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(yán)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(biāo)值放寬系數(shù)為1時,企業(yè)傳統(tǒng)車負(fù)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(fù)積分呈現(xiàn)不斷增長的態(tài)勢。與此同時,“3060碳目標(biāo)”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。
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?xì)銽HC、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。
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。
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。
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(biāo)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。
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。
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(fù)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(fù)載以及控制等)。
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。
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(xì)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。
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。