基于AVL CRUISE的某款轻型商用车降油耗方案分析.docx
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基于AVLCRUISE的某款轻型商用车降油耗方案分析
基于AVLCRUISE的某款轻型商用车
降油耗方案分析
巫绍宁杨晓
（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州）
摘要：
本文针对国内某款轻型商用车在使用过程中，带空调的情况下超速档位油耗偏高的问题进行原因分析，并运用整车性能匹配分析软件AVLCRUISE进行理论计算，讨论上述问题的解决方案，进而通过试验验证了方案的可行性及所能取得的效果，为其他车型开发过程中类似的问题提供借鉴。
关键词：
油耗AVLCRUISE方案分析
油价持续走高，带来的最明显的变化就是用车成本增加，财政部、国家税务总局近日发出通知，决定从2008年9月1日起调整汽车消费税政策。
大排量乘用车消费税税率提高，小排量乘用车消费税税率降低。
调整汽车消费税政策，旨在鼓励小排量汽车的生产和消费，有利于降低燃油消耗、减少空气污染，促进国家节能减排工作目标的实现。
随着国家排放法规的日益严格，燃油资源的紧缺，对汽车的排放和经济性的要求也更加严格。
同时，相关机构正在研究下一阶段的乘用车燃料消耗量限值标准。
这将会比现行标准更严格，也将促使各整车生产企业在车型开发过程中更加注重车辆性能的合理匹配及先进技术的结合运用来降低车辆的使用油耗，而在目前的大环境下，良好的经济性能这不失为一款车型吸引消费者的亮点。
1．某款车整车基本参数/油耗试验结果
该款车型配置的是1.2L的发动机，五档手动变速器，其中第5档为超速档，整车基本参数见表1，油耗测试结果见表2，从试验结果来看，该款轻型商用车在车速大于100km/h时，带空调的情况下，油耗值偏高，特别是在车速为120km/h，开空调与不开空调的油耗相比相差更大，已超出合理的范围。
该车设计最高车速130km/h，在实际使用过程中，特别是在高速公路上，100km/h~120km/h的车速还是经常会达到的。
从用户的角度来说也会大大增加使用成本，不符合客户的期望。
表1整车基本参数序号项目
长
1外廓尺寸
mm宽高（空
载）技术要求403516201915
2700
前轮距
3
4
2轴距，mm轮距，mm悬长，mm138614085471后轮距前悬
后悬
56
788
最小离地间隙，（空载）160（满载）最小转弯直径，mm
总质量
质量参数
整备质量kg
前轴后轴总质量
满载质量kg
前轴后轴
10.4116555061518507401110
7
表2等速油耗试验结果
车辆
某款轻型商用车
空调开/关
40km/h50km/h60km/h70km/h
经济性
5档等速行驶燃料消耗量（L/100km）
80km/h90km/h100km/h110km/h120km/h
关空调油耗
4.164.654.995.736.238.2
开空调油耗
5.726.076.267.278.7110.17
1011.9712.113.5313.1
18.65
2．
油耗高原因分析
该款轻型商用车的油耗偏高集中体现在第5档，车速高于100km/h的区段，而开空调
时的情况下就更明显。
从理论的角度上说，造成此种情况出现的原因主要有以下几点：
（1）档位的速比选择：
如档位的速比不合理则会造成在此档位运行时，特定的车速条件下，发动机的运行点会偏离其经济运行区域，造成油耗升高；
（2）空调压缩机的性能:
空调压缩机是需要消耗发动机的输出功率来达到输出制冷效果的，若压缩机性能不理想则会造成其消耗较大的发动机功率才能达到应有的制冷效果，这也可能是车辆开空调与不开空调的油耗相差较大的原因；
（3）曲轴皮带轮与压缩机皮带轮之间的传动比:
曲轴皮带轮与压缩机皮带轮之间的传动比决定了发动机转速与空调压缩机转速之间的对应关系，而这最根本的也是反映了压缩机消耗发动机功率的程度。
在讨论了可能存在的原因后，下文将运用整车匹配模拟分析软件AVLCRUISE来进行理论分析，寻求对应的改进方案。
3．软件介绍
3.1计算机模拟仿真的优点：
随着计算机的广泛应用和现代计算方法的发展，计算机模拟计算方法为汽车动力性和燃料经济性预测提供了有效而准确的工具。
国外的整车设计己经形成了以整车需求、道路特点为先导，通过精确模拟和整车性能模拟（预测）的先进手段进行整车匹配设计的模式。
这种模式配合大量的道路试验数据，大大提升了整车匹配设计的前期符合性。
运用分析软件进行整车模拟计算，其最大的优点在于，在整车开发的初期，了解整车及发动机动力传动系参数的优劣性，为设计修改和调整提供改进的依据。
合理地确定发动机、传动系及各总成零部件性能指标，在设计阶段就可以采用系统工程的观点来研究整车性能，对整车性能进行技术评价、技术分析和技术决策，从而节省大量的试验费用，缩短设计周期。
3.2AVL-Cruise软件的功能及特点
AVL-Cruise软件是奥地利李斯特内燃机及测试设备公司（AVLLISTGmbH）开发的用于研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能和制动性能的高级模拟分析软件。
它可以用来建模、仿真和优化任意结构汽车的传动系统，用于汽车开发过程中动力系统、传动系统的匹配、汽车性能预测和整车仿真计算，进行发动机、变速箱、轮胎的选型及其与车辆的匹配优化。
所以Cruise软件虽然不能优化汽车的所有性能，但其高模块化，高准确性，高实用性能在汽车设计过程中起到十分重要的作用。
Cruise的一个典型应用是对车辆传动系统和发动机的开发，用于计算并优化车辆的燃油经济性，排放性，动力性（包括原地起步加速能力、超车加速能力）、变速箱速比、制动性能等，也可用于应力计算和传动系的振动生成载荷谱。
其特点包括：
利用软件提供的各种模块（如发动机，变速箱，离合器等），可以轻松地建立各种汽车模型，甚至连奇异的概念车如混合动力轿车或多发动机轿车也能建摸，并能进行快速的模拟运算。
该软件既能计算纯运动学模型也能计算运动学/动力学混合模型，如计算弹性传动轴系的低频振动。
计算可以是准稳态的，比如发动机map图中的一个控制点，也可以是包含司机和油门踏板模型的真实工作的模拟。
精巧的司机模型考虑了驾驶者的个性（驾驶动作，换档时间等）；对有冷起动的工况，还提供预热发动机模块。
4．基于AVLCRUISE降油耗方案分析
4.1建立整车结构模型
根据汽车动力传递路线：
发动机→离合器→变速器→传动轴→主减速器→差速器→半轴→车轮来建立整车结构模型。
见图1
由于该款轻型商用车在高速档开空调对油耗的影响相当大，因此在原有模型的基础上，建立准确的空调模型具有很大的实用价值，在整车模型中，其他参数不变，引入风扇模块的消耗功率模拟空调压缩机消耗的功率。
图1整车结构模型
4.2输入计算参数
作为汽车动力传动系匹配的内容，其中涉及到的主要影响整车动力性、燃油经济性的参数有：
①车体参数——整车整备质量、满载质量、气动力系数、迎风面积、轴距等②发动机——外特性、万有特性、阻力曲线
③变速箱——各档传动比、输入输出转动惯量、传动效率
④主减速比
⑤轮胎滚动半径表3发动机参数表
缸径×行程
排量
压缩比最大功率/转速
最大扭矩/转速
整机质量（不包含变速箱）
怠速转速
燃油种类和标号项目单位指标-9.8：
1RON
表4传动系参数
主减速比5.125
各档传动比车轮滚动半径（mm）292优质无铅汽油，90#以上
图2发动机万有特性图
图3车速-行驶阻力曲线
目前该车上装的是空调压缩机Ⅰ，其性能曲线与数据如图5，
图4空调压缩机Ⅰ性能曲线
空调压缩机皮带轮直径为107mm，发动机的曲轴皮带直径为117mm。
于是通过换算，得到发动机各工作转速下空调压缩机工作转速，再对照空调压缩机功率消耗数据，得到相应转速下空调消耗功率。
见表5
表5发动机各工作转速下空调消耗功率（KW）
发动机工作转速
（rpm）
空调压缩机工作转速
（rpm）
空调消耗功率
（kw）
代入之前建立的整车结构模型中的风扇模块，如图5：
图5在CRUISE风扇模型里面设置的空调消耗功率
4.3仿真模型的有效性验证
表6模拟值与实测值对比车速不开空调油耗
测试值（km/h）开空调油耗测试值不开空调仿真值开空调油耗仿真值档位
5档等速油
耗
（L/100km）10010
11012.1
12013.111.9713.5311.7918.6513.6413.0317.46
图6模拟值与实测值对比曲线
由上表中燃油经济性试验与仿真计算结果的对比可以看出，仿真与试验结果大致吻合，在允许误差范围以内，表明所建的模型正确适用。
同时也验证了仿真结果的可信性。
4.4优化方案
4.4.1方案1：
下调变速器第五档速比
由于该车是第五档等速油耗偏高，可以考虑在符合车辆使用动力性能的前提下，适当降低第五档的速比。
结合实际情况，选取0.808，0.795进行优化计算，计算结果如下：
表7下调变速器第五档速比油耗仿真值第五档速
比第五档从车速70km/h加速到120km/h的时间47.3
51.3
53.7第五档等速油耗（L/100km）
（注红色点：
五档速比0.838;蓝色点：
五档速比0.808;绿色点：
五档速比0.795）综合等速油耗值及等速行驶发动机运行点可见，在动力下降不太明显的情况下，把五档速比减小为0.808，可使第五档的等速油耗有所下降。
图7：
五档等速行驶发动机运行点
4.2.2方案2:
更换性能更优的空调压缩机
该车开空调与不开空调的油耗相差较大的原因，可能与空调压缩机所消耗的发动机功率大有关，可以考虑换一款空调压缩机来降低开空调时车辆的油耗值。
在现有供应商体系中可供选择的压缩机Ⅱ，其性能曲线与数据，图8，表8
图8空调压缩机Ⅱ性能曲线
表8空调压缩机Ⅰ和压缩机Ⅱ消耗功率数值对比压缩机转速（rpm）压缩机Ⅱ功率（kw）压缩机Ⅰ功率（kw）
由于该车的等速油耗开空调和不开空调的效果差别较大，压缩机Ⅱ与原先在装车上的
压缩机Ⅰ相比在制冷效果上差不多，但是相同发动机转速前提下，压缩机Ⅱ本身的功率小一
些，同时所消耗的发动机输出功率也会小一些，如果更换上压缩机Ⅱ，对降低带空调的油耗不失为一个有效的办法。
下表为两款压缩机与不同第五档速比分别匹配所获得的燃油消耗量，见表9：
表9空调压缩机Ⅰ和压缩机Ⅱ油耗计算值
第五档等速油耗（L/100km）
压缩机压缩机Ⅰ压缩机Ⅱ
第五档速比0.838（实测值）0.808（仿真值）0.838（仿真值）0.808（仿真值）
9010.179.698.838.15
10011.9711.1510.449.81
11013.5312.8812.7212.13
12018.6517.4616.2214.1
可见，油耗下降最明显的是第五档速比为0.808和空调压缩机用压缩机Ⅱ这样的匹配。
4.4.3方案3:
调整轮系传动比
目前空调压缩机皮带轮直径为107mm，发动机的曲轴皮带直径为117mm。
从试验结
果来看，该款轻型商用车在车速大于100km/h时，带空调的情况下，油耗值偏高，特别是在车速为120km/h，开空调与不开空调的油耗相比相差更大，已超出合理的范围。
可以考虑调整轮系的传动比，增大压缩机皮带轮的有效直径，从而达到同样发动机转速条件下降低压缩机对应的转速，即可减小压缩机对应的功率损耗。
假设压缩机皮带轮有效直径增大到115mm，即轮系传动比由原来的1.09下降到1.02。
则压缩机对应的转速及功耗见表10。
表10调整轮系传动比后对应的压缩机转速及功耗
车速（km/h）
发动机转速（rpm）
原传动比
压缩机转速（rpm）
压缩机Ⅰ功率（Kw）
新传动比
压缩机转速（rpm）
压缩机Ⅰ功率（Kw）
如把压缩机皮带轮有效直径增大到115mm，则可把同样发动机转速条件下的压缩机转速降低300rpm~400rpm，对应的功率损耗减少0.1kw~0.2kw。
但为了保证空调的制冷效果，压缩机转速与原来传动比相比不能下降太多，否则可能会使低速时空调的制冷效果减弱，把此时压缩机消耗的功率带入到原模型中进行计算，发现油耗改善效果不是很明显。
4.5方案可行性对比经过计算有三种可行方案
（1）方案1：
把第五档速比由原来的0.838下调到0.808
（2）方案2：
用空调压缩机Ⅱ取代原装空调压缩机Ⅰ
（3）方案3：
轮系传动比由原来的1.09下降到1.02，即把压缩机皮带轮有效直径增
大到115mm。
结合实际情况，现有供应商体系中有可供选择的变速器和空调压缩机，可直接装车做试验，而改变压缩机皮带轮有效直径这个措施的零件开发周期相对较长，且对油耗改善的贡献不明显，优先考虑前两种方案，装车进行测试。
5．试验验证
经过装车测试，得到试验结果见表11
表11试验结果
速比
车速（km/h）405060
5档等速油耗（L/100km）
708090100110120
不开空调油耗
原第五档速比:
0.838压缩机Ⅰ油耗（L/100km）
压缩机Ⅱ油耗（L/100km）
仿真值
新第五档速比:
0.808不开空调油耗
压缩机Ⅱ油耗（L/100km）
仿真值
档位
8.831011.9712.113.5313.118.658.1589.8114.1
12.13
从上述数据中可看出，试验结果与之前仿真的结果基本吻合，而且在高速开空调段的油
耗改善效果明显，达到预期目的。
6.总结
（1）运用试验结果与所建整车模型计算结果的对比分析，完成对整车模型准确性的验证；测得结果表明，实验值与所建模型算出值吻合较好，表明该模型正确适用;对该款轻型商用车而言，降低了高速段开空调时的油耗，达到了优化整车配，理论指导实践的目的；
（2）借助合理的软件，有效地理论分析可以获得汽车的动力性、经济性均得到合理的匹配；（3）通过理论分析计算，可以在在车辆的前期设计阶段获得理论的指导，避免了开发的盲目性及后续的改进，节约成本，缩短周期，提高效率。
参考文献
[1]余志生.《汽车理论》[M].北京：
机械工业出版社，2000.
[2]杨连生．内燃机性能及其与传动装置的优化匹配［M］．北京：
学术期刊出版社．1988[3]赵海峰．基于CRUISE软件的AMT车辆性能仿真分析与实验研究［D］．重庆：
重庆大学，2005．
[4]AVL-CRUISEUserGuide
[5]刘振军，赵海峰，秦大同，基于CRUISE的动力传动系统建模与仿真分[J]，重庆大学学报（自然科学版），2005，28（11）：
8
[6]李峰，汽车发动机与传动系参数的优化匹配，大连理工大学硕士研究生论文
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