整車燃油經(jīng)濟性與輪胎相關(guān)性的試驗研究與理論分析

張新月，殷瑞婧，周福強，仇 斌，危銀濤

（1.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084；2.燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 066000）

隨著地球的日趨變暖，石油資源短缺、不斷漲價，環(huán)境污染控制的要求日益嚴(yán)酷，減少汽車燃料消耗以及尾氣排放量已成當(dāng)前世界性的重要環(huán)保課題[1-2]。汽車燃油經(jīng)濟性的影響因素包括發(fā)動機性能、汽車行駛阻力和傳動效率、結(jié)構(gòu)因素、道路條件、氣候、交通狀況等諸多方面。本工作通過試驗和能量流分析，研究乘用車輪胎對整車燃油經(jīng)濟性的影響[3-4]。作為汽車的唯一接地部件，輪胎本身材料和結(jié)構(gòu)屬性及道路的作用，使輪胎在滾動時產(chǎn)生了阻礙前進(jìn)的滾動阻力，作為車輛行駛的4種主要阻力來源之一，滾動阻力造成了燃油的消耗。車輛消耗燃料的10%是用來克服車輛的滾動阻力[5]；美國環(huán)保局的試驗數(shù)據(jù)也表明[6]，當(dāng)輪胎的滾動阻力降低10%時，轎車能有效地節(jié)約2%的燃油，載重汽車能節(jié)約4%的燃油。因此，輪胎的滾動阻力是車輛能源消耗的重要組成部分。

歐盟各成員國以及美國等已紛紛立法，對輪胎的滾動阻力提出限值要求[7-8]。2012 年開始實施的歐盟輪胎“標(biāo)簽法”[9]對在歐盟銷售的輪胎各項性能提出更嚴(yán)格要求。目前，我國轎車輪胎有30%達(dá)不到歐盟第1階段滾動阻力的最低要求，70%達(dá)不到其第2階段的最低要求[10]。汽車制造商也開始對輪胎提出降低滾動阻力的要求。米其林推出的專用電動車輪胎Energy EV的滾動阻力系數(shù)降低20%，使得雷諾ZOE汽車的續(xù)航里程提高6%[11]，普利司通也推出EP150輪胎用于通用的Spark系列電動車[12]。

輪胎滾動阻力的組成為[13]：輪胎部件膠料的滯后損失 90%～95%；輪胎移動的空氣阻力+輪胎/路面摩擦 5%～10%。不同結(jié)構(gòu)、材料和花紋的輪胎滾動阻力是不同的，因此，同樣車輛配備不同的輪胎，滾動阻力的表現(xiàn)差別可達(dá)50%[14]。事實上，由于滾動阻力的存在，輪胎所造成的燃油消耗量約占整個轎車燃油消耗量的20%，在卡客車中則占1/3[15]。

盡管理論上降低滾動阻力可以提高汽車的燃油經(jīng)濟性，但是通過量化的對標(biāo)試驗，定量確定不同的輪胎對整車燃油經(jīng)濟性的影響的研究報道甚少。本研究采用4種品牌同規(guī)格的輪胎分別進(jìn)行滑行試驗和等速油耗試驗，對比分析輪胎與整車油耗的相關(guān)性，并在此基礎(chǔ)上通過能量流分析，建立輪胎滾動阻力系數(shù)與整車燃油經(jīng)濟性的關(guān)系。

1 實驗

通過滑行試驗和等速油耗試驗，辨識實際運行過程中輪胎的滾動阻力系數(shù)及其對汽車油耗的影響。選用試驗車型為東風(fēng)風(fēng)行LZ6460Q8GS，參數(shù)如下：

試驗所用4種品牌215/65R15輪胎的花紋形式如圖1所示。

圖1 4種品牌輪胎的花紋形式

1.1 滑行試驗

試驗車進(jìn)行了50 km·h-1的滑行距離和滾動阻力系數(shù)辨識試驗。試驗前試驗車輛必須進(jìn)行預(yù)熱行駛；在長約1 km的試驗路段兩端立上標(biāo)桿作為滑行區(qū)段，汽車在進(jìn)入滑行區(qū)段前車速應(yīng)稍大于50 km·h-1；駕駛員將變速器排擋放入空擋（松開離合器踏板），汽車開始滑行；記錄滑行初速度[應(yīng)為（50±0.3）km·h-1]和滑行距離。

1.2 等速油耗試驗

依次對不同品牌輪胎采用4種車速，20，30，40，50 km·h-1，進(jìn)行等速油耗試驗。為了確定在規(guī)定速度時的燃油消耗量，在低于或等于規(guī)定車速時進(jìn)行往返一次，往返區(qū)段應(yīng)盡量相同；并在至少等于或高于規(guī)定車速進(jìn)行另兩次試驗，但應(yīng)滿足速度誤差為±2 km·h-1的要求。

1.3 結(jié)果與分析

滑行試驗數(shù)據(jù)分兩部分，第1部分?jǐn)?shù)據(jù)是手動記錄的滑行距離和時間，處理后A—D品牌輪胎滾動阻力系數(shù)分別為0.009 46，0.009 57，0.012 17，0.010 90；第2部分?jǐn)?shù)據(jù)是V-BOX儲存卡中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的儲存頻率是100 Hz，其中要用到的數(shù)據(jù)是時刻和對應(yīng)的車速。第2部分的數(shù)據(jù)處理在MATLAB軟件中通過編程完成，包括提取滑行數(shù)據(jù)、判斷試驗數(shù)據(jù)是否有效、計算行駛阻力、計算修正后的滾動阻力及其系數(shù)。

試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 輪胎滾動阻力系數(shù)隨車速變化的曲線

由圖2可知，C品牌輪胎的滾動阻力系數(shù)最大，B品牌最小，A品牌僅次于B品牌，D品牌介于A品牌與C品牌之間。

4種品牌輪胎速度整合后的等速百千米油耗比擬合曲線如圖3所示。油耗比（n）以百千米耗油8 L為基準(zhǔn)計算，其計算公式為

式中，Q為百千米耗油量。

由圖2可知，4種品牌輪胎的滾動阻力隨著速度的提高都有增大的趨勢。由圖2與3對比分析可知，隨著車速的提高，B品牌輪胎滾動阻力的增大趨勢比A品牌輪胎強，因此當(dāng)車速超過40 km·h-1后不久B品牌輪胎的滾動阻力將大于A品牌，滾動阻力系數(shù)與油耗比的分析結(jié)果是一致的。

分析圖3，可以得到下述結(jié)論。

圖3 4種品牌輪胎速度整合后的等速百千米油耗比擬合曲線

（1）C品牌輪胎為普通能耗輪胎，在低速20 km·h-1時，車輛產(chǎn)生較大的能耗，而A和B品牌輪胎為低滾動阻力輪胎，其在低速特性上具有較低的油耗。并隨著車速的提高，耗油量逐漸增大。在20～30 km·h-1低速行駛時B品牌輪胎的節(jié)油性能更優(yōu)于A品牌輪胎。

（2）D品牌輪胎的等速油耗比擬合曲線總的趨勢是隨著車速提高而增大，低速時有先降低后提高的變化，說明在等速油耗試驗中，輪胎滾動阻力在30 km·h-1車速時達(dá)到最低。橡膠為粘彈性材料，隨著輪胎滾動速度的不同，其對路面激勵輸入的響應(yīng)也不同，滾動阻力與輪胎及材料的頻譜特性有可待深入研究的空間。

（3）輪胎的花紋由橫溝細(xì)密逐漸變?yōu)榧由罴訉?，而其低速的滾動阻力也逐漸增大。

（4）隨著速度的提高，不同品牌輪胎的油耗差異逐漸減小，在速度為50 km·h-1以上的油耗差異較小，幾乎可以忽略，這是由于隨著速度的提高，空氣阻力的比例逐漸增大，增大到一定程度，空氣阻力占主要因素。

比較圖2與3可以發(fā)現(xiàn)，在20～50 km·h-1速度范圍內(nèi)，滑行試驗與等速油耗試驗的結(jié)果是一致的，隨著速度的提高，滾動阻力對整車油耗的影響逐漸減小，速度在50 km·h-1以上時，輪胎滾動阻力的影響很小。

2 輪胎滾動阻力與整車燃油經(jīng)濟性相關(guān)性分析

上述試驗充分說明了輪胎滾動阻力對車輛燃油經(jīng)濟性的影響，為從普遍意義上理解兩者之間的關(guān)系，本研究基于能量流模型，推導(dǎo)輪胎滾動阻力對車輛燃油經(jīng)濟性的影響系數(shù)。

滾動阻力的降低意味著需要提供給車輪的力矩減小，相同速度下驅(qū)動所需的功率也因此降低。但是車輛發(fā)動機及傳動系的低效導(dǎo)致總的能量消耗比傳遞到輪胎上的要大。因此，節(jié)省的燃油比僅由滾動阻力減小節(jié)省的燃油要多。另外，汽車附件，例如空氣壓縮器、發(fā)電機等，要消耗發(fā)動機的部分輸出功率。車輛消耗能量流分析（每一項中用行的尺寸來表示在燃油消耗中的相對比例）[16]如圖4所示?？梢杂脗鲃酉档男手祦砻枋鲋付ǖ缆饭r的能量耗散[17-18]。發(fā)動機總的能量輸出（Ee）可以表示為

圖4 車輛消耗能量流分析

式中，Et為整個道路工況中傳遞的總的牽引能量，ε為傳動系的效率，Pa為附件的平均功率需求，t為行駛的總時間。

發(fā)動機消耗的燃油直接與通過燃油燃燒釋放的熱能（Ef）成正比。Ef的計算公式如下：

式中，F(xiàn)c為行駛單位距離的平均燃油消耗量，L為整個道路工況內(nèi)通過的距離，H0為燃料單位體積的低熱值。

發(fā)動機的總的機械能輸出可以通過下式與燃油能量聯(lián)系起來[17]：

式中，a為摩擦損失系數(shù)，N為整個道路工況內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，η為發(fā)動機的熱效率。

綜合式（1）—（3），得到關(guān)于一個工況內(nèi)車輛燃油消耗量及所需的輸入牽引能的關(guān)系式：

式中，Et為提供給車輪的總的機械能，用來克服指定工況內(nèi)阻礙車輛運動的所有力。這些力包括空氣動力阻力、重力（車輛爬坡時）和慣性力，當(dāng)然還包括輪胎的滾動阻力。因此，Et可以表示為

式中，Ea，Eg，Ei和El分別為克服空氣動力阻力、重力、慣性力和輪胎滾動阻力所需的能量，可以通過對工況內(nèi)行駛距離上作用的力進(jìn)行積分計算得到。

依據(jù)滾動阻力的基本定義（通過單位距離消耗的能量），得到燃油消耗量相對于滾動阻力的函數(shù)關(guān)系如下[19]：

式中，F(xiàn)lt為一個工況內(nèi)車輛上所有輪胎的平均滾動阻力之和。

式（7）可以用來計算一個工況內(nèi)滾動阻力引起的燃油消耗占總的燃油消耗的比值。這一比值也可以通過測得的燃油消耗率來計算：

式中，F(xiàn)cl為單位距離上輪胎消耗的燃油，CR為滾動阻力系數(shù)，Wv為車輛所受重力。

輪胎滾動阻力變化時，每行駛單位距離消耗的能量的變化（ΔFc）由下式給出：

由于發(fā)動機的熱效率和傳動效率都小于1，該關(guān)系式表明，滾動阻力降低會帶來節(jié)省燃油能量的放大作用。

現(xiàn)在的發(fā)動機的熱效率大致相當(dāng)，使用平均值0.408，ε取0.90；對于汽油，H0＝32 kJ·cm-3。根據(jù)式（9）可以算出，滾動阻力系數(shù)每減小1 kg·t-1，每噸車輛的汽油消耗率降低0.835 cm3·km-1[19]。

文獻(xiàn)[20]對市售的五大品牌（米其林、普利司通、大陸、倍耐力和固特異）的常用規(guī)格轎車子午線輪胎進(jìn)行了調(diào)研，統(tǒng)計出不同滾動阻力級別的輪胎數(shù)量分布。

滾動阻力標(biāo)簽法級別A，B，C，E，F(xiàn)，G的輪胎數(shù)量分別為9，176，862，1 466，673，114條。

由此可見，目前常用規(guī)格的轎車子午線輪胎滾動阻力級別主要分布在C級、E級和F級。統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，五大品牌輪胎公司均有自己的B級滾動阻力輪胎產(chǎn)品，而A級的9條輪胎均為米其林的產(chǎn)品。

從歐盟標(biāo)簽法滾動阻力分級來看，E級轎車子午線輪胎的滾動阻力系數(shù)為9.1～10.5 kg·t-1，A級輪胎的滾動阻力系數(shù)不大于6.5 kg·t-1。從文獻(xiàn)[21]給出的數(shù)據(jù)可知，到2020年，中國的汽車保有量將達(dá)到2.5億～2.9億輛，其中乘用車保有量達(dá)到2.2億～2.6億輛，商用車保有量達(dá)到0.33億輛。如果所有乘用車輪胎的滾動阻力級別都從E級提高到A級，滾動阻力系數(shù)降低35%，按文獻(xiàn)[6]提到的當(dāng)輪胎的滾動阻力降低10%時，轎車能有效節(jié)約2%的燃油計算，乘用車可節(jié)省燃油7%。假設(shè)一輛乘用車使用E級輪胎時的百千米油耗為10 L，如果換成滾動阻力系數(shù)為A級的輪胎，則百千米油耗降低0.7 L，到2020年的2.4億輛乘用車行駛百千米就可節(jié)省1.68億L汽油，降低油耗非?？捎^。

3 結(jié)語

輪胎的滾動阻力性能對汽車的燃油經(jīng)濟性有直接的影響。本研究根據(jù)汽車能量流動分析方法，建立輪胎滾動阻力與汽車燃油消耗之間的關(guān)系。通過降低輪胎滾動阻力減小油耗量是相當(dāng)可觀的，特別是低速工況。建立輪胎滾動阻力與汽車燃油經(jīng)濟性之間的關(guān)系為節(jié)能輪胎技術(shù)的研究指明了方向。