020 车辆冷热起动模式下速比优化对比分析_奇瑞_李敏等

备注：由于保密原因，论文中算例对数据进行了修改，结果仅供参考。
图 4 基础速比 NEDC 运行工况点
图 5 方案一 NEDC 运行工况点
图 6 方案二 NEDC 运行工况点
4.2 优化结果分析 冷机、热机模式 NEDC 结果差异原因如图 7 示意：线 1、线 2 分别为等功率曲线。线 1 对应发动机热机状态下， 整车某一工况下发动机需发出的总功率； 线 2 对应发动机冷机状态 下（发动机工作温度较低，摩擦功大，需要发出的功率大），整车相同工况下发动机需发出 的总功率。A 点为线 2 上考虑各种整车约束下能达到的比油耗最小的点；B 点对应线 1 上相 同约束条件下能达到的比油耗最小的点。
车辆冷热起动模式下速比优化对比分析
李敏 牛大旭 何艳则 刘红领 瞿元
（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖，241009） 摘要：根据国标规定，在进行油耗及排放试验时，车辆需要在常温下预处理后以冷机状态起 动。本文以奇瑞某车型为例，集成CRUISE与OPTIMUS软件，分别进行冷机、热机两种模式 下的速比优化，在保证动力性目标的前提下使油耗降至最小。通过结果对比，采用冷机速比 优化方法，在保障动力性目标的同时，可以使NEDC结果更接近经济区间。 关键词：经济性 CRUISE/OPTIMUS 冷起动 速比优化 主要软件：AVL CRUISE; OPTIMUS
图 2 整车 CRUISE 模型
3.2 OPTIMUS 模型搭建
[5]
OPTIMUS 是优秀的智能化多学科多目标优化软件，具有强大的集成优化能力，可以集 成多种 CAE/CAD 软件。本文将其与 CRUISE 集成，在保证动力性目标前提下，以油耗最小 化为寻优目标，对整车各档速比及主减比进行优化：采用自适应遗传优化算法，随机产生初 始种群，优化迭代直至找到全局最优解。CRUISE 集成 OPTIMUS 的优化过程如图 3 所示。 基于同一速比，冷机、热机动力性目标“0→100km/h”、“4 档 60→100km/h”、“5 档 60→100km/h”约束分别为“≤12.0”、 “≤13.0”、 “≤20.0” （单位为 s） ， 优化目标为“油耗最小化”。

0.24
（4）
式中，Fmep 不同温度摩擦损失；V 为油液流速。
3. CRUISE 和 OPTIMUS 联合仿真建模
下面以奇瑞公司某车型为例，采用 CRUISE 和 OPTIMUS 联合仿真，对冷、热起动两组 方案分别进行速比优化，并对优化后速比对应的 NEDC 进行结果验证和对比分析。 3.1 CRUISE 模型搭建 CRUISE 整车建模需要整车质量、迎风面积、风阻系数、发动机外特性、万有特性、轮 胎特性、变速箱速比及效率等基本参数。奇瑞某 5 档手动变速箱、前置前驱车型的整车 CRUISE 模型如图 2 所示，其中整车阻力分解为风阻、滚动阻力（来自轮胎）及传动系统阻 力之和[4]。
Cruise冷机仿真 Cruise热机仿真
Optimus集成模型搭建
冷机优化速比
热机优化速比 NEDC结果验证
两种优化方案对比分析
图 1 两组方案速比优化流程图
2. 冷起动原理
冷起动就是发动机在水温低的情况下起动， 一般是很长时间没发动汽车 （比如夜间停车 以后） 。 热起动就是发动机水温在接近或者达到正常水温情况下起动。 发动机冷起动过程中， 有个暖机预热过程，发动机水温较低时，为克服发动机部件之间的摩擦，需要额外增加喷油 量。CRUISE 仿真中考虑冷起动影响有 7 种方式（详见 Users Guide），本文采用“温度模型+
2
2.2 油耗模型 油耗模型是通过暖机过程中油温低、 各部件之间摩擦较正常温度下大的特性， 来体现暖 机过程中额外增加的油耗[3]。温度是影响冷、热机下油耗差异重要因素之一。不同温度（粘 度）下摩擦损失与热机状态下摩擦损失的关系如式（4）：
FmepToil FmepT
oil 90 C
v Toil v Toil 90 C
——冷却液的热容量系数，
VV ,act
——冷却液实际速度。
TE TE
P
E ,cool
- A TE - TW ,air ti mE ,eq c p ,H 2o
（3）
式（3）中水的比热容 c p , H O 4187 J ， m E ,eq ——等效水质量。 kg K
1
2
A C
B
图 7 某工况下速比优化 NEDC 运行工况点示意图
对于方案二，发动机在正常温度下工作时，发动机运行在 B 点，即经济最优点；当发 动机温度较低时，由于需要克服更大的摩擦功，实际发动机的工作点会发生变化，由 B 点 变化到 C 点，经济性不如 A 点。实车 NEDC 试验时，有一大半的时间发动机工作在冷机状 态下，故方案二的优化速比对应整个 NEDC 下不一定是油耗最优。而方案一在优化时综合 考虑了冷机和热机下的油耗差异，其结果对整个 NEDC 而言是最优的。
致谢：
在完成本论文的过程中， 得到了奇瑞汽车 CAE、 试验等工程师的大力支持和热情帮助， 在此表示真诚的感谢！
1. 前言
节能减排是当今世界共同关注的焦点， 目前国家法规对油耗限值要求也越来越严格， 同 时消费者也将油耗作为选择车型的一个重要因素。 面对当前激烈的市场竞争， 保证整车动力 性同时不断降低油耗是主机厂的必然选择。 我国现阶段油耗法规是基于 NEDC 循环工况 （GB 18352.3—2005），该工况要求车辆在 20℃~30℃环境下预置至少 6h 后进行试验[1]，即发动 机为常温下冷起动。 在项目开发前期，借助 CAE 工具，可以对车辆的各种性能进行仿真分析，并提前针对 风险项制定解决方案，减小后期出现问题的概率。在保证车辆开发性能的同时，也大大的缩 短了项目开发周期。 本文结合奇瑞公司某车型，采用CRUISE/OPTIMUS结合的方法，在分析了发动机暖机 过程中水温变化以及油耗增加原理的基础上，基于同一速比，开展了两组方案（方案一：冷 起动模式，方案二：热起动模式）下的速比优化分析，并对优化得到的结果进行对比，讨论 发动机暖机过程中速比优化的特点。分析基本流程如图1所示。
[1] GB18352.3-2005, 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）(27~32) [2] AVL—Users guide CRUISE, Cold Start Behavior [ 3] J. C. Bell, M.A. Voisey. Some Relationships between the Viscometric properties of Motor oils and Performance in European engines SAE Traus, Vol. 86, 770278( 1977) [4] 余志生， 《汽车理论》 （第 5 版） ，北京：机械工业出版社，2010.7(9~12) [5] OPTIMUS REV9 Theory
速比变量
CRUISE模型
变量约束
Optimus集成 目标约束 计算结果 N
收敛性 Y 结束
图 3 CRUISE 与 OP化结果对比分析
4.1 优化结果 CRUISE 联合 OPTIMUS 软件，在满足动力性约束目标的条件下，对两组方案进行速比 优化分析，并将优化结果代入 CRUISE 整车模型进行验证，动力性结果及 NEDC 油耗结果 如表 1 所示。与优化前的结果相比，方案一对应 NEDC 降低了 6.1%，方案二对应 NEDC 降 低了 5.4%；而动力性均能满足目标要求。两种方案下 NEDC 发动机运行工况点如图 4~图 6
油耗模型”来考虑冷起动对油耗的影响[2]。 2.1 温度模型 温度模型描述的是发动机水温升高的一个过程。 发动机燃料产生的能量一部分被排气系 统带走，一部分对外做功，剩下的被发动机及冷却系统吸收。其中发动机及冷却系统吸收的 热量，如式（1）所示：
PE ,cool p E ,heat - p E ,act - p E ,emis
5. 结束语
（1）利用 CRUISE 与 OPTIMUS 软件联合，在保证动力性前提下，对速比进行优化， 可使经济性达到最优； （2）在进行速比优化时，应该考虑冷起动因素，采用在冷起动状态下进行动力总成速 比优化，与热起动速比优化相比，冷机优化后油耗结果更接近经济区间； （3）本次优化分析理论，也可为实际项目进行速比优化提供一定的参考。 参考文献
（1） 冷却系吸收的能量， 主要通过大循环和小循环系统散失到周围环境中。 与冷却液相关的 热容量系数转化关系如式（2）：
VV ,act A c E ,v ,cool 1 0.4 83
式（2）中，

（2）
C E ,v ,cool
发动机温度变化，用等效质量水温增加来考虑，与冷却液热容量系数 A 和温度增量相 关，如式（3）所示：
所示。相比较原始速比，进行速比优化后，发动机 NEDC 运行工况点均向经济区间移动， 从分析结果来看，在动力性基本相当的情况下，方案一的 NEDC 油耗更低。
表 1 冷机、热机优化速比动力经济性结果 初始速比结果 0→100km/h（s） 4 档 60→100km/h（s） 5 档 60→100km/h（s） ECE（L/100km） EUDC（L/100km） NEDC 综合（L/100km） 8.07 8.12 11.71 12.15 6.10 8.3 优化目标 ≤12.0 ≤13.0 ≤20.0 / / 最小化 方案一验证 8.43 10.58 17.12 11.37 5.70 7.79 方案二验证 8.38 11.09 16.68 11.5 5.72 7.85