張棣華，武文科，朱譜

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

營(yíng)運(yùn)客車燃油經(jīng)濟(jì)性模擬分析

張棣華，武文科，朱譜

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

汽車在出現(xiàn)的一百多年里為人類的生活、工作發(fā)揮了重大作用，但其為人類生活、工作提供便利的同時(shí)也破壞了人類賴以生存的自然環(huán)境。交通運(yùn)輸業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)循環(huán)的紐帶橋梁，每年消耗的石油約占總?cè)鐣?huì)總消耗量的1/3以上。提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性無論對(duì)環(huán)境還是經(jīng)濟(jì)都有著很大的意義。

燃油經(jīng)濟(jì)性；仿真模型；循環(huán)工況

CLC NO: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-47-03

前言

燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車最為重要與基本的性能。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常需要在完成整車道路試驗(yàn)以后才能對(duì)車輛經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，然而現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)新車型的開發(fā)速度和水平提出了更高的要求，因此在開發(fā)階段就需要對(duì)汽車的性能有一定的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。隨著汽車技術(shù)及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)車輛經(jīng)濟(jì)性的關(guān)注度的提高，計(jì)算機(jī)仿真模擬成為了一種很好的解決辦法，車輛經(jīng)濟(jì)性分析己經(jīng)在概念開發(fā)階段就開始進(jìn)行了。通過這樣的模擬與分析，既節(jié)省了大量的試驗(yàn)費(fèi)用，又大大縮短了設(shè)計(jì)周期，并且使相關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)自己所設(shè)計(jì)的整車有了一個(gè)概括和方向性的了解。

1、客車燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性模型的建立

對(duì)于已知試驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其外特性功率可以看作是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一元函數(shù)，常用最小二乘法獲得擬合函數(shù)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性臺(tái)架試驗(yàn)中，可以得到節(jié)氣門全開時(shí)，一組發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將這組試驗(yàn)點(diǎn)用最小二乘法擬合成數(shù)學(xué)表達(dá)式。分別用x表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，y表示功率，s為擬合多項(xiàng)式的最高階數(shù)。假定其函數(shù)形式為式（1）所示：

s為擬合曲線的階數(shù)，一般s=3時(shí)，擬合曲線的精度相對(duì)較好。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性模型的建立

所謂發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線就是在一張圖上較為全面地反映發(fā)動(dòng)機(jī)等效燃油消耗率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系的特征曲線。數(shù)值逼近是為得到一個(gè)精確解或足夠精確的解，拉格朗日插值是數(shù)值逼近的一種手段。對(duì)某個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)，已知有給定的k+1個(gè)取值點(diǎn)：（x0，y0），……，（xk，yk）。其中xj對(duì)應(yīng)著自變量的位置，而yj對(duì)應(yīng)著函數(shù)在這個(gè)位置的取值。假設(shè)任意兩個(gè)不同的xj都互不相同，那么應(yīng)用拉格朗日插值公式所得到的拉格朗日插值多項(xiàng)式為式（2）所示：

其中每個(gè)lj(x)為拉格朗日基本多項(xiàng)式（或稱插值基函數(shù)），其表達(dá)式為式(4)所示：

拉格朗日基本多項(xiàng)式lj(x)的特點(diǎn)是在xj上取值為1，在其它的點(diǎn)上取值為0。

構(gòu)造二元多項(xiàng)式如式（4）所示：拉格朗日方法插值條件式（5）所示：拉格朗日方法插值多項(xiàng)式為式（6）所示：線性插值基函數(shù)lj(x,y)應(yīng)滿足1.lj(x,y)為分段線性函數(shù)；

1.3 汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算

在汽車設(shè)計(jì)與開發(fā)工作中，常需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)得到的萬有特性圖與汽車功率平衡圖，對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行估算。本節(jié)將介紹燃油經(jīng)濟(jì)性循環(huán)行駛試驗(yàn)工況的各工況，如等速行駛、加速、減速等行駛工況的燃油消耗量計(jì)算方法。

1.3.1 等速行駛工況燃油消耗量的計(jì)算

在萬有特性圖上有等燃油消耗率曲線。根據(jù)這些曲線，可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速n、發(fā)出一定功率Pe時(shí)的燃油消耗率。發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)提供的功率為式（7）所示：

根據(jù)等速行駛車速ua及阻力功率，在萬有特性圖上（利用拉格朗日插值法）可確定相應(yīng)的燃油消耗率b，從而計(jì)算出以該車速等速百公里燃油消耗量（L/100km）為為式（8）所示：

式中，b為燃油消耗率[g/（kW·h）]，ρ燃油的密度（kg/L），g為重力加速度（m/s2）。

1.3.2 等加速行駛工況燃油消耗量的計(jì)算

把加速過程分隔為若干區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的燃油消耗量可根據(jù)其平均的單位時(shí)間燃油消耗量與行駛時(shí)間之積來求得。各區(qū)間單位時(shí)間燃油消耗量Q（nmL/s）燃油消耗量通為式（9）所示：

式中，Qt（n-1），Qtn為tn-1,tn各個(gè)時(shí)刻的單位時(shí)間燃油消耗量（mL/s）。

整個(gè)加速過程的燃油消耗量Qt（mL）為式（10）所示：

1.3.3 等減速行駛工況燃油消耗量的計(jì)算

減速行駛時(shí)，節(jié)氣門松開（關(guān)至最小位置）并進(jìn)行輕微制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于強(qiáng)制怠速狀態(tài)，其油耗量即為正常怠速油耗。若時(shí)間為ts（s），則燃油消耗量Qid（mL）為式（11）所示：

式中Qd為怠速燃油消耗率（mL/s）

1.3.4 整個(gè)循環(huán)工況的百公里燃油消耗量

對(duì)于由等速、等加速、等減速等行駛工況組成的循環(huán)，其整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的百公里燃油消耗量（L/100km）為式（12）所示：

式中，為所有過程油耗量之和（mL），s為整個(gè)循環(huán)的行駛距離（m）。

2、循環(huán)工況

2.1 各檔等速百公里燃油消耗量

等速行駛百公里燃油消耗量是指汽車在一定載荷（我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定轎車為半載、貨車為滿載）下，以在水平良好路面上等速行駛100km的燃油消耗量。

2.2 六工況循環(huán)

在六工況試驗(yàn)規(guī)范中，規(guī)定了試驗(yàn)條件如道路、氣候條件、汽車技術(shù)狀況和試驗(yàn)儀器等，并規(guī)定了每一工況時(shí)間歷程。六工況包括三個(gè)等速工況、兩個(gè)加速工況和一個(gè)減速工況。分別計(jì)算等速工況、加速工況、減速工況的燃油消耗量，然后相加求和，在轉(zhuǎn)換成百公里燃油消耗量。具體說明見表1。

表1 商用車六工況

3、燃油經(jīng)濟(jì)性模擬仿真軟件設(shè)計(jì)與分析

在程序中，首先進(jìn)行客車發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、萬有特性曲線擬合，擬和得到轉(zhuǎn)速和功率二元函數(shù)多項(xiàng)式。等速百公里、六工況油耗計(jì)算在拉格朗日插值基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3.1 系統(tǒng)的輸入

該系統(tǒng)需要的參數(shù)主要包括需要模擬車輛數(shù)據(jù)主要有：整車參數(shù)如整車質(zhì)量，空氣阻力系數(shù)，主減速比和各檔減速比等。

表2 整車基本參數(shù)

3.2 系統(tǒng)的輸出

3.2.1 各檔等速百公里燃油消耗量注：車速單位km/h，油耗單位為L(zhǎng)/100km

表3 各檔等速百公里燃油消耗量

3.2.2 六工況燃油消耗量

表4 六工況燃油消耗量

4、結(jié)束語

本文運(yùn)用VC++軟件進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算分析，以等速百公里燃油消耗量以及六工況燃油消耗量作為衡量燃油經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)客車燃油經(jīng)濟(jì)性模擬仿真系統(tǒng)，對(duì)客車燃油經(jīng)濟(jì)性采用數(shù)學(xué)描述的方法，在VC++的開發(fā)平臺(tái)上編制了客車燃油經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算軟件。以某客車為例，利用該系統(tǒng)對(duì)其燃油經(jīng)濟(jì)性各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模擬計(jì)算仿真，進(jìn)一步說明了模型的實(shí)用性。

[1] 余志生,夏群生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:41-73.

[2] 王望予,張建文.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:1-51.

[3] 魏朗,陳濤.VC++程序設(shè)計(jì)攻略教程［M］.西安:電子科技大學(xué)出版社,2004:1-112.

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[5] GB/T 12545.2-2001,商用車輛燃料消耗量實(shí)驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[6] JT/T325-2010,營(yíng)運(yùn)客車類型劃分及等級(jí)評(píng)定［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

Simulation Analysis on Fuel Economy of Operating Passenger Cars

Zhang Lihua, Wu Wenke, Zhu Pu
( Chang’an University, School of Automobile, Shaanxi Xi'an 710064 )

A Appeared in more than one hundred years,car played a major role for people's life and work,it’s provided convenience for people living and working, however, destroyed the natural environment we live in at same time. Transportation industry is the pillar industry of national economy, the consumption of oil accounted for about a year more than one third of total consumption of the whole society. Improve the fuel economy of vehicles for both the environment and economic has a great significance.

fuel economy; simulation model; circulation conditions

U462.3

A

A1671-7988(2017)01-47-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.018

張棣華，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院。