伍晨波,鄭國峰,朱江蘇,朱紅國,黃德軍
(1.中國汽車工程研究院股份有限公司, 重慶 401122;2.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院, 重慶 400047;3.濰柴動(dòng)力股份有限公司, 山東 濰坊 261041)
在以能源消耗為主題的時(shí)代,重型車的燃油經(jīng)濟(jì)性問題成為商用車技術(shù)研究的重要課題。具有良好燃油經(jīng)濟(jì)性的重型車,不僅能降低運(yùn)輸成本、節(jié)約能源,還能減少由于尾氣排放導(dǎo)致的環(huán)境污染問題。2018年,環(huán)保部、國家質(zhì)檢總局發(fā)布《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》和2019年實(shí)施的《重型商用車輛燃料消耗量限值GB30510—2014》,對(duì)重型車燃油經(jīng)濟(jì)性提出了新的挑戰(zhàn)。重型車的各方面性能需進(jìn)一步優(yōu)化和改善,以達(dá)到排放和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。
商用車燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化及驗(yàn)證,上汽姜健[1]從整車風(fēng)阻系數(shù)、輕量化和整車傳動(dòng)系速比優(yōu)化、以及置換低滾阻輪胎等方面,開展過輕型商用車的降油耗方法。徐工陳太榮[2]等從配置低滾阻輪胎著手,進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化,利用基于Cruise對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行油耗仿真驗(yàn)證,并利用實(shí)車道路進(jìn)行驗(yàn)證。甘波[3]等通過對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),選擇合適的增壓器,激發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷區(qū)域的性能,實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。關(guān)于油耗計(jì)算模型的研究,典型方法有[4]:基于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的油耗計(jì)算方法[5]、基于碳平衡的油耗計(jì)算方法[6]、基于平均速度的油耗計(jì)算方法[7]和基于VSP分布的油耗計(jì)算等多種方法[8]。此外,還有基于速度-加速度的油耗計(jì)算、基于速度-坡度-道路平整度的油耗計(jì)算方法[9]。
通過從發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒、先進(jìn)動(dòng)力總成、電控附件、油門MAP、低粘度潤滑油、空氣動(dòng)力學(xué)、低滾阻輪胎等7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化和集成,實(shí)現(xiàn)了整車燃油消耗量的優(yōu)化,并利用轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架試驗(yàn)。搭建重型車VSP模型,基于重型車VSP分布率計(jì)算實(shí)車道路試驗(yàn)下的整車油耗?;谥匦蛙囉脩舸髷?shù)據(jù),形成整車燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)綜合工況,并實(shí)車道路試驗(yàn)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行驗(yàn)證?;赩SP的重型車油耗計(jì)算值與實(shí)車油耗值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明:所構(gòu)建的油耗計(jì)算方法具有較好的精度,七項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的集成,實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。
重型車燃油經(jīng)濟(jì)性可通過轉(zhuǎn)轂臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車道路測試得到,由于實(shí)車道路測試的影響因素較多,因而現(xiàn)行法規(guī)主要是對(duì)轉(zhuǎn)轂臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果做了要求?;诘妆P轉(zhuǎn)轂測功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架,針對(duì)某重型貨車分別開展了全球瞬態(tài)整車循環(huán)(C-WTVC)、中國重型商用車輛行駛工況-半掛牽引車(CHTC-TT)、美國城市道路循環(huán)工況(UDDS)和全球統(tǒng)一車輛循環(huán)(WHVC)的油耗特性測試,每種測試工況的循環(huán)曲線見圖1。
圖1 燃油經(jīng)濟(jì)性測試工況的循環(huán)曲線
C-WTVC是國家對(duì)重型商用車進(jìn)行油耗認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)工作循環(huán),同時(shí)也是重型混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車能量消耗量測試的推薦工況。因此,C-WTVC對(duì)商用車的匹配優(yōu)化及混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車的控制邏輯開發(fā)都有著至關(guān)重要的作用。C-WTVC工況是在全球重型商用車的WTVC基礎(chǔ)上根據(jù)中國實(shí)際情況調(diào)整后生成的,C-WTVC通過獲取在市區(qū)、公路和高速3個(gè)區(qū)間的車輛燃油消耗量,結(jié)合該類型車在區(qū)別的分配比例進(jìn)行加權(quán)計(jì)算綜合燃油消耗量。
CHTC-TT是基于中國道路工況采集構(gòu)建的反映中國實(shí)際道路工況特征的循環(huán),未來也將成為重型車油耗測試的替代循環(huán)。UDDS是美國重型車高速循環(huán),是美國開展重型柴油貨車以及混合動(dòng)力重型柴油貨車的推薦循環(huán)。WHVC是聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)汽車法規(guī)(ECE)構(gòu)建的重型車排放標(biāo)準(zhǔn)GTR-04中的統(tǒng)一測試循環(huán)。
以上4種循環(huán)分別是中國、美國以及歐洲在整車能耗以及排放測試的典型循環(huán),選擇以上四種循環(huán)主要是在以中國標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)的條件下,與發(fā)達(dá)國家接軌,驗(yàn)證產(chǎn)品在國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)下燃油經(jīng)濟(jì)性能。
以C-WTVC工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例,通過轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)得到基準(zhǔn)樣車的油耗為38.65 L/100 km,而法規(guī)的燃油消耗量限值為40 L/100 km,產(chǎn)品的燃油消耗滿足法規(guī)要求。但為進(jìn)一步提高重型商用車產(chǎn)品的競爭力,燃油經(jīng)濟(jì)性水平與發(fā)達(dá)國家接軌,以C-WTVC工況的燃油消耗量降低10%為優(yōu)化目標(biāo),分別從發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒、先進(jìn)動(dòng)力總成、電控附件、油門MAP技術(shù)、低粘度潤滑油、空氣動(dòng)力學(xué)、低滾阻輪胎等技術(shù)方面著手,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面的優(yōu)化升級(jí)。
高效清潔燃燒技術(shù),通過進(jìn)一步提升燃燒的爆發(fā)壓力,通過匹配高效增壓器、進(jìn)氣卸荷空壓機(jī),高開啟節(jié)溫器,優(yōu)化燃燒過程,實(shí)現(xiàn)整車燃油消耗量的優(yōu)化,經(jīng)試驗(yàn)研究,通過高效清潔燃燒技術(shù),可實(shí)現(xiàn)整車節(jié)油3.2%。先進(jìn)的動(dòng)力總成主要是對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)變速箱速比進(jìn)行優(yōu)化,通過采用斜齒、齒輪表面使用磨齒工藝加工,改善加工熱處理工藝,減小齒輪再嚙合過程中的損失,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成系統(tǒng)綜合節(jié)油。電控附件技術(shù),主要通過采用電控硅油風(fēng)扇和電磁水泵,并通過匹配系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。油門MAP優(yōu)化,通過對(duì)控制策略進(jìn)行算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)?;趯?shí)際運(yùn)行工況和發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性,構(gòu)建了多油門MAP控制策略。低粘度潤滑油主要通過改善潤滑油性能實(shí)現(xiàn)整車節(jié)油。在空氣動(dòng)力學(xué)方面,對(duì)駕駛室擾流罩進(jìn)行了優(yōu)化,通過新的弧線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流加強(qiáng),降低整車阻力,實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)油。配置了低滾阻輪胎,通過優(yōu)化車胎紋路,使用三層加零度結(jié)構(gòu)的帶束層,改善輪胎填料和新的生產(chǎn)工藝等方式,降低整車阻力。
每項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)燃油消耗的貢獻(xiàn)量見圖2。其中低滾阻輪胎技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒兩項(xiàng)的貢獻(xiàn)量最高,累積達(dá)到7.19%;油門MAP優(yōu)化的貢獻(xiàn)量最低,貢獻(xiàn)率為0.8%,因?yàn)樵趪欧藕腿A段油耗限值的要求下,燃燒的控制精細(xì)化程度較高,使得通過油門MAP控制優(yōu)化難度較大。
圖2 重型商用車燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化措施及節(jié)油貢獻(xiàn)量
將以上所有優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行集成,獲得演示樣車。采用與基準(zhǔn)樣車相同的試驗(yàn)工況,在底盤測功機(jī)試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架上,進(jìn)行油耗特性測試。其中基準(zhǔn)樣車和演示樣車的主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)
在C-WTVC、CHTC-S、UDDS和WHVC 4種工況下,基準(zhǔn)樣車和演示樣車的燃油消耗值統(tǒng)計(jì)見表2。
表2 各工況下基準(zhǔn)樣車和演示樣車的燃油消耗值
基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,C-WTVC工況下演示樣車實(shí)現(xiàn)了燃油消耗10%以上的優(yōu)化目標(biāo)要求,其他工況下優(yōu)化效果也較為明顯。WHVC循環(huán)由于主要是考核重型車的排放性能,因此沒有對(duì)牽引車進(jìn)行工況的加權(quán)處理,油耗結(jié)果偏高,優(yōu)化后的節(jié)油效果不理想。
基于測試循環(huán)下的燃油消耗結(jié)果可見,通過發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒、先進(jìn)動(dòng)力總成、電控附件、油門MAP、低粘度潤滑油、空氣動(dòng)力學(xué)、低滾阻輪胎等七項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化和集成,實(shí)現(xiàn)了整車燃油消耗量的優(yōu)化。
為進(jìn)一步驗(yàn)證基準(zhǔn)驗(yàn)車和演示樣車在實(shí)車道路上的燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn),構(gòu)建重型商用車實(shí)車道路的油耗計(jì)算模型,開展實(shí)車道路燃油經(jīng)濟(jì)性測試,對(duì)比基準(zhǔn)驗(yàn)車和演示樣車在實(shí)車道路上的油耗優(yōu)化情況。
重型車在實(shí)際道路行駛的過程中,由于道路狀況的影響,機(jī)動(dòng)車的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)隨之改變,從而使得車輛功率需求的變化,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗的差異。機(jī)動(dòng)車比功率(vehicle specific power,VSP)對(duì)整車油耗的評(píng)價(jià)具有相對(duì)明確的物理意義和良好的統(tǒng)計(jì)特性。為研究重型車的油耗情況,需構(gòu)建整車VSP模型,基于VSP分布情況搭建油耗計(jì)算模型。通過VSP分布情況計(jì)算油耗,可以掌握不同速度區(qū)間、不同VSP Bin區(qū)間的油耗情況,有利于指導(dǎo)整車能耗性能的優(yōu)化。
重型車在實(shí)車道路上的VSP獲取方法,Jimenez-Palacios給出了計(jì)算公式[10]:
VSP=v·(a+grade(%)+g·CR)+
(1)
式中:v為瞬時(shí)速度,m/s;a為瞬時(shí)加速度,通過對(duì)速度微分獲得,m/s2;g為重力加速度,m/s2;grade為路面的坡度,%;CR為滾動(dòng)阻力系數(shù);ρa(bǔ)為環(huán)境空氣密度;CD為空氣阻力系數(shù);A為車輛橫截面積,m2;m為車輛中質(zhì)量,kg。
根據(jù)式(1)可知,VSP由4部分組成:v·a是重型車加速行駛時(shí),慣性阻力帶來的VSP的變化;v·grade是重型車在爬坡過程中,坡度阻力對(duì)VSP的貢獻(xiàn);v·g·CR是重型車駕駛過程中,滾動(dòng)阻力做功引起的整車VSP的變化;0.5·ρa(bǔ)·CDA/m·v3是重型汽車風(fēng)阻對(duì)VSP的貢獻(xiàn)量。
為將重型車VSP計(jì)算式統(tǒng)一,通過對(duì)54個(gè)6軸半掛列車(質(zhì)量限值55 t)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得重型車的滾動(dòng)阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積,進(jìn)而得到滿載條件下商用車的VSP計(jì)算式[11]。
(2)
重型車在高速公路行駛時(shí),影響VSP的因素除了速度、加速度以外,坡度的影響不可忽略,故將VSP表示為隨速度、加速度和坡度變化的函數(shù)。式(2)中的速度、加速度和道路坡度可以通過試驗(yàn)測試獲取,整車油耗可同步采集得到。
研究重型車運(yùn)行過程中的VSP分布特性,首先通過式(2)計(jì)算重型車的瞬時(shí)VSP,再以1 kW/t的步長對(duì)不同速度區(qū)間下的VSP進(jìn)行區(qū)間劃分,獲得VSP Bin值。當(dāng)速度為0、VSP=0時(shí),整車處于怠速狀態(tài);當(dāng)速度不為0、VSP>0時(shí),整車處于加速狀態(tài);VSP<0時(shí),整車處于制動(dòng)加速狀態(tài)[12-13]。
采集得到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理,首先對(duì)所有通道原始數(shù)據(jù)進(jìn)行1 Hz的重采樣,再基于原始數(shù)據(jù)中的速度信號(hào)計(jì)算整車加速度:
(3)
式中:vi+1為第i+1 s的速度,vi為第is的速度,m/s;ai+1為第i+1 s的加速度,m/s2。整車速度、加速度確定后,可計(jì)算得到整車瞬時(shí)VSP信號(hào)。
對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,不同速度和VSP Bin區(qū)間下的VSP分布率為
(4)
式中:Ri, j為第j個(gè)速度區(qū)間下第i個(gè)VSP Bin區(qū)間的分布率;Nj為第j個(gè)速度區(qū)間下的VSP的總數(shù)量;Ni, j為第j個(gè)速度區(qū)間下第i個(gè)VSP Bin區(qū)間的中VSP的個(gè)數(shù)。計(jì)算得到的瞬時(shí)VSP可以對(duì)應(yīng)到逐秒油耗消耗率,因此可求出各個(gè)VSP Bin區(qū)間下的平均瞬時(shí)油耗率為
(5)
(6)
重型車運(yùn)行過程中,總油耗量為累積各個(gè)平均速度區(qū)間下,平均油耗率與速度所占時(shí)間的乘積,即:
(7)
從而計(jì)算得到基于重型車VSP分布特性的高速公路駕駛總油耗量,并與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比。
整車試驗(yàn)路線為榮濰高速中的濰坊—青島段,測試路線長度單程104 km,往返共208 km。測試后單獨(dú)記錄去程與回程采集數(shù)據(jù)。駕駛員駕駛試驗(yàn)車輛沿測試路線正常行駛,利用自主開發(fā)的采集器和陀螺儀進(jìn)行信息采集,采樣頻率為250 Hz,收集得到車輛的GPS、油耗、整車CAN線、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、駕駛速度和駕駛路線坡度等信息。
基準(zhǔn)樣車的市場應(yīng)用主體是物流,因此重型車實(shí)車道路試驗(yàn)的工況設(shè)置參考大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)下的用戶速度分布?;跒H柴智慧云和陜汽天行健平臺(tái),對(duì)1 290輛基準(zhǔn)樣車開展50 d的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集。重型商用車物流運(yùn)輸通道主要集中在中國中東部地區(qū)[14-15]。通過對(duì)物流線路解析發(fā)現(xiàn),基準(zhǔn)樣車運(yùn)行范圍的道路為物流運(yùn)輸點(diǎn)之間,主要為高速和國道,占比分別約為90%和10%。對(duì)用戶工況下的駕駛速度分析,獲得用戶工況下速度分布情況(圖3)。
圖3 用戶工況下速度分布情況
根據(jù)圖3,基準(zhǔn)車的速度集中在60~100 km/h區(qū)間,主要原因在于物流車駕駛道路主要為高速和國道,速度相對(duì)較高?;诨鶞?zhǔn)車的駕駛道路和用戶速度分布情況,對(duì)實(shí)車道路測試設(shè)置5種工況,分別為國道(車速0~60 km/h)、高速工況Ⅰ(車速60~70 km/h)、高速工況Ⅱ(車速70~80 km/h)、高速工況Ⅲ(車速80~90 km/h)、高速工況Ⅳ(車速90~100 km/h)。
對(duì)實(shí)車測試與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)用戶速度分布情況,基于試驗(yàn)工況計(jì)算基準(zhǔn)車型與演示樣車的綜合油耗,根據(jù)綜合油耗分析經(jīng)過優(yōu)化后的演示樣車燃油經(jīng)濟(jì)性提升情況。
2.4.1實(shí)車測試與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析
通過重型車燃油經(jīng)濟(jì)性實(shí)車道路試驗(yàn),獲取商用車在高速公路上運(yùn)行過程中的瞬時(shí)速度、加速度及瞬時(shí)油耗等信號(hào),計(jì)算整車VSP分布特性及燃油消耗量,并與實(shí)車測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
根據(jù)表3,不同工況下基準(zhǔn)車和演示樣車的燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)不同,其中基準(zhǔn)樣車在高速工況Ⅰ(車速60~70 km/h)表現(xiàn)出較低的燃油消耗,而經(jīng)過優(yōu)化后的演示樣車在高速工況Ⅱ(車速70~80 km/h)表現(xiàn)出較低的燃油消耗。這說明經(jīng)過優(yōu)化后,重型車的最佳燃油消耗駕駛速度有所提升。
根據(jù)表3,基于VSP分布特性計(jì)算得到燃油消耗量與實(shí)測值有一定誤差,但在所有工況下,模型計(jì)算誤差均不超過3%。表明基于比功率模型的重型車油耗計(jì)算方法具有較好的精度。主要原因在于:基于比功率模型的重型車油耗計(jì)算方法將燃油消耗量計(jì)算細(xì)分到不同速度和坡度區(qū)間,并基于測試值獲得相應(yīng)區(qū)間的油耗占比情況,能較為精準(zhǔn)地累積計(jì)算得到整車燃油消耗量。
表3 實(shí)車道路基準(zhǔn)車型與演示樣車燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果
以高速工況Ⅲ為例,基于比功率分布特性獲取的油耗在不同速度和坡度下的分布情況見圖4。
圖4 不同速度和坡度區(qū)間下的油耗情況
根據(jù)圖4,基于比功率特性的油耗計(jì)算方法能夠清晰地表達(dá)不同速度和坡度區(qū)間下,重型車的燃油消耗量分布情況。在高速工況Ⅲ下,油耗分布主要集中在80~90 km/h、坡度6°~10°范圍。該工況下,以平均駕駛速度85 km/h、坡度8°所消耗的油耗最多,為14.67 L。
2.4.2實(shí)車綜合油耗計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析
實(shí)車綜合油耗需考慮用戶實(shí)際的道路和速度分布,基于相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)計(jì)算獲得。根據(jù)圖3,基于速度分布及占比情況,各工況的權(quán)重系數(shù)分別:國道時(shí)0.15、高速工況Ⅰ時(shí)0.15、高速工況Ⅱ時(shí)0.22、高速工況Ⅲ時(shí)0.28、高速工況Ⅳ時(shí)0.20。
分別將基準(zhǔn)車和演示樣車在不同工況下實(shí)測道路測試的結(jié)果(表3)與相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行乘積,獲得重型車綜合工況燃油消耗結(jié)果(圖5)。
根據(jù)圖5,在設(shè)置的5種工況下,燃油經(jīng)濟(jì)性均有所提升,其中高速工況IV的提升百分比最大為17.72%。綜合工況下,基準(zhǔn)車型和演示樣車燃油消耗量分別為38.26和33.61 L/100 km,燃油經(jīng)濟(jì)性有12.17%的提升。這說明通過整車在發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒、先進(jìn)動(dòng)力總成、電控附件、油門MAP、低粘度潤滑油、空氣動(dòng)力學(xué)、低滾阻輪胎等7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化和集成,實(shí)現(xiàn)了整車燃油消耗量的優(yōu)化,滿足預(yù)期10%的優(yōu)化目標(biāo)。
圖5 實(shí)車道路基準(zhǔn)車型與演示樣車燃油消耗結(jié)果
1) 7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的提升和集成,能全面實(shí)現(xiàn)整車燃油消耗量的優(yōu)化。
2) 通過所構(gòu)建的基于VSP的整車油耗計(jì)算模型,可以掌握不同速度區(qū)間、不同VSP Bin區(qū)間的油耗情況,有利于整車能耗優(yōu)化。
3) 基于用戶大數(shù)據(jù)形成綜合工況可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)。