重型貨車(chē)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)油耗影響的模擬分析

鄭天雷，金約夫，張曉龍

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心 天津 300300)

0 引 言

燃料消耗量是衡量汽車(chē)性能的重要指標(biāo)。重型商用車(chē)是我國(guó)柴油消耗的主體，其中貨車(chē)保有量最大且年均行駛里程較長(zhǎng)，在重型商用車(chē)柴油消耗總量中占比最高。本文以貨車(chē)為研究對(duì)象，基于開(kāi)發(fā)的模擬軟件對(duì)重型貨車(chē)各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)燃料消耗量的影響進(jìn)行模擬計(jì)算和量化分析，為燃料經(jīng)濟(jì)性的改善和效果評(píng)估提供參考。

1 試驗(yàn)工況及模擬軟件

汽車(chē)燃料消耗量的影響因素主要包括兩個(gè)方面(見(jiàn)圖1)：一方面是車(chē)輛本身的因素，如車(chē)輛的質(zhì)量、排量等技術(shù)參數(shù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等部件的技術(shù)性能等；另一方面是外部因素，如車(chē)輛的行駛環(huán)境、行駛工況和司機(jī)的駕駛習(xí)慣等。

本研究主要針對(duì)車(chē)輛本身因素對(duì)燃料消耗量的影響開(kāi)展分析，因此車(chē)輛在相同的駕駛循環(huán)、環(huán)境條件和換擋規(guī)范下進(jìn)行測(cè)試，其中行駛工況采用C-WTVC循環(huán)。[1]C-WTVC循環(huán)是在世界重型商用車(chē)輛瞬態(tài)循環(huán)基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整形成的車(chē)輛瞬態(tài)循環(huán)工況，由市區(qū)、公路、高速 3段工況組成，工況曲線如圖 2所示。C-WTVC循環(huán)的速度，加速度等特征參數(shù)如表1所示。

圖1 燃料消耗量影響因素Fig.1 Influence factors of fuel consumption

圖2 C-WTVC循環(huán)工況曲線Fig.2 C-WTVC driving cycle curve

表1 C-WTVC循環(huán)特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of a C-WTVC driving cycle

本研究以 GB/T 27840—2011標(biāo)準(zhǔn)方法開(kāi)發(fā)的“重型商用車(chē)燃料消耗量模擬計(jì)算系統(tǒng)”為計(jì)算工具。模擬軟件以發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)輸入的車(chē)輛參數(shù)，計(jì)算出車(chē)輛在規(guī)定行駛工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和扭矩。根據(jù)轉(zhuǎn)速和扭矩對(duì)萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，最后通過(guò)積分計(jì)算得到不同工況下的燃料消耗量。[1]軟件界面如圖3所示。

圖3 重型商用車(chē)燃料消耗量模擬計(jì)算系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of the analog computing system for fuel consumption of heavy-duty commercial vehicles

模擬軟件中考慮了空氣阻力、滾動(dòng)阻力等對(duì)燃料消耗量的影響，因此可以依據(jù)該軟件對(duì)車(chē)輛不同質(zhì)量、空阻系數(shù)、滾阻系數(shù)、主減速比、傳動(dòng)效率和主減速比對(duì)燃料消耗量影響程度進(jìn)行計(jì)算和分析。

2 試驗(yàn)車(chē)型

我國(guó)重型貨車(chē)中，5,t、16,t、25,t和 31,t是車(chē)型數(shù)量和產(chǎn)銷(xiāo)量最多的4種最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，因此在以上質(zhì)量處各選取1個(gè)車(chē)型作為測(cè)試對(duì)象。4個(gè)車(chē)型的基本參數(shù)如表2所示：

表2 試驗(yàn)車(chē)型基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of testing vehicles

其中，車(chē)型1和車(chē)型4為國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型，車(chē)型2和車(chē)型3為國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型。除獲取車(chē)輛基本參數(shù)和變速器各檔位傳動(dòng)比之外，依據(jù)GB/T 18297—2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)怠速試驗(yàn)、最大扭矩試驗(yàn)、反拖扭矩試驗(yàn)及萬(wàn)有特性試驗(yàn)。[2]其中，發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)點(diǎn)共 80～100個(gè)，均勻地分布在發(fā)動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)速及扭矩范圍內(nèi)。

3 影響分析

將車(chē)型 1～4的參數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)輸入模擬軟件，可以計(jì)算得到各車(chē)型在市區(qū)、公路、高速和綜合工況下的燃料消耗量。同時(shí)，分別計(jì)算質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)等參數(shù)變化后的燃料消耗量，分析各性能參數(shù)對(duì)燃料消耗量的影響程度。

3.1 質(zhì)量

車(chē)輛質(zhì)量對(duì)滾動(dòng)阻力、加速阻力等影響較大，是影響燃料消耗量的重要參數(shù)。研究過(guò)程中，車(chē)型分別在 90%,、100%,(滿(mǎn)載)、110%,最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量 3種載荷狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖 4所示。以滿(mǎn)載狀態(tài)為基準(zhǔn)，當(dāng)質(zhì)量增加 10%,，燃料消耗量平均上升 5.7%,；當(dāng)質(zhì)量減少 10%,，燃料消耗量平均下降5.2%,。

圖4 最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量與燃料消耗量Fig.4 Relation of the Max.design mass to fuel consumption

圖5為各車(chē)型在市區(qū)、公路、高速和綜合4種工況下平均燃料消耗量變化情況。對(duì)比來(lái)看，質(zhì)量變化對(duì)市區(qū)工況的燃料消耗量影響最大，質(zhì)量增加或降低 10%,時(shí)，燃料消耗量平均增加 6.7%,和降低 6.5%,；對(duì)高速工況影響最小，相同質(zhì)量變化下，燃料消耗量平均增加 3.7%,和降低 4.0%,。由于市區(qū)工況平均車(chē)速較低、加減速工況較多，與質(zhì)量相關(guān)的滾動(dòng)阻力和加速阻力占比較高；而在高速工況下與質(zhì)量無(wú)關(guān)的空氣阻力占比較高。

圖5 不同工況下最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量對(duì)燃料消耗量的影響Fig.5 Impact of the Max.design weight on fuel consumption under different working conditions

通過(guò)上述分析，質(zhì)量是重型貨車(chē)燃料消耗量的重要影響因素。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用輕質(zhì)材料等輕量化技術(shù)減小整車(chē)整備質(zhì)量，可以顯著降低車(chē)型燃料消耗量。尤其對(duì)以市區(qū)工況為主的車(chē)型，減小質(zhì)量對(duì)降低燃料消耗量作用最為明顯。另一方面，當(dāng)質(zhì)量增加時(shí)，燃料消耗量增長(zhǎng)幅度低于質(zhì)量，這也意味著雖然車(chē)輛的百公里燃料消耗量增加，但單位質(zhì)量的燃料消耗量有所下降，從而提高了運(yùn)輸效率。因此，應(yīng)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上減小整車(chē)整備質(zhì)量，從使用環(huán)節(jié)在法規(guī)規(guī)定的載荷范圍內(nèi)提高質(zhì)量利用系數(shù)，從而達(dá)到節(jié)省燃油的目的。

3.2 空氣阻力系數(shù)

車(chē)輛的空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積和車(chē)速?zèng)Q定了空氣阻力的大小，進(jìn)而影響車(chē)輛的燃料消耗量。以空氣阻力系數(shù)(0.8)為基準(zhǔn)，計(jì)算空阻系數(shù)增加和減小10%,狀態(tài)下的燃料消耗量，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)空阻系數(shù)增加10%,，燃料消耗量平均上升2.2%,；當(dāng)空阻系數(shù)減少10%,，燃料消耗量平均下降2.3%,。

圖6 空氣阻力系數(shù)與燃料消耗量Fig.6 Relation of air drag coefficient to fuel consumption

在迎風(fēng)面積和空阻系數(shù)一定的情況下，空氣阻力與速度平方成正比。因此，如圖 7所示，空阻系數(shù)變化對(duì)平均車(chē)速最高的高速工況燃料消耗量影響最大，空阻系數(shù)增加或降低10%,時(shí)，燃料消耗量平均增加 3.6%,和降低 3.9%,；對(duì)市區(qū)工況影響最小，相同變化下，燃料消耗量平均增加 0.5%,和降低0.5%,。

圖7 不同工況下空阻系數(shù)對(duì)燃料消耗量的影響Fig.7 Impact of air drag coefficient on fuel consumption under different working conditions

空阻系數(shù)也是影響貨車(chē)燃料消耗量的重要因素，尤其對(duì)于高速工況較多的大噸位貨車(chē)、牽引車(chē)，通過(guò)優(yōu)化外形設(shè)計(jì)、加裝導(dǎo)流罩和側(cè)裙板等降低空氣阻力是提高燃料經(jīng)濟(jì)性的重要手段。

3.3 滾動(dòng)阻力系數(shù)

輪胎和地面間的滾動(dòng)阻力是影響貨車(chē)燃料消耗量的重要因素，由車(chē)重和滾動(dòng)阻力系數(shù)決定。在研究中，以GB/T,27840—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的滾阻系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式作為基準(zhǔn)，即 f＝0.007,6＋0.000,056,V(14,t以下車(chē)輛)；f＝0.006,6＋0.000,028,6,V(14,t及以上車(chē)輛、斜交胎)；f＝0.004,1＋0.000,025,6,V(14,t及以上車(chē)輛、子午線胎)；其中 f為滾阻系數(shù)，V為車(chē)速，單位為 km/h。[1]分別計(jì)算滾阻系數(shù)增加和減小10%,狀態(tài)下的燃料消耗量，結(jié)果如圖 8所示。當(dāng)滾阻系數(shù)增加10%,，燃料消耗量平均上升 2.3%,；當(dāng)滾阻系數(shù)減少 10%,，燃料消耗量平均下降2.3%,。

圖8 滾阻系數(shù)與燃料消耗量Fig.8 Relation of rolling resistance coefficient to fuel consumption

根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式，滾阻系數(shù)與速度成正比。因此，如圖9所示，滾阻系數(shù)變化對(duì)高速工況燃料消耗量影響最大，滾阻系數(shù)增加或降低 10%,時(shí)，燃料消耗量平均增加 2.6%,和降低3.0%,；對(duì)市區(qū)工況影響最小，相同變化下，燃料消耗量平均增加 1.2%,和降低 1.3%,。

圖9 不同工況下滾阻系數(shù)對(duì)燃料消耗量的影響Fig.9 Impact of rolling resistance coefficient on fuel consumption under different working conditions

滾動(dòng)阻力系數(shù)除與速度、胎壓等使用狀態(tài)有關(guān)外，還與輪胎、路面等相關(guān)，采用單寬胎、低滾阻輪胎等可有效降低滾動(dòng)阻力、提高燃料經(jīng)濟(jì)性。

3.4 傳動(dòng)效率

傳動(dòng)效率也是影響燃料消耗量的重要參數(shù)。研究過(guò)程中，變速器和主減速器基準(zhǔn)傳動(dòng)效率分別按0.96和0.94計(jì)算，同時(shí)計(jì)算傳動(dòng)效率增加和降低 10%,狀態(tài)下的燃料消耗量，結(jié)果如圖 10所示。當(dāng)傳動(dòng)效率增加 10%,，燃料消耗量平均下降7.3%,；當(dāng)傳動(dòng)效率降低 10%,，燃料消耗量平均增加 8.7%,。而從幾種工況下的對(duì)比來(lái)看，傳動(dòng)效率變化對(duì)各種工況的燃料消耗量影響接近(見(jiàn)圖11)。

圖10 傳動(dòng)效率與燃料消耗量Fig.10 Relation of transmission efficiency to fuel consumption

圖11 不同工況下傳動(dòng)效率對(duì)燃料消耗量的影響Fig.11 Impact of drive ratio on fuel consumption under different working conditions

總體上看，改善傳動(dòng)效率可以在各種行駛工況下顯著提高車(chē)輛的燃料經(jīng)濟(jì)性。傳動(dòng)效率是一個(gè)國(guó)家汽車(chē)行業(yè)整體技術(shù)水平的體現(xiàn)，受多種因素影響，必須從加工工藝、匹配、潤(rùn)滑等多方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.5 主減速比

主減速比對(duì)動(dòng)力性能和燃料經(jīng)濟(jì)性均有較大的影響。主減速比的變化影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)間，進(jìn)而影響整車(chē)燃料消耗量結(jié)果。研究過(guò)程中，選取了幾種常見(jiàn)的主減速比(3.73、3.91、4.77、5.1、5.6、6.33、6.9)分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖 12 所示。

圖12 主減速比與燃料消耗量Fig.12 Relation of final ratio to fuel consumption

需要注意的是，在其他條件不變的情況下，主減速比增加導(dǎo)致最高車(chē)速下降，車(chē)型2和車(chē)型4在采用3.91以上主減速比時(shí)已無(wú)法達(dá)到工況所需最低車(chē)速要求，無(wú)法完成計(jì)算?？傮w上看，對(duì)于同一車(chē)型，隨著主減速比的增加，燃料消耗量略有增加。采用較小的主減速比可以獲得更好的燃料經(jīng)濟(jì)性，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于某些在困難工況(如山區(qū)等)下行駛的車(chē)輛，在發(fā)動(dòng)機(jī)功率有限的情況下，往往首先為了滿(mǎn)足車(chē)輛加速和爬坡性能而犧牲部分經(jīng)濟(jì)性，采用較大的主減速比。

3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)上對(duì)燃料消耗量影響最大的部件。汽車(chē)燃油全部通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)消耗，因此模擬軟件結(jié)果也是通過(guò)對(duì)燃油消耗率數(shù)據(jù)的插值和積分計(jì)算得出的。目前，常以全負(fù)荷最低燃油耗率表征發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，但在 C-WTVC和實(shí)際行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)并非運(yùn)行在某一工況點(diǎn)而是運(yùn)行在不同的工況區(qū)間，因此僅最低燃油耗率的改變對(duì)工況燃料消耗量結(jié)果影響很小。如果通過(guò)技術(shù)手段改善整體燃油消耗率，則最終的工況燃料消耗量結(jié)果也將獲得相同比例的改善。目前常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能措施包括：增壓和共軌、提高熱效率、進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化、減少附件能耗等。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在相同的試驗(yàn)條件下，分析評(píng)價(jià)重型貨車(chē)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)燃料消耗量的影響程度。從總體看，質(zhì)量、空阻系數(shù)、滾阻系數(shù)、傳動(dòng)效率、主減速比和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的變化對(duì)燃料消耗量的影響程度并不一致；同時(shí)，相同的參數(shù)變化對(duì)車(chē)型在市區(qū)、公路和高速工況下燃料消耗量的影響也存在差異。通過(guò)本研究，為重型商用車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性的改善方向和效果評(píng)估提供參考。隨著能源形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，我國(guó)將逐步實(shí)施更為嚴(yán)格的燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)，先進(jìn)節(jié)能技術(shù)也將得到更廣泛的應(yīng)用，重型商用車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性將進(jìn)一步提高。■

［1］全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 27840—2011 重型商用車(chē)輛燃料消耗量測(cè)量方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［2］全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 18297—2001 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［3］余志生，夏群生，趙六奇，等.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.