WLTC工況下的能量流分解及仿真優(yōu)化

姜宏霞，林 歡，何 潤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著政府管理方式不斷變革、汽車市場和技術(shù)的快速發(fā)展以及跨產(chǎn)業(yè)融合態(tài)勢日益深化，汽車節(jié)能與環(huán)保工作面臨新的形勢和挑戰(zhàn)，是汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。同時，國家法規(guī)對汽車的節(jié)能與環(huán)保要求越來越嚴格，企業(yè)面臨的雙積分壓力也越來越大，綜合油耗申報從歐盟提出的新歐洲駕駛循環(huán)周期（New European Driving Cycle, NEDC）切換到全球輕型汽車統(tǒng)一測試循環(huán)（World Light-car Testing Cycle, WLTC）后，行業(yè)預(yù)估WLTC平均油耗較NEDC增加7%～15%，至2025年目標值放寬系數(shù)為1時，企業(yè)傳統(tǒng)車負積分會進一步加劇，且傳統(tǒng)車油耗下降緩慢導(dǎo)致油耗負積分呈現(xiàn)不斷增長的態(tài)勢。與此同時，“3060碳目標”即2030年實現(xiàn)全國碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和的推出，加劇汽車行業(yè)的壓力。

油耗作為使用階段碳排放考核的重要因子，在此背景下，傳統(tǒng)車降油耗迫在眉睫，基于能量流的傳統(tǒng)車能耗分析手段也顯得非常重要。

能量流分析是識別燃料中熱能能量傳遞路徑，確定技術(shù)或策略對發(fā)動機、變速器、冷卻系統(tǒng)等各子系統(tǒng)運行過程影響的有效工具。此前，使用能量流方法對內(nèi)燃機效率提升改進有明顯的效果，對氫燃料渦輪增壓發(fā)動機中不同參數(shù)對能量分布的影響進行分析。結(jié)果表明，隨著點火時間接近上止點（Top Dead Center, TDC），點火當(dāng)量比的增加，冷卻系統(tǒng)能量所占比例降低，而排氣能量所占比例增加，很多學(xué)者僅停留在對于穩(wěn)定工況下發(fā)動機本體的能量流分解及研究，對于瞬時工況的整車能量流研究甚少。

本文基于WLTC研究某機械式無級自動變速器（Continuously Variable Transmission, CVT）整車狀態(tài)下的能量損失，建立Amesim能量流仿真模型，通過試驗數(shù)據(jù)對模型進行校對，并根據(jù)能量流方法計算整車子系統(tǒng)的能耗分布，提出改進措施通過仿真手段預(yù)估節(jié)油率，從而達到整車降油耗目的，提出實車驗證優(yōu)化方向，為節(jié)能降耗提供可靠的理論支撐和分析驗證工具。

1 能量流計算原理

整車驅(qū)動的總能量來源于液體燃料即燃油，燃油進入缸內(nèi)后燃燒產(chǎn)生的能量，能耗分解共分為10級，能量平衡關(guān)系為

式中，為整車驅(qū)動的總能量；為未燃化學(xué)能；為排氣焓增；為散熱器換熱能量；為暖通系統(tǒng)換熱能量；為增壓器系統(tǒng)換熱能量；為泵氣損失；為發(fā)動機摩擦及附件功耗；為半軸有效功；為傳動效率損失；為余項損失。

燃油總能為

式中，˙為汽油燃油質(zhì)量（可采用燃油流量計測試值或者碳平衡計算值）；為汽油燃油的低熱值，一般取44 MJ/kg。

未燃化學(xué)能為

式中，為過量空氣系數(shù)；和分別為排氣中未燃組分（碳氫THC、一氧化碳CO）質(zhì)量及低熱值。

排氣焓增為

冷卻系統(tǒng)傳熱為

泵氣損失為

式中，為泵氣損失壓力；為發(fā)動機每缸的工作容積；為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；為發(fā)動機缸數(shù)；τ為沖程數(shù)。

發(fā)動機摩擦及附件功耗為

式中，為摩擦損失壓力。

半軸有效功率為

式中，為半軸轉(zhuǎn)速（通過車速計算得到）；為半軸扭矩。

傳動系統(tǒng)損失為

式中，為傳動系統(tǒng)損失，為傳動系統(tǒng)效率。

以上能耗均得出后，余項損失通過式（1）計算，主要包括機體儲熱、機艙內(nèi)的對流換熱、熱輻射。

2 試驗方法及能耗分解

2.1 試驗工況

整車試驗選用的道路循環(huán)工況為WLTC，工況時間為1 800 s，包含低速、中速、高速、超高速四個階段。WLTC工況運行如圖1所示。

2.2 傳感器布置

為了分析評估整車能耗分布，在測試過程中全面監(jiān)測整車運行狀態(tài)，在氣路、水路、油路等關(guān)鍵位置布置溫度、壓力、流量計等傳感器，圖2為水路傳感器安裝示意圖。

2.3 能耗分解

該整車能量流測試中將能量流分解為9項，其中的余項損失為非直接測量值，即燃油總能減去其他8項測試結(jié)果之和，主要包括發(fā)動機機艙內(nèi)的表面對流、輻射換熱以及循環(huán)過程中的系統(tǒng)儲熱（機體、冷卻水、機油）。

將研究車型實測能量流測試數(shù)據(jù)代入上述能量流理論計算公式，即可得到瞬態(tài)能量分布，如圖3所示。

結(jié)合WLTC循環(huán)實測半軸有效功率占比可知，該車型輪端有效功率占比為19.92%，其余的能量以不同形式的能量消耗，結(jié)合發(fā)動機的工作狀態(tài)、熱效率及發(fā)動機摩擦損失占比來看，發(fā)動機的熱效率為25.90%，余項損失占比和排氣損失（排氣焓增+燃燒損失）分別為19.08%和31.21%。根據(jù)能耗分布情況，排氣焓增（26.6%），余項損失（19.1%），換熱損失（14.4%）占比較大，其主要影響的性能指標為發(fā)動機水溫溫升、變速器油溫溫升、起燃過程、怠速油耗、傳熱損失、未燃化學(xué)能、附件功耗優(yōu)化方向。

3 整車系統(tǒng)仿真模型的建立及優(yōu)化

3.1 整車系統(tǒng)參數(shù)輸入

本次樣車選用前置前驅(qū)自動變速器CVT車型，搭載增壓發(fā)動機，配有傳統(tǒng)的機械水泵、節(jié)溫器、風(fēng)扇等傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，試驗樣車的主要參數(shù)如表1所示。

3.2 整車系統(tǒng)模型建立

基于Amesim軟件建立模型，該模型由整車模型、熱管理系統(tǒng)、電器附件三部分組成，如圖4所示。整車模型主要為整車縱向動力學(xué)模型，包括駕駛員模塊、發(fā)動機及其控制模塊、傳動系統(tǒng)模塊（包括液力變矩器、CVT、主減等）以及整車模塊。熱管理系統(tǒng)主要提供水、油管理，為發(fā)動機提供正常運行邊界，包括缸體/缸蓋換熱模塊、冷卻系統(tǒng)（包括節(jié)溫器、散熱器、暖風(fēng)、油冷器等）、空調(diào)系統(tǒng)（壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、乘員艙等）。電器附件主要模擬整車用電負荷以及電池狀態(tài)相關(guān)場景（主要包括發(fā)電機、電池、相關(guān)用電器負載以及控制等）。

3.3 整車系統(tǒng)模型仿真結(jié)果分析

主要從發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、出水溫度、瞬時油耗進行對比，仿真與測試數(shù)據(jù)基本一致，如圖5—圖8所示。

3.4 仿真優(yōu)化

根據(jù)能耗分解占比及可實施性，對發(fā)動機溫升、怠速油耗兩個方向進行詳細分析，并提出中期改進優(yōu)化方向。

3.4.1 優(yōu)化發(fā)動機水溫溫升歷程

通過加快發(fā)動機水溫溫升速率來提高發(fā)動機的熱效率，無采暖需求時，切斷暖風(fēng)流量。優(yōu)化前累計油耗約1 449 g，優(yōu)化后累計油耗約1 434 g，油耗改善了15 g，改善率約1%，優(yōu)化前后差異如圖9—圖11所示。

3.4.2 優(yōu)化怠速油耗

通過增加怠速空擋，降低整車怠速油耗，仿真時，在變速器前增加離合器，怠速時脫開，切斷發(fā)動機動力輸出。優(yōu)化前累計油耗約1449 g，優(yōu)化后累計油耗約1 420 g，油耗改善29 g，改善率約2%，優(yōu)化前后差異如圖12所示，結(jié)果顯示，在怠速位置瞬時油耗明顯低于優(yōu)化前。

3.4.3 其他優(yōu)化方向

其他優(yōu)化方向節(jié)油率如表2所示。

4 結(jié)論

基于能量流理論分析整車能耗分布，對整車能耗進行分解，并建立整車能量流模型，用于指導(dǎo)能耗優(yōu)化。分別從整車行駛需求、工況歷程、傳熱損失、未燃化學(xué)能以及發(fā)動機附件功耗幾個方面對整車能耗提出了相關(guān)優(yōu)化建議，并對各優(yōu)化方案進行了優(yōu)化仿真分析。

結(jié)合各單變量優(yōu)化結(jié)果，進行組合優(yōu)化方案仿真分析，最終可得到約10%的油耗改善率。

能量流理論及仿真分析方法，為后續(xù)的實車降油耗驗證環(huán)節(jié)提供降油耗方向及明確的工程實施建議，并可以針對項目不同階段提出不同的優(yōu)化方向。