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      重型半掛牽引車燃油經(jīng)濟性提升研究*

      2022-03-01 06:38:38尤國貴蘇俊收陳太榮
      汽車工程 2022年2期
      關(guān)鍵詞:后視鏡消耗量風(fēng)扇

      尤國貴,蘇俊收,陳太榮

      (1. 合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,合肥 230009;2. 徐工集團(tuán)高端工程機械智能制造國家重點實驗室,徐州 221000;3. 徐工汽車事業(yè)部技術(shù)中心,徐州 221000)

      前言

      隨著全球能源短缺問題日益明顯,新的國家法規(guī)對油耗限值要求越來越嚴(yán)格。對于重型半掛牽引車來說,提升整車燃油經(jīng)濟性勢在必行。重型半掛牽引車的常用工況是高速工況,空氣動力學(xué)優(yōu)化對于提升整車燃油經(jīng)濟性有立竿見影的效果。雖各大主機廠和研究機構(gòu)對商用車空氣動力學(xué)的優(yōu)化方式多種多樣,但很多數(shù)值模擬計算缺乏同步的試驗數(shù)據(jù)支撐,以至于仿真數(shù)據(jù)的可信度需要試驗進(jìn)一步確認(rèn)。整車動力總成部件的參數(shù)組合方式直接決定了整車的節(jié)能潛力。而在發(fā)動機確定的情況下,變速器的參數(shù)和后橋傳動比對車輛的功率需求和燃料消耗量有重要影響。

      本文中通過對重型半掛牽引車后視鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,降低了車輛的風(fēng)阻系數(shù)。并以重型半掛牽引車的動力性和燃油經(jīng)濟性為目標(biāo)函數(shù),利用遺傳算法對牽引車的動力傳動系參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,使車輛的動力性和經(jīng)濟性達(dá)到最佳。同時優(yōu)化了電控硅油風(fēng)扇的控制策略。對優(yōu)化后的車輛進(jìn)行仿真分析和實車驗證,仿真結(jié)果和實車測試結(jié)果一致,車輛的燃油經(jīng)濟性相比于優(yōu)化前有明顯提升。

      1 重型半掛牽引車空氣動力學(xué)優(yōu)化

      重型半掛牽引車的燃油經(jīng)濟性取決于整車行駛阻力的大小。當(dāng)半掛牽引車的行駛車速超過80 km/h,空氣阻力占整車行駛阻力的2/3。對于常年行駛于高速上的重型半掛牽引車來說,減小整車風(fēng)阻,能夠有效減小車輛的行駛阻力。

      因Base 版本后視鏡迎風(fēng)阻力較大,為降低車輛的空氣阻力,對后視鏡的迎風(fēng)面曲率進(jìn)行了優(yōu)化。將原Base 版后視鏡替換為優(yōu)化后的整體式后視鏡,整體后視鏡引起的氣流分離較弱,優(yōu)化后的迎風(fēng)面積要小于原后視鏡面積。試驗結(jié)果顯示空氣阻力系數(shù)降低的效果較明顯,相比于Base版本后視鏡降低了12counts。并將整體式后視鏡應(yīng)用到新開發(fā)的車型中。圖1 為風(fēng)洞試驗Base模型。Base 版本后視鏡模型和優(yōu)化的后視鏡模型見圖2 和圖3。

      圖1 風(fēng)洞試驗Base模型

      圖2 Base版后視鏡模型

      圖3 優(yōu)化的后視鏡模型

      2 整車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

      在發(fā)動機已選定的情況下,汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)是車輛動力性和經(jīng)濟性優(yōu)化的重要方向之一。變速器參數(shù)與主減速比的選擇不僅要滿足車輛基本的動力性能要求,而且應(yīng)使車輛運行工況盡可能處于發(fā)動機萬有特性曲線的經(jīng)濟區(qū)域。通過優(yōu)化傳動系的速比實現(xiàn)動力性和經(jīng)濟性最優(yōu)匹配。使車輛在保證動力性要求的前提下,達(dá)到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性。整車基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

      表1 基礎(chǔ)車型配置參數(shù)

      2.1 目標(biāo)函數(shù)

      基于車輛的行駛工況,以綜合工況的燃油消耗量和固定擋位的加速時間作為車輛經(jīng)濟性和動力性的評價指標(biāo)來創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)。

      式中:為經(jīng)濟性權(quán)重系數(shù);為動力性權(quán)重系數(shù),+= 1;為綜合工況的燃油消耗量,L/100 km;為固定擋位加速時間,s。

      2.1.1 等速行駛工況燃油消耗量計算

      整個等速過程行程的燃油消耗量為

      折算成等速百公里燃油消耗量為

      式中:為發(fā)動機提供的功率,kW;為燃油消耗率,g/(kW·h);為等速行駛車速,km/h;柴油的值為7.94-8.13 N/L。

      2.1.2 加速行駛工況燃油消耗量計算

      在汽車加速行駛過程中,發(fā)動機還須提供克服加速阻力的功率。發(fā)動機提供的功率為

      式中:為空氣阻力系數(shù);為車輛迎風(fēng)面積,m;為整車重力,N;為車輛的傳遞效率;為滾動阻力系數(shù);為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

      在計算由以等加速度加速行駛至的燃油消耗量時,把加速過程分隔為若干個區(qū)間,速度每增加1 km/h 為一個小區(qū)間,每個區(qū)間的燃油消耗量可根據(jù)其平均的單位時間燃油消耗量與行駛時間之積求得。各區(qū)間起始或終了車速所對應(yīng)時刻的單位時間燃油消耗量Q,可根據(jù)相應(yīng)的發(fā)動機發(fā)出的功率與燃油消耗率求得:

      車輛行駛速度每增加1 km/h所需時間Δ為

      從行駛初速度加速至+1 所需燃油消耗量1為

      式中:Q為行駛初速度時,即時刻的單位時間燃油消耗量,mL/s;Q為行駛初速度+1 時,即時刻的單位時間燃油消耗量,mL/s。

      而車速由+1再增加1 km/h所需的燃油量為

      式中Q為車速+2 時,即時刻的單位時間燃油消耗量,mL/s。

      每個區(qū)間的燃油消耗量為

      整個加速過程的燃油消耗量為

      2.1.3 怠速停車時的燃油消耗量計算

      若怠速停車時間為,則燃油燃油量為

      式中為怠速工況單位時間的燃油消耗量,mL/s。

      2.1.4 整車循環(huán)工況的百公里燃油消耗量計算

      式中:()為時刻單位時間對應(yīng)的燃油消耗量,mL/s;為循環(huán)工況下的燃油消耗量,mL;為循環(huán)工況所行駛的距離,km;為整車循環(huán)工況百公里燃油消耗量,L;為循環(huán)所需時間;為循環(huán)平均車速。

      2.1.5 固定擋位的加速時間計算

      固定擋位的加速時間是以直接擋(速比為1的擋位)50-80 km/h的加速時間作為評價指標(biāo)。

      式中:=50 km/h,=80 km/h;為整車滿載總質(zhì)量,kg;為車輛驅(qū)動力,N;為車輛的滾動阻力,N;為車輛的空氣阻力,N。

      2.2 設(shè)計變量

      以變速器各擋速比和后橋速比作為設(shè)計變量,文中優(yōu)化的車型變速器具有12個前進(jìn)擋。表達(dá)式為

      式中:…、為變速器1 擋到12 擋的傳動比;為主減速器傳動比。

      2.3 約束條件

      在滿足交通部法規(guī)JTT719—2016《營運貨車燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)》限值要求的基礎(chǔ)上,本文也制定了新的燃油消耗量性能目標(biāo)值。GB30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》中對滿載49 t半掛牽引車燃油消耗限值要求為40 L/100km,此油耗限值的制定是基于C-WTVC 行駛工況測試而得。C-WTVC 是在世界商業(yè)用車輛瞬態(tài)循環(huán)的基礎(chǔ)上,調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)。C-WTVC循環(huán)由市區(qū)、公路和高速工況3 部分組成。為徐工企業(yè)自定的道路測試油耗限值。為C-WTVC工況下,臺架試驗油耗限值。

      (1)直接擋最大動力因數(shù)約束

      式中:為發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩,N·m;為變速器擋位速比;為車輛的傳遞效率;為車輪滾動半徑,m;為發(fā)動機輸出最大轉(zhuǎn)矩時對應(yīng)的車速,km/h;為發(fā)動機轉(zhuǎn)速,r/min;為主減速比。

      (2)最高車速的約束

      式中為車輛的最高車速,km/h。

      (3)最大傳動比約束

      式中:為行駛最大坡度角,%;為最大路面附著系數(shù);為驅(qū)動輪上的法向反作用力,N。

      (4)中間各擋傳動比約束

      變速器各擋位傳動比一般按照等比數(shù)列進(jìn)行分配,有利于發(fā)動機功率的充分利用。擋位數(shù)為12,數(shù)學(xué)表達(dá)式為

      基于目標(biāo)函數(shù)以C-WTVC 為車輛的循環(huán)工況,利用MATLAB 最優(yōu)化設(shè)計方法中的遺傳算法工具箱完成整車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。圖4 為遺傳算法的流程圖。

      圖4 遺傳算法流程圖

      遺傳算法的運算流程如下。

      進(jìn)行優(yōu)化求解,設(shè)種群的大小為=100;遺傳算法運算的終止進(jìn)化代數(shù):=200;交叉概率:=0.6;變異概率:=0.001;

      設(shè)計變量的上限為

      設(shè)計變量的下限為

      優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

      表2 優(yōu)化前后對比數(shù)據(jù)

      3 電控硅油風(fēng)扇控制策略優(yōu)化

      冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速主要根據(jù)發(fā)動機水溫、進(jìn)氣溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等來進(jìn)行控制。目前車輛使用的風(fēng)扇類型為電控硅油風(fēng)扇。

      如果電控硅油風(fēng)扇控制邏輯和標(biāo)定不合理會導(dǎo)致整車燃油消耗和噪聲較大,發(fā)動機溫度過高,從而會影響車輛的正常行駛。根據(jù)發(fā)動機的外部條件(水溫、進(jìn)氣溫度、空調(diào)等),通過優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制策略動態(tài)調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,使發(fā)動機盡可能工作在最佳溫度。在滿足整車散熱需求的前提下有效降低風(fēng)扇功率消耗,最終達(dá)到降低油耗且能降低發(fā)動機溫度的效果。

      圖5 為風(fēng)扇控制邏輯圖,圖6 為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊。

      圖5 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊

      圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制策略模塊

      風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制的模塊主要有兩部分組成,即風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計算模塊和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊。

      風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計算是根據(jù)當(dāng)前整車的冷卻需求,調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求。如發(fā)動機冷卻需求轉(zhuǎn)速的計算是冷卻水溫和發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過查表獲得,并根據(jù)不同的大氣壓力進(jìn)行修正。優(yōu)化的控制策略將更多影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的因素加入控制策略中,對于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速需求計算更為精準(zhǔn),保證了各部件處于高效狀態(tài)。根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求值和當(dāng)前風(fēng)扇的實際轉(zhuǎn)速差值,優(yōu)化前的轉(zhuǎn)速控制策略采用的是PI 閉環(huán)控制,優(yōu)化后的控制策略采用PID 閉環(huán)控制動態(tài)調(diào)節(jié)PWM(脈沖寬度調(diào)制)占空比,控制電控硅油風(fēng)扇離合器工作腔硅油量,實現(xiàn)一次風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),控制精度更高。

      當(dāng)風(fēng)扇控制PWM 占空比小于13%,可判斷風(fēng)扇斷開;當(dāng)風(fēng)扇控制PWM 占空比大于85%,判斷風(fēng)扇完全接合;當(dāng)PWM 占空比介于85%和13%之間風(fēng)扇處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。

      4 優(yōu)化設(shè)計方案驗證

      4.1 仿真結(jié)果驗證

      利用Crusie 軟件創(chuàng)建整車性能仿真模型,整車仿真模型如圖7所示。

      圖7 整車仿真模型

      將優(yōu)化前后的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)和風(fēng)扇控制策略進(jìn)行仿真對比分析,Simulink 控制策略模型經(jīng)過編譯器生成DLL 文件格式。將生成風(fēng)扇控制策略DLL 文件集成到Crusie 中進(jìn)行聯(lián)合仿真計算,對控制策略進(jìn)行虛擬驗證。聯(lián)合仿真的結(jié)果見表3。

      表3 系統(tǒng)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果

      根據(jù)表3 可知,在滿足車輛動力性能的前提下,系統(tǒng)優(yōu)化后的整車在C-WTVC 循環(huán)工況下的燃油消耗量降低了1.7%,常用車速80 km/h等速工況下,燃油消耗量降低2.1%。

      4.2 臺架試驗驗證

      與計算機仿真不同,現(xiàn)實中因資源條件限制,在選配變速器和后橋時,不能嚴(yán)格按照優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行變速器和后橋的速比選擇,只能選配最為接近優(yōu)化后的動力總成參數(shù)。利用重型轉(zhuǎn)鼓試驗臺,分別對優(yōu)化前后的車輛進(jìn)行油耗測試?;贑-WTVC循環(huán),按照GB T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》進(jìn)行試驗,如圖8 所示。試驗過程中,車輛運行狀態(tài)保持與C-WTVC 循環(huán)一致,速度偏差不超過±3 km/h。每次超過車速偏差的時間不超過2 s,累計不應(yīng)超過10 s。試驗結(jié)果見表4。

      圖8 重型轉(zhuǎn)鼓試驗臺

      表4 車輛優(yōu)化前后臺架油耗試驗結(jié)果

      從表4 可看出,空氣阻力系數(shù)、發(fā)動機附件功耗和動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的車輛,燃油消耗量相比原始車輛降低了2%。仿真計算的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)誤差小于5%,也進(jìn)一步驗證了仿真計算的準(zhǔn)確性。

      5 實車道路試驗驗證

      實車道路試驗中采用了VBOX整車性能測試系統(tǒng)和德國GREGORY Flowtronic Technology GmbH 公司制造的GREGORY Flowtronic 油耗儀系統(tǒng)。圖9為試驗車輛,滿載總質(zhì)量為49000 kg,圖10為試驗設(shè)備。

      圖9 試驗車輛

      圖10 試驗設(shè)備

      參照法規(guī)GB/T 12543—2009《汽車加速性能試驗方法》和GB/T 12544—2012《汽車最高車速試驗方法》進(jìn)行車輛動力性能測試。按照交通部推薦測試標(biāo)準(zhǔn)JTT 719—2016《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》在徐州周邊路段進(jìn)行燃油消耗量測試。將改進(jìn)后的車輛和基礎(chǔ)車型進(jìn)行道路對比測試,試驗結(jié)果如表5 所示。表5 表明,優(yōu)化后的車輛在滿足動力性能目標(biāo)要求的前提下,燃油經(jīng)濟性比優(yōu)化前有明顯提升。80 km/h等速工況燃油消耗量降低了3.8%,加速工況的燃油消耗量也有明顯降低。基于JT/T719—2016 的綜合工況,百公里油耗減少了1.14 L,相當(dāng)于降低了3%。

      表5 優(yōu)化前后車輛性能數(shù)據(jù)對比

      6 結(jié)論

      (1)針對目前市場上重型半掛牽引車燃油消耗量高的問題,通過優(yōu)化后視鏡的迎風(fēng)面曲率,將原Base 版后視鏡替換為改進(jìn)后的整體式后視鏡,降低了車輛的風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)洞試驗結(jié)果證明了優(yōu)化方案的可行性。

      (2)利用遺傳算法對整車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,對電控硅油風(fēng)扇的控制策略進(jìn)行改進(jìn),通過聯(lián)合仿真計算可得優(yōu)化后的車輛,在滿足動力性的前提下,C-WTVC循環(huán)工況燃油消耗量降低1.7%。

      (3)分別對基礎(chǔ)車輛和優(yōu)化后的車輛進(jìn)行實車性能測試。從臺架試驗結(jié)果可知,優(yōu)化了風(fēng)阻系數(shù)、發(fā)動機附件功耗和傳動系統(tǒng)參數(shù)的車輛,在CWTVC 循環(huán)工況下燃油消耗量降低2%。同時道路試驗結(jié)果顯示,優(yōu)化后的車輛在80 km/h等速工況燃油消耗量降低了3.8%,基于JT/T719—2016 的綜合工況燃油消耗量降低3%,優(yōu)化效果明顯。同時也驗證了本文優(yōu)化方案的可行性。上述方法對重型商用車的燃油經(jīng)濟性開發(fā)和提升具有一定的指導(dǎo)意義。

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