汽车小比例节油部件油耗快速分析平台设计.pdf

第5 3 卷第7 期 V 0 1 5 3 N o 7 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 5 年7 月 J u ly2 0 1 5 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 5 0 7 0 0 3 汽车小比例节油部件油耗快速分析平台设计 姚强1 宋誓利2 1 2 3 0 6 0 1 安徽省合肥市安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 2 2 3 0 0 3 6 安徽省合肥市安徽农业大学工学院 摘要 根据汽车动力学和能量流原理 运用M A T L A B S im u lin k 模块搭建了汽车燃油消耗仿真计算模型 运用 该仿真计算模型 根据N E D C 标准工况数据信息和小比例节油部件实车测试数据 分别计算有无节油部件情况 下的发动机油耗 进而算得小比例节油部件的燃油消耗量 实车试验表明 该模型整个N E D C 工况燃油分析结 果与实测值偏差在2 r X 内 具有较高的仿真精度 为小比例节油部件节油分析提供了快速 稳定 可靠的定量 分析手段 关键词 汽车 小比例 节油部件 试验 中图分类号 U 4 6 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 5 0 7 0 0 1 2 0 5 D e s ig no fE f f e ct iv eF u e lC o n s u m p t io nA n a ly s isP la t f o r mf o rV e h icleS m a ll S cA lleS a v in gF u e lP a r t s Y a oQ ia n 9 1 S o n gS h ili2 1 A n h u iJ ia n g h u a i A u t o m o b ileC o L t d T e ch n ica lC e n t e r H e f e i C it y A I lllu i P r o v in ce2 3 0 6 0 1 C h in a 2 S ch o o lo fE n g in e e r in g A n h u i A g r icu lt u r a lU n iv e r s it y H e f e iC it y A n h u i P r o v in ce2 3 0 0 3 6 C h in a A b s t r a ct A cco r d in gt ot h et h e o r yo fv e h icled y n a m icsa n de n e r g yf lo w t h ev e h iclef u e lco n s u m p f io ns im u la t io nca lcu la t io n m o d e lw a sb u iltb a s e do nM A T L A B S im u lin km o d u le A cco r d in gt ot h eN E D Ccy clein f o r m a t io na n dt h et e s td a t ao fs m a lls ca le s a v in gf u e lp a r t s b o t ht h ee n g in ef u e lco n s u m p t io nw it h o u ts a v in gf u e lp a r t sa n dt h ef u e lco n s u m p t io nw it hs a v in gf u e lp a r t s co u ldb eca lcu la t e dr e s p e ct iv e lyb a s e dO ilt h es im u la t io nm o d e l As im u la t io nt e s tW a sco n d u ct e da n dits h o w e dt h a tt h ed e v ia t io n o ft h ef u e l a n a ly s isr e s u lt so fw h o leN E D Ccy clew a sle s st h a n2 co m p a r e dw it ht h et e s t e df u e lco n s u m p t io n 8 0t h es im u la t io n m o d e lh a sh is hca lcu la t io na ccu r a cy T h isp a p e rp r o v id e sar a p id s t a b le r e lia b leq u a n t it a t iv es a v in gf u e la n a ly s ism e t h o df o r s m a lls ca les a v in gf u e l p a r t s K e yw o r d s v e h icle s m a lls ca le s a v in gf u e lp a r t s t e s t 0引言 汽车节油技术研究在当前具有重要战略意 义 各大汽车整车厂和科研机构都在围绕节油进 行部件选型测试 测试方法等相关技术研究 如智 能发电机 P W M 燃油泵 电子水泵等 目前对小节 油比例的部件测试时 由于受到测试仪器精度 测 试方法等因素限制 测试结果不能准确量化其节 油效果 此外 还存在试验次数多 试验资源相对 不足等问题 因此 当前迫切需要一款软件 能够 构建有效的测试方法 在机理上对节油效果进行 仿真试验和量化分析 在对节油部件进行转毂试验时 由于受驾驶 操作和试验误差等因素的影响 导致转毂测试结 基金项目 国家自然科学基金资助项目 5 1 1 0 5 0 0 1 清华大学汽 车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目 K F l4 0 2 2 收稿日期 2 0 1 5 0 3 2 7修回1 3 期 2 0 1 5 0 4 3 0 果的一致性不高 相同工况和测试条件下测试结 果存在一定偏差 对于小比例节油部件 其节油 效果可能与转毂试验误差相当 单独通过转毂试 验无法测试其节油效果 通过汽车动力学原理结 合实车测试数据进行仿真计算是一种可行方法 目前比较成熟的经济性仿真分析软件有美国 可再生能源实验室开发的A D V I S O R 2 0 0 3 年被 A V L 收购 和奥地利A V L 公司的C r u is e 在运用 A D V I S O R 进行仿真分析时 一般是将电器附件和 发动机附件能量消耗用经验值或额定值进行估 算 然后进行仿真计算 但是实车测试时电器附件 和发动机附件的需求功率会随着测试工况而变 化 使用单一的经验值或额定值计算必然会影响 整车仿真分析油耗的准确性 1 1 C r u is e 虽然能够导 人电器附件和发动机附件的实车测试数据 但是 其整车仿真分析模型相对比较封闭 在进行相关 问题研究时修改不了其底层模型 因此 实际在进 第5 3 卷第7 期姚强等 汽车小比例节油部件油耗快速分析平台设计 1 3 行节油部件分析时 需要搭建针对性的仿真计算 模型 在进行仿真模型搭建时 无论是常规车剐还 是新能源汽车M 都是基于汽车动力学和能量流 原理进行搭建 这些模型以仿真工况作为原始输 入 没有结合实际测试数据 分析结果往往与实际 测试存在一定偏离 不能准确地分析出小比例节 油部件的节油效果 通过以上分析 本文结合节油部件转毂实际 测试数据 根据汽车动力学和能量流原理 采取测 试数据调整 发动机油耗M A P 分段处理 发动机 停喷工况判定等措施 搭建仿真工况与实际测试 工况相结合的仿真分析平台 运用该平台对小比 例节油部件的燃油效果进行分析计算 1仿真原理 如图l所示 首先根据发动机转速和发动机 与发电机间的机电传动比计算发电机转速 然后 由发电机转速 工作电压 工作电流以及发电机效 率M A P 分析电器附件的需求功率 其次根据 N E D C 工况分析计算测试车辆的轮边驱动功率 然后根据轮边驱动功率 发动机转速和变速箱效 率M A P 计算变速箱输入功率 型 发电机电压l一 二二二二二二 刮电器附件需求功率 发电机电流I 一 五墨iii瓦爿l垄垫垫茎垄 磊五嚣磊i阖l垄塑塑竺垒 二二二二I 发动机转速酬变速箱输入功率 萄 图1 节油部件分析技术方案 发动t 油耗 F 哂 1T e ch n ica ls ch e m eo fs a v in gf u e lp a r t s a n a ly s is 完成以上计算后 根据电器附件需求功率 变 速箱输入功率和发动机转速 结合发动机油耗 M A P 进行仿真分析 计算发动机油耗 对于待分析的节油部件 分别对引入和去除 该部件的仿真模型进行分析计算 通过两次分析 得到发动机油耗计算节油部件燃油消耗量 2 仿真模型搭建 根据汽车动力学鲫和能量流原理 S l 搭建的汽 车小比例节油部件油耗分析模型如图2 所示 g e n e r a t o r 图2 节油部件仿真计算模型 F ig 2S im u la t io nm o d e lo fs a v in gf u e lp a r t s 2 1 整车与车轮模型 汽车行驶方程 9 1 氏 F m F l一凡 1 汽车行驶阻力 1 0 瓴 N E D 2 幔 N E D c 2 汽车加速阻力 R m 单 盛乎 术n N E 阢 3 rr 式中 如f 驱动力 道路行驶阻力 凡 加速阻力 乃厂坡道阻力以 整车滑 行阻力常数项圻 速度一次方项以 速度 二次方项系数 v m c N E D C 工况车速 m 汽车测试质量 厶 e 一轮胎转动惯量 一车轮 滚动半径 乃一发动机飞轮转动惯量 拓一主减 速比 i广 变速箱当前挡位速比 叼 变速箱 当前挡位传动效率 n N 眦 N E D C 工况加速度 汽车不同运行工况下驱动力和制动力分析计 算公式如表1 所示 表1 驱动力和制动力分析 T a b 1A n a ly s iso fd r iv in gf o r cea n db r a k in gf o r ce 差 一 1 4 农业装备与车辆工程 2 0 1 5 年 2 2 变速箱模型 根据变速箱传动效率试验测试数据创建变速 箱仿真分析模型 如图3 所示 首先根据发动机转 速和变速箱输出扭矩对各挡效率M A P 进行查表 然后根据N E D C 工况推荐挡位遴选出N E D C 工况 下变速箱输人扭矩 lt aM I r a r o 图3 变速箱仿真模型 F ig 3S im u la t io nm o d e l o ft r a n s m is s io np a r t s 2 3 发动机模型 目前搭建发动机仿真分析模型最普遍的方法 是在静态工况下对发动机进行测试 然后根据测 试工况点的转速 扭矩和比油耗建立发动机查表 模型 由于原始测试数据有限 且根据此方法得到 的发动机等油耗曲线未呈现出明显的规律性 不 便进行曲线拟合 致使模型仿真精度不高 由图4 可知 在各测试转速下 发动机小时油 耗均呈现出较好的线性关系 尤其是在低负荷工 况下近似呈现直线 故对发动机小时油耗曲线低 负荷 I 况数据进行直线拟合 中高负荷工况下迸 4 0 3 0 糕 露2 0 b 惹1 0 蜊 05 01 0 0I5 0 发动机输出扭矩 N m J 图4 发动机小时油耗曲线 F ig 4F u e lC O n S U lT I p t io ncu r v eo fe n g in ep a rh o u r 行二次多项式拟合 以充分地利用测试数据点 提 高仿真分析精度 通过分段拟合后发动机万有特 性曲线如图5 所示 菖 Z 墩 埤 转速 d n I in 图5 发动机万有特性曲线 F ig 5U n iv e r s a lch a r a ct e r is U ccu r v eo fe n g in e 2 4 发电机模型 对于普通发电机 其仿真分析模型和变速箱 类似 均通过二位查表模块进行搭建 对于智能发 电机 其效率与工作电压 电流及发电机转速均有 关 故通过三维查表模块进行模型搭建 圈6 发电机仿真模型 F ig 6 S im u la t io nm o d e lo fg e n e r a t o r 3提高仿真精度措施 3 1 数据调整 在进行转毂试验时 试验数据记录的开始时 间和结束时间的不确定性导致试验数据长度和 N E D C 工况数据长度不一致 为了使节油部件的 分析结果更加精准 在进行仿真分析前 首先运用 第一个和最后一个测试数据点分别在数据首位各 补充5S 测试数据 然后逐次选取前11 8 0s 测试 数据 计算其与N E D C 工况数据的残差平方 最后 选取残差平方和最小的那组测试数据进行仿真计 算 经过数据调整后 测试车速与N E D C 工况车速 对比曲线如图7 所示 第5 3 卷第7 期 姚强等 汽车小比例节油部件油耗快速分析平台设计1 5 一一N E D C 工况车速 调整后测试车速 时间 s 图7 调整后测试车速与N E D C 工况车速对比曲线 F ig 7T e s ts p e e dcu r v eco m p a r is o nw it hN E D Ccy cle 3 2 停喷处理 对于测试车辆 当离合器结合 变速箱处于在 挡 发动机转速高于14 0 0d m in 进行制动时发动 机会出现停喷现象 为了使仿真结果更贴近实际 情况 根据仿真模型得到发动机油耗后 还需结合 N E D C 工况挡位使用情况和离合状态 发动机转 速以及通过分析计算得到的制动力 对发动机进 行停喷判断 对某次测试数据 进行停喷处理前 后 发动机分析油耗对比曲线如图8 所示 5 耀 黑 莒 整 罨 幅 撼 1 5r 停喷处理前总油耗 7 5 5 0 7mL l停喷处理后总油耗 7 0 5 9 5mL 一一停喷处理前 停喷处理后 图8 停顷判定前后发动机瞬时油耗对比 F ig 8C o m p a r is o ncu r v eo ft e s ts p e e d a n ds p e e du n d e rN E D Cq d e 4 仿真分析 4 1 参数配置 测试车辆参数配置信息如表2 所示 4 2 分析结果 根据测试车辆参数配置信息和节油部件实车 测试数据 节油部件油耗快速分析平台仿真分析 结果分别如图9 和表3 所示 由图9 油耗对比曲线可知 软件分析平台得 到的瞬时油耗与实车测试瞬时油耗曲线重合度非 常好 基本能反映实车测试油耗 软件分析平台得 到的N E D C 工况总油耗与实车测试总油耗相差 9 4 8 m L 仿真偏差为1 3 1 仿真精度高 裹2 测试车辆参数配置信息 T a b 2P a r a m e t e r sco n f ig u r a t io no ft e s tv e h icle 实车测试总油耗 7 2 4 2m L 软件分析总油耗 7 1 4 7 2m L 软件分析偏差 1 3 1 实车测试油耗 软件分析油耗 0 2 0 0 4 0 06 0 08 0 U10 0 0l2 U J 时间 s 图9 实车测试油耗与软件分析油耗 F ig 9 I n s t a n t a n e o u sf u e lco n s u m p t io nco m p a r is o n cu r v e so fb e f o r ea n da f t e rs t o p p e din j e ct io n 表3 智能发电机油耗分析结果 T a b 3F u e lco n s u m p t io na n a I y s br e s u lto fin t e llig e n tg e n e r a t o r 分析项目分析结果 试验测试油耗 m I 有发电机分析油耗 m L N E D C 工况软件分析偏差 无发电机分析油耗 m L 发电机分析油耗 m L 发电机油耗百分比 7 2 4 2 0 7 1 4 7 2 1 3 l 6 8 2 8 0 3 1 9 l 4 4 1 由表3 分析结果可知 智能发电机燃油消耗 量占整个N E D C 工况下油耗的4 4 1 与3 一5 的工程经验值十分吻合 因此基于分析平台得到 加 m 5 0 一Il厂D 耀景窖嚣暴臀艇 1 6 农业装备与车辆工程 2 0 1 5 年 的发电机油耗可作为智能发电机定量分析结果 5结论 采用汽车动力学原理和实车测试数据相结合 方法 基于M a t la b S im u lin k 搭建了小比例节油分 析平台 测试结果表明 整个N E D C 工况节油分析 结果与实测值偏差在2 以内 该平台能够根据节 油部件的实车测试数据分析计算其N E D C 循环工 况下的燃油消耗量 论文研究为小比例节油部件 节油提供了快速有效的定量分析手段 参考文献 1 1 赵亚男 赵福堂 刘碧荣 汽车燃油经济性的计算机仿真 J 农业机械学报 2 0 0 7 3 8 5 3 9 4 2 2 1 王庆年 刘志茹 王伟华 等 混合动力汽车正向建模与仿真 田 汽车工程 2 0 0 5 2 7 4 3 9 2 3 9 8 3 1 uZ h a n q in g N in gS h iy o n g S t u d yo fv e h icleb r a k in gm o d e l 4 5 a n ds im u la t io n 2 0 1 0I n t e m a t io n a lC o n f e r e n ceo nC o m p u t e r A p p lica t io na n dS y s t e mM o d e lin g 2 0 lO 1 3 2 2 1 2 2 4 古艳春 殷承良 张建武 并联混合动力汽车扭矩协调控制 策略仿真研究田 系统仿真学报 2 0 0 7 1 9 3 6 3 1 6 3 6 S cia r r e t t aA S e r r a oL D e w a n g a nPC e ta 1 Aco n t r o l b e n ch m a r ko nt h ee n e r g ym a n a g e m e n to fap lu g inh y b r id e le ct r ic v e h icle J 1 C o n t r o lE n g in e e r in gP r a ct ice 2 0 1 4 2 9 1 0 2 8 7 2 9 8 6 G ille s p ieTD 赵六奇 金达锋 汽车动力学基础 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 6 7 喻凡 林选 汽车系统动力学 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 5 8 张欣 王颖亮 杜微 等 混合动力电动汽车综合能量流模型 仿真叨 机械工程学报 2 0 0 9 4 5 2 3 1 3 5 9 j余志生 汽车理论f M 5 版 北京 清华大学 2 0 1 1 lO G B I 1 2 5 3 6 9 0 汽车滑行试验方法 S 作者简介姚强 1 9 8 2 一 工程师 学士 主要从事汽车测试技术 研究 E m a il y a o q ia n g o k 1 6 3 e o m 互联网 覆盖多领域现代农业等居前 国务院日前印发 关于积极推进 互联网 行 动的指导意见 简称 指导意见 指导意见 提 出 到2 0 1 8 年 互联网与经济社会各领域的融合 发展进一步深化 基于互联网的新业态成为新