某輕型皮卡車工況分析

發(fā)動機的選擇原則根據(jù)國家行業(yè)標準第18.35.2.3-2005《輕汽車污染排放量和測量方法》，輕油汽車的排放試驗應在基地測量機上進行。但標準的執(zhí)行依賴于汽車工況法排放測試設備,即需要配備轉(zhuǎn)鼓試驗臺及能模擬汽車運行慣性的質(zhì)量,還要配備復雜而昂貴的大型綜合分析儀和保證發(fā)動機按試驗程序運轉(zhuǎn)所需要的自動控制系統(tǒng)。因此,工況法的實施受到了很大的限制,至今各國按工況法制定的汽車行駛排放標準僅作為定型車鑒定、科研以及生產(chǎn)車抽檢之用,而一般單位難以實施。同時,該規(guī)定使得車用發(fā)動機在參數(shù)匹配、結(jié)構(gòu)改進及總體設計過程中存在著盲目性,無法明確該發(fā)動機是否適合該特定的車型,如果按照試驗標準進行,則開發(fā)成本極高,會大大延長汽車生產(chǎn)周期。鑒于此,本文以某輕型皮卡車為原型車,用計算機仿真軟件建立整車模型,采用模擬計算的方法得出該車型的發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況和排放特性,以便為該車型的進一步研發(fā)及今后對輕型車排放預測提供一定的理論基礎。1汽車行駛速度、傳動效率及增加的行政約束本文以某輕型皮卡車為原型車建立整車模型。本文主要采用了汽車行駛平衡方程式:Ttq=Ft·R/(Ii·I0·ηt)n=va·Ii·I0/(0.377R)式中:Ttq為發(fā)動機扭矩,單位N·m;R為輪胎旋轉(zhuǎn)半徑,單位m;Ii為當前變速器擋位傳動比;I0為主傳動比;ηt為傳動系效率;n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速,單位r·min-1;va為汽車行駛速度,單位km·h-1;Ft為汽車行駛阻力,單位N。在測試循環(huán)中不存在坡度阻力和曲線阻力,因此有:Ft=Ff+Fw+Fj式中:Ff=Ma·g·fFw=Cd·S·v2aa2/21.15Ff為汽車滾動阻力,N;Ma為整車質(zhì)量,單位kg;g為重力加速度,9.8m·s-2;f為滾動阻力系數(shù),f=0.0076+0.000056va(非轎車);Fw為迎風阻力,N;Cd為迎風阻力系數(shù);S為迎風面積,單位m2;Fj為加速阻力,單位N;XID為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);a為整車加速度,單位m·s-2。整車基本參數(shù)有:整車質(zhì)量1615kg,輪胎半徑0.341m,風阻系數(shù)為0.5,迎風面積為2.3m2,傳動效率為0.86,主傳動比為4.1,一擋傳動比為4.352,二擋傳動比為2.298,三擋傳動比為1.29,四擋傳動比為1,五擋傳動比為0.802。本車型采用485ZLQ廢氣渦輪增壓中冷柴油機,該發(fā)動機標定轉(zhuǎn)速為3200r·min-1,標定功率為52kW,最大扭矩為185N·m,對應的轉(zhuǎn)速為2000r·min-1。圖1為用仿真軟件建立的整車模型框圖。2汽車車速-時間統(tǒng)計模型仿真結(jié)果試驗2國家標準規(guī)定了汽車在底盤測功機上的市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)單元,試驗前需要對底盤測功機進行標定,輸入行駛阻力曲線,按工況法的要求駕駛汽車。整個運轉(zhuǎn)循環(huán)由1部(市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán))和2部(市郊運轉(zhuǎn)循環(huán))組成。試驗1部由4個城區(qū)循環(huán)組成。每個城區(qū)循環(huán)包含15個工況(怠速、加速、勻速、減速等),平均車速為19km·h-1,試驗的當量距離為4.052km;試驗2部由1個城郊循環(huán)組成,該城郊循環(huán)包含13個工況(怠速、加速、勻速、減速等),平均車速為62.6km·h-1,試驗的當量距離為6.955km。汽車運行的車速-時間圖如圖2所示。本文模擬計算就是按照此標準進行的。表1所示為試驗值與模擬值結(jié)果對比情況,仿真結(jié)果與試驗值較為接近,其誤差在允許范圍內(nèi)。由此可見,通過軟件建立的整車模型能較好地反映整車性能,可以通過建立的模型進行進一步的分析。3計算結(jié)果和分析3.1發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速的變化特性按照國標中的規(guī)定和要求,在底盤測功機上對本輕型皮卡車進行了NEDC循環(huán)工況的測試。在測功機試驗前對試驗車在選定路面上進行了路試試驗,以得到實際的行駛阻力曲線對測功機進行標定,當輸入實測阻力曲線與測功機模擬阻力曲線相吻合時,可按照國標中汽車行駛工況的要求運行汽車。試驗時,大氣溫度23.5℃,風速為0。圖3所示的為發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線。根據(jù)計算結(jié)果,圖4～圖6分別顯示了發(fā)動機輸出功率和扭矩隨時間的變化結(jié)果及發(fā)動機的外特性曲線。從圖4、圖5可以看出:發(fā)動機大部分工作時間處在小功率狀態(tài),發(fā)動機輸出的最大功率值低于40kW,功率曲線的幾個峰值都出現(xiàn)在加速工況,并且隨著轉(zhuǎn)速的加大而增大,在加速到穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)換時曲線出現(xiàn)突變,發(fā)動機輸出功率急劇下降;發(fā)動機輸出功率跟車速變化存在一定的關系,且車速變快,輸出功率也隨之變大。從汽車行駛情況來看,該車大部分時間內(nèi)處于小負荷狀態(tài)。發(fā)動機輸出功率為0,即怠速和離合器脫開減速時間約占整個循環(huán)的38%;發(fā)動機小功率工作時間,即等速工況和低加速、減速工況約為整個循環(huán)的42%;高加速時發(fā)動機輸出功率較大的工況約占整個循環(huán)的20%。汽車絕大部分時間輸出功率較小。該車型所用發(fā)動機最大輸出功率為52kW(圖6所示),而計算中最大輸出功率低于40kW。3.2nox排放量隨發(fā)動機負荷的變化由于柴油機的主要排放物為NOx,故本文主要針對NOx進行分析探討。圖7是循環(huán)過程中NOx的排放率變化圖。由圖7可見,在市區(qū)15工況中,NOx的變化有3個峰值,分別對應發(fā)動機3個中、大負荷工況。這說明該輕型皮卡車NOx的排放量是隨發(fā)動機負荷的增大而增大的,原因是隨著發(fā)動機負荷增大,燃燒效率提高,使燃燒后的氣體溫度、壓力上升。在市郊循環(huán)中,NOx的排放量明顯比市區(qū)循環(huán)有所增長。由上面的分析可知:在過渡工況下(減速)提供合理的混合氣濃度、在大負荷工況下改善燃燒過程以及對汽車的合理操作(換擋),對改善NOx排放有著重要的影響。下面將討論各種性能參數(shù)對NOx排放的影響。3.2.1主減速比對排放曲線的影響主減速比選擇的恰當與否將對汽車的性能產(chǎn)生很大影響。由圖8可見,排放物NOx首先隨著主減速比的升高而降低,當主減速比升高到某一定值時,NOx達到最小值,然后再隨著主減速比的升高而升高,于是,排放曲線呈現(xiàn)出一種兩頭高中間低的效果,且平均車速越大,這種效果越明顯。這說明了過高或者過低的主減速比都會使行駛過程中的NOx排放惡化。3.2.2第三,陣風下的工況循環(huán)工況分析平均車速與燃油經(jīng)濟性和排放性有著密切的聯(lián)系,而平均車速又是由具體的行駛工況決定的,于是,從某種程度上講,平均車速對應著特定的工況循環(huán),也就是行駛工況對燃油經(jīng)濟性和排放性有影響。下面針對無路面坡度輸入的循環(huán)工況進行分析。由圖9可見,在平均車速較低時,NOx的排放較小,但是隨著車速的不斷升高,NOx也逐漸增加,到某一最大值時開始下降至某一車速對應下的最低值,然后隨著車速的升高而惡化,這呈現(xiàn)出一種低頭的“正弦曲線”形狀。3.2.3nox排放情況汽車在不同的擋位行駛會獲得不同的動力性能,燃油消耗也是不一樣的,排放也會受到影響,故擋位的差異對經(jīng)濟性與排放也將會有很大影響,下面分析探討其對NOx排放的影響。圖10反映了整個市郊循環(huán)NOx排放物的情況。由圖中可以看出,在低擋位行駛時,排放波動比較大,但整體值不是很高。從NOx排放情況可以看出,在高擋行駛區(qū)域,NOx隨著擋位的提高而上升。在高擋(4、5擋)區(qū)域內(nèi),排放的波動主要發(fā)生在換擋后的加速過程中。無論低擋還是高擋,加速過程對各排放物的排放都產(chǎn)生負面影響,而這種加速過程對NOx排放的影響相對更大,尤其在高速擋間換擋后加速時,NOx的增長幅度尤為明顯。4大負荷工況下的nox排放1)從工況法中汽車行使情況來看,汽車在怠速和低速行駛的時間占整個行駛循環(huán)的比例較大,相應于汽車空轉(zhuǎn)發(fā)動機和低速行使的工況,汽車發(fā)動機絕大部分時間輸出功率較