鄭天雷，金約夫，張曉龍

(中國汽車技術(shù)研究中心 天津 300300)

0 引 言

燃料消耗量是衡量汽車性能的重要指標(biāo)。重型商用車是我國柴油消耗的主體，其中貨車保有量最大且年均行駛里程較長，在重型商用車柴油消耗總量中占比最高。本文以貨車為研究對象，基于開發(fā)的模擬軟件對重型貨車各關(guān)鍵參數(shù)對燃料消耗量的影響進(jìn)行模擬計算和量化分析，為燃料經(jīng)濟(jì)性的改善和效果評估提供參考。

1 試驗工況及模擬軟件

汽車燃料消耗量的影響因素主要包括兩個方面(見圖1)：一方面是車輛本身的因素，如車輛的質(zhì)量、排量等技術(shù)參數(shù)以及發(fā)動機(jī)、變速器等部件的技術(shù)性能等；另一方面是外部因素，如車輛的行駛環(huán)境、行駛工況和司機(jī)的駕駛習(xí)慣等。

本研究主要針對車輛本身因素對燃料消耗量的影響開展分析，因此車輛在相同的駕駛循環(huán)、環(huán)境條件和換擋規(guī)范下進(jìn)行測試，其中行駛工況采用C-WTVC循環(huán)。[1]C-WTVC循環(huán)是在世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整形成的車輛瞬態(tài)循環(huán)工況，由市區(qū)、公路、高速 3段工況組成，工況曲線如圖 2所示。C-WTVC循環(huán)的速度，加速度等特征參數(shù)如表1所示。

圖1 燃料消耗量影響因素Fig.1 Influence factors of fuel consumption

圖2 C-WTVC循環(huán)工況曲線Fig.2 C-WTVC driving cycle curve

表1 C-WTVC循環(huán)特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of a C-WTVC driving cycle

本研究以 GB/T 27840—2011標(biāo)準(zhǔn)方法開發(fā)的“重型商用車燃料消耗量模擬計算系統(tǒng)”為計算工具。模擬軟件以發(fā)動機(jī)萬有特性試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)輸入的車輛參數(shù)，計算出車輛在規(guī)定行駛工況下的發(fā)動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速和扭矩。根據(jù)轉(zhuǎn)速和扭矩對萬有特性數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運算，最后通過積分計算得到不同工況下的燃料消耗量。[1]軟件界面如圖3所示。

圖3 重型商用車燃料消耗量模擬計算系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of the analog computing system for fuel consumption of heavy-duty commercial vehicles

模擬軟件中考慮了空氣阻力、滾動阻力等對燃料消耗量的影響，因此可以依據(jù)該軟件對車輛不同質(zhì)量、空阻系數(shù)、滾阻系數(shù)、主減速比、傳動效率和主減速比對燃料消耗量影響程度進(jìn)行計算和分析。

2 試驗車型

我國重型貨車中，5,t、16,t、25,t和 31,t是車型數(shù)量和產(chǎn)銷量最多的4種最大設(shè)計總質(zhì)量，因此在以上質(zhì)量處各選取1個車型作為測試對象。4個車型的基本參數(shù)如表2所示：

表2 試驗車型基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of testing vehicles

其中，車型1和車型4為國III排放標(biāo)準(zhǔn)車型，車型2和車型3為國IV排放標(biāo)準(zhǔn)車型。除獲取車輛基本參數(shù)和變速器各檔位傳動比之外，依據(jù)GB/T 18297—2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)動機(jī)怠速試驗、最大扭矩試驗、反拖扭矩試驗及萬有特性試驗。[2]其中，發(fā)動機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)點共 80～100個，均勻地分布在發(fā)動機(jī)正常轉(zhuǎn)速及扭矩范圍內(nèi)。

3 影響分析

將車型 1～4的參數(shù)及發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)輸入模擬軟件，可以計算得到各車型在市區(qū)、公路、高速和綜合工況下的燃料消耗量。同時，分別計算質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)等參數(shù)變化后的燃料消耗量，分析各性能參數(shù)對燃料消耗量的影響程度。

3.1 質(zhì)量

車輛質(zhì)量對滾動阻力、加速阻力等影響較大，是影響燃料消耗量的重要參數(shù)。研究過程中，車型分別在 90%,、100%,(滿載)、110%,最大設(shè)計總質(zhì)量 3種載荷狀態(tài)下進(jìn)行測試，結(jié)果如圖 4所示。以滿載狀態(tài)為基準(zhǔn)，當(dāng)質(zhì)量增加 10%,，燃料消耗量平均上升 5.7%,；當(dāng)質(zhì)量減少 10%,，燃料消耗量平均下降5.2%,。

圖4 最大設(shè)計總質(zhì)量與燃料消耗量Fig.4 Relation of the Max.design mass to fuel consumption

圖5為各車型在市區(qū)、公路、高速和綜合4種工況下平均燃料消耗量變化情況。對比來看，質(zhì)量變化對市區(qū)工況的燃料消耗量影響最大，質(zhì)量增加或降低 10%,時，燃料消耗量平均增加 6.7%,和降低 6.5%,；對高速工況影響最小，相同質(zhì)量變化下，燃料消耗量平均增加 3.7%,和降低 4.0%,。由于市區(qū)工況平均車速較低、加減速工況較多，與質(zhì)量相關(guān)的滾動阻力和加速阻力占比較高；而在高速工況下與質(zhì)量無關(guān)的空氣阻力占比較高。

圖5 不同工況下最大設(shè)計總質(zhì)量對燃料消耗量的影響Fig.5 Impact of the Max.design weight on fuel consumption under different working conditions

通過上述分析，質(zhì)量是重型貨車燃料消耗量的重要影響因素。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、采用輕質(zhì)材料等輕量化技術(shù)減小整車整備質(zhì)量，可以顯著降低車型燃料消耗量。尤其對以市區(qū)工況為主的車型，減小質(zhì)量對降低燃料消耗量作用最為明顯。另一方面，當(dāng)質(zhì)量增加時，燃料消耗量增長幅度低于質(zhì)量，這也意味著雖然車輛的百公里燃料消耗量增加，但單位質(zhì)量的燃料消耗量有所下降，從而提高了運輸效率。因此，應(yīng)在設(shè)計環(huán)節(jié)上減小整車整備質(zhì)量，從使用環(huán)節(jié)在法規(guī)規(guī)定的載荷范圍內(nèi)提高質(zhì)量利用系數(shù)，從而達(dá)到節(jié)省燃油的目的。

3.2 空氣阻力系數(shù)

車輛的空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積和車速決定了空氣阻力的大小，進(jìn)而影響車輛的燃料消耗量。以空氣阻力系數(shù)(0.8)為基準(zhǔn)，計算空阻系數(shù)增加和減小10%,狀態(tài)下的燃料消耗量，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)空阻系數(shù)增加10%,，燃料消耗量平均上升2.2%,；當(dāng)空阻系數(shù)減少10%,，燃料消耗量平均下降2.3%,。

圖6 空氣阻力系數(shù)與燃料消耗量Fig.6 Relation of air drag coefficient to fuel consumption

在迎風(fēng)面積和空阻系數(shù)一定的情況下，空氣阻力與速度平方成正比。因此，如圖 7所示，空阻系數(shù)變化對平均車速最高的高速工況燃料消耗量影響最大，空阻系數(shù)增加或降低10%,時，燃料消耗量平均增加 3.6%,和降低 3.9%,；對市區(qū)工況影響最小，相同變化下，燃料消耗量平均增加 0.5%,和降低0.5%,。

圖7 不同工況下空阻系數(shù)對燃料消耗量的影響Fig.7 Impact of air drag coefficient on fuel consumption under different working conditions

空阻系數(shù)也是影響貨車燃料消耗量的重要因素，尤其對于高速工況較多的大噸位貨車、牽引車，通過優(yōu)化外形設(shè)計、加裝導(dǎo)流罩和側(cè)裙板等降低空氣阻力是提高燃料經(jīng)濟(jì)性的重要手段。

3.3 滾動阻力系數(shù)

輪胎和地面間的滾動阻力是影響貨車燃料消耗量的重要因素，由車重和滾動阻力系數(shù)決定。在研究中，以GB/T,27840—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的滾阻系數(shù)經(jīng)驗公式作為基準(zhǔn)，即 f＝0.007,6＋0.000,056,V(14,t以下車輛)；f＝0.006,6＋0.000,028,6,V(14,t及以上車輛、斜交胎)；f＝0.004,1＋0.000,025,6,V(14,t及以上車輛、子午線胎)；其中 f為滾阻系數(shù)，V為車速，單位為 km/h。[1]分別計算滾阻系數(shù)增加和減小10%,狀態(tài)下的燃料消耗量，結(jié)果如圖 8所示。當(dāng)滾阻系數(shù)增加10%,，燃料消耗量平均上升 2.3%,；當(dāng)滾阻系數(shù)減少 10%,，燃料消耗量平均下降2.3%,。

圖8 滾阻系數(shù)與燃料消耗量Fig.8 Relation of rolling resistance coefficient to fuel consumption

根據(jù)上述經(jīng)驗公式，滾阻系數(shù)與速度成正比。因此，如圖9所示，滾阻系數(shù)變化對高速工況燃料消耗量影響最大，滾阻系數(shù)增加或降低 10%,時，燃料消耗量平均增加 2.6%,和降低3.0%,；對市區(qū)工況影響最小，相同變化下，燃料消耗量平均增加 1.2%,和降低 1.3%,。

圖9 不同工況下滾阻系數(shù)對燃料消耗量的影響Fig.9 Impact of rolling resistance coefficient on fuel consumption under different working conditions

滾動阻力系數(shù)除與速度、胎壓等使用狀態(tài)有關(guān)外，還與輪胎、路面等相關(guān)，采用單寬胎、低滾阻輪胎等可有效降低滾動阻力、提高燃料經(jīng)濟(jì)性。

3.4 傳動效率

傳動效率也是影響燃料消耗量的重要參數(shù)。研究過程中，變速器和主減速器基準(zhǔn)傳動效率分別按0.96和0.94計算，同時計算傳動效率增加和降低 10%,狀態(tài)下的燃料消耗量，結(jié)果如圖 10所示。當(dāng)傳動效率增加 10%,，燃料消耗量平均下降7.3%,；當(dāng)傳動效率降低 10%,，燃料消耗量平均增加 8.7%,。而從幾種工況下的對比來看，傳動效率變化對各種工況的燃料消耗量影響接近(見圖11)。

圖10 傳動效率與燃料消耗量Fig.10 Relation of transmission efficiency to fuel consumption

圖11 不同工況下傳動效率對燃料消耗量的影響Fig.11 Impact of drive ratio on fuel consumption under different working conditions

總體上看，改善傳動效率可以在各種行駛工況下顯著提高車輛的燃料經(jīng)濟(jì)性。傳動效率是一個國家汽車行業(yè)整體技術(shù)水平的體現(xiàn)，受多種因素影響，必須從加工工藝、匹配、潤滑等多方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.5 主減速比

主減速比對動力性能和燃料經(jīng)濟(jì)性均有較大的影響。主減速比的變化影響發(fā)動機(jī)運行區(qū)間，進(jìn)而影響整車燃料消耗量結(jié)果。研究過程中，選取了幾種常見的主減速比(3.73、3.91、4.77、5.1、5.6、6.33、6.9)分別進(jìn)行計算，結(jié)果如圖 12 所示。

圖12 主減速比與燃料消耗量Fig.12 Relation of final ratio to fuel consumption

需要注意的是，在其他條件不變的情況下，主減速比增加導(dǎo)致最高車速下降，車型2和車型4在采用3.91以上主減速比時已無法達(dá)到工況所需最低車速要求，無法完成計算?？傮w上看，對于同一車型，隨著主減速比的增加，燃料消耗量略有增加。采用較小的主減速比可以獲得更好的燃料經(jīng)濟(jì)性，但在實際設(shè)計中，對于某些在困難工況(如山區(qū)等)下行駛的車輛，在發(fā)動機(jī)功率有限的情況下，往往首先為了滿足車輛加速和爬坡性能而犧牲部分經(jīng)濟(jì)性，采用較大的主減速比。

3.6 發(fā)動機(jī)燃油消耗率

發(fā)動機(jī)是汽車上對燃料消耗量影響最大的部件。汽車燃油全部通過發(fā)動機(jī)消耗，因此模擬軟件結(jié)果也是通過對燃油消耗率數(shù)據(jù)的插值和積分計算得出的。目前，常以全負(fù)荷最低燃油耗率表征發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，但在 C-WTVC和實際行駛工況下，發(fā)動機(jī)并非運行在某一工況點而是運行在不同的工況區(qū)間，因此僅最低燃油耗率的改變對工況燃料消耗量結(jié)果影響很小。如果通過技術(shù)手段改善整體燃油消耗率，則最終的工況燃料消耗量結(jié)果也將獲得相同比例的改善。目前常見的發(fā)動機(jī)節(jié)能措施包括：增壓和共軌、提高熱效率、進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化、減少附件能耗等。

4 結(jié) 語

綜上所述，在相同的試驗條件下，分析評價重型貨車關(guān)鍵參數(shù)對燃料消耗量的影響程度。從總體看，質(zhì)量、空阻系數(shù)、滾阻系數(shù)、傳動效率、主減速比和發(fā)動機(jī)燃油消耗率的變化對燃料消耗量的影響程度并不一致；同時，相同的參數(shù)變化對車型在市區(qū)、公路和高速工況下燃料消耗量的影響也存在差異。通過本研究，為重型商用車燃料經(jīng)濟(jì)性的改善方向和效果評估提供參考。隨著能源形勢的日趨嚴(yán)峻，我國將逐步實施更為嚴(yán)格的燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)，先進(jìn)節(jié)能技術(shù)也將得到更廣泛的應(yīng)用，重型商用車的燃料經(jīng)濟(jì)性將進(jìn)一步提高。■

［1］全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 27840—2011 重型商用車輛燃料消耗量測量方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［2］全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 18297—2001 汽車發(fā)動機(jī)性能試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［3］余志生，夏群生，趙六奇，等.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.