重型商用車(chē)油耗優(yōu)化研究

杜輝 蔡錦康 孟令群 江帆

摘 要：采用GT DRIVE軟件，建立整車(chē)計(jì)算模型，研究了主減速比、變速箱速比、整車(chē)滑行阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)本體油耗四個(gè)因素對(duì)整車(chē)C-WTVC循環(huán)油耗的影響。結(jié)果顯示，主減速比越大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高、負(fù)荷越低，運(yùn)行點(diǎn)越遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)，因此整車(chē)循環(huán)油耗也越高。變速箱對(duì)整車(chē)循環(huán)油耗的影響較小，主要原因是不同變速箱之間速比的差異并不大。滑行阻力減小，使得整車(chē)循環(huán)油耗顯著降低（7.2%），說(shuō)明降低整車(chē)滑行阻力是降低整車(chē)油耗的重要手段。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)本體油耗使整車(chē)循環(huán)油耗降低了4.2%，由此可見(jiàn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率也是提高整車(chē)經(jīng)濟(jì)性的重要因素。

關(guān)鍵詞：商用車(chē);油耗;運(yùn)行點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U473 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-79-04

Abstract： A vehicle simulation model is established using the GT-Drive software to study fuel consumption of C-WTVC driving cycle under the influence of four factors， including final drive ratio， transmission ratio， vehicle coast down resistance and engine fuel consumption. The simulation results show that the larger the final drive ratio is， the higher the engine speed， the lower the load， and the farther operation points away from the engine economic region， resulting in higher fuel consumption. Gearbox has a small impact on vehicle fuel consumption due to the similarity between gear ratio values of different gearboxes. The vehicle fuel consumption is significantly decreased （by 7.2%） when vehicle coast down resistance coefficient is reduced， indicating that the reduction of vehicle coast down resistance can be an important approach to optimize vehicle fuel consumption. The vehicle fuel consumption can be reduced by 4.2% with smaller engine fuel consumption， therefore decreasing engine fuel consumption is also a good option to improve vehicle fuel economy.

Keywords： Commercial vehicle; Fuel consumption; Operating point

CLC NO.： U473 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-79-04

前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)規(guī)模不斷的擴(kuò)大，能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題愈發(fā)凸顯。重型商用車(chē)百公里燃油消耗量高，行駛里程長(zhǎng)，已成為目前我國(guó)燃油消耗的主體。為了更好地開(kāi)展商用車(chē)的節(jié)能減排工作，有必要研究重型商用車(chē)油耗的影響因素，找出關(guān)鍵參數(shù)，指導(dǎo)商用車(chē)的開(kāi)發(fā)。

采用GT DRIVE軟件，建立整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型，評(píng)估傳動(dòng)系速比、整車(chē)行駛阻力等重要因素對(duì)整車(chē)油耗的影響大小。目前工信部三階段油耗法規(guī)對(duì)應(yīng)的整車(chē)循環(huán)為C-WTVC循環(huán)，因此下文中的整車(chē)循環(huán)油耗均指代整車(chē)C-WTVC循環(huán)的百公里油耗。

1 整車(chē)參數(shù)

整車(chē)主要參數(shù)如表1所示。

2 整車(chē)油耗的影響因素研究

影響整車(chē)油耗的主要因素有以下幾方面：

主減速比，影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)隨著主減速比不同沿著等功率線(xiàn)移動(dòng)。

變速箱速比，影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)隨著各擋速比不同沿著等功率線(xiàn)移動(dòng)。

換擋策略，影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布。且變速箱速比、主減速比對(duì)整車(chē)油耗的影響大小受制于換擋策略的選取。目前計(jì)算時(shí)主要有三種換擋策略，固定擋位換擋、基于車(chē)速的換擋策略以及基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的換擋策略。

整車(chē)滑行阻力，包括輪胎滾動(dòng)阻力、傳動(dòng)系阻力、空氣阻力?；凶枇Υ螅枨蟮陌l(fā)動(dòng)機(jī)功率也大，在相同總速比和換擋策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)沿著等轉(zhuǎn)速線(xiàn)移動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性油耗水平，影響相同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布下的消耗燃油量。

整車(chē)質(zhì)量對(duì)整車(chē)行駛阻力和加速阻力有很大的影響，但由于整車(chē)質(zhì)量非可變參數(shù)，不作研究。

2.1 主減速比的影響

主減速比對(duì)整車(chē)油耗的影響原理是改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布，由于整車(chē)消耗的功率不變，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)將沿著等功率線(xiàn)移動(dòng)。若主減速比減少，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)將由高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷移動(dòng)到低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷的等功率點(diǎn)，且新的轉(zhuǎn)速大小取決于速比改變的大小。

圖1為不同主減速比大小下整車(chē)油耗的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果顯示，主減速比對(duì)整車(chē)C-WTVC循環(huán)的影響很大，主減速比越高，油耗越高。其中主減速比由4.33增加至5.375，油耗從12.83L/100km增加至13.36，增幅4.1%。因此主減速比也是影響油耗的重要因素。考慮到主減速比還影響整車(chē)動(dòng)力性，3.73的速比過(guò)小，因此不推薦3.73的主減速比方案，而采用4.33的主減速比方案。

圖2是主減速比分別為4.33和5.375時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布情況，可以明顯看到，主減速比為4.33時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)更偏向低速，負(fù)荷也更高;而主減速比為5.375時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)更偏向高速，負(fù)荷也更低。負(fù)荷更高，運(yùn)行點(diǎn)更靠近高效區(qū)，這是主減速比4.33的整車(chē)循環(huán)油耗更好的原因。

2.2 變速箱的影響

變速箱速比和主減速比對(duì)整車(chē)循環(huán)油耗的影響都是使到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)沿著等轉(zhuǎn)速線(xiàn)移動(dòng)，因此兩者有相似之處。兩者的主要不同點(diǎn)在于，變速箱速比的變化幅度相對(duì)較小，主減速比的變化幅度大一些，因此主減速比的影響更大;另一方面，變速箱擋位數(shù)多，可以更精確的控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的分布情況。選取三組不同變速箱，評(píng)估變速箱對(duì)整車(chē)循環(huán)油耗的影響，其中變速箱1為原機(jī)變速箱。三組變速箱速比如圖3所示。

不同變速箱的整車(chē)循環(huán)油耗計(jì)算結(jié)果如圖4所示?？梢?jiàn)，變速箱對(duì)整車(chē)油耗的影響約1%，相對(duì)較小。主要原因是三組變速箱4-6擋速比相同，只有1-3擋速比不同，且速比的差異幅度并不大。由于更改變速箱比更改主減速器更加復(fù)雜，而更改主減速器的效果更好，因此保持原有的變速箱不變。

2.3 滑行阻力的影響

選取兩組實(shí)車(chē)滑行阻力作為對(duì)比，如圖5所示。參考2車(chē)輛阻力明顯小于參考1車(chē)輛，不同車(chē)速下阻力差異達(dá)到200N以上。由于滑行阻力的大小直接決定了驅(qū)動(dòng)功率的需求，可以預(yù)見(jiàn)，參考2阻力的整車(chē)循環(huán)油耗要低。

兩組滑行阻力的整車(chē)循環(huán)油耗計(jì)算結(jié)果如下圖所示。采用參考2阻力，整車(chē)油耗比參考1阻力低0.93L/100km，降幅7.2%。從發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布圖也可以明顯看出，采用參考2阻力時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷較低，因此整車(chē)循環(huán)油耗較好。需要說(shuō)明的是，在此處發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷較低導(dǎo)致整車(chē)循環(huán)油耗好的原因是，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的總功率降低，導(dǎo)致總的燃油消耗量降低。在對(duì)比主減速比（變速箱）的影響時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的總功率相同，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在小負(fù)荷區(qū)域時(shí)的比油耗大，導(dǎo)致總的燃油消耗量增加，這與滑行阻力的影響是不同的。

由于整車(chē)滑行阻力對(duì)整車(chē)循環(huán)油耗的影響十分巨大，因此車(chē)企應(yīng)當(dāng)通過(guò)減小傳統(tǒng)系統(tǒng)阻力、優(yōu)化整車(chē)風(fēng)阻等方法減小滑行阻力，提升整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)本體油耗的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)本體比油耗也是影響整車(chē)循環(huán)油耗的重要因素。因此，根據(jù)整車(chē)C-WTVC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)分布情況，結(jié)合原機(jī)油耗水平，通過(guò)標(biāo)定優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)局部區(qū)域的油耗，如圖8所示，針對(duì)200Nm以下的區(qū)域進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)本體油耗的優(yōu)化。

采用優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗萬(wàn)有特性計(jì)算整車(chē)循環(huán)油耗，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯?chē)油耗降低了0.5L/100km，降幅4.2%。由此可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體油耗也是影響整車(chē)循環(huán)油耗重要因素。

3 結(jié)論

（1）主減速比越大，整車(chē)循環(huán)油耗越高。主減速比為5.375時(shí)的整車(chē)循環(huán)油耗相對(duì)主減4.33時(shí)增加了4.1%。

（2）變速箱對(duì)整車(chē)循環(huán)油耗的影響相對(duì)較小。

（3）采用參考2車(chē)輛滑行阻力系數(shù)，整車(chē)循環(huán)油耗比參考1車(chē)輛降低7.2%。因此應(yīng)當(dāng)著重研究降低整車(chē)阻力方法，以進(jìn)一步降低整車(chē)油耗。

（4）通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)本體油耗，整車(chē)循環(huán)油耗降低了7%。

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