汽車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真與其參數(shù)的靈敏度分析

顏伏伍，胡 峰，田韶鵬，，袁智軍

(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070;2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

當(dāng)前，世界各國(guó)把提高燃油經(jīng)濟(jì)性作為汽車研究設(shè)計(jì)中的重大課題。降低汽車油耗的途徑有3個(gè):一是設(shè)計(jì)或改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)各負(fù)荷特性上的燃油消耗率;二是在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)條件下，通過調(diào)整傳動(dòng)系參數(shù)，使得其與發(fā)動(dòng)機(jī)特性能很好地匹配，從而降低油耗;三是減少汽車總重力，降低滾動(dòng)阻力系數(shù)和空氣阻力系數(shù)，提高傳動(dòng)系機(jī)械效率，從而降低油耗。筆者對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度分析就是確定汽車總重力、傳動(dòng)系機(jī)械效率、滾動(dòng)阻力系數(shù)和空氣阻力系數(shù)等參數(shù)對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響程度，明確哪些參數(shù)對(duì)油耗的影響較為顯著，哪些參數(shù)影響不大，可根據(jù)靈敏度的大小選擇最佳的整車參數(shù)，從而有效地改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性［1-4］。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真模擬，能夠給汽車設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供既迅速又經(jīng)濟(jì)的方法，使設(shè)計(jì)開發(fā)者在諸多設(shè)計(jì)方案中選擇最佳方案，并且具有可比性好、重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)［5-6］。

1 汽車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真模型的建立

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)學(xué)模型是整車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算的重要依據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性的數(shù)學(xué)模型可以表示為［7-8］:

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，常采用多元線性回歸的方法進(jìn)行曲面擬合，把發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率be看作是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne和有效轉(zhuǎn)矩Ttq的函數(shù)，建立的回歸模型為:

式中，{a0，a1，…，ak-1}為模型中待定系數(shù);{e1，e2，…，en}為隨機(jī)誤差;n為萬(wàn)有特性試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)數(shù);s為多項(xiàng)式的最高次冪;k為多項(xiàng)式級(jí)數(shù)，k=(s+1)(s+2)/2。

寫成矩陣形式:

其中，M為n×k階矩陣;be和e均為n×1階向量;a為k階向量。

按以上原理，用Matlab語(yǔ)言編制相應(yīng)的程序解出回歸方程的系數(shù)向量a，代入式(1)中即可得到發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)學(xué)模型。

1.2 汽車燃油經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算

汽車燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要有等速百公里油耗和多工況循環(huán)行駛百公里油耗。汽車行駛的多工況由等速、加速、減速和怠速等工況組合而成［9-10］。

(1)等速過程。由車速ua計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne，再根據(jù)汽車行駛方程計(jì)算轉(zhuǎn)矩Ttq。汽車的行駛方程式為:

式中，ig、io分別為傳動(dòng)比和主減速比;ηT為傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率;r為車輪半徑;G為整車重力;f為汽車滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;ua為汽車行駛車速;i為道路坡度;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為整車質(zhì)量;du/dt為行駛加速度。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩Ttq計(jì)算出功率Pe，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性模型計(jì)算出燃油消耗率be。

等速過程的燃油消耗量Q1(mL)為:

式中，γ為燃油的重度，汽油可取6.96～7.15 N/L，柴油可取7.94～8.13 N/L;t為等速時(shí)間。

(2)加速過程。由車速和加速度根據(jù)汽車行駛方程計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne、轉(zhuǎn)矩Ttq和功率Pe，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性模型計(jì)算燃油消耗率be。

汽車加速過程燃油消耗量Q2i為:

加速過程中，汽車的耗油量Q2是各DT時(shí)間內(nèi)耗油量Q2i的累積。

(3)減速過程。減速行駛時(shí)，油門松開，發(fā)動(dòng)機(jī)處于強(qiáng)制怠速狀態(tài)。其油耗量即為正常怠速油耗。故減速過程燃油消耗量Q3為:

式中，Qd為怠速燃油消耗率;t為減速時(shí)間。

(4)怠速過程。怠速時(shí)間為 t，燃油消耗量Q4為:

2 汽車燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度計(jì)算

汽車燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度是指某參數(shù)的變化對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響程度，即單位參數(shù)變化率引起的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的變化率。顯然，參數(shù)靈敏度是一個(gè)無(wú)量綱的量。

等速過程耗油量的參數(shù)靈敏度為:

3 實(shí)例分析

根據(jù)上述原理和計(jì)算公式，利用Matlab軟件自行編寫了燃油經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算程序。以某款微型車為實(shí)例進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算。該微型車空載質(zhì)量為1055 kg，排量為1.2 L的汽油機(jī)，最低轉(zhuǎn)速為800 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6400 r/min，最大功率為58.8 kW，主減速比為3.909，5檔變速器的傳動(dòng)比分別是 ig1=3.769，ig2=1.915，ig3=1.339，ig4=1，ig5=0.889，傳動(dòng)效率為 90%，車輪滾動(dòng)半徑0.273 m。

3.1 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

圖1為某微型車5檔等速百公里燃油消耗仿真曲線界面圖。圖2為6工況循環(huán)圖和某微型車在該工況下燃油消耗量仿真曲線界面圖。圖3為15工況循環(huán)圖和某微型車在該工況下燃油消耗量仿真曲線界面圖。

圖1 等速百公里燃油消耗仿真曲線界面圖

圖2 6工況燃油消耗量仿真曲線界面圖

圖3 15工況燃油消耗量仿真曲線界面圖

該微型車5檔等速百公里燃油消耗仿真結(jié)果與道路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示，結(jié)果表明計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與道路試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，可見該仿真程序的仿真結(jié)果具有較高精度。

表1 等速百公里燃油消耗仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 汽車燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度分析

影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的參數(shù)很多，如汽車總重力、傳動(dòng)系機(jī)械效率、滾動(dòng)阻力系數(shù)和空氣阻力因素等，而且各參數(shù)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響程度不一樣。圖4反映了傳動(dòng)效率對(duì)某微型車5檔等速百公里燃油消耗的影響。圖5反映了不同載荷下15工況燃油消耗的影響。

圖4 不同傳動(dòng)效率下等速百公里燃油消耗曲線

圖5 不同載荷下15工況燃油消耗曲線

為了進(jìn)一步明確汽車各參數(shù)對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響程度，進(jìn)行了燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 某微型車燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度計(jì)算結(jié)果

由表2可知，該微型車的燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度順序?yàn)閭鲃?dòng)效率、汽車總重力、滾動(dòng)阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積和風(fēng)阻系數(shù)。其中傳動(dòng)效率、汽車總重力、滾動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)3種工況油耗都有較大影響;風(fēng)阻系數(shù)和迎風(fēng)面積對(duì)5檔等速60 km/h和6工況的百公里燃油消耗量影響較大，而對(duì)15工況百公里燃油消耗量影響微弱。

4 結(jié)論

(1)用Matlab自行編寫了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真程序，以某微型車作為計(jì)算實(shí)例進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與該車整車試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明該程序的仿真結(jié)果有較高精度，可以對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(2)介紹了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度計(jì)算方法，并對(duì)某微型車進(jìn)行了燃油經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度分析，得出了不同參數(shù)分別對(duì)等速百公里油耗、6工況百公里燃油消耗量和15工況百公里燃油消耗量的影響程度。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)開始就掌握設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)汽車性能的影響，為優(yōu)選這些參數(shù)以降低油耗提供參考，為提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)成本打下基礎(chǔ)。

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