

（2）在主减为4.875时，最大爬坡度开始降低，油耗有明显改善，但离目标油耗差距很大。

（3）在主减为4.33时，油耗进一步改善，2.0自吸和1.5增压发动机最大爬坡度仍有很大富裕，而1.8自吸已经优化到极限。

（4）在主减为3.9时， 1.5增压发动机最大爬坡度36.8%，油耗降低到每百公里8.2L，离7.8L的目标油耗越来越近; 2.0L自吸发动机差一些，但均可通过其它方式进一步降低油耗，满足目标值。

1.5增压发动机的最大扭矩大于其它发动机，特别是低速扭矩更大，见图4，在1500rpm时就能达到最大扭矩，可以选择较小的主减在满足最大爬坡度的前提下实现油耗的降

低。

综上可以看出，想实现目标油耗，发动机需要增大排量（同时考虑米勒循环）或者升级为增压机型。由于卡车的最高车速远远小于乘用车，发动机在匹配开发时，可降低额定转速功率，增大低速扭矩。

通过Cruise仿真计算，可以确定满足目标油耗需要的发动机形式，并根据仿真结果针对性的对发动机进行低速性能的优化，并进一步从成本、发动机机舱的布置空间出发，最终选择合适的发动机。

4 结论

Cruise仿真软件对汽车匹配分析具有快速和准确的优势。根据Cruise仿真结果，本文得出以下结论：

（1）增大后桥主减，可降低NEDC循环油耗，但满载最大爬坡度同时降低，需要满足微卡最低30%爬坡度的限值要求。

（2）增大发动机排量或升级为增压机型，提升发动机低速扭矩，是满足目标油耗要求的一种有效方式，并需根据成本、发动机机舱空间合理选择发动机形式。

（3）采用1.5T增压汽油机匹配微卡后，整车百公里油耗从9.66L降低到8.18L，满载最大爬坡度为36.8%，进一步降低主减即可达到7.8L的法规要求。

參考文献

[1] 王望予.汽车设计.机械工业出版社，2017.8.

[2] AVL-Cruise manuals.

[3] 周龙保，刘巽俊，高宗英.内燃机学[M].机械工业出版社，2005.1.

[4] 罗卫东，邱望标.汽车动力性和燃油经济性的计算机仿真与传动系参数优化设计[J].现代机械， 2008.2.

[5] 朱玉霞，王昕，鹿政华.基于Cruise软件的中型卡车传动系统匹配优化分析[J].机电信息，2011.

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