汽车燃油经济性仿真与其参数的灵敏度分析

颜伏伍，胡 峰，田韶鹏，，袁智军

(1.武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070;2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

当前，世界各国把提高燃油经济性作为汽车研究设计中的重大课题。降低汽车油耗的途径有3个:一是设计或改进发动机性能，降低发动机各负荷特性上的燃油消耗率;二是在现有的发动机条件下，通过调整传动系参数，使得其与发动机特性能很好地匹配，从而降低油耗;三是减少汽车总重力，降低滚动阻力系数和空气阻力系数，提高传动系机械效率，从而降低油耗。笔者对汽车燃油经济性参数灵敏度分析就是确定汽车总重力、传动系机械效率、滚动阻力系数和空气阻力系数等参数对汽车燃油经济性的影响程度，明确哪些参数对油耗的影响较为显著，哪些参数影响不大，可根据灵敏度的大小选择最佳的整车参数，从而有效地改善汽车燃油经济性［1-4］。利用计算机仿真技术对汽车燃油经济性进行仿真模拟，能够给汽车设计或改进提供既迅速又经济的方法，使设计开发者在诸多设计方案中选择最佳方案，并且具有可比性好、重复性强的优点［5-6］。

1 汽车燃油经济性仿真模型的建立

1.1 发动机万有特性数学模型

发动机万有特性数学模型是整车燃油经济性仿真计算的重要依据。发动机万有特性的数学模型可以表示为［7-8］:

根据发动机万有特性试验数据，常采用多元线性回归的方法进行曲面拟合，把发动机的燃油消耗率be看作是发动机转速ne和有效转矩Ttq的函数，建立的回归模型为:

式中，{a0，a1，…，ak-1}为模型中待定系数;{e1，e2，…，en}为随机误差;n为万有特性试验观测点数;s为多项式的最高次幂;k为多项式级数，k=(s+1)(s+2)/2。

写成矩阵形式:

其中，M为n×k阶矩阵;be和e均为n×1阶向量;a为k阶向量。

按以上原理，用Matlab语言编制相应的程序解出回归方程的系数向量a，代入式(1)中即可得到发动机万有特性数学模型。

1.2 汽车燃油经济性模拟计算

汽车燃油经济性指标主要有等速百公里油耗和多工况循环行驶百公里油耗。汽车行驶的多工况由等速、加速、减速和怠速等工况组合而成［9-10］。

(1)等速过程。由车速ua计算发动机转速ne，再根据汽车行驶方程计算转矩Ttq。汽车的行驶方程式为:

式中，ig、io分别为传动比和主减速比;ηT为传动系的传动效率;r为车轮半径;G为整车重力;f为汽车滚动阻力系数;CD为空气阻力系数;A为迎风面积;ua为汽车行驶车速;i为道路坡度;δ为汽车旋转质量换算系数;m为整车质量;du/dt为行驶加速度。

根据转矩Ttq计算出功率Pe，然后根据发动机万有特性模型计算出燃油消耗率be。

等速过程的燃油消耗量Q1(mL)为:

式中，γ为燃油的重度，汽油可取6.96～7.15 N/L，柴油可取7.94～8.13 N/L;t为等速时间。

(2)加速过程。由车速和加速度根据汽车行驶方程计算发动机转速ne、转矩Ttq和功率Pe，然后根据发动机万有特性模型计算燃油消耗率be。

汽车加速过程燃油消耗量Q2i为:

加速过程中，汽车的耗油量Q2是各DT时间内耗油量Q2i的累积。

(3)减速过程。减速行驶时，油门松开，发动机处于强制怠速状态。其油耗量即为正常怠速油耗。故减速过程燃油消耗量Q3为:

式中，Qd为怠速燃油消耗率;t为减速时间。

(4)怠速过程。怠速时间为 t，燃油消耗量Q4为:

2 汽车燃油经济性参数灵敏度计算

汽车燃油经济性参数灵敏度是指某参数的变化对燃油经济性的影响程度，即单位参数变化率引起的汽车燃油经济性能指标的变化率。显然，参数灵敏度是一个无量纲的量。

等速过程耗油量的参数灵敏度为:

3 实例分析

根据上述原理和计算公式，利用Matlab软件自行编写了燃油经济性仿真计算程序。以某款微型车为实例进行燃油经济性仿真计算。该微型车空载质量为1055 kg，排量为1.2 L的汽油机，最低转速为800 r/min，最高转速为6400 r/min，最大功率为58.8 kW，主减速比为3.909，5档变速器的传动比分别是 ig1=3.769，ig2=1.915，ig3=1.339，ig4=1，ig5=0.889，传动效率为 90%，车轮滚动半径0.273 m。

3.1 燃油经济性仿真结果

图1为某微型车5档等速百公里燃油消耗仿真曲线界面图。图2为6工况循环图和某微型车在该工况下燃油消耗量仿真曲线界面图。图3为15工况循环图和某微型车在该工况下燃油消耗量仿真曲线界面图。

图1 等速百公里燃油消耗仿真曲线界面图

图2 6工况燃油消耗量仿真曲线界面图

图3 15工况燃油消耗量仿真曲线界面图

该微型车5档等速百公里燃油消耗仿真结果与道路试验结果对比如表1所示，结果表明计算机仿真结果与道路试验结果基本吻合，可见该仿真程序的仿真结果具有较高精度。

表1 等速百公里燃油消耗仿真结果与试验结果对比

3.2 汽车燃油经济性参数灵敏度分析

影响汽车燃油经济性的参数很多，如汽车总重力、传动系机械效率、滚动阻力系数和空气阻力因素等，而且各参数对燃油经济性的影响程度不一样。图4反映了传动效率对某微型车5档等速百公里燃油消耗的影响。图5反映了不同载荷下15工况燃油消耗的影响。

图4 不同传动效率下等速百公里燃油消耗曲线

图5 不同载荷下15工况燃油消耗曲线

为了进一步明确汽车各参数对汽车燃油经济性的影响程度，进行了燃油经济性参数灵敏度计算，计算结果如表2所示。

表2 某微型车燃油经济性参数灵敏度计算结果

由表2可知，该微型车的燃油经济性参数灵敏度顺序为传动效率、汽车总重力、滚动阻力系数、迎风面积和风阻系数。其中传动效率、汽车总重力、滚动阻力系数对3种工况油耗都有较大影响;风阻系数和迎风面积对5档等速60 km/h和6工况的百公里燃油消耗量影响较大，而对15工况百公里燃油消耗量影响微弱。

4 结论

(1)用Matlab自行编写了汽车燃油经济性仿真程序，以某微型车作为计算实例进行了仿真计算，计算结果与该车整车试验结果基本吻合，说明该程序的仿真结果有较高精度，可以对汽车燃油经济性指标进行预测。

(2)介绍了汽车燃油经济性参数灵敏度计算方法，并对某微型车进行了燃油经济性参数灵敏度分析，得出了不同参数分别对等速百公里油耗、6工况百公里燃油消耗量和15工况百公里燃油消耗量的影响程度。设计者在设计开始就掌握设计参数对汽车性能的影响，为优选这些参数以降低油耗提供参考，为提高设计效率，减少设计成本打下基础。

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