排放约束下对红旗CA7220E型轿车传动系匹配的研究
|
摘要
随着我国城市建设的迅速发展，机动车的数量迅猛增加，资料显示
近年来我国机动车辆以每年 15%的速度递增，这不仅使得我国由过去的
石油出口国变成了世界上主要的石油进口国，而且使城市的大气环境污
染加重，局部地区的大气环境质量严重恶化。如今，汽车燃油消耗和因
汽车尾气排放而造成的环境污染已经成为一个严重的社会问题。为促进
汽车燃油经济性的提高，缓解因燃油消耗总量增加过快与燃油供应量不
足的矛盾，控制汽车尾气排放对环境造成的污染，有必要把经济性和环
保性作为考量轿车综合性能的重要因素对占汽车市场主导地位的传统燃
油车进行经济性和排放性的进一步研究。
本文主要利用 ADVISOR 软件为仿真平台，针对红旗 CA7220E 中级轿
车进行了经济性和排放性方面研究。利用仿真软件，建立了传动系各总
成的数学模型和控制模型，以车轮处的速度和转矩为整车模型的反向反
馈信息量，而以发动机的实际转速和转矩为整车的正向反馈量，通过整
车控制不断判断校正二者之间的差距，从而将发动机控制在高效率的工
作范围内。通过试验验证证明了仿真模型的正确性。
鉴于目前我国轿车的循环试验工况与轿车实际行驶状况不符，在借
鉴了一汽汽车研究所采集的我国轿车行驶工况的统计数据基础上，本文
建立了轿车模拟试验循环工况。与国家规定的轿车循环工况相比，模拟
试验工况不仅在平均车速、最高车速上更接近轿车的实际行驶情况，而
且在模拟过程中使用了五个档位，同时高档利用率也更加接近实际情况。
这些都表明，模拟循环工况比国家规定的循化法规具有更大的优越性。
为了评价三种不同主减速比传动系在 CA7220E 轿车上匹配的合理性
程度，本文以主减速比向量为输入参量，模拟了不同主减速比对整车经
济性和排放性影响情况。仿真结果表明，在特定的工况下，百公里油耗
－i－
摘要
随主减速比的降低而降低；CO 随主减速比的降低而略有降低，HC 随主减
速比的升高而略有上升，但二者随主减速比的变化较小；NOx 的排放先
随着主减速比的减小而降低至一最低值，然后再随着主减速比的减小而
上升。
为了深入研究行驶工况对汽车经济性和排放性的影响，本文以
CA7220E 为测试模型，利用不同的行驶工况对其经济性和排放性进行仿
真。结果表明，具有不同平均车速的模拟行驶工况对汽车的经济性和排
放性有很大影响。汽车的百公里油耗和 CO 的排放量会随着平均车速的提
高而降低，当达到某一特定的最小值后反而随平均车速的提高而升高；
而 HC 和 NOx 的排放量随平均车速的变化而呈类“正弦曲线”规律。
另外，不同的档位对汽车的经济性和排放性也有很大影响。通过仿
真对不同档位下燃油消耗率和各有害排放物排放量的研究表明，有害排
放物主要集中在低档区域而在高档行驶状态下排放值趋于稳定而处于较
低的水平；对于燃油消耗率，随着档位的升高其值也有所升高。应该注
意的是，汽车在换档加速过程中，无论是燃油消耗率还是有害物的排放
都会急增而出现峰值。
最后，为了评价不同传动系合理匹配的程度，本文采取了以前文提
出的综合评价指标为依据的评价方法，通过为各评价指标选取适当的权
系数，在综合评价中充分合理的评价了个传动系的匹配结果，并以此给
出选择。
本文所作的研究对汽车的优化设计具有一定的指导意义，特别在排
放方面的研究是一种尝试。这将促使在传统燃油车的设计过程中要综合
考虑汽车的动力性、经济性和排放性，从而开发出更加适合不同工况和
法律法规的环保汽车。
With the rapid development of city construction, the number of
motor vehicles has a great increase. It shows that the number of
motor vehicles in China increase fifteen percent each year in recent
years. This not only makes China become an oil-imported country,
but also makes the environment in the city become worse and worse.
In some areas, the environment was badly polluted.
Nowadays, vehicle fuel consumption and emissions has become
a serious society problem. In order to relieve the controversial issue
of rapid oil consumption and shorted oil provision, it is necessary to
hold the fuel economy and emission properties as an integrated
factor to evaluate the automobile performances and do some further
research, especially, for the traditional fuel consumption automobile
which is a main product in vehicle market.
This paper is designed to do some research relate to fuel
economy and emission property of CA7200E on the basis of
ADVISOR. The paper use ADVISOR to establish mathematical and
control models of each part of powertrain. The models use the
velocity and toque at wheels as a negative feedback information to
vehicle control part, while use the achieved speed and toque of
Engine as a positive feedback to the vehicle control part. The vehicle
CPU controls the engine to work in a high efficient range through
comparing errors between the negative information and the positive
information. The models are proved feasible through comparisons to
the experimental results.
－iii－
Abstract
According to the statistics gathered by the FAW Research &
Development Center, the paper establishes an appropriate new drive
cycle for sedan automobile. It has much more superiority than the
GB/T 12545-1990. Not only the average and maximum speed, but
also the high gear using ratio are more close to the real world
conditions. Meanwhile, the new cycle uses five different gears while
in GB/T 12545-1990 cycle only three low gears are used.
In order to evaluate three different powertrain matching in
CA7220E, the paper simulates the influence of different final drive
ratios to the fuel economy and emission property. Results show that
fuel consumption per 100 kilometers is increasing with an increasing
final drive ratio, the emission of CO is decreasing when the final drive
ratio is decreasing while the HC emission is decreasing with the
increasing final drive ratio. But emissions of CO and HC have a little
change with the final drive ratio. The NOx emission has a
complicated varying law with the final drive ratio. First, the NOx
emission decreases to a minimum value when the final drive ratio
decreases, then it increases with the decreasing final drive ratio.
In order to do some deep research on how the drive cycle
influences on fuel economy and emission property of automobile, the
paper uses different drive cycles to simulate the CA7220E model in
ADVISOR. Results show that fuel consumption per 100 kilometers
decreases with the increasing average velocity, while HC and NOx
emissions vary with the average velocity in a similar sine curve.
Furthermore, different gear also has a great influence on fuel
economic and emission property. Simulation results show that
－iv－
吉林大学硕士研究生论文
harmful emission centralize in low gear areas and it stays at a low
and stable level in the high gear areas. On the contrary, fuel
consumption rate has a higher degree in the high gear areas.
Whether the fuel consumption rate or harmful emissions has peak
value during the acceleration courses when the gearbox shift to
another gear.
Finally, in order to evaluate the automobile dynamical and
economical and emission properties of different matching, the paper
use the integrated value index put forward in the paper to give a
better choice through choosing proper indices.
The research in the paper makes sense during the courses of
optimization design, it is really a try to find the
近年来我国机动车辆以每年 15%的速度递增，这不仅使得我国由过去的
石油出口国变成了世界上主要的石油进口国，而且使城市的大气环境污
染加重，局部地区的大气环境质量严重恶化。如今，汽车燃油消耗和因
汽车尾气排放而造成的环境污染已经成为一个严重的社会问题。为促进
汽车燃油经济性的提高，缓解因燃油消耗总量增加过快与燃油供应量不
足的矛盾，控制汽车尾气排放对环境造成的污染，有必要把经济性和环
保性作为考量轿车综合性能的重要因素对占汽车市场主导地位的传统燃
油车进行经济性和排放性的进一步研究。
本文主要利用 ADVISOR 软件为仿真平台，针对红旗 CA7220E 中级轿
车进行了经济性和排放性方面研究。利用仿真软件，建立了传动系各总
成的数学模型和控制模型，以车轮处的速度和转矩为整车模型的反向反
馈信息量，而以发动机的实际转速和转矩为整车的正向反馈量，通过整
车控制不断判断校正二者之间的差距，从而将发动机控制在高效率的工
作范围内。通过试验验证证明了仿真模型的正确性。
鉴于目前我国轿车的循环试验工况与轿车实际行驶状况不符，在借
鉴了一汽汽车研究所采集的我国轿车行驶工况的统计数据基础上，本文
建立了轿车模拟试验循环工况。与国家规定的轿车循环工况相比，模拟
试验工况不仅在平均车速、最高车速上更接近轿车的实际行驶情况，而
且在模拟过程中使用了五个档位，同时高档利用率也更加接近实际情况。
这些都表明，模拟循环工况比国家规定的循化法规具有更大的优越性。
为了评价三种不同主减速比传动系在 CA7220E 轿车上匹配的合理性
程度，本文以主减速比向量为输入参量，模拟了不同主减速比对整车经
济性和排放性影响情况。仿真结果表明，在特定的工况下，百公里油耗
－i－
摘要
随主减速比的降低而降低；CO 随主减速比的降低而略有降低，HC 随主减
速比的升高而略有上升，但二者随主减速比的变化较小；NOx 的排放先
随着主减速比的减小而降低至一最低值，然后再随着主减速比的减小而
上升。
为了深入研究行驶工况对汽车经济性和排放性的影响，本文以
CA7220E 为测试模型，利用不同的行驶工况对其经济性和排放性进行仿
真。结果表明，具有不同平均车速的模拟行驶工况对汽车的经济性和排
放性有很大影响。汽车的百公里油耗和 CO 的排放量会随着平均车速的提
高而降低，当达到某一特定的最小值后反而随平均车速的提高而升高；
而 HC 和 NOx 的排放量随平均车速的变化而呈类“正弦曲线”规律。
另外，不同的档位对汽车的经济性和排放性也有很大影响。通过仿
真对不同档位下燃油消耗率和各有害排放物排放量的研究表明，有害排
放物主要集中在低档区域而在高档行驶状态下排放值趋于稳定而处于较
低的水平；对于燃油消耗率，随着档位的升高其值也有所升高。应该注
意的是，汽车在换档加速过程中，无论是燃油消耗率还是有害物的排放
都会急增而出现峰值。
最后，为了评价不同传动系合理匹配的程度，本文采取了以前文提
出的综合评价指标为依据的评价方法，通过为各评价指标选取适当的权
系数，在综合评价中充分合理的评价了个传动系的匹配结果，并以此给
出选择。
本文所作的研究对汽车的优化设计具有一定的指导意义，特别在排
放方面的研究是一种尝试。这将促使在传统燃油车的设计过程中要综合
考虑汽车的动力性、经济性和排放性，从而开发出更加适合不同工况和
法律法规的环保汽车。
With the rapid development of city construction, the number of
motor vehicles has a great increase. It shows that the number of
motor vehicles in China increase fifteen percent each year in recent
years. This not only makes China become an oil-imported country,
but also makes the environment in the city become worse and worse.
In some areas, the environment was badly polluted.
Nowadays, vehicle fuel consumption and emissions has become
a serious society problem. In order to relieve the controversial issue
of rapid oil consumption and shorted oil provision, it is necessary to
hold the fuel economy and emission properties as an integrated
factor to evaluate the automobile performances and do some further
research, especially, for the traditional fuel consumption automobile
which is a main product in vehicle market.
This paper is designed to do some research relate to fuel
economy and emission property of CA7200E on the basis of
ADVISOR. The paper use ADVISOR to establish mathematical and
control models of each part of powertrain. The models use the
velocity and toque at wheels as a negative feedback information to
vehicle control part, while use the achieved speed and toque of
Engine as a positive feedback to the vehicle control part. The vehicle
CPU controls the engine to work in a high efficient range through
comparing errors between the negative information and the positive
information. The models are proved feasible through comparisons to
the experimental results.
－iii－
Abstract
According to the statistics gathered by the FAW Research &
Development Center, the paper establishes an appropriate new drive
cycle for sedan automobile. It has much more superiority than the
GB/T 12545-1990. Not only the average and maximum speed, but
also the high gear using ratio are more close to the real world
conditions. Meanwhile, the new cycle uses five different gears while
in GB/T 12545-1990 cycle only three low gears are used.
In order to evaluate three different powertrain matching in
CA7220E, the paper simulates the influence of different final drive
ratios to the fuel economy and emission property. Results show that
fuel consumption per 100 kilometers is increasing with an increasing
final drive ratio, the emission of CO is decreasing when the final drive
ratio is decreasing while the HC emission is decreasing with the
increasing final drive ratio. But emissions of CO and HC have a little
change with the final drive ratio. The NOx emission has a
complicated varying law with the final drive ratio. First, the NOx
emission decreases to a minimum value when the final drive ratio
decreases, then it increases with the decreasing final drive ratio.
In order to do some deep research on how the drive cycle
influences on fuel economy and emission property of automobile, the
paper uses different drive cycles to simulate the CA7220E model in
ADVISOR. Results show that fuel consumption per 100 kilometers
decreases with the increasing average velocity, while HC and NOx
emissions vary with the average velocity in a similar sine curve.
Furthermore, different gear also has a great influence on fuel
economic and emission property. Simulation results show that
－iv－
吉林大学硕士研究生论文
harmful emission centralize in low gear areas and it stays at a low
and stable level in the high gear areas. On the contrary, fuel
consumption rate has a higher degree in the high gear areas.
Whether the fuel consumption rate or harmful emissions has peak
value during the acceleration courses when the gearbox shift to
another gear.
Finally, in order to evaluate the automobile dynamical and
economical and emission properties of different matching, the paper
use the integrated value index put forward in the paper to give a
better choice through choosing proper indices.
The research in the paper makes sense during the courses of
optimization design, it is really a try to find the
引文
[1] 余志生. 汽车理论. 北京：机械工业出版社，1999.
[2] 王望予主编. 汽车设计. 北京：机械工业出版社，2003.
[3] [德]米奇克? M. 汽车动力学 A 卷 陈荫三译. 北京：人民交通出版社，1992.
[4] 董敬，庄志等.汽车拖拉机发动机. 北京：机械工业出版社，1996.
[5] 周龙宝主编.内燃机学. 北京：机械工业出版社，1999
[6] 陈清泉，孙逢春，祝嘉光. 现代电动汽车技术. 北京：北京理工大学出版社，
2002.
[7] 杨连生. 内燃机性能及其与传动装置的优化匹配. 北京：学术期刊出版社，
1988.
[8] 何仁. 汽车动力性燃料经济性模拟计算方法及应用. 北京：机械工业出版社，
1996.
[9] 雷雨成. 汽车系统动力学及仿真. 北京：国防工业出版社，1997.
[10] 林明芳，张宝生. 汽车优化设计. 长春：吉林科学技术出版社，1991.
[11] 刘惟信，戈平，李伟. 汽车发动机与传动系参数最优匹配的研究. 汽车工程，
91009.
[12] 葛安林，吴锦秋，林明芳. 汽车动力传动系统参数的最佳匹配. 汽车工程，
910005.
[13] 张大壮，江辉. 仿真技术在汽车传动系参数优化设计中的应用. 汽车技术，
1990 年第 12 期.
[14] 王文阁. 改变传动系单一匹配 提高整车燃油经济性. 汽车技术，2000 年第
11 期.
[15] 何仁，商高高. 汽车动力传动系参数的优化方法. 江苏理工大学学报，2000
年 11 月.
[16] 冯一兵. 发动机万有特性曲线的曲面拟合. 拖拉机与农用运输车，1998 年
－82－
参考文献
第 5 期.
[17] 郝京顺. 汽车传动系最小传动比的确定. 北京汽车，1999 年第 2 期.
[18] 徐正平. 汽车动力传动系与使用工况的匹配研究. 机械科学与技术，1995 年
第 5 期.
[19] 俞明，孙国斌等. 15 工况中发动机运转状况的分析. 华南理工大学学报，2002
年 5 月.
[20] 吴志敏. 农用运输车发动机与传动系的匹配. 拖拉机与农用运输车，1995
年第 3 期.
[21] 何仁，刘星荣，何泽民. 汽车动力传动系统最优匹配的研究与发展. 江苏理
工大学学报，1997 年 1 月.
[22] 方咏龙,王红岩等. 车辆无级变速传动系统匹配策略的仿真. 农业机械学报，
2000 年第 4 期
[23] 罗辑. CA1092K2 系列柴油车动力性燃油经济性改进.
汽车技术，1995 年
第 3 期.
[24] 王其东，董长征等. 1.5t 级农用运输车底盘与发动机匹配的综合研究. 江苏
理工大学学报，1996 年 1 月.
[25] 戴冠军. 城市载货汽车和公共汽车运行工况模式的探讨. 西安公路学院学
报，1983.
[26] 孙维恭，冯一兵等. 传动系优化及与发动机合理匹配研究. 拖拉机与农用运
输车，2000 年第 4 期.
[27] 王学东，李凯. 排放约束条件下汽车发动机燃油经济性优化方法的研究. 西
安公路学院学报，1994 年 6 月.
[28] 俞明，孙国斌等. 汽车排放法规中工况对废气成分影响的分析. 华南理工大
学学报，2002 年 7 月.
[29] 韩韶辉，王绍光. 降低工况法外排放的试验研究. 汽车技术，2001 年第 11
期.
－83－
吉林大学硕士研究生论文
[30] 吴咏，张尚娇. 国外的汽车排放法规. 汽车科技，2001 年第 1 期.
[31] 张跃涛，袁大宏等. 在用车排放检测试验方法的研究. 汽车工程，2001040.
[32] 司利增，张慎良.发动机通用排放特性的数学模型.西安公路学院学报.1991
年 3 月.
[33] 何仁，孙龙林. 轿车混合动力传动系统排放特性的仿真. 江苏大学学报，2002
年 1 月.
[34] 张玉银. 汽车在不同行驶模式下的燃油耗和排放计算研究. 西安交通大学学
报，1996 年 2 月.
[35] 俞明，林冬艳等.基于广义回归神经网络的发动机排放预测.华南理工大学学
报，2003 年 1 月.
[36] 宋宝玉，任秉银等.汽车传动系参数优化设计系统的研究.哈尔滨工业大学学
报，2001 年 4 月.
[37] 国外及地区轿车、小客车排放标准、法规及检测程序.北京汽车，1996 年第
2 期.
[38] 何仁，王建峰.汽车动力传动系统合理匹配的实用方法.中国公路学报，2000
年 1 月.
[39] 岳惊涛，廖苓平，彭莫.汽车动力系统的合理匹配评价.汽车工程，2004027.
[40] 中华人民共和国国家标准，GB/T 12545-1990.
[41] 何仁，高宗英. 汽车传动系最优匹配评价指标的探讨. 汽车工程，96010.
[42] ZhaoHui，Cheng C S，Huang W T. Investigation of Motor Vehicle On-Road
Exhaust Emission Behavior. JOURNAL OF COMBUSTION SCIENCE
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[43] Brian H. West and Ralph N. McGill. Development of Data-Based
Light-Duty Modal Emissions and Fuel Consumption Models. SAE972910.
[44] Winston Harrington. Fuel Economy and Motor Vehicle Emissions.
Resource for the Future, Discussion Paper 96-28.
－84－
参考文献
[45] Chunho Kim, Eok NamGoong and Seongchul Lee. Fuel Economy
Optimization for Parallel Hybrid Vehicles with CVT. SAE1999-01-1148.
[46] Howard E. Chana, William L. Fedewa, and John E. Mahoney. An
Analytical Study of Transmission Modifications as Related to Vehicle
Performance and Economy. SAE770418.
[47] J. J. Greenbaum. Light Truck Powertrain Optimization Techniques and
Procedures. SAE872232.
[48] R. H. Thring. Engine Transmission Matching. SAE810446.
[49] Johathan W. Fox, John B. Heywood, and Gregory McRae. Aggregate
Vehicle Emission Estimates for Evaluating Control Strategies.
SAE940303.
[50] Brian H.West and Jeffrey W.Hodgson. Development of Data-Based
light-Duty Modal Emissions and Fuel Consumption Models. SAE972910.
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Modern Passenger Cars with Properly-Functioning Emissions
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Traffic Signal Controled Junctions. Paper of Philosophy Doctor. 2001.10.
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Development of a Methodology for the Kinematic Acqusition of Roadway
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－85－
吉林大学硕士研究生论文
Conference. Southfield, Michigan, August 28 - 29, 2001
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安公路学院学报，1994 年 6 月.
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吉林大学硕士研究生论文
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[36] 宋宝玉，任秉银等.汽车传动系参数优化设计系统的研究.哈尔滨工业大学学
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[37] 国外及地区轿车、小客车排放标准、法规及检测程序.北京汽车，1996 年第
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