底盤測(cè)功機(jī)的阻力設(shè)定方法對(duì)整車油耗測(cè)試的影響

朱文波 王雙 黎運(yùn)

【摘 要】在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定輕型汽車的綜合油耗時(shí)，底盤測(cè)功機(jī)的2種阻力設(shè)定方法對(duì)測(cè)定結(jié)果有直接的影響。文章對(duì)底盤測(cè)功機(jī)的2種阻力設(shè)定方法（查表法和滑行法）進(jìn)行了理論分析，并對(duì)阻力設(shè)定方法對(duì)汽車的尾氣排放和油耗的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用查表法在一定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)不能真實(shí)地反映車輛的油耗水平。在NEDC測(cè)試工況下，采用查表法進(jìn)行阻力設(shè)定所測(cè)得的綜合油耗及尾氣排放中污染物的含量均比采用滑行法測(cè)定的要低。

【關(guān)鍵詞】底盤測(cè)功機(jī)；阻力設(shè)定；油耗；尾氣排放

【中圖分類號(hào)】TH117.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）06-0084-05

0 前言

汽車作為常見的交通工具，其燃油經(jīng)濟(jì)性是廣大消費(fèi)者最關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)之一。車輛在實(shí)際行駛過程中的燃油消耗與廠家公布的油耗值往往相差較遠(yuǎn)，這是由于廠家采用的檢測(cè)方法與汽車在實(shí)際道路上行駛時(shí)的工況符合程度較低導(dǎo)致的。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬測(cè)試汽車在實(shí)際行駛時(shí)排放和油耗的一般方法如下：首先采集車輛在道路上行駛的路譜，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析后，確定測(cè)試用的典型工況，然后使用底盤測(cè)功機(jī)在室內(nèi)模擬汽車在道路上行駛時(shí)所受到的阻力，最后使用軟件系統(tǒng)對(duì)汽車排出的尾氣進(jìn)行分析處理[1]。因此，底盤測(cè)功機(jī)模擬道路行駛阻力的準(zhǔn)確性對(duì)油耗試驗(yàn)結(jié)果有很大的影響。

本文對(duì)汽車行駛過程中的受力情況和底盤測(cè)功機(jī)的受力狀況進(jìn)行對(duì)比分析，找出底盤測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定的影響因素。并分別應(yīng)用不同的阻力設(shè)定方法進(jìn)行油耗測(cè)試，同時(shí)對(duì)排放結(jié)果進(jìn)行分析。

1 底盤測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定

設(shè)定底盤測(cè)功機(jī)阻力的目的就是在底盤測(cè)功機(jī)上再現(xiàn)車輛在道路上行駛時(shí)所受到的阻力。

1.1 車輛行駛受力分析

1.1.1 道路行駛時(shí)車輛的受力分析

車輛在道路上勻速行駛時(shí)，其行駛阻力與發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力相平衡。行駛阻力分為5個(gè)部分：輪胎的滾動(dòng)阻力、空氣阻力、傳動(dòng)系的阻力、坡度阻力和車輛慣性阻力。平衡方程如式（1）[2]：

Ft=Fr+Fw+Fn+Fi+Fj（1）

公式（1）中：Ft為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的力；Fr為輪胎滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fn為車輛傳動(dòng)系阻力；Fi為坡道阻力；Fj為車輛慣性阻力，包括汽車平移質(zhì)量慣性力和旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力。

1.1.2 在底盤測(cè)功機(jī)上車輛的受力分析

汽車在底盤測(cè)功機(jī)滾輪上行駛，從動(dòng)輪被夾緊固定，僅驅(qū)動(dòng)輪和底盤測(cè)功機(jī)的滾輪做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)車輛相對(duì)滾輪是靜止的，車速為零。滾輪的表面則取代了路面。因此，汽車在底盤測(cè)功機(jī)上變速行駛時(shí)的力平衡方程式如下：

Ft'=Fb'+Fm'+Fr'+Fj'+FJ'+Fn'（2）

公式（2）中：Ft'為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的力；Fb'為底盤測(cè)功機(jī)制動(dòng)力；Fm'為測(cè)功機(jī)內(nèi)阻；Fr'為驅(qū)動(dòng)輪與滾筒接觸面的滾動(dòng)阻力；Fj'為汽車旋轉(zhuǎn)部件的慣性阻力；FJ'為測(cè)功機(jī)的慣性阻力；Fn'為車輛傳動(dòng)系阻力。

1.1.3 轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的阻力模擬分析

車輛在轉(zhuǎn)鼓上的滑行可模擬其在道路上行駛時(shí)所受的總阻力。車輛在底盤測(cè)功機(jī)上再現(xiàn)道路行駛阻力時(shí)，其受力分為2個(gè)部分，即底盤測(cè)功機(jī)上的車輛損失阻力和轉(zhuǎn)鼓測(cè)定阻力。道路總阻力減去車輛損失阻力就是底盤測(cè)功機(jī)需要設(shè)定的阻力。

通過表1的比較分析可知，在使用滑行法設(shè)定轉(zhuǎn)鼓阻力時(shí)，在車輛條件相同的情況下，車輛在轉(zhuǎn)鼓和在道路上行駛的傳動(dòng)阻力是相同的。在轉(zhuǎn)鼓上滑行時(shí)，車輛相對(duì)于地面的速度為0，因此沒有受到風(fēng)阻。車輛在轉(zhuǎn)鼓上滑行不存在坡度，因此也沒有坡度阻力。在道路上行駛時(shí)，輪胎的滾動(dòng)阻力是由4個(gè)輪胎與地面接觸組成，而在轉(zhuǎn)鼓上滑行時(shí)只有2個(gè)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，因此車輛在轉(zhuǎn)鼓上所受的輪胎滾動(dòng)阻力小于在道路上行駛時(shí)所受的輪胎滾動(dòng)總阻力。

1.2 底盤測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定原理

依據(jù)國(guó)家頒布的標(biāo)準(zhǔn)《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)定方法（中國(guó)第五階段）》（GB 18352.5—2013），可采用2種方法對(duì)底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行阻力設(shè)定，即標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力設(shè)定（查表法）和車輛滑行實(shí)際阻力設(shè)定（滑行法）。

1.2.1 滑行法

滑行法是將道路試驗(yàn)中車輛受到的阻力狀況在測(cè)功機(jī)上進(jìn)行模擬。由道路滑行試驗(yàn)測(cè)出道路負(fù)荷公式中的系數(shù)f0、f1、f2。車輛在道路行駛的總阻力F=f0+f1v+f2v2[3]。車輛損失阻力同樣通過滑行法采集，該阻力的線性方程為F '=f0'+f1'v+f2'v2。因此，轉(zhuǎn)鼓的阻力設(shè)定值應(yīng)為F s=F-F '。

使用滑行法進(jìn)行燃油消耗量試驗(yàn)，可以高精度地模擬車輛在道路行駛時(shí)所受阻力的情況，會(huì)更加真實(shí)地反映車輛在實(shí)際道路中的排放和油耗水平。

1.2.2 查表法

根據(jù)車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量，在標(biāo)準(zhǔn)中查表得到當(dāng)量慣量和阻力系數(shù)a、b，將當(dāng)量慣量和阻力系數(shù)輸入底盤測(cè)功機(jī)的控制計(jì)算機(jī)，得到底盤測(cè)功機(jī)的制動(dòng)力F（F=a+bv2）。

查表法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、快捷方便；缺點(diǎn)是對(duì)車輛道路行駛的阻力模擬精度較低。

2 試驗(yàn)部分

針對(duì)2款不同車型，分別使用滑行法和查表法加載進(jìn)行NEDC整車油耗試驗(yàn)。試驗(yàn)方法依據(jù)《輕型汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法》（GB/T 19233—2003）進(jìn)行。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

整車油耗試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)某實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備主要包括試驗(yàn)車、底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、排放分析系統(tǒng)、環(huán)境倉(cāng)等。整車油耗試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示。

（1）測(cè)試車輛參數(shù)。測(cè)試采用的2款試驗(yàn)車的相關(guān)參數(shù)見表2。

（2）底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)。底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)主要由測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓、車輛對(duì)中裝置、輪胎固定裝置、冷卻風(fēng)機(jī)等組成。測(cè)試設(shè)備型號(hào)見表3。該系統(tǒng)能有效地控制試驗(yàn)行駛工況和運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，重復(fù)性好，試驗(yàn)精度高。試驗(yàn)時(shí)，底盤測(cè)功機(jī)參數(shù)可由控制室的主機(jī)電腦進(jìn)行設(shè)定。

（3）排氣分析系統(tǒng)。排氣分析系統(tǒng)主要由主機(jī)控制單元、HORIB 7200H排放分析儀、稀釋通道、定容采樣系統(tǒng)、氣袋采樣單元、鼓風(fēng)機(jī)、消聲器等組成。

氣體污染物使用的分析儀器有一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）分析儀、總碳?xì)浠衔铮═CL）分析儀、點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)、甲烷分析儀、氮氧化合物分析儀。

（4）恒溫倉(cāng)。恒溫倉(cāng)主要由WEISS環(huán)境倉(cāng)、廢氣排出系統(tǒng)、新鮮空氣補(bǔ)償系統(tǒng)、溫度和濕度控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。進(jìn)行整車油耗試驗(yàn)時(shí)，須在恒溫倉(cāng)中進(jìn)行6 h以上的浸車處理，以控制試驗(yàn)初始油溫。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 試驗(yàn)原理

整車油耗試驗(yàn)方法根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法 第1部分》（GB/T 12545.5—2008），采用GB 18352.3—2005中的NEDC循環(huán)工況，在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)選在某企業(yè)的排放實(shí)驗(yàn)室。

圖2是整車油耗試驗(yàn)的原理圖。將試驗(yàn)車驅(qū)動(dòng)輪（后輪）安裝在底盤測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓上，前輪固定。轉(zhuǎn)鼓模擬連續(xù)移動(dòng)的實(shí)際路面，阻力加載裝置模擬汽車行駛阻力，風(fēng)機(jī)模擬汽車行駛風(fēng)阻，飛輪系統(tǒng)模擬汽車運(yùn)動(dòng)慣性。試驗(yàn)時(shí)，駕駛員控制試驗(yàn)車按照NEDC循環(huán)工況運(yùn)行，試驗(yàn)車的排氣與環(huán)境空氣在稀釋通道中混合稀釋，防止采樣系統(tǒng)中高沸點(diǎn)的碳?xì)浠衔锱c水蒸氣凝結(jié)，減少排氣各組分間的反應(yīng)，使采樣氣體比較穩(wěn)定，定容采樣系統(tǒng)按照排氣與空氣的定容積比連續(xù)收集樣氣，并通過排放分析儀系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)過程中測(cè)得的采樣氣體濃度和氣體總體積，按照碳平衡法，便可計(jì)算出試驗(yàn)車氣體排放物的質(zhì)量，進(jìn)一步折算成整車百公里油耗（L/100 km）。

整車油耗的分析和計(jì)算采用GB/T 12545.5—2008中的碳平衡法，其基本原理如下：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，尾氣排放中的含碳量與燃油中的含碳量相等。測(cè)得汽車在整個(gè)循環(huán)過程中的排氣總?cè)莘e和含碳化合物濃度，便可算得含碳化合物的總質(zhì)量，從而間接算得相應(yīng)的燃油消耗量，公式如下[3]：

式中，Q為燃油消耗量，單位為L(zhǎng)/100 km；MCO、MCO2、MHC分別為測(cè)得的CO、CO2、碳?xì)渑欧帕?，單位為g/km；ρ為15 ℃時(shí)試驗(yàn)用燃油的密度，單位為kg/L。

2.2.2 試驗(yàn)條件

汽車在底盤測(cè)功機(jī)上模擬道路行駛時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度在25 ℃，大氣壓為100 kPa，室內(nèi)相對(duì)濕度為50%，實(shí)驗(yàn)前車身應(yīng)潔凈、干燥，汽車車輪內(nèi)無砂石等顆粒物。

2.2.3 試驗(yàn)流程[4]

？譹？訛將試驗(yàn)車更換好發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和后橋潤(rùn)滑油；？譺？訛預(yù)處理；？譻？訛浸車6 h（經(jīng)預(yù)處理后的汽車，在試驗(yàn)之前，應(yīng)放置于溫度相對(duì)穩(wěn)定在25 ℃的室內(nèi)預(yù)置；此預(yù)置時(shí)間應(yīng)至少進(jìn)行6 h，直到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度和冷卻液溫度達(dá)到室內(nèi)溫度的±2 ℃范圍內(nèi)）；？譼？訛將試驗(yàn)車的驅(qū)動(dòng)輪置于底盤測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓上，用三角架固定試驗(yàn)車的從動(dòng)輪；？譽(yù)？訛調(diào)整試驗(yàn)車驅(qū)動(dòng)輪的胎壓至輪胎的標(biāo)準(zhǔn)胎壓210 kPa，調(diào)整底盤測(cè)功機(jī)的當(dāng)量慣量（CN100B12為1 250 kg）；？譾？訛進(jìn)行NEDC循環(huán)試驗(yàn)，得出市區(qū)油耗、郊區(qū)油耗及綜合油耗。？譿？訛以上測(cè)試過程，為一次測(cè)試。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 查表法和滑行法阻力設(shè)定對(duì)比

選取當(dāng)量慣量為1 360 kg、1 590 kg的2款車進(jìn)行2種阻力設(shè)定方法的比較。表4為2種阻力設(shè)定方法對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)及總阻力。

圖3為樣車1按2種阻力設(shè)定方法所得出的底盤測(cè)功機(jī)速度與阻力的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出，在低速區(qū)標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力均比實(shí)際滑行阻力小，在車速為90 km/h左右時(shí)，2種設(shè)定方法得到的阻力值差異不大。在速度大于90 km/h時(shí)，查表法推薦阻力值比實(shí)際滑行阻力值大。2條曲線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象的原因是標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力是通過不同車輛的滑行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后取得折中的阻力，在一定范圍內(nèi)具有合理性和代表性（曲線無交叉則代表推薦阻力設(shè)定值與實(shí)際阻力值相比整體偏高或偏低，采用這種方式制定的標(biāo)準(zhǔn)就偏離了實(shí)際情況）。

圖4為樣車2在2種阻力設(shè)定方法下底盤測(cè)功機(jī)的速度與阻力的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，在0～120 km/h的速度區(qū)間，滑行法設(shè)定的阻力值均比標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力值大。2條曲線出現(xiàn)交叉趨勢(shì)。

對(duì)比圖3和圖4可知，車輛的當(dāng)量慣量越大，則2種阻力設(shè)定方法得到的速度——阻力曲線的交叉點(diǎn)會(huì)向高速方向移動(dòng)。

整車油耗測(cè)試采用NEDC工況，工況中市區(qū)循環(huán)（UDC）的車速范圍為0～50 km/h，在此速度區(qū)間，樣車1和樣車2的標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力值均比實(shí)際滑行阻力值小，因此可以推斷，使用查表法設(shè)定阻力得到的市區(qū)油耗比使用滑行法得到的結(jié)果要低。工況中市郊循環(huán)（EUDC）的車速范圍為0～120 km/h，在此速度區(qū)間內(nèi)，樣車2的標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力值均比實(shí)際滑行阻力小，同樣可以推斷，樣車2使用查表法測(cè)得的郊區(qū)油耗值比使用滑行法得到的結(jié)果要低。也能初步判斷，樣車2使用查表法測(cè)得的綜合油耗比使用滑行法低。

2.3.2 整車油耗測(cè)試值

由圖5可以看出，對(duì)于樣車1，使用滑行法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)測(cè)得的市區(qū)油耗值比使用查表法測(cè)得的油耗值要高，佐證了上述的推斷。對(duì)于郊區(qū)油耗，使用滑行法進(jìn)行阻力設(shè)定所測(cè)得的值比使用查表法測(cè)得的油耗值要低。

由圖6可以看出，對(duì)于樣車2，使用滑行法設(shè)定阻力時(shí)所得到的市區(qū)油耗和郊區(qū)油耗均比使用查表法得到的油耗值要高。

由表5可知，樣車1使用查表法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)的綜合油耗值為7.13 L/100 km，使用滑行法測(cè)得的綜合油耗值為7.13 L/100 km，2種設(shè)定方法下的油耗偏差為1.54%。樣車2使用查表法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)的綜合油耗值為7.38 L/100 km，使用滑行法測(cè)得的綜合油耗值為7.22 L/100 km，2種設(shè)定方法下的油耗偏差為2.17%。樣車2的油耗偏差比樣車1的偏差大。

2.3.3 尾氣污染物含量

由表6可知，對(duì)于樣車1，使用滑行法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)，THC、NOX、CO2、CH4、NMHC等氣體的含量均比使用查表法進(jìn)行阻力設(shè)定測(cè)得的結(jié)果高，只有CO的含量較查表法測(cè)得的結(jié)果低。對(duì)于樣車2，使用滑行法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)，除了CH4氣體含量與使用查表法時(shí)測(cè)得的結(jié)果一樣，其余氣體的含量均比使用查表法時(shí)測(cè)定的結(jié)果高。

3 結(jié)論

（1）進(jìn)行整車燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)時(shí)，為保證所測(cè)得的油耗值真實(shí)地反映車輛在實(shí)際道路中的油耗水平，應(yīng)盡可能地使用滑行法進(jìn)行底盤測(cè)功機(jī)的阻力設(shè)定。

（2）對(duì)于樣車1（當(dāng)量慣量1 360 kg），當(dāng)車速在0～90 km/h區(qū)間時(shí)，使用查表法得到的阻力設(shè)定值小于使用滑行法設(shè)定的阻力值。當(dāng)車速超過90 km/h時(shí)，使用查表法設(shè)定的阻力值大于使用滑行法設(shè)定的阻力值。對(duì)于樣車2（當(dāng)量慣量1 590 kg），車速小于120 km/h時(shí)，使用滑行法設(shè)定的阻力值均大于使用查表法設(shè)定的阻力值。

（3）對(duì)于樣車1，使用滑行法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)，市區(qū)油耗值比使用查表法時(shí)的高，郊區(qū)油耗比查表法時(shí)的低。對(duì)于樣車2，使用滑行法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)，市區(qū)油耗值和郊區(qū)油耗值均比使用查表法時(shí)的高。樣車1和樣車2使用滑行法設(shè)定阻力時(shí)的綜合油耗值均比使用查表法時(shí)高。

（4）對(duì)于樣車1，使用滑行法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)，尾氣中除了CO含量值較使用查表法設(shè)定阻力時(shí)要低，其余氣體含量均比使用查表法時(shí)高。對(duì)于樣車2，使用滑行法進(jìn)行阻力設(shè)定時(shí)，尾氣中除去CH4含量值與使用查表法設(shè)定阻力時(shí)相同，其余氣體含量均比使用查表法時(shí)高。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]