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 機電與車輛工程學院， 重慶 400047；3.濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261041)

0 引言

在以能源消耗為主題的時代，重型車的燃油經(jīng)濟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)濟性的重型車，不僅能降低運輸成本、節(jié)約能源，還能減少由于尾氣排放導致的環(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年實施的《重型商用車輛燃料消耗量限值GB30510—2014》，對重型車燃油經(jīng)濟性提出了新的挑戰(zhàn)。重型車的各方面性能需進一步優(yōu)化和改善，以達到排放和燃油經(jīng)濟性指標。

商用車燃油經(jīng)濟性的優(yōu)化及驗證，上汽姜健[1]從整車風阻系數(shù)、輕量化和整車傳動系速比優(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，進行燃油經(jīng)濟性優(yōu)化，利用基于Cruise對優(yōu)化前后進行油耗仿真驗證，并利用實車道路進行驗證。甘波[3]等通過對柴油發(fā)動機的進、排氣系統(tǒng)進行改進，選擇合適的增壓器，激發(fā)發(fā)動機低負荷區(qū)域的性能，實現(xiàn)燃油經(jīng)濟性的提升。關(guān)于油耗計算模型的研究，典型方法有[4]：基于發(fā)動機負載的油耗計算方法[5]、基于碳平衡的油耗計算方法[6]、基于平均速度的油耗計算方法[7]和基于VSP分布的油耗計算等多種方法[8]。此外，還有基于速度-加速度的油耗計算、基于速度-坡度-道路平整度的油耗計算方法[9]。

通過從發(fā)動機高效清潔燃燒、先進動力總成、電控附件、油門MAP、低粘度潤滑油、空氣動力學、低滾阻輪胎等7項關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化和集成，實現(xiàn)了整車燃油消耗量的優(yōu)化，并利用轉(zhuǎn)鼓臺架試驗。搭建重型車VSP模型，基于重型車VSP分布率計算實車道路試驗下的整車油耗?；谥匦蛙囉脩舸髷?shù)據(jù)，形成整車燃油經(jīng)濟性的評價綜合工況，并實車道路試驗對燃油經(jīng)濟性進行驗證?；赩SP的重型車油耗計算值與實車油耗值進行對比，結(jié)果表明：所構(gòu)建的油耗計算方法具有較好的精度，七項關(guān)鍵技術(shù)的集成，實現(xiàn)了預(yù)定目標的燃油經(jīng)濟性優(yōu)化。

1 重型車燃油經(jīng)濟性優(yōu)化與臺架驗證

1.1 基準樣車轉(zhuǎn)轂燃油經(jīng)濟性測試

重型車燃油經(jīng)濟性可通過轉(zhuǎn)轂臺架試驗和實車道路測試得到，由于實車道路測試的影響因素較多，因而現(xiàn)行法規(guī)主要是對轉(zhuǎn)轂臺架試驗的結(jié)果做了要求?；诘妆P轉(zhuǎn)轂測功機試驗臺架，針對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)濟性測試工況的循環(huán)曲線

C-WTVC是國家對重型商用車進行油耗認證的標準工作循環(huán)，同時也是重型混合動力汽車、電動汽車能量消耗量測試的推薦工況。因此，C-WTVC對商用車的匹配優(yōu)化及混合動力汽車、電動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)別的分配比例進行加權(quán)計算綜合燃油消耗量。

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力重型柴油貨車的推薦循環(huán)。WHVC是聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會汽車法規(guī)(ECE)構(gòu)建的重型車排放標準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)主要是在以中國標準為基準的條件下，與發(fā)達國家接軌，驗證產(chǎn)品在國內(nèi)、國際標準下燃油經(jīng)濟性能。

1.2 基準樣車燃油經(jīng)濟性優(yōu)化

以C-WTVC工況的實驗結(jié)果為例，通過轉(zhuǎn)轂試驗得到基準樣車的油耗為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。但為進一步提高重型商用車產(chǎn)品的競爭力，燃油經(jīng)濟性水平與發(fā)達國家接軌，以C-WTVC工況的燃油消耗量降低10%為優(yōu)化目標，分別從發(fā)動機高效清潔燃燒、先進動力總成、電控附件、油門MAP技術(shù)、低粘度潤滑油、空氣動力學、低滾阻輪胎等技術(shù)方面著手，對產(chǎn)品進行全面的優(yōu)化升級。

高效清潔燃燒技術(shù)，通過進一步提升燃燒的爆發(fā)壓力，通過匹配高效增壓器、進氣卸荷空壓機，高開啟節(jié)溫器，優(yōu)化燃燒過程，實現(xiàn)整車燃油消耗量的優(yōu)化，經(jīng)試驗研究，通過高效清潔燃燒技術(shù)，可實現(xiàn)整車節(jié)油3.2%。先進的動力總成主要是對動力傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化，對變速箱速比進行優(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，實現(xiàn)動力總成系統(tǒng)綜合節(jié)油。電控附件技術(shù)，主要通過采用電控硅油風扇和電磁水泵，并通過匹配系統(tǒng)控制策略實現(xiàn)優(yōu)化。油門MAP優(yōu)化，通過對控制策略進行算法優(yōu)化實現(xiàn)?；趯嶋H運行工況和發(fā)動機萬有特性，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現(xiàn)整車節(jié)油。在空氣動力學方面，對駕駛室擾流罩進行了優(yōu)化，通過新的弧線設(shè)計實現(xiàn)導流加強，降低整車阻力，實現(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。

每項關(guān)鍵技術(shù)對燃油消耗的貢獻量見圖2。其中低滾阻輪胎技術(shù)和發(fā)動機高效清潔燃燒兩項的貢獻量最高，累積達到7.19%；油門MAP優(yōu)化的貢獻量最低，貢獻率為0.8%，因為在國六排放和三階段油耗限值的要求下，燃燒的控制精細化程度較高，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)濟性優(yōu)化措施及節(jié)油貢獻量

1.3 燃油經(jīng)濟性優(yōu)化驗證與分析

將以上所有優(yōu)化技術(shù)進行集成，獲得演示樣車。采用與基準樣車相同的試驗工況，在底盤測功機試驗轉(zhuǎn)鼓臺架上，進行油耗特性測試。其中基準樣車和演示樣車的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗車輛主要技術(shù)參數(shù)

在C-WTVC、CHTC-S、UDDS和WHVC 4種工況下，基準樣車和演示樣車的燃油消耗值統(tǒng)計見表2。

表2 各工況下基準樣車和演示樣車的燃油消耗值

基于以上實驗結(jié)果，C-WTVC工況下演示樣車實現(xiàn)了燃油消耗10%以上的優(yōu)化目標要求，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，因此沒有對牽引車進行工況的加權(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)動機高效清潔燃燒、先進動力總成、電控附件、油門MAP、低粘度潤滑油、空氣動力學、低滾阻輪胎等七項關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化和集成，實現(xiàn)了整車燃油消耗量的優(yōu)化。

2 重型車燃油經(jīng)濟性實車道路驗證

為進一步驗證基準驗車和演示樣車在實車道路上的燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)，構(gòu)建重型商用車實車道路的油耗計算模型，開展實車道路燃油經(jīng)濟性測試，對比基準驗車和演示樣車在實車道路上的油耗優(yōu)化情況。

2.1 重型車比功率模型

重型車在實際道路行駛的過程中，由于道路狀況的影響，機動車的運行狀態(tài)也會隨之改變，從而使得車輛功率需求的變化，進而導致發(fā)動機瞬時油耗的差異。機動車比功率(vehicle specific power，VSP)對整車油耗的評價具有相對明確的物理意義和良好的統(tǒng)計特性。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算模型。通過VSP分布情況計算油耗，可以掌握不同速度區(qū)間、不同VSP Bin區(qū)間的油耗情況，有利于指導整車能耗性能的優(yōu)化。

重型車在實車道路上的VSP獲取方法，Jimenez-Palacios給出了計算公式[10]：

VSP=v·(a+grade(%)+g·CR)+

(1)

式中:v為瞬時速度，m/s；a為瞬時加速度，通過對速度微分獲得，m/s2；g為重力加速度，m/s2；grade為路面的坡度，%；CR為滾動阻力系數(shù)；ρa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，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VSP的貢獻；v·g·CR是重型車駕駛過程中，滾動阻力做功引起的整車VSP的變化；0.5·ρa·CDA/m·v3是重型汽車風阻對VSP的貢獻量。

為將重型車VSP計算式統(tǒng)一，通過對54個6軸半掛列車(質(zhì)量限值55 t)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲得重型車的滾動阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)和迎風面積，進而得到滿載條件下商用車的VSP計算式[11]。

(2)

重型車在高速公路行駛時，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測試獲取，整車油耗可同步采集得到。

研究重型車運行過程中的VSP分布特性，首先通過式(2)計算重型車的瞬時VSP，再以1 kW/t的步長對不同速度區(qū)間下的VSP進行區(qū)間劃分，獲得VSP Bin值。當速度為0、VSP=0時，整車處于怠速狀態(tài)；當速度不為0、VSP>0時，整車處于加速狀態(tài)；VSP<0時，整車處于制動加速狀態(tài)[12-13]。

采集得到的數(shù)據(jù)需要進行預(yù)處理，首先對所有通道原始數(shù)據(jù)進行1 Hz的重采樣，再基于原始數(shù)據(jù)中的速度信號計算整車加速度：

(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，可計算得到整車瞬時VSP信號。

2.2 基于比功率模型的重型車油耗計算方法

對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，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個速度區(qū)間下第i個VSP Bin區(qū)間的分布率；Nj為第j個速度區(qū)間下的VSP的總數(shù)量；Ni, j為第j個速度區(qū)間下第i個VSP Bin區(qū)間的中VSP的個數(shù)。計算得到的瞬時VSP可以對應(yīng)到逐秒油耗消耗率，因此可求出各個VSP Bin區(qū)間下的平均瞬時油耗率為

(5)

(6)

重型車運行過程中，總油耗量為累積各個平均速度區(qū)間下，平均油耗率與速度所占時間的乘積，即：

(7)

從而計算得到基于重型車VSP分布特性的高速公路駕駛總油耗量，并與實測值進行對比。

2.3 重型車實車道路油耗數(shù)據(jù)采集

整車試驗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。測試后單獨記錄去程與回程采集數(shù)據(jù)。駕駛員駕駛試驗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)動機功率、駕駛速度和駕駛路線坡度等信息。

基準樣車的市場應(yīng)用主體是物流，因此重型車實車道路試驗的工況設(shè)置參考大數(shù)據(jù)統(tǒng)計下的用戶速度分布?；跒H柴智慧云和陜汽天行健平臺，對1 290輛基準樣車開展50 d的運行數(shù)據(jù)采集。重型商用車物流運輸通道主要集中在中國中東部地區(qū)[14-15]。通過對物流線路解析發(fā)現(xiàn)，基準樣車運行范圍的道路為物流運輸點之間，主要為高速和國道，占比分別約為90%和10%。對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，速度相對較高?；诨鶞受嚨鸟{駛道路和用戶速度分布情況，對實車道路測試設(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)。

2.4 整車油耗計算結(jié)果與分析

對實車測試與模型計算結(jié)果進行對比分析。根據(jù)用戶速度分布情況，基于試驗工況計算基準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)濟性提升情況。

2.4.1實車測試與模型計算結(jié)果對比與分析

通過重型車燃油經(jīng)濟性實車道路試驗，獲取商用車在高速公路上運行過程中的瞬時速度、加速度及瞬時油耗等信號，計算整車VSP分布特性及燃油消耗量，并與實車測試數(shù)據(jù)進行對比。

根據(jù)表3，不同工況下基準車和演示樣車的燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)不同，其中基準樣車在高速工況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分布特性計算得到燃油消耗量與實測值有一定誤差，但在所有工況下，模型計算誤差均不超過3%。表明基于比功率模型的重型車油耗計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算方法將燃油消耗量計算細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，能較為精準地累積計算得到整車燃油消耗量。

表3 實車道路基準車型與演示樣車燃油經(jīng)濟性試驗結(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算方法能夠清晰地表達不同速度和坡度區(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實車綜合油耗計算結(jié)果對比與分析

實車綜合油耗需考慮用戶實際的道路和速度分布，基于相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)計算獲得。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0.15、高速工況Ⅰ時0.15、高速工況Ⅱ時0.22、高速工況Ⅲ時0.28、高速工況Ⅳ時0.20。

分別將基準車和演示樣車在不同工況下實測道路測試的結(jié)果(表3)與相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)進行乘積，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)濟性有12.17%的提升。這說明通過整車在發(fā)動機高效清潔燃燒、先進動力總成、電控附件、油門MAP、低粘度潤滑油、空氣動力學、低滾阻輪胎等7項關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化和集成，實現(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。

圖5 實車道路基準車型與演示樣車燃油消耗結(jié)果

3 結(jié)論

1) 7項關(guān)鍵技術(shù)的提升和集成，能全面實現(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現(xiàn)對整車燃油經(jīng)濟性的評價。