10.16638/jki.1671-7988.2017.14.048
某型越野汽车动力系统适应高原环境的改进设计
莫飞
（陕西重型汽车有限公司，陕西西安710200）
摘要：文章针对某型越野汽车在高原环境下存在动力性、经济性下降严重的问题，分析了高原地区影响车辆动力性、经济性的主要因素，提出了动力性匹配设计改进方案，并运用软件建模仿真分析及道路试验的方法对改进后的配置进行了验证。结果表明车辆改进后达到了设计指标要求，显著提高了该车型在高原地区使用性能。
关键词：高原地区；动力性匹配设计；仿真分析；道路试验
中图分类号：U463.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-138-03
Matching of Plateau Improved Design for Driving System on a Off-Road Vehicle
Mo Fei
（Shaanxi Heavy Duty Automotive Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）
Abstract: This paper deals with the problems of a off-road vehicle’s power performance and fuel economy serious decline in the plateau environment. Analyzed the problems in plateau region and the factors affecting the power performance and fuel economy of vehicles. The dynamic matching design of performance and fuel economy improved design was put forward, and the improved configuration is verified by the method of software modeling simulation analysis and road test. The results show that the vehicle has reached the design requirements after the improvement, significantly improved the performance of the model in the plateau area.
Keywords: Plateau Area; Dynamic matching design; Simulation Analysis; Road Test
CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-138-03
引言
上世纪九十年代改进设计的某型越野汽车（见图1）是我军早期重要的越野运输车型之一，该车型具有良好的越野通过性和可靠性，为部队装备建设和国防事业发挥了重要作用。
随着时代发展，该车型逐渐无法满足机动高效的使用要求，尤其在高原环境下，存在爬坡能力下降、冬季冷起动困难、冷却系过热、油耗增大、最大续驶里程减小等问题。因此，需要分析高原环境对车辆动力性的影响因素，设定改进指标，更新动力传动系统并合理匹配，确保改进设计后的车型能够满足高原环境下动力性和经济性的需要，同时还能保留该车型在通过性方面的经典优势。
环境设计
图1 某型越野汽车照片
1 高原地区车辆性能分析
我国平均海拔2000m～4500m的高原面积约占我国国土总面积的33%，高原地域空气稀薄、气压低、含氧量少、昼夜温差大、低温冻土等这些恶劣的气候和地理条件，对车辆
作者简介：莫飞，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。
汽车实用技术
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的运行，尤其是发动机的燃烧均产生不利影响。出现车辆动力性下降、经济性恶化、冷却能力不足等诸多问题。
某型越野汽车仍采用技术相对落后的WD型增压（无中冷）机械喷油泵水冷柴油机，额定功率191kW/2600r/min，整车比功率仅有12.7kW/t。发动机的最大循环供油量、供油提前角和喷油压力无法根据高原地区的环境特点进行适时调整，导致发动机压缩终点压力、过量空气系数过低，引起燃烧过程恶化，后燃现象加重，发动机功率明显下降，比功率降低，储备功率不足。参考同类型汽车在高
原地区的使用数据，结合实际使用需求，确定新动力系统方案在高原地区行驶时的动力性、经济性指标。主要性能参数和指标值见表1。
表1 某型越野汽车平原、高原地区主要性能参数与指标值
车辆在高原与平原地区的性能参数相比有较大差异，加速时间增加了64%，最大爬坡度减小了30%，限定条件下燃油消耗量增加了43%，最大续驶里程缩短了约30%左右。新方案设定的指标值与原车型在高原地区的参数相比均有较大提高，但受WD型发动机的技术水平所限，机械喷油泵和不带中冷的增压器结构不仅无功率提升空间，而且高原环境下增压效果较差，动力性、经济性能均下降严重，因此必须更换该车型的动力系统并重新匹配设计。
2 动力性匹配设计方案
通过对高原地区汽车动力性影响因素的分析可知，应选用经高原参数标定的增压中冷型电控柴油发动机，有效减少高原地区发动机的功率下降；在满足动力性指标的前提下，适当提高车辆比功率，并有足够功率和转矩储备来克服高原环境对发动机动力输出带来的影响。按《汽车设计》中发动机主要性能指标的计算，合理的选择发动机功率范围。发动机功率P emax可根据所要求的最高车速v amax按功率平衡公式进行计算。
式中，P emax—发动机最大功率，kW；
v amax—最高车速，km/h；
m a—汽车最大总质量，kg；
f—滚动阻力系数；
ηT—传动效率；
C D—空气阻力系数；
A—汽车正投影面积，㎡；
g—重力加速度，m/s2。
代入数据计算得：P emax=243kW
根据优先选择零部件通用性高的产品升级原则，选用潍柴在WD型发动机基础上升级BOSCH公司电控共轨系统的WP型高压共轨增压中冷电喷发动机做为改进方案的动力总成。由功率平衡计算结果在该系列发动机中选择额定功率为247kW/2200r/min的WP型发动机，可使整车比功率提高至15kW/t左右。与原发动机相比最大转矩提高了470N·m，因此，原有传动系统已不能承受改进后发动机输出的最大转矩，需重新选用相适应的传动系统总成并选择合适的传动系统速比。
传动系统速比中的最小传动比和最大传动比是车辆能否达到动力性、经济性指标的关键参数。最小传动比的选择，既要考虑车辆的最高车速，也要考虑最高档的动力因数，适当地选择最小传动比，使之既能保证汽车的动力性，又能保证合适的燃油经济性。最大传动比主要是保证车辆在爬坡时或道路条件很差（阻力大）的情况下车辆仍能行驶，制约因素包括：最大爬坡度、I档动力因数、附着力和车辆最低稳定车速等。
根据传动系统的最小和最大传动比的计算结果，从现有同吨位级别车型成熟的传动系统中选出相适应的配置，具体配置表2。
表2 某型越野汽车动力传动系统改进匹配方案
最后，按照《汽车设计》中的计算方法对该配置下车辆最低稳定车速进行校验，结果表明，该传动系统可满足动力系统达到设计指标的要求，完成动力传动系统的匹配设计。
3 冷却系统的匹配和校核
图2 KULI软件中的冷却系统模型
通常在发动机重负荷长途行驶时，要求水温不得超过90℃，否则就会影响发动机的正常工作和使用寿命，甚至可能导致发动机过热而半路抛锚。由于发动机功率的提高，冷却系统也需要重新匹配。根据发动机最大功率确定冷却系统的
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最大散热量，通过计算确定出相适应冷却系统，并进行校核。
为验证改进后重新匹配的冷却系统的冷却效率和冷却能力，采用KULI软件对车辆在高原地区发动机处于满负荷运行工况条件下的冷却能力进行分析校验。
首先在KULI软件中建立了散热器、中冷器、风扇模型及整车热管理系统模型，见图2。
然后代入海拔4000m高原地区的大气压力、水沸点等重要环境参数和冷却系部件特征及发动机转速、平均有效压力等性能参数，并设定车辆在最大转矩转速（A工况）和发动机额定功率转速（B工况）两种极限工况，来验证某型越野汽车重新匹配的冷却系统能否满足高原地区的使用要求。仿真输出的结果主要是发动机循环冷却液的温度等相关参数，结果见表3。
表3 冷却系统的仿真结果
结果显示，A工况和B工况下散热器内侧（冷却液侧）进口温度（近似发动机出口温度）均低于此海拔下的沸点温度86.7℃，并且散热器内阻也没有超过最大许用范围（许用值为50kPa）。经仿真计算校核表明动力系统改进后匹配的冷却系统能够满足高原地区的使用要求。
4 Cruise软件仿真及试验验证
根据某型越野汽车的布置结构和动力传动路线在Cruise 软件中建立了整车模型，见图3。
图3 Cruise软件中建立的整车模型
在整车模型中输入车辆参数，如车辆的质量、质心位置和迎风面积等基本信息以及高原环境参数；在发动机模块中导入WP型发动机在高原地区的万有特性曲线，之后对设定的动力性、经济性仿真任务进行计算，得到的结果曲线见图4。
为进一步验证改进后某型越野汽车在高原地区的实际使用效果，选取动力传动系统配置相同的试验样车按照相关标准在高原地区进行了动力性、经济性试验。试验结果和软件仿真结果见表4。
（a）汽车功率平衡曲线（d）原地起步加速时间曲线
（c）各档位爬坡度曲线（d）限定工况循环发动机工况点分布图
图4 Cruise软件计算结果曲线
表4 高原地区动力性、经济性试验和仿真对比结果
仿真和试验结果均表明改进后的某型越野汽车的动力性、经济性完全达到了设计指标，并且在高原试验过程中新匹配的冷却系统也得到了验证。
5 结论
本文针对某型越野汽车在高原地区动力性、经济性严重下降的问题，分析了导致该问题的主要因素。依据车辆在高原地区实际需求设定的指标值，更新了发动机并进行了动力性匹配设计，采用Cruise和KULI软件模拟高原环境分别对车辆动力性和冷却能力进行了校核，并通过高原地区的试验证明该改进设计方案达到了设计指标要求，可显著提高该车型在高原地区使用性能。
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