基于能量流的汽车发动机与传动系匹配.pdf

ISSN 1674-8484 CN 11-5904/U 汽车安全与节能学报, 2015 年, 第 6 卷 第1 期 J Automotive Safety and Energy, 2015, Vol. 6 No. 1 基于能量流分析的汽车发动机与传动系匹配 杨翔宇 1，王 刚1，韩宗奇2,3，周荣宽1 （1. 重庆理工大学 车辆工程学院，重庆 400050，中国； 2. 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 10084，中国； 3. 燕山大学 车辆与能源学院，秦皇岛 066004，中国） 摘 要： 以整车设计的动力性和经济性为目标，提出了 一种新的汽车发动机与传动系的匹配方法。根 据发动机性能与汽车动力性的要求，选择发动机额定功率及其相关参数。从能量流角度，分析了汽车 行驶时发动机总能量和汽车各系统的能量需求。在美国环境保护署 (EPA) 测试程序工况下进行动力学 分析，采用经验公式计算循环耗油量，并以此作为经济性的设计要求，仿真描绘 了发动机的性能曲线。 结果表明：最高车速为198.5 km/h，直接档的最大动力因数为0.463，一档的最大爬坡度0.46，0 到 100 km 的加速时间为9.8 s，循环油耗量为9.74 L/ （100 km） 。因此，本匹配方法是合理的。 关键词： 汽车发动机； 汽车传动系； 匹配； 能量流； 动力性； 经济性 中图分类号： U462.3+1 文献标识码： A DOI: 10.3969/j.issn.1674-8484.2015.01.xx Matching between the automotive engine and transmission system based on energy flow analysis (YANG Xiangyu1, WANG Gang1, HAN Zongqi2,3, ZHOU Rongkuan1 ) (1. Chongqing automobile institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400050, China; 2. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 10084, China; 3. College of Vehicles and Energy, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China) Abstract: A new scheme was proposed for matching between engine and transmission system with the power performance and fuel economy of an automobile being as matching objective, and with the engine rated power and other relevant parameters being as given parameters, according to the demand of the automobile power performance and engine performance. Total engine energy requirements and various system energy requirements were analyzed by using energy flow. Automobile dynamics analysis was done under working conditions based on the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) Test Procedure to calculate circle fuel consumption using empirical formulas with the fuel consumption being as design economy requirements, and with the performance curves describing engine performances. The results show that the maximum speed is 198.5 km/h, the maximum power factor is 0.463, the maximum gradient is 0.46, the acceleration time is 9.8 s when accelerating from 0 to 60 km, and the fuel consumption is 9.74 L/(100 km). Therefore, the matching method is reasonable. Key words: automotive engine; transmission system; matching; energy flow; power Performances; economy efficiency 收稿日期 / Received ： 2014-08-28 基金项目 / Supported by ： 重庆市教科委科技项目(KJ080619) 第一作者 / First author ： 杨翔宇（1953 ） ，男 （汉） ，重庆，教授。E-mail: 第二作者 / Second author ： 王刚 （1985 ） ，男 （汉） ，湖北，硕士研究生。E-mail: 764961562 12/13 90 96 91杨翔宇，等：基于能量流分析的汽车发动机与传动系匹配 （2） 式中： Pemax为发动机的最大功率，kW； t060为汽车 0 到 96.7 km 加速时间，s； m为整车质量，kg。 知道发动机最大功率 Pemax及对应的转速 np, 则发 动机的最大转矩为 （3） 式中： 为发动机的转矩适应系数， 通常在1.11.35之间， 匹配 Temax和 np，使 np / nT = 1.41.6。 1.2 验证约束条件 在确定发动机的最大功率及其对应转速的大致范 围之后，通过发动机的动力性能特性和汽车设计性的 能要求来确定发动机的主要基本参数。 1.2.1 发动机动力性能指标约束条件 1) 发动机转矩适应性，用选定时发动机的动力 特性用转矩因子 eT来检验，其表达式为 （4） 发动机转矩适应性要求 1.1 eT1.35。 2) 发动机转速适应性，用发动机的转速特性用 转速因子 er来检验，其表达式为 （5） 发动机转速适应性要求 1.4 er 2.0。 3) 动力性系数是加速能力的标志，其表达式为 （6） 式中： ep为功率因子， ep = Pemax / Pn； 其值不应太小。 4) 适应性系数，是发动机对外界负荷变化适应 能力的标志，其表达式为： （7） 汽油机 As3.3； 柴油机 As3.7。 5） 分配系数，表示转矩因子在加速性和适应性 两个方面的分配关系。其表达式为 （8） 一般汽油 k = 2.22.6 ；高速汽油机 k = 1.82.4。 k 发动机作为传统汽车唯一的动力源，其性能参数 对整车动力性和经济性有很大的影响，因此对汽车发 动机与传动系匹配研究具有十分重要的意义 1。 近年来，诸多文献对传统汽车发动机与传动系的 匹配进行了研究 2-6, 在已知整车参数、发动机参数、传 系参数的基础上，采用不同的优化方法对传动系参数 ( 主要是主传动比、变速器各挡传比 ) 进行优化。而已 知整车参数及设计要求、传动系参数、行驶工况对发 动机性能提出要求这种匹配方法的研究，尚鲜有文献 涉及。 本文根据整车设计性能的要求，以发动机性能指 标和车辆的动力性指标为约束条件，对发动机的主要 参数进行初步选择，并结合经验公式建立发动机的数 学模型。在美国联邦环境保护局 (U.S. Environmental Protection Agency, EPA) 测试工况下 ，对汽车在行驶时 的能量流进行分析。分析发动机提供的总能量和汽车 各部分的能量消耗情况，采用经验公式，对车辆在该 工况下的燃油消耗量进行计算，并以此作为车辆的燃 油经济性指标进行发动机与传动系匹配。 1 发动机性能参数的初步选择 1.1 发动机主要参数的初步确定 汽车设计的一个首要任务是设计或选定合适的发 动机。发动机的性能主要表现在额定功率、额定转矩、 及与之相对应的转速、 燃料消耗特性、 振动、 噪声等等 7。 先计算或估算出发动机的最大功率 Pemax, 再根据发动机 的转矩性能、相应的转速、燃料消耗特性等，来选择 合适的发动机。最终确定发动机最大转矩，最大转矩 点转速等发动机性能指标。 发动机的最大功率可以按以下2 种方法确定： 1) 理论计算法。从保持预期的最高车速 uamax初 步选择发动机应有最大功率 Pemax。发动机的最大功率 应 Pemax大体上等于且不小于以最高车速在水平道路上 行驶时行驶阻力功率之和，即 （1） 式中： m为整车质量； g 为重力加速度； f 为滚动阻力因 数； CD为风阻因数； A 为汽车迎风面积； T为汽车传动 系的传动效率。 2) 经验公式方法。国外有些学者 12 在试验基础 上，用统计分析方法得出经验公式： 汽车安全与节能学报922015 年 第 6 卷 第 1 期 值增大，发动机的适应性增强，动力性降低。 1.2.2 汽车动力性指标约束条件 1） 最大爬坡度要求 （9） 式中： rd为车轮半径； amax为汽车的最大爬坡； ig1为变 速器一档传动比； i0为主传动比。 2） 最高车速要求 （10） 即 （11） 式中： up为发动机最大功率对应的车速，km/h ； imax为 变速器最高档传动比。 3） 直接档动力性要求 （12） 式中： D0max为直接当最大动力因数。 4） 汽车加速性能的要求 原地起步连续换档加速时间 t 不得大于要求值 t060。 （13） 5） 地面附着条件 在确定最低挡动力因数后还应该校核附着条件， 即最大牵引力必须小于或等于汽车在地面上的附着力。 最低挡驱动轮附着条件为： （14） 式中： Fz为附着力； 为附着系数。 6） 发动机排量的要求 （15） 式中： Ph、 Pl为发动机体积功率的统计上、下限值； Vh 为发动机排量。 2 建立发动机的数学模型 为建立未知实验数据的发动机，本文采用发动 机性能特性的简化模型。汽油机性能特性可以看作是 汽油机性能特性指标和运行参数的函数 8，在已知 T P、 Temax、 np、 np的情况下 ，发动机的机转矩外特性曲线和 功率特性曲线数学表达式可表示为： , （16） （17） 其中， a、 b 的值见表1。 表1 相关参数 ab 汽油机11 柴油机0.871.13 3 能量流分析 从汽车在 (EPA) 循环工况下行驶时能量需求的角 度出发，沿能量流动的方向对发动机提供的总能量和 车辆系统 ( 从发动机、传动系、车轮以及汽车相关辅 助部件 ) 各部分能量的消耗进行分析。在此基础上计 算出在该循环工况下的综合燃油消耗量，以此作为整车 燃油经济性指标，对发动机的燃油消耗性能提出要求。 3.1 工况 在美国联邦环境保护局 (EPA) 测试规定中，测试 工况的综合燃油消耗量，是由城市循环工况平均燃油 消耗量和高速路循环工况燃油消耗量的加权值组 成的。 （18） 3.2 总的能量及发动机能量损失分析 在对总能量进行分析之前，有必要知道发动机提 供的能量随动力输出过程的消耗情况。随着发动机的 动力输出， 其能量沿着动力传递的方向流动， 由发动机、 传动系、传递到车轮，能量流动过程见图1。 对于传统的汽车而言，发动机作为其动力源，汽 车在行驶的过程中所消耗的能量都是由发动机提供的。 发动机单位时间燃烧燃料产生的热量为 9 ： （19） 则发动机在一定时间内燃烧燃料产生的总能量为： （20） 式中：为单位是时间进入整机燃料的质量； Hu为燃料 低热值，汽油 Hu = 44 MJ/kg，柴油， Hu = 42.5 MJ/kg。 93杨翔宇，等：基于能量流分析的汽车发动机与传动系匹配 图1 能量沿动力传递方向的流动图 发动机对外输出的功与燃烧燃料产生的有效的化 学能是相等的。发动机燃烧燃料的化学能转换为曲轴 的输出功，需要经历3 级转换，存在 3 个转换效率：发 动机燃烧效率 c、发动机循环热效率 t、发动机机械 效率 m。发动机效率为 e = c t m. 发动机曲轴有效输出功率和输出功为： , （21） , （22） , （23） . （24） 其中： EACC为维持发动机正常运转所必须消耗的能量； EbFt为流入汽车的传动系的能量。 3.3 车辆传动系能量损失分析 传动系统是位于车辆发动机与驱动轮之间的动力 传递装置，传动系统具有减速、变速、倒车、轮间差 速等功能，与发动机配合工作，能够保证车辆在各种工 况条件下的正常行驶，是汽车的核心部件之一 10。 影响车辆传动系统传动效率的因素很多，大体上 可以分为两类，即使用条件因素和内在因素。使用条件 因素主要包括传动系输入转矩、 输入转速、 润滑油粘度、 齿轮浸油深度等。内在因素主要指传动系统本身具有 的特性， 主要包括传动系统中齿轮结构参数、 轴承类型、 齿轮与轴承在轴上的装配关系等 11。 汽车在不同的行驶状态下 ， 传动系的效率是不同的， 本文所提到的传动系统效率是指平均传动效率。经 过传动系输入到驱动轮的有效功率和功为 （25） （26） 3.4 道路负载能量损失分析 汽车在道路上行驶时，必须克服一定的行驶阻力。 在整个循环过程，由于坡道阻力所做的功为零，在此 忽略坡道阻力。车辆行驶的方程式为： （27） 式中： Ft为车轮驱动力； Ff为汽车滚动阻力； Fw空气阻 力； Fj为汽车加速阻力。 1) 发动机动力驱动状态 （ Ft0） 。 当 Ft0 时，发动机对外输出正功。汽车的行驶状 态即可以是加速行驶，也可以是减速行驶或者是匀速 行驶。 2) 发动机制动阶段 （ Ft0） 。 此时 Ft0，发动机对外输出负功 ( 或者说发动机 此时相当于一个负载 )，汽车处于减速行驶状态。汽车 在长而且陡的下坡行驶时，或者雨雪天气路面很滑等情 况，为了安全起见驾驶员一般都会采用发动机制动 ( 不 同于刹车制动 ) 来降低车速，此时发动机就相当于一 个负载。 3) 发动机怠速阶段 （ Ft=0） 。 当 Ft=0 时，发动机的动力输出为零。但是此时发 动机仍需消耗能量，例如汽车遇到红灯停车或者汽车 减速滑行时，驾驶员松开离合器踏板传动系不对外输出 动力，但此时发动机依然在运行会消耗燃料的。 驱动轮所消耗的功率和功为： （28） （29） 由上述分析，可以清楚地了解车辆在行驶过程中， 发动机提供的总能量与各部分的能量消耗情况。美国 密歇根大学学者 Sovran 和 Blaser 从 1979 年开始在大 量的实测实验和理论分析，在此基础上得出了汽车在 城市循环工况 ( 高速路循环工况)下平均燃油消耗量的 计算公式 12 ： （30） 冷却系统消耗 道路阻力消耗 空气阻力消耗 转动惯量消耗 辅助设备消耗 发动机泵气消耗 发动机摩擦消耗 传动系消耗 发动机换气消耗 燃料燃烧产生的总能量 发动机指示功 发动机输出的有效功 车辆消耗 汽车安全与节能学报942015 年 第 6 卷 第 1 期 参数 EFt为 13 （31） 式中： s 为循环工况的距离； f为燃油密度；为发 动机制动时平均单位时间的燃油消耗量；为发动机 怠速时单位时间的燃油消耗量； t2、 t3分别为循环工况发 动机制动、怠速的时间； emax为发动机的最大效率； 为循环工况的平均燃油消耗量，L/km ；为发动机在 该工况下的平均效率； 、 、 分别为系数。 汽车的单位里程燃油消耗量 Qs与发动机的性能、 整车参数、传动系参数、档位的选择有关，则发动机 的比油耗可以表示： （33） 汽油发动机的最大工作效率为： （34） 4 实例匹配分析 某款轿车基本参数见表 2。 表 2 某款轿车基本参数 项目参数 整车质量 m/t1.587 车身迎风面积 A/m22.295 空气阻力因数 CD0.370 传动系效率 T0.900 轮胎半径 rd0.299 轮胎滚动阻力因数 f0.015 最高车速 uamax/ (km h-1)200.000 最大动力因数 D0max0.440 最大爬坡度 imax0.500 加速时间 t060/s9.500 4.1 参数匹配 根据公式 (1)-(4) 的分析和计算，并有发动机性能 指标和汽车动力性要求的约束条件进行验证，初步得 出发动机的主要参数见表 3。 根据表 3 的相关参数，结合公式 (17)、(18) 得出 发动机外特性曲线中的功率曲线和转矩曲线如图 2、3 所示。 表 3 发动机的主要基本参数 Pema117 kWnp6 200 r/min Pn95 kWnT4 200 r/min Temax216 Nmnmin700 r/min Tp180 Nmnmax7 500 r/min VL1.8 L 本文在结合前人大量的实验得出数据的基础上和 参照相同车型的参数，参数的数值确定见表 4。 车辆在城市循环工况、高速路循环工况下的燃油 消耗量， 综合燃油消耗量以及百公里燃油消耗量见表 5。 24680 20 40 60 80 100 120 Pe / kW ne / (103 rmin-1) 图 3 发动机的功率曲线 24680 50 100 150 200 250 T / Nm ne / (103 rmin-1) 图 2 发动机的转矩曲线 95杨翔宇，等：基于能量流分析的汽车发动机与传动系匹配 等高线为效率 图 4 发动机万有特性曲线 220 243 267 290 313 337 360 383 407 430 453. 11 23 34 46 57 69 80 92 103 115 126 138 123456 0 100 200 T / Nm ne / (103 rmin-1) 在 Matlab 中将计算所得到的数据进行曲线拟合， 得到该发动机的万有特性曲线，同时得出发动机的等 燃油消耗曲线和等功率曲线的三维拟合曲面如图 4、图 5 所示，其中 be为发动机的最小比油耗。 表 5 经验参数 工况EACC / (kWh) / (ms-2) / (kgms-2) / (ms-2)/ (kgs-1)/ (kgs-1) 城市循环10% ETR66.0%7.439110.00.151 5 0.3100.306 公路循环6% ETR74.8%9.074293.60.040 3 由图 4 和 5可知，该发动机的最小比油耗为 bemin = 220 g/kWh, 发动机的最大效率 emax = 0.372。 4.2 仿真结果 在 MATLAB 中建立仿真模型，对整车的性能进 行仿真。汽车的最高车速为198.53 km/h ；直接档的最 大动力因数为 0.463 ；一档的最大爬坡度 0.46 ；0 到 100 km 加速时间为 9.83 s ；燃油消耗为 9.74 L / (100 km)。 5 结 论 1) 从车辆性能要求的角度出发，以发动机性能指 标和汽车动力性指标为约束条件，对发动机的主要参 数进行初步选择，并建立了发动机的数学模型。 2) 分析了汽车在行驶的过程中，发动机提供的 能量和汽车各部分消耗的能量情况，得出了汽车各部 分消耗的功和功率。特别分析汽车在不同行驶状态下 发动机处于推进、制动、怠速模式下的燃油消耗量， 借助经验公式计算出循环油耗，在此基础上得出发动 机的比油耗的关系式。 3) 描绘出了发动机相关的性能曲线和曲面；利用 Matlab 进行仿真分析，结果表明这种新的匹配方法是 合理的。 参考文献 (References) 1 刘惟信 , 戈平, 李伟 . 汽车发动机与传动系参数最优匹配 的研究 J. 汽车工程 , 1991(13): 65-71. 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