某分时四驱越野车关键系统能耗分析

2020-09-17

小型内燃机与车辆技术 2020年4期

（北京北汽越野车研究院有限公司北京 101300）

引言

越野车又称Off Road 车辆，一般具备质量大，越野能力强，四驱（分时、适时或全时）行驶几个显著特点，也正因为这些特点，造成越野车的另一个突出特点：油耗高。影响整车油耗大小的主要因素包括整车质量及尺寸、发动机本身的能耗水平以及关键系统能耗损失。

本文重点研究一款分时四驱越野车各关键系统的能耗，一般整车能量流分析工作是通过仿真分析的方法进行[1],本文将介绍通过试验手段分析整车在不同工况下的关键系统的能耗情况，结果更准确。根据实测结果可以指导后期仿真分析模型的优化，并为实际车型开发提出有效的能耗优化建议。

1 测试方案介绍

1.1 能量流基本理论

一般情况下，车辆在平直路面行驶时，整车阻力主要包括滚阻、风阻以及加速阻力[2]，严格来说，还应包括传动系统内阻，尤其对于四驱车型，传动链比较长，整车传动系统内阻的研究就显得更为重要。

从整车能量管理角度，燃油燃烧产生的能量消耗主要包括发动机自身能耗[3]冷却系统及散热系统能耗、传动系统能耗以及车辆用来行驶的阻力能耗[4]。

1.2 传动系统传感器布置方案

为保证各系统能准确地反映在实车状态下的真实能耗，各系统能耗测试均在整车状态下测试，通过在传动系统不同位置布置转矩传感器，测试不同部位的实时转矩，结合设备测试的实时转速，最终计算出不同部位的能耗，整车传动系统转矩传感器布置方案如图1 所示。

图1 传动系统传感器布置方案

其中，▲表示发动机转矩传感器，用于测试发动机在整车状态下实际的飞轮端转矩；●表示传动轴转矩传感器，用于测试前后传动轴及前驱动半轴在整车状态下实际的转矩；◆表示轮端转矩传感器，用于测试4 个车轮轮端的实际的转矩。

1.3 冷却系统传感器布置方案

冷却系统能耗是通过在冷却系统中安装流量传感器、压力传感器以及温度传感器，检测主要管路的冷却液变化参数，通过计算得到冷却系统的能耗，即热损耗。整车冷却系统相关传感器布置方案如图2所示。

图2 冷却系统传感器布置方案

其中，◆表示流量传感器，用于测试不同冷却管路的流量变化；■表示温度传感器，用于测试不同冷却管路的温度变化；●表示压力传感器，用于测试不同冷却管路的压力变化。

此外，在发动机排气歧管布置温度传感器以及流量传感器，用来测试发动机的排气能耗损失。试验过程中，同时监测电机及电池的电流和电压，用来测试低压电器负载能耗。

1.4 测试工况及测试内容

按照以上测试方案，结合车型实际行驶工况及油耗法规工况，测试以下工况的传动系统能耗。

1.4.1 滑行工况此工况是整车在实际道路的平直路面车速从130km/h～0 空挡滑行的测试工况。

1.4.2 NEDC 工况

此工况是当前乘用车综合油耗测试工况，包括4个市区工况和一个市郊工况，工况运行总时间为1 180 s，累计总里程11 km[5]，工况循环图如图3 所示。

1.4.3 WLTC 工况

此工况是当前乘用车国六排放测试工况，包括低速段、中速段、高速段和超高速段4 部分组成，工况运行总时间为1 800 s,累计总里程约23 km[6],工况循环图如图4 所示。

图3 NEDC 工况循环图

图4 WLTC 工况循环图

2 测试结果

2.1 滑行工况整车及系统能耗

整车滑行工况主要研究整车传动系统能耗，按照传感器的布置方案，整车滑行阻力包括风阻、滚阻、变速器+分动器阻力、后桥阻力、前传+前差速器阻力、前半轴+前轮毂阻力以及制动拖滞阻力，各系统能耗如图5 所示。

图5 滑行工况各系统能耗

试验测得，整车130 km/h～0 的整车滑行工况中，风阻能耗占比39%，滚阻能耗占比35%，变速器及分动器能耗占比9%，后桥能耗占比5%，前半轴+前轮毂能耗占比6%，前传+前差速器能耗占比4%，制动拖滞能耗占比2%。

通过对此款分时四驱整车滑行阻力进行测试，得出此车型整车阻力特点如下：

1）整车风阻和滚阻占整车阻力的74%，传动系统内阻占整车阻力的26%；

2）整个传动系统因前传动轴、前主减差速器、前半轴及前轮毂带来的阻力能耗占整车阻力能耗的10%；

2.2 等速工况整车系统能耗

整车等速行驶工况中，各系统能耗如图6 所示。

图6 等速工况各系统能耗

等速行驶过程中，随着车速增加，传动系统能耗占比降低，滚阻能耗降低，风阻能耗增加，车速在55 km/h 以下时，整车滚阻能耗大于整车风阻能耗；车速在55 km/h 时，风阻与滚阻带来的能耗相当，随着车速的继续增加，风阻的能耗占比越来越大。

2.3 NEDC 工况测试结果

整车在环境舱内，按照法规要求，测得NEDC 工况中各系统能耗如图7 所示。

试验测得，整个NEDC 工况中，发动机排气能耗损失占28.6%，发动机热辐射能耗占比39.6%，发动机自身摩擦能耗占比3.9%，发动机电器附件能耗占比1.3%,发动机实际飞轮端有效输出能量只有26.6%。从发动机飞轮端到车轮端，变速器+分动器能耗占比5.3%，车桥及轮毂能耗占比3.6%。最终，NEDC 工况中，实际传递到车轮端用来驱动车辆前进的有效能量只占总燃油的17.7%。

图7 NEDC 工况各系统能耗

2.4 WLTC 工况测试结果

整车在环境舱内，按照法规要求，测得WLTC工况中各系统能耗如图8 所示。

图8 WLTC 工况各系统能耗

试验测得，整个WLTC 工况中，发动机排气能耗损失占29.6%，发动机热辐射能耗占比39.5%，发动机自身摩擦能耗占比2.9%，发动机电器附件能耗占比0.9%,发动机实际飞轮端有效输出能量只有27.1%。从发动机飞轮端到车轮端，变速器+分动器能耗占比3.9%，车桥及轮毂能耗占比3.0%。最终，WLTC 工况中，实际传递到车轮端，用来驱动车辆前进的有效能量只占总燃油的20.2%。

通过对此款分时四驱整车NEDC 工况和WLTC工况能耗进行测试，得出此类车型在NEDC 工况和WLTC 工况中的能耗特点如下：

1）两个工况中，实际传递到车轮端，用来驱动车辆前进的有效能耗只有17%～20%。

2）WLTC 工况虽然比NEDC 工况剧烈，但WLTC工况实际传递到车轮端的有效能耗比NEDC 工况多2.5%，主要原因是WLTC 工况更多地利用了发动机的高效区域。