商用卡車(chē)油耗節(jié)省與輕量化之間的相關(guān)性研究

陳向靡

摘 要：節(jié)能降耗是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重要理念，也是車(chē)輛設(shè)計(jì)與生產(chǎn)所關(guān)注的焦點(diǎn)，低排放、低油耗的車(chē)輛與節(jié)約型社會(huì)建設(shè)相適應(yīng)，在未來(lái)?yè)碛懈訌V闊的發(fā)展空間。輕量化設(shè)計(jì)車(chē)輛，對(duì)降低油耗、節(jié)約能源具有重要意義，本文基于此探究商用卡車(chē)輕量化和節(jié)省油耗之間的關(guān)系，利用仿真軟件對(duì)某品牌商用卡車(chē)進(jìn)行建模分析，探討輕量化和油耗之間的關(guān)系，提出輕量化和油耗關(guān)系的評(píng)價(jià)區(qū)間。

關(guān)鍵詞：商用卡車(chē) 油耗節(jié)省 輕量化

Abstract：Energy conservation and consumption reduction is an important concept of China's ecological civilization construction， and it is also the focus of vehicle design and production， and vehicles with low emissions and low fuel consumption are compatible with the construction of an energy-saving society， and have a broader development space in the future. Based on this， this paper explores the relationship between lightweight and fuel saving of commercial trucks， uses simulation software to model and analyze a brand of commercial trucks， discusses the relationship between lightweight and fuel consumption， and proposes an evaluation range for the relationship between lightweight and fuel consumption.

Key words：commercial trucks， fuel savings， lightweight

1 引言

在人口持續(xù)增長(zhǎng)和新興經(jīng)濟(jì)體人均收入攀升的助推下，世界能源需求持續(xù)提高，國(guó)際能源署依據(jù)當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，全球能源體系在未來(lái)仍舊難以進(jìn)入到可持續(xù)發(fā)展軌道，且在2035年，全球范圍內(nèi)的能源資源需求量會(huì)再次增長(zhǎng)30%左右[1]。中國(guó)是能源資源需求大國(guó)，對(duì)于資源的需求極高，平衡資源供給和需求，向來(lái)是中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)內(nèi)容。在能源資源消耗中，石油是極為關(guān)鍵的，尤其在交通出行領(lǐng)域，柴油、汽油等占據(jù)全球石油消費(fèi)的大多數(shù)，商用卡車(chē)保有量占全部汽車(chē)保有量的兩成到三成，耗油量占全部汽車(chē)耗油量的七成及以上，在汽車(chē)節(jié)能降耗領(lǐng)域，商用卡車(chē)管理與控制是研究焦點(diǎn)[2]。

2 構(gòu)建商用卡車(chē)模型

2.1 構(gòu)建卡車(chē)模型

使用CRUISE軟件構(gòu)建商用卡車(chē)模型，在模型構(gòu)建之前首先詳細(xì)分析原車(chē)型的各個(gè)組成結(jié)構(gòu)以及功能情況，將物理模型做簡(jiǎn)單化處理。以原車(chē)型作為基礎(chǔ)，將所有的子模塊予以明確，清楚劃分功能模塊關(guān)系。憑借正確的先后關(guān)系連接信號(hào)和結(jié)構(gòu)。設(shè)置模型的輪胎、主減速器、變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)等各類(lèi)結(jié)構(gòu)的參數(shù)值[3]。

按照分析得到的商用卡車(chē)布置形式和結(jié)構(gòu)情況，選擇機(jī)械手動(dòng)變速箱模塊（Gear Box）、車(chē)型模塊（Vehicle）、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊（Engine）、控制模塊（Monitor）、單級(jí)減速器模塊（Single Ratio）、防滑控制模塊（ASC）、車(chē)輪模塊（Wheel）、差速器模塊（Differential）、機(jī)械式摩擦離合模塊（Friction Clitch）等等，可使用風(fēng)扇模塊（Auxiliary）將傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)以及其他能源消耗結(jié)構(gòu)取而代之。

按照不同功能模塊和前置前驅(qū)相互之間的上下級(jí)關(guān)系，在CRUISE軟件界面中合理的完成排列，并劃歸到正常的位置中，為商用卡車(chē)模型組成提供支持。而后憑借Connect功能正確的連接所有的功能模塊，在進(jìn)行連接的時(shí)候，只憑借物理連接完成即可[4]。

2.2 設(shè)置模型參數(shù)

按照商用卡車(chē)模型的研究訴求，在CRUISE軟件中自行展開(kāi)車(chē)輛的所有功能模塊功能設(shè)置。在本次分析中主要探求商用卡車(chē)的輕量化情況與油耗量之間的關(guān)系，設(shè)置模型參數(shù)的時(shí)候更加從質(zhì)量角度進(jìn)行優(yōu)化處理，當(dāng)卡車(chē)的整體質(zhì)量出現(xiàn)變動(dòng)以后，將會(huì)影響到車(chē)型動(dòng)力性能。從控制變量的角度出發(fā)，把各類(lèi)影響因素排除之后，只保留商用卡車(chē)的質(zhì)量影響因素，始終保持商用卡車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能穩(wěn)定不變[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)情況對(duì)動(dòng)力學(xué)性能有直接影響，此時(shí)應(yīng)維系發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)固定，將商用卡車(chē)各類(lèi)裝備做出改變的同時(shí)，將變速箱速比實(shí)施調(diào)整，保障動(dòng)力學(xué)性能穩(wěn)定不動(dòng)[6]，見(jiàn)表1。

2.3 設(shè)置車(chē)輛工況

多個(gè)國(guó)家從上個(gè)世紀(jì)七十年代以后，基于典型的商用卡車(chē)運(yùn)行情況研究設(shè)計(jì)出臺(tái)多種類(lèi)型的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)規(guī)范，旨在對(duì)車(chē)輛正常形式情況做出模擬分析，以保證可對(duì)車(chē)輛的各項(xiàng)參數(shù)和運(yùn)行舒適度、車(chē)輛服務(wù)質(zhì)量等明確的判斷。在布置完成商用車(chē)輛所有的部件以后，將車(chē)輛爬坡性能（Climbing Performance）分析結(jié)果和循環(huán)行駛工況（Cycle Run）添加到計(jì)算項(xiàng)目（Project）之下的任務(wù)文件夾（Task Folder）[7]。我國(guó)對(duì)商用卡車(chē)的油量消耗情況引發(fā)試驗(yàn)辦法，明確指出商用卡車(chē)要兼顧經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)分析時(shí)選擇應(yīng)用六工況試驗(yàn)法，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

3 商用卡車(chē)基本情況分析

3.1 設(shè)置循環(huán)行駛工況

設(shè)置商用卡車(chē)工況的時(shí)候選擇六工況模態(tài)，負(fù)荷（Load State）選擇滿(mǎn)載（full）狀態(tài)，將六工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)取代模型文件夾Project Date目錄下的Cycle Run，如圖1所示。

3.2 設(shè)置分析爬坡性能

根據(jù)圖2商用卡車(chē)爬坡性能設(shè)置界面的顯示，爬坡的時(shí)候選擇的項(xiàng)目為原地起步（starting form rest），并且不將輪胎滑移（without slip）的現(xiàn)象納入考慮范圍內(nèi)。道路模型和駕駛員都選擇“標(biāo)準(zhǔn)”選項(xiàng)，設(shè)置仿真模式為“stationary”[8]。換擋和最大爬坡度之間并不存在直接關(guān)系，在設(shè)置的時(shí)候可以不用對(duì)換擋情況做出考慮。負(fù)荷（Load State）項(xiàng)目欄選擇“滿(mǎn)載（full）”[9]。

3.3 選擇可輕量化質(zhì)量范圍

在商用卡車(chē)銷(xiāo)售市場(chǎng)上，載貨車(chē)輛大多為4*2驅(qū)動(dòng)，6L-7L排量。市場(chǎng)銷(xiāo)售量最好的幾類(lèi)商用卡車(chē)型號(hào)為“長(zhǎng)春解放”的“J6L”和“J6G”、“東風(fēng)”的“天錦KR系列”和“青島解放”的“JK6”[10]。三種類(lèi)型的商用卡車(chē)各類(lèi)參數(shù)值如下表3所示。

在表3中的四種類(lèi)型的商用卡車(chē)，包含了市場(chǎng)上質(zhì)量最小的車(chē)型和質(zhì)量最大的車(chē)型，以實(shí)際情況作為依據(jù)，在輕量化范圍選擇的時(shí)候，結(jié)果為1000kg。經(jīng)過(guò)六工況循環(huán)試驗(yàn)得到，上述四種類(lèi)型的商用卡車(chē)燃油消耗值為每100千米消耗25.31L，最大的爬坡度為42.31%。在商用卡車(chē)整車(chē)模塊參數(shù)調(diào)整的時(shí)候，需要將“Cross Weight”項(xiàng)目的參數(shù)值和“Curb Weight”均降低100kg。

4 計(jì)算分析燃油消耗量

燃油消耗量計(jì)算的時(shí)候，只需要將數(shù)據(jù)信息錄入到軟件中，在軟件的計(jì)算中心（Caculation Center）點(diǎn)擊運(yùn)算選項(xiàng)，就會(huì)對(duì)錄入的數(shù)據(jù)參數(shù)展開(kāi)準(zhǔn)確的計(jì)算，同時(shí)還能夠在結(jié)果管理器（Result Manager）中自動(dòng)存儲(chǔ)結(jié)果。輸出的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3裝備輕量化與總質(zhì)量參數(shù)圖，在整車(chē)模塊當(dāng)中的“Cross Weight”項(xiàng)目的參數(shù)值和“Curb Weight”參數(shù)值均縮小100kg，此時(shí)的整備質(zhì)量結(jié)果為7880kg，總質(zhì)量結(jié)果為18000kg。對(duì)軟件輸出的結(jié)果再次展開(kāi)適當(dāng)性的優(yōu)化與調(diào)整，在經(jīng)過(guò)調(diào)試以后得到的結(jié)果如下：

在圖4質(zhì)量參數(shù)修改之后的計(jì)算結(jié)果圖中，商用卡車(chē)爬坡的最大值為44.51%，在進(jìn)行試驗(yàn)分析的時(shí)候，為了確保得到的結(jié)果能夠與之前的42.31%保持相同，需要將其他的參數(shù)值做出修改調(diào)整，由此以保證商用卡車(chē)的動(dòng)力性能不會(huì)在試驗(yàn)中出現(xiàn)變動(dòng)，穩(wěn)定動(dòng)力性能。在本文的分析和研究期間，需要從變速器的參數(shù)角度著手，將變速器的速比做出合理化的調(diào)整與適配，將原來(lái)的變速器速比參數(shù)值逐漸降低，通過(guò)持續(xù)不斷的調(diào)試，一直到爬坡的最大值為42.31%既可。以100kg作為梯度，將整備質(zhì)量和總體質(zhì)量值逐漸縮小，對(duì)主減速器速比的結(jié)果做出調(diào)試，從而保證商用卡車(chē)的最大爬坡度保持穩(wěn)定，同時(shí)還可以將燃油的消耗量降到最低[11]。

根據(jù)表4商用卡車(chē)輕量化以后的對(duì)應(yīng)燃油消耗值的結(jié)果得知，當(dāng)商用卡車(chē)的整車(chē)重量下降100kg的時(shí)候，燃油消耗值的平均下降值為0.12L，由此可見(jiàn)，整車(chē)的質(zhì)量情況與油耗量之間存在著正比關(guān)系，即當(dāng)整車(chē)的質(zhì)量下降，油耗量也會(huì)隨之下降。但是整車(chē)質(zhì)量下降的幅度和油耗量降低的幅度之間所表現(xiàn)出來(lái)的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不完全一致。對(duì)這種類(lèi)型的問(wèn)題展開(kāi)分析，發(fā)現(xiàn)商用卡車(chē)與普通家用汽車(chē)是有所不同的，商用卡車(chē)主要是用于運(yùn)輸貨物，為了滿(mǎn)足貨物運(yùn)輸需求，不能過(guò)量的輕量化處理，所以導(dǎo)致控制商用卡車(chē)質(zhì)量以降低油耗的效果顯著的低于家用汽車(chē)。除此之外，在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試的時(shí)候選擇應(yīng)用的是六工況循環(huán)法，這種方法對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果也有一定程度的影響?？偠灾?，商用卡車(chē)的耗油量和質(zhì)量之間存在著必然的聯(lián)系，通過(guò)輕量化處理商用卡車(chē)以后，可使得商用卡車(chē)的裝載質(zhì)量利用系數(shù)提高，實(shí)現(xiàn)良好的社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

在低碳環(huán)保的理念影響下，汽車(chē)行業(yè)亟待轉(zhuǎn)型升級(jí)，將節(jié)能減排作為汽車(chē)設(shè)計(jì)與制作的關(guān)鍵。通過(guò)本文的研究發(fā)現(xiàn)，想要提高車(chē)輛的節(jié)能減排能力，可利用輕量化處理的方案，我國(guó)商用卡車(chē)在整備質(zhì)量相比較于國(guó)外的商用卡車(chē)而言，平均重量較高，在后續(xù)的車(chē)輛設(shè)計(jì)與研發(fā)階段，要尤其關(guān)注輕量化的重要性，商用卡車(chē)的整車(chē)重量下降100kg的時(shí)候，燃油消耗值的平均下降值為0.12L，且污染排放量也會(huì)隨之下降，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，也可以維護(hù)車(chē)主的經(jīng)濟(jì)利益。

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