某轻型皮卡车工况分析

某轻型皮卡车工况分析

发动机的选择原则根据国家行业标准第18.35.2.3-2005《轻汽车污染排放量和测量方法》，轻油汽车的排放试验应在基地测量机上进行。但标准的执行依赖于汽车工况法排放测试设备,即需要配备转鼓试验台及能模拟汽车运行惯性的质量,还要配备复杂而昂贵的大型综合分析仪和保证发动机按试验程序运转所需要的自动控制系统。因此,工况法的实施受到了很大的限制,至今各国按工况法制定的汽车行驶排放标准仅作为定型车鉴定、科研以及生产车抽检之用,而一般单位难以实施。同时,该规定使得车用发动机在参数匹配、结构改进及总体设计过程中存在着盲目性,无法明确该发动机是否适合该特定的车型,如果按照试验标准进行,则开发成本极高,会大大延长汽车生产周期。鉴于此,本文以某轻型皮卡车为原型车,用计算机仿真软件建立整车模型,采用模拟计算的方法得出该车型的发动机运转工况和排放特性,以便为该车型的进一步研发及今后对轻型车排放预测提供一定的理论基础。1汽车行驶速度、传动效率及增加的行政约束本文以某轻型皮卡车为原型车建立整车模型。本文主要采用了汽车行驶平衡方程式:Ttq=Ft·R/(Ii·I0·ηt)n=va·Ii·I0/(0.377R)式中:Ttq为发动机扭矩,单位N·m;R为轮胎旋转半径,单位m;Ii为当前变速器挡位传动比;I0为主传动比;ηt为传动系效率;n为发动机转速,单位r·min-1;va为汽车行驶速度,单位km·h-1;Ft为汽车行驶阻力,单位N。在测试循环中不存在坡度阻力和曲线阻力,因此有:Ft=Ff+Fw+Fj式中:Ff=Ma·g·fFw=Cd·S·v2aa2/21.15Ff为汽车滚动阻力,N;Ma为整车质量,单位kg;g为重力加速度,9.8m·s-2;f为滚动阻力系数,f=0.0076+0.000056va(非轿车);Fw为迎风阻力,N;Cd为迎风阻力系数;S为迎风面积,单位m2;Fj为加速阻力,单位N;XID为旋转质量系数;a为整车加速度,单位m·s-2。整车基本参数有:整车质量1615kg,轮胎半径0.341m,风阻系数为0.5,迎风面积为2.3m2,传动效率为0.86,主传动比为4.1,一挡传动比为4.352,二挡传动比为2.298,三挡传动比为1.29,四挡传动比为1,五挡传动比为0.802。本车型采用485ZLQ废气涡轮增压中冷柴油机,该发动机标定转速为3200r·min-1,标定功率为52kW,最大扭矩为185N·m,对应的转速为2000r·min-1。图1为用仿真软件建立的整车模型框图。2汽车车速-时间统计模型仿真结果试验2国家标准规定了汽车在底盘测功机上的市区运转循环单元,试验前需要对底盘测功机进行标定,输入行驶阻力曲线,按工况法的要求驾驶汽车。整个运转循环由1部(市区运转循环)和2部(市郊运转循环)组成。试验1部由4个城区循环组成。每个城区循环包含15个工况(怠速、加速、匀速、减速等),平均车速为19km·h-1,试验的当量距离为4.052km;试验2部由1个城郊循环组成,该城郊循环包含13个工况(怠速、加速、匀速、减速等),平均车速为62.6km·h-1,试验的当量距离为6.955km。汽车运行的车速-时间图如图2所示。本文模拟计算就是按照此标准进行的。表1所示为试验值与模拟值结果对比情况,仿真结果与试验值较为接近,其误差在允许范围内。由此可见,通过软件建立的整车模型能较好地反映整车性能,可以通过建立的模型进行进一步的分析。3计算结果和分析3.1发动机转速和转速随转速的变化特性按照国标中的规定和要求,在底盘测功机上对本轻型皮卡车进行了NEDC循环工况的测试。在测功机试验前对试验车在选定路面上进行了路试试验,以得到实际的行驶阻力曲线对测功机进行标定,当输入实测阻力曲线与测功机模拟阻力曲线相吻合时,可按照国标中汽车行驶工况的要求运行汽车。试验时,大气温度23.5℃,风速为0。图3所示的为发动机转速随时间的变化曲线。根据计算结果,图4～图6分别显示了发动机输出功率和扭矩随时间的变化结果及发动机的外特性曲线。从图4、图5可以看出:发动机大部分工作时间处在小功率状态,发动机输出的最大功率值低于40kW,功率曲线的几个峰值都出现在加速工况,并且随着转速的加大而增大,在加速到稳态工况转换时曲线出现突变,发动机输出功率急剧下降;发动机输出功率跟车速变化存在一定的关系,且车速变快,输出功率也随之变大。从汽车行驶情况来看,该车大部分时间内处于小负荷状态。发动机输出功率为0,即怠速和离合器脱开减速时间约占整个循环的38%;发动机小功率工作时间,即等速工况和低加速、减速工况约为整个循环的42%;高加速时发动机输出功率较大的工况约占整个循环的20%。汽车绝大部分时间输出功率较小。该车型所用发动机最大输出功率为52kW(图6所示),而计算中最大输出功率低于40kW。3.2nox排放量随发动机负荷的变化由于柴油机的主要排放物为NOx,故本文主要针对NOx进行分析探讨。图7是循环过程中NOx的排放率变化图。由图7可见,在市区15工况中,NOx的变化有3个峰值,分别对应发动机3个中、大负荷工况。这说明该轻型皮卡车NOx的排放量是随发动机负荷的增大而增大的,原因是随着发动机负荷增大,燃烧效率提高,使燃烧后的气体温度、压力上升。在市郊循环中,NOx的排放量明显比市区循环有所增长。由上面的分析可知:在过渡工况下(减速)提供合理的混合气浓度、在大负荷工况下改善燃烧过程以及对汽车的合理操作(换挡),对改善NOx排放有着重要的影响。下面将讨论各种性能参数对NOx排放的影响。3.2.1主减速比对排放曲线的影响主减速比选择的恰当与否将对汽车的性能产生很大影响。由图8可见,排放物NOx首先随着主减速比的升高而降低,当主减速比升高到某一定值时,NOx达到最小值,然后再随着主减速比的升高而升高,于是,排放曲线呈现出一种两头高中间低的效果,且平均车速越大,这种效果越明显。这说明了过高或者过低的主减速比都会使行驶过程中的NOx排放恶化。3.2.2第三,阵风下的工况循环工况分析平均车速与燃油经济性和排放性有着密切的联系,而平均车速又是由具体的行驶工况决定的,于是,从某种程度上讲,平均车速对应着特定的工况循环,也就是行驶工况对燃油经济性和排放性有影响。下面针对无路面坡度输入的循环工况进行分析。由图9可见,在平均车速较低时,NOx的排放较小,但是随着车速的不断升高,NOx也逐渐增加,到某一最大值时开始下降至某一车速对应下的最低值,然后随着车速的升高而恶化,这呈现出一种低头的“正弦曲线”形状。3.2.3nox排放情况汽车在不同的挡位行驶会获得不同的动力性能,燃油消耗也是不一样的,排放也会受到影响,故挡位的差异对经济性与排放也将会有很大影响,下面分析探讨其对NOx排放的影响。图10反映了整个市郊循环NOx排放物的情况。由图中可以看出,在低挡位行驶时,排放波动比较大,但整体值不是很高。从NOx排放情况可以看出,在高挡行驶区域,NOx随着挡位的提高而上升。在高挡(4、5挡)区域内,排放的波动主要发生在换挡后的加速过程中。无论低挡还是高挡,加速过程对各排放物的排放都产生负面影响,而这种加速过程对NOx排放的影响相对更大,尤其在高速挡间换挡后加速时,NOx的增长幅度尤为明显。4大负荷工况下的nox排放1)从工况法中汽车行使情况来看,汽车在怠速和低速行驶的时间占整个行驶循环的比例较大,相应于汽车空转发动机和低速行使的工况,汽车发动机绝大部分时间输出功率较