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基于Cruise的共轨直喷柴油车的性能及CO2排放的优化
摘要：为了应对因全球气候变暖而导致的全球经济朝着清洁能源方向发展以及各汽车厂正在研究的提高汽车效率，直喷类柴油发动机变得流行起来。提高汽车的整车性能和减少CO2的排放对于达到燃油经济性这一目标是必须的。
选择一款涡轮增压共轨直喷柴油发动机作为研究对象，研究其在典型工况（UDC,EUDC和BS IV）下的平均油耗值和性能表现。实施实验以收集整车性能和燃油经济性测试数据。
运用仿真工具可以加速产品的开发过程以及更快的将新产品投入到市场中。在一款车型早期的开发阶段，AVL Cruise仿真技术能够让我们加快整车及传动系参数的优化。这种仿真模型常被用于汽车的参数研究。许多设计迭代执行减少产品开发时间。
利用AVL Cruise建立一个手动前驱汽车三维仿真模型和分析，与实验结果进行了详细的比较分析。结果表明，车辆的燃油经济性是一个与车辆质量，空气阻力和发动机效率有关的函数。同样的模型通过优化车辆和动力总成仿真参数，被进一步用于预测新车型的性能和燃油经济性。
引言
内燃机所产生的温室气体主要有CO2，N20和CH4。从燃烧的观点来看，CO2被认为不是污染物，因为污染物的完全燃烧会导致高CO2排放量。在另一方面，从环境的观点来看，二氧化碳被认为是一种重要的污染物[1]。在世界上的某些地区，近25%的CO2排放量与汽车有关，因此，提高燃料效率和减少CO2排放量成为了首要目标[ 2 ]。
在这种情况下，柴油车与汽油车相比， 燃油经济性好约20-30%，并且具有更少的CO2排放量 [ 3 ]。共轨系统在柴油机中的运用是十分重要的，它具有提高柴油机减少CO2排放量的潜力。
涡轮增压技术被广泛地用于提高功率输出和燃油经济性。除此之外，技术创新像高压喷射，喷油定时和共轨系统的多点喷射对增强功率，提高燃料经济性及降低排放起到了重要作用。
车辆仿真技术被用来评估搭配各种发动机的汽车的燃油经济性[ 4 ]。通过采用基于仿真的设计，开发时间和成本可以大大降低。预测性的车辆系统仿真可以允许创建和测试各种条件下的虚拟汽车，并且能够在构建原型之前，指导每一个组件的设计[5]。
基于AVL CRUISE的汽油发动机的仿真过程已被广泛研究，并已被证明能够为汽车的性能和燃油消耗提供值得信赖的预测，仿真结果与实测值接近，差异低于5%[ 8 ]。
Cruise是一款用于汽车的系统模拟器-为我们的目标寻求最优解。该模拟器可以应用于从早期概念阶段到验证阶段的开发过程中。这个模拟器的主要优点是能够评价各参数的灵敏度。AVL Cruise也能用于评价新概念车型如混合动力电动汽车（HEV）、燃料电池汽车等。
Cruise模拟车辆的燃料消耗，排放，爬坡能力和加速性能。Cruise通常用于动力总成和整车开发流程，优化油耗，排放，驾驶性能和分析不同品种的车辆和动力总成配置。
测试车辆和发动机特性
测试车辆的主要设计特点见表1，测试发动机的主要设计特点见表2。
（表1在本页最后一节之后）。
（表2在本页最后一节之后）。
测试车辆的能量消耗
三个最主要的阻止车辆运动的阻力如下：
bull;气动或空气阻力
bull;坡度阻力，这可以是正或负
bull;滚动阻力
上述三个阻力叫做车辆的总行驶阻力（FW）。滚动、坡度阻力与车速无关，而空气阻力取决于车辆速度。
当车辆匀速行驶时，驱动力或牵引力，必须和阻碍汽车运动的三类可变力的总和恰好平衡。如果它较大，车将加速行驶；如果它较小，它将减速，直到达到新平衡。因为两个力随着速度变化，这种平衡最终将建立[6]。
滑行试验
有效空气动力学是整车设计的一个重要组成部分。这使得汽车制造商在他们的车辆通过滑行试验发展空气动力学。滑行试验在标准测试条件下对车辆进行测试，以获得实际阻力值。这个试验是在受控条件下进行的，以汽车从某一车速至另一车速的滑行时间来衡量空气动力学和道路阻力的影响，试验过程中，发动机位于空挡。试验中，轮胎边界与道路状况均是干的。
功率平衡方程式为：
图1.测试车辆的消耗功率
汽车所需的驱动功率与速度的立方成正比，即速度提高一倍则需要八倍功率 [7]。当可用功率电源与车辆行驶所需功率相等时，速度将是恒定的。加速和爬坡时则需要额外的功率。当没有额外功率时，车速达到最大速度值。
图1所示的是进行滑行试验时，车辆功耗与速度的关系。功率消耗（PW）与总行驶阻力（FW）成正比。随着车速的增加，行驶阻力也增加，因此，汽车的功耗也随之增加 [8]。 当车速超过60km/h时，汽车的功耗急剧增加。这主要是由于空气阻力的增加，而空气阻力与速度的平方成正比，高速时，空气阻力在行驶阻力中占重要组成部分。
发动机性能特性
发动机的性能取决于在速度跟负载都处于合理范围内的任一工况中，功率、速度和这一工况下的燃油消耗之间的相互关系 [9]。
发动机功率——扭矩特性图
图2所示为涡轮增压共轨直喷柴油发动机功率——转矩特性曲线。功率和扭矩取决于发动机的排量[10]。涡轮增压排气的优点是：
bull;给定条件下输出功率大量增加
bull;有效的发动机转速范围内改善扭矩曲线。
bull;相对于自然吸气发动机，相同的输出功率下，耗油量显著改善。
bull;改进废气排放
图2.测试发动机的动力转矩特性
有效燃油消耗率
有效燃油消耗率（BSFC）是燃料消耗量除以功率。BSFC是反映发动机性能的重要参数。它与发动机的热效率成反比[9]。图3所示为实验中真实柴油机所测得的BSFC值。随着功率的增加，BSFC先减小到一个最佳的工作点，在这之后开始增加。BSFC随着负荷和速度的变化而变化[10]。实测数据表示，单个发动机转速和已在模型中使用的曲线簇，含有其他发动机速度等效数据。
图3.发动机有效燃油消耗率
辅助能量消耗
发电机
交流发电机被用于对电池进行充电，当发动机运行时，并对车辆电气系统供电。车用交流发电机的效率受风扇冷却损失、轴承损耗、铁损、铜损和在二极管桥的
图4.发电机的功耗
电压降的限制;在部分负荷时，效率为50-62％之间，这取决于交流发电机的尺寸，并且随着交流发电机转速的变化而变化[28]。图4所示为发电机的功耗随转速的变化关系。交流发电机的皮带轮比为2.2。
动力转向
液压动力转向（HPS）使用一个由发动机驱动的泵供给液压压力来辅助转动转向轮的运动。图5所示为动力转向的功耗与泵速的关系。系统的效率为50％，是包括机械和液压损失。动力转向泵的皮带轮比为1.4。
图5.动力转向泵的功耗
车辆性能仿真
车辆性能仿真可用于评估车辆的加速能力，操纵稳定性，爬坡能力，最高车速，燃油经济性和二氧化碳排放量。Cruise常用于传动系统和发动机开发，计算和优化以下参数[11]：
bull;燃油消耗和废气排放
bull;驾驶性能（加速，操控稳定性）
bull;传动比。
滑行试验得到的道路负载阻力值和发动机的功率——转矩、燃油消耗率特性，将这些应用于Cruise的仿真模型中，预测车辆的性能和燃油经济性。
基于Cruise的汽车模型
图6所示为一个手动档前轮驱动车辆的cruise仿真模型。它由以下几部分组成：车身，发动机，摩擦离合器，手动5速变速箱，主减速器，制动系统，驾驶舱，轮胎等。发动机配件如发电机和功率转向泵，它们的寄生功率损耗被包含在车辆模型。车辆在无交流电时工作;因此交流压缩机不包括在这个仿真模型中。
（参见图6本页最后部分之后）。
车辆设计对燃油消耗和性能的影响
下面提到的油耗方程根据三组不同的因素区分：[12]
bull;发动机
bull;传输
bull;外部阻力因素。
有效燃料消耗率可以由发动机万有特性图上某一速度跟负载下对应的点确定。下面的等式定义了驱动力和行驶阻力的平衡关系，这些阻力决定了诸如加速时间，最高速度，爬坡度等性能[12]。
可用功率=驱动轮的行驶阻力功率（即需求功率）
（3）
整车和动力系统参数的选择
动力系统参数匹配是通过对整车动力参数的最佳组合的确定，优化车辆燃油经济性的技术。发动机低转速能最大程度地减少来自于轴承、活塞、阀齿轮和油泵的发动机摩擦。为了获得最佳的燃油经济性，发动机排量必须大小适当，以避免或在规定的行驶循环下，减少在后备功率大的区间运行。传动系在提供最佳传动比和换挡时间点上有着重要作用，而这些点的选取都是遵循尽可能接近实际的发动机转速和转矩的最佳油耗组合[13]。
对1档齿轮传动比进行优化以提高爬坡性能，对第二和第三档齿轮传动比进行优化以提高加速和操控性性能，以及对第四和第五档的传动比进行优化以提高燃油经济性和减少二氧化碳排放量。轮胎尺寸的选择是基于轮胎的承载能力和装载要求选定。对空气阻力系数（CD）的优化是以实现燃油经济性和最高车速性能指标为目的。对发动机全负荷功率扭矩特性进行优化以满足车辆的加速和爬坡能力要求，对部分负荷燃油消耗率特性进行优化以实现燃油经济性和二氧化碳排放指标。
1.加速和操纵性能的时间和距离
当车辆加速时，它的转动部分也将产生角加速运动，加速度大小取决于它们的转动惯量和传动系上的传动比。为得到速度从V1至V2车辆加速所需时间，可通过积分下列公式计算：
该车辆速度从V1的加速至V2所行驶的距离S，可以通过积分下列公式计算：
图7.测试车辆的加速度的特性
图8.在3档驾驶性特征
图7和8所示为试验车辆的加速度和驾驶性能（第三档）的时间——距离和时间 ——速度曲线。加速和操纵性能主要取决于试验发动机的全负荷速度功率特性。在评估最小加速时间和距离时，发动机通常假定在满负荷条件下也运转。应当注意的是，加速期间换挡时都需要一定的换挡时间。对于手动变速器，换挡会造成1-2S延迟;对于自动变速器中，延迟通常是0.5-1s。为了使得到的预估加速时间和距离值更精确，这些延迟应该被考虑到[14]。选定第3档来评价操纵性能是因为它是在正常驱动条件最经常使用的传动比。
2.爬坡能力
车辆在满载条件下所能通过的最大百分比等级坡度被称为爬坡能力[7]。图 9所示为在1档时，爬坡性能相对于车速的变化。爬坡性能主要取决于试验发动机的全负荷速度转矩特性。车辆的最大爬坡能力由操作速度期间可用的净牵引力决定的。应当指出的是，由轮胎路面附着特性所限定的牵引力的极限值绝定了车辆的最大爬坡度。
图9.在1档爬坡性能
3.最大速度
图10.车辆最大速度性能
图10所示为每一档驱动力功率与路面阻力功率随汽车速度变化的曲线图。驱动力功率与路面阻力功率的交点对应的车速确定了汽车行驶的最高车速。这里，在车辆的最高速度是约160KMPH，在5档取得。
4.燃油经济性
影响燃油消耗的最重要的参数分为以下几种：[15]
bull;发动机特性
bull;传动系统特性
bull;整车重量
bull;空气动力学
bull;滚动阻力
bull;驾驶循环工况
bull;驾驶习惯
试验发动机的测量发动机特性图如图2和图3所示。输出功率相同时，在低转速和高扭矩下工作总是比在较高转速和更低的转矩下工作具有更高的燃油经济性。实际上，燃料效率取决于传动装置和拖挂特征。使用比所需档位更低的档行驶，就会造成燃油浪费。在手动档车上，要求在换挡以提高燃油经济性时，不得使用急加速。激进驾驶时，车辆会消耗更多的燃料。正确的方法是加速缓慢且顺利，然后尽快进入高挡。
燃油切断
燃料切断是发动机处于推力运行时，被用来关闭的燃料喷射的一项技术。有了这个技术，燃料消耗可被降低。燃料切断当且仅当负荷信号是零时被激活。关于燃料切断，两个速度是必要的，以造成一个迟滞现象，使得燃料切断在短时间内并不总是被激活或失效。这个选项的选择将激活输入，用上述怠速转速差的转速上限和下限限制[11]。
a．最低极限车速
这个速度是最低的速度可达该速度时，燃料切断系统将工作。如果发动机转速低于该低的速度，燃料切断被停用（即，燃料开始再次注入）。
b．最高极限车速
这是在该燃料切断系统将被激活的速度（即燃料喷射被停止）。
图11所示为在BS IV（巴拉特IV代）行驶循环下各档均处于最高效时车速的范围。通过改变档位从低到相对较高的位置以及车速的变化提高燃油经济性。第4和第5档是超速档。使用超速档的优点是可以提升燃油经济性。在超速档下，传动系允许传动比低于1:1，这样就使得汽车在高速上行驶时，发动机以较低的转速运转，从而提高燃油经济性。当车辆速度为50〜70 KMPH时，第四档是最省油档。当车速为70~90 KMPH时，第五档是最省油的。这主要是由于超速档的效果。
图11.BS IV循环下的燃油经济性曲线
车辆测试
为了模拟结果与实际实验结果关联，下列试验是在标准试验条件下进行的整车级别试验
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