不同海拔對輕型貨車加速油耗的影響分析

摘要：在高原地區(qū)對輕型貨車進(jìn)行實(shí)際道路加速性能試驗(yàn)，通過在1 271 m和3 250進(jìn)行加速性能和油耗試驗(yàn)，分析了不同海拔條件下對加速性能和加速油耗的影響。結(jié)果表明：在超車加速60～80 km/h空載試驗(yàn)中，海拔3 250 m的加速時(shí)間和加速距離比1 271 m空載分別縮短16.4%和16.8%；對于輕型貨車在60～80 km/h車速條件下，高海拔加速性能較好于低海拔，加速油耗則略高。

關(guān)鍵詞：高海拔；輕型汽車；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號：U461.3 收稿日期：2024-10-31

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.022

1 前言

我國地勢西高東低，呈三級階梯狀，海拔超過2 000 m以上的地區(qū)占全國總面積的33%，全國海拔最高的省會(huì)城市拉薩海拔3 600 m[1]。本文選取1 271 m和3 250 m兩個(gè)海拔進(jìn)行試驗(yàn)，海拔相差2 000 m，能較好覆蓋我國高原主要人口區(qū)，且海拔落差大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比性好。

在高海拔環(huán)境下，空氣密度減小，海拔升高引起大氣壓力、空氣密度、含氧量等下降，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降。同時(shí)海拔增加汽車空氣阻力也會(huì)發(fā)生變化。

王玉偉等[2]利用環(huán)境倉進(jìn)行的油耗試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然海拔增高，空氣稀薄導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，動(dòng)力下降，但由于滑行阻力隨著海拔上升而下降，油耗沒有上升，還略有降低。白朝谷等[3]分別在不同海拔進(jìn)行等速油耗試驗(yàn)，分析不同海拔對油耗的影響，發(fā)現(xiàn)車速60 km/h以下時(shí)，高海拔等速油耗比低海拔略高，車速大于60 km/h則低海拔等速油耗更大。劉勝吉等[4]發(fā)現(xiàn)隨著海拔增加，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差，最低比油耗工況略有減小，在大負(fù)荷時(shí)惡化嚴(yán)重，在小負(fù)荷時(shí)變化較小。

影響高原動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性還與空氣阻力有較大關(guān)系，郭曉年[5]通過在不同拔高度和環(huán)境參數(shù)下，對試驗(yàn)車輛進(jìn)行了滑行試驗(yàn)，研究表明各個(gè)車速下的滑行阻力均隨海拔升高而逐漸降低，并且高速段下降幅度要明顯大于低速段，這與空氣密度變化對空氣阻力的影響程度在高速段更加強(qiáng)烈有關(guān)。而在高速段滑行阻力中，則是空氣阻力占比大。

但大多進(jìn)行等速油耗或不同海拔下的怠速經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，大多數(shù)在環(huán)境倉內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，較少分析不同海拔下的實(shí)際道路加速性能試驗(yàn)和加速中的經(jīng)濟(jì)性，通過對加速階段的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性分析，可以更好地提出高原山地條件下的節(jié)油策略。

2 試驗(yàn)設(shè)備和方案

2.1 試驗(yàn)車輛與設(shè)備

試驗(yàn)車輛選取在云南運(yùn)輸較為常見1.7 t的N1類小貨車，試驗(yàn)車輛已磨合且狀態(tài)良好，車輛主要設(shè)備如表1。使用VBOX采集車速和加速度，利用油耗儀采集油耗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要參數(shù)如表2所示。該型貨車的迎風(fēng)面積和空氣阻力系數(shù)分別是2.61 m2和0.55，分別是一般小轎車的1.6倍左右和1.8倍左右。因在公開道路進(jìn)行試驗(yàn)，利用高精度陀螺儀對測試路段進(jìn)行了海拔和距離的數(shù)據(jù)收集，計(jì)算道路坡度值符合GB/T 12545.1—2008《汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法第一部分：乘用車燃料消耗量試驗(yàn)方法》在任意兩點(diǎn)之間的縱向坡度不應(yīng)該超過±2%的要求。道路為瀝青路面，道路干凈整潔，風(fēng)速小于3 m/s，試驗(yàn)地點(diǎn)坡度和氣壓如表3所示。

2.2 試驗(yàn)方法

因在公開道路進(jìn)行試驗(yàn)，高速試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較高，汽車加速性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 12543—2009《汽車加速性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行超車加速試驗(yàn)，選擇60～80 km/h的車速進(jìn)行試驗(yàn)，擋位選擇直接擋，車速在58～60 km/h等速行駛至少2 s，當(dāng)車速達(dá)到60 km/h時(shí)開始記錄，全油門加速至80 km/h。選擇為消除風(fēng)向、路面坡度等因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，同一車速往返為一次，進(jìn)行三次試驗(yàn)。

為更直觀地對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將不同車速在一次試驗(yàn)中進(jìn)行。通過在1 271 m建水和3 250 m的香格里拉進(jìn)行超車加速試驗(yàn)，分析不同海拔對輕型小貨車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的影響。駕駛員均為一人進(jìn)行試驗(yàn)操作。因在不同地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，原地起步加速試驗(yàn)在不同換擋時(shí)機(jī)導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)會(huì)有較大的波動(dòng)，而超車加速試驗(yàn)，擋位固定，全油門加速，數(shù)據(jù)一致性較好。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在常規(guī)數(shù)據(jù)處理中，將車輛勻速段的距離的油耗進(jìn)行累加，再計(jì)算往返數(shù)據(jù)取平均數(shù)得到一趟的平均油耗，滿足試驗(yàn)重復(fù)性要求，將三組數(shù)據(jù)得到后再取平均值。如圖1距離-速度、油耗曲線所示，駕駛員駕駛時(shí)是存在有一定波動(dòng)，但對于油耗而言波動(dòng)值會(huì)較大。因此對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析，將加速段數(shù)據(jù)全部集中，建立速度油耗關(guān)系如圖2所示，可以較為直觀地分析出，隨著車速增加油耗逐漸增加的趨勢，且油耗整體離散的程度也逐漸增加。在圖中可以明顯看到，在60～80 km/h的加速過程中，油耗呈現(xiàn)線性增長，且加速油耗明顯高于勻速油耗。

為更好地分析車輛在加速時(shí)的油耗，一方面選擇使用較為傳統(tǒng)的平均油耗記錄方法分析整體加速油耗，另一方面數(shù)據(jù)按照0.1 s采集一組數(shù)據(jù)，選擇建立速度-油耗對應(yīng)曲線關(guān)系，從微觀角度來分析不同海拔對加速時(shí)經(jīng)濟(jì)性的影響。

3 海拔對加速油耗的影響

表4是不同海拔下60～80 km/h超車加速油耗表，海拔3250m空載的加速時(shí)間和加速距離比1 271 m空載分別縮短16.4%和16.8%，海拔3 250 m空載最大油耗和總油耗比1 271 m空載增加了3.6%和9.2%。1 271 m滿載比3 250 m空載的加速時(shí)間和加速距離比分別增加了60.1%和63.8%，滿載導(dǎo)致輸出功率下降，動(dòng)力性能明顯下降。在同海拔下，1 271 m時(shí)滿載的加速時(shí)間、加速距離和總油耗均比空載增加34.5%、35.8%和48.2%，滿載對油耗有較大的影響。

圖3是超車加速60～80 km/h車速瞬時(shí)油耗圖，車速在60～68 km/h時(shí)，整體油耗較為離散，1 271 m空載瞬時(shí)油耗最低，1 271 m滿載和3 250 m空載的瞬時(shí)油耗大體相差較小，在車速68 km/h后三者瞬時(shí)油耗一致性高，且均隨車速增加瞬時(shí)油耗呈現(xiàn)線性增加。圖4是加速60～80 km/h時(shí)間-車速圖，車速在60～68 km/h時(shí)，3 250 m空載加速度最小，1 271 m空載和1 271 m滿載整體加速度相差較小，在車速68 km/h后，3 250 m空載加速度略大于1 271 m空載，認(rèn)為是在高原空氣阻力的減小導(dǎo)致。

郭曉年[5]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度相近時(shí)，整車的等速油耗表現(xiàn)為隨海拔升高而逐漸降低，其原因可能有兩點(diǎn)：a.發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔時(shí)，其燃油消耗率的部分負(fù)荷特性要優(yōu)于低海拔；b.海拔上升使得汽車行駛阻力下降，從而降低了油耗。徐小六[6]研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化不大時(shí)，隨著海拔的升高，滑行阻力下降，且高速段的下降幅度更大，車速為120 km/h運(yùn)行在海拔3 030 m、20 °C環(huán)境下時(shí)的滑行阻力較運(yùn)行在0 m海拔、20 °C環(huán)境下的滑行阻力下降幅度達(dá)21.8%。根據(jù)汽車?yán)碚摽諝庾枇η€，當(dāng)汽車時(shí)速達(dá)到80 km時(shí)，空氣阻力約占總阻力的50，對于小貨車迎風(fēng)面積更大，空氣阻力會(huì)更高。??

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，三者均有較好的線性關(guān)系，且高海拔試驗(yàn)的加速度顯著高于低海拔，在車速靠近80 km/h時(shí)，圖4三者開始有明顯差異，圖3則在末端瞬時(shí)油耗值接近一致，認(rèn)為是在中高車速時(shí)，一方面空氣阻力下降明顯，另一方面發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷時(shí)受到海拔影響較小導(dǎo)致。而在超車加速中，高海拔油耗略高于低海拔，由圖3可以發(fā)現(xiàn)主要差異在于車輛全油門加速初期，在全油門加速初期，自然吸氣進(jìn)氣遲滯，導(dǎo)致前期油耗離散高，在穩(wěn)定后高原對中低工況影響較小。

對于在高原的輕型車，帶渦輪增壓的車輛在加速前期，可以增加進(jìn)氣量，從而提高經(jīng)濟(jì)性，且高原加速性能更好。

4 結(jié)語

海拔對輕型貨車加速經(jīng)濟(jì)性有較大影響，因此在高原對輕型貨車進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)，結(jié)果表明：

a.在超車加速60～80 km/h空載試驗(yàn)中，因小型貨車對空氣阻力更敏感，導(dǎo)致海拔3 250 m的加速時(shí)間和加速距離比1 271 m空載分別縮短16.4%和16.8%。

b.對于輕型貨車在60～80 km/h加速試驗(yàn)，低海拔加速油耗優(yōu)于高海拔。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜壁剛，何超，王艷艷，等.高原山區(qū)道路坡度對機(jī)動(dòng)車比功率和氣態(tài)排放物的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2023，23（15）：6647-6653.

[2]王玉偉，劉樂，趙偉，等.輕型汽油車海拔環(huán)境排放和油耗特性的研究[J].汽車科技，2014，（03）：48-52.

[3]白朝谷，李春波，陸海，等.不同海拔對輕型汽車油耗的影響[J].專用汽車，2023（10）：81-84.

[4]劉勝吉，陳勇，王建，等.不同海拔高度下自然吸氣柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性及熱效率研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2016，37（6）：20-25+30.

[5]郭曉年.高海拔下輕型汽油車油耗及排放特性研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2017.

[6]徐小六.高海拔條件下輕型柴油車油耗及排放特性研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2018.

作者簡介：

韓飛，男，1986年生，工程師，研究方向?yàn)檎嚋y試技術(shù)。