重型商用車行駛阻力與燃料消耗量相關(guān)性分析

尹貽軍 李 博

（1-中國(guó)重型汽車集團(tuán)有限公司汽車研究總院 山東 濟(jì)南 250101 2-中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司）

引言

重型商用車目前采用GB/T27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測(cè)量方法》[1]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行底盤測(cè)功機(jī)燃料消耗量測(cè)試，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃料消耗量的測(cè)量方法做了詳細(xì)規(guī)定，適用于最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于3 500kg的商用車。對(duì)于車輛行駛阻力在底盤測(cè)功機(jī)上的設(shè)定，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，既可以采用推薦阻力系數(shù)[2]，又可以采用實(shí)際滑行阻力系數(shù)。在整車油耗測(cè)試方面，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了碳平衡法、質(zhì)量法和容積法3 種測(cè)試方法。本次試驗(yàn)采用推薦阻力系數(shù)和實(shí)際測(cè)量行駛阻力系數(shù)對(duì)比的方式，在重型底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行3 個(gè)完整的C-VTVC 循環(huán)測(cè)試。試驗(yàn)過程中，使用CVS全流排氣污染物測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量排氣污染物濃度和排氣流量，采用碳平衡法進(jìn)行燃料消耗量計(jì)算，最終的燃料消耗量取3 次測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值。對(duì)測(cè)量結(jié)果的比較，以推薦阻力系數(shù)測(cè)得的綜合燃料消耗量為基準(zhǔn)，將2 次實(shí)際測(cè)量結(jié)果與基準(zhǔn)相減，從而得到整車燃料消耗量的降幅與行駛阻力減幅（減小幅度）的相關(guān)性。

重型商用車燃料消耗量的影響因素諸多，從整車開發(fā)角度來講，燃料消耗量與發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定開發(fā)、傳動(dòng)系統(tǒng)匹配、整車后橋速比、整車造型等因素息息相關(guān)[3-4]，從測(cè)試角度來講，燃料消耗量與測(cè)試設(shè)備精度、試驗(yàn)環(huán)境及駕駛員行為習(xí)慣均有關(guān)[5]。研究表明，重型商用車加裝氣動(dòng)附件，可以有效減小其行駛阻力，最大可減小14.51%[6]。本文旨在研究某重型牽引車采用不同掛車外形的行駛阻力減小情況，得到其行駛阻力減幅與燃料消耗量降幅的關(guān)系，作為該類型車輛降低油耗的參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 行駛阻力

車輛行駛阻力的測(cè)定在干燥平直的試驗(yàn)場(chǎng)直線性能路上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中，大氣濕度、溫度和風(fēng)速均滿足要求。為了滿足試驗(yàn)一致性要求，試驗(yàn)風(fēng)速均小于1 m/s。道路試驗(yàn)前，車輛在試驗(yàn)路段以中高速至少熱車40 min，在水溫達(dá)到80 ℃且機(jī)油溫度達(dá)到85℃后，進(jìn)行滑行測(cè)試。將車輛加速到規(guī)定車速后，將變速器置于空擋位置進(jìn)行滑行，直至車速小于15 km/h[1]。測(cè)量從v2=（v+5）km/h 減速至v1=（v-5）km/h 所需時(shí)間，每組測(cè)試往返各1 次，每次試驗(yàn)共進(jìn)行8 組測(cè)試。行駛阻力的計(jì)算公式如下：

式中：F 為行駛阻力，N；P 為行駛阻力功率，kW；M 為最大行駛總質(zhì)量，kg；Tˉ為車輛從v2減速到v1的平均時(shí)間，s；RR為車速為v 時(shí)的滾動(dòng)阻力，N；Rw為車速為v 時(shí)的空氣阻力，N；RT為總行駛阻力，N；t 為大氣溫度，℃；t0為基準(zhǔn)溫度，t0=20 ℃，d 為試驗(yàn)條件下的空氣密度，kg/m3；d0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，d0=1.189kg/m3；Δv=v2-v1，km/h；K 為校正系數(shù)；KR為滾動(dòng)阻力的溫度校正系數(shù)，KR=6×10-3℃-1。

1.2 燃料消耗量

車輛在底盤測(cè)功機(jī)上固定之后，輸入行駛阻力系數(shù)，將底盤測(cè)功機(jī)設(shè)置為道路阻力模擬模式進(jìn)行測(cè)試。正式試驗(yàn)前，對(duì)車輛進(jìn)行2 個(gè)完整的C-WTVC循環(huán)，以便充分預(yù)熱。試驗(yàn)過程中，通過全流稀釋采集系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的THC、CO 和CO2等排氣污染物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。試驗(yàn)結(jié)束后，通過碳平衡法進(jìn)行每個(gè)循環(huán)工況燃料消耗量的計(jì)算，計(jì)算公式如下。

式中：Q 為燃料消耗量，L/100 km；HC 為碳?xì)浠衔锱欧帕?，g/km；CO 為一氧化碳排放量，g/km；CO2為二氧化碳排放量，g/km；ρg為15 ℃下燃料密度，kg/L；FC綜合為完整C-WTVC 循環(huán)下的燃料消耗量，L/100 km；FC公路為公路部分燃料消耗量，L/100 km；FC高速為高速部分燃料消耗量，L/100 km；D公路為公路里程分配系數(shù)；D高速為高速里程分配系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)工況分析

試驗(yàn)樣車為N3 類牽引車，根據(jù)GB/T27840-2011 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，只進(jìn)行市郊和高速工況試驗(yàn)。圖1 為實(shí)際行駛工況，前384s 進(jìn)行市郊工況試驗(yàn)，后516 s進(jìn)行高速工況試驗(yàn)，總行駛時(shí)間為900 s。

圖1 C-WTVC 循環(huán)工況

圖2 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與行駛時(shí)間的關(guān)系。

結(jié)合圖1 和圖2 可以看出，車輛在加速過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 200～1 600 r/min 范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩區(qū)域，根據(jù)燃料噴射量MAP 標(biāo)定原則，此時(shí)，燃料噴射量為最大值，此時(shí)的CO2排放量應(yīng)該最大。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與行駛時(shí)間的關(guān)系

圖3 為CO2排放與行駛時(shí)間的關(guān)系。

圖3 CO2 排放與行駛時(shí)間的關(guān)系

從圖3 可以看出，加速過程中，CO2排放陡然上升，最大值達(dá)到23 307×10-6；而在高速工況，當(dāng)車速穩(wěn)定在85 km/h 左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 150 r/min左右，CO2排放在10 000×10-6左右。

圖4 為車輛擋位分布散點(diǎn)圖。

圖4 車輛擋位分布散點(diǎn)圖

由圖4 所示的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的車輛擋位分布散點(diǎn)圖可以看出，車輛在最高擋位時(shí)，車速在80km/h 以上，發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作區(qū)域?yàn)? 100～1 200r/min，該區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的有效比油耗最低區(qū)域，處于柴油機(jī)萬有特性曲線中的最低有效比油耗區(qū)域，說明該車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性匹配結(jié)果良好。

2.2 行駛阻力分析

進(jìn)行行駛阻力測(cè)試的車輛使用標(biāo)準(zhǔn)掛車和低阻掛車2 種不同外觀的掛車，箱體尺寸均滿足GB/T 1413-2008《系列1 集裝箱分類、尺寸和額定質(zhì)量》[6]標(biāo)準(zhǔn)要求的1AA 型集裝箱尺寸，長(zhǎng)×寬×高=12 192 mm×2 438 mm×2 591 mm，試驗(yàn)車輛總質(zhì)量為48 930 kg，整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境平均風(fēng)速小于1 m/s。2 次試驗(yàn)環(huán)境條件如表1 所示。

表1 行駛阻力測(cè)試環(huán)境條件

經(jīng)過計(jì)算，得到車輛修正到基準(zhǔn)狀態(tài)（溫度為20 ℃，大氣壓力為100 kPa）下的行駛阻力見表2。

表2 不同車速下的行駛阻力

圖5 為車輛行駛阻力與車速的關(guān)系。

從圖5 可以看出，在所有車速下，車輛的實(shí)際行駛阻力均小于推薦值，減幅在20%～40%之間，減幅明顯。

圖5 車輛行駛阻力與車速的關(guān)系

圖6 為實(shí)際行駛阻力相對(duì)于推薦值的減幅。

圖6 實(shí)際行駛阻力相對(duì)于推薦值的減幅

從圖6 可以看出，車速?gòu)?0 km/h～15 km/h，車輛行駛阻力減幅大體呈下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)檐囕v的風(fēng)阻在高速工況占主導(dǎo)作用。從車輛整體行駛阻力減幅來看，與由推薦阻力系數(shù)計(jì)算的阻力相比，使用標(biāo)準(zhǔn)掛車的整車，平均行駛阻力降低29.0%；使用低阻掛車的整車，平均行駛阻力降低36.8%。因此，建議重型商用車企業(yè)在試驗(yàn)場(chǎng)地條件允許的情況下，盡可能采用實(shí)際道路滑行法進(jìn)行行駛阻力測(cè)量，相比于推薦值，，測(cè)量結(jié)果更接近于車輛的實(shí)際行駛阻力。

2.3 油耗和行駛阻力相關(guān)性分析

采用表2 中的3 種阻力分別對(duì)車輛進(jìn)行3 組9次完整的C-WTVC 循環(huán)，每組進(jìn)行3 次綜合燃料消耗量測(cè)量，結(jié)果取算術(shù)平均值，得到最終車輛百公里油耗，如圖7 所示。

圖7 不同方案的整車油耗

從圖7 可以看出，使用推薦阻力系數(shù)得到的綜合油耗不滿足標(biāo)準(zhǔn)限值40L/100km[7]的要求；使用實(shí)際行駛阻力的車輛，燃料消耗量在標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)。與使用推薦阻力系數(shù)得到的綜合燃料消耗量相比，使用標(biāo)準(zhǔn)掛車的綜合油耗降低了14.8%，使用低阻掛車的百公里燃耗降低了24.3%，降幅非常明顯。

圖8 為平均行駛阻力減幅和綜合油耗降幅的相關(guān)性。

圖8 平均行駛阻力減幅和綜合油耗降幅的相關(guān)性

從圖8 可以看出，隨著車輛行駛阻力的減小，車輛的綜合油耗呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且降幅明顯。該車的百公里油耗降幅和行駛阻力減幅的關(guān)系式為：

呈線性關(guān)系，斜率為0.8264。

表3 為市郊和高速工況的燃料消耗量測(cè)量結(jié)果。

表3 市郊和高速工況下百公里油耗

從表3 可以看出，高速工況燃料消耗量整體低于市郊工況。主要原因有2 點(diǎn)：

1）市郊工況，車輛加減速工況較多，發(fā)動(dòng)機(jī)大多工作在1 200～1 600 r/min 的外特性區(qū)域，燃料噴射量較多，這點(diǎn)從圖2 可以得到印證。

2）根據(jù)重型商用車C-WTVC 循環(huán)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征，高速工況里程占據(jù)全部里程的44.33%。同時(shí)，高速工況車輛平均車速為75.772 km/h[1]。從圖4 所示的車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的車輛擋位分布散點(diǎn)圖可知，平均車速為75 km/h 左右的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域主要集中在1 100 r/min 左右，該工況也是發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線上有效比油耗最低的區(qū)域。因此，高速工況油耗反而遠(yuǎn)低于市郊工況油耗。

圖9 為市郊工況下不同方案的油耗降幅和平均行駛阻力減幅情況。

從圖9 可知，采用2 種掛車方案的市郊工況，平均行駛阻力分別減小27%和35%，百公里燃料消耗量分別降低6%和12%。

圖9 市郊工況下不同方案的油耗降幅和平均行駛阻力減幅情況

圖10 為市郊工況下的燃料消耗量降幅與行駛阻力減幅的關(guān)系。

圖10 市郊工況下油耗降幅和平均行駛阻力減幅相關(guān)性

從圖10 可知，在市郊工況下，隨著車輛行駛阻力的減小，車輛的綜合油耗呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且降幅明顯。該車的百公里油耗降幅與平均行駛阻力減幅的關(guān)系式為：

呈線性關(guān)系，斜率為0.5422。

圖11 為高速工況下不同方案的油耗降幅和平均行駛阻力減幅情況。

圖11 高速工況下不同方案的油耗降幅和平均行駛阻力減幅情況

從圖11 可知，采用2 種掛車方案的高速工況，平均行駛阻力分別減小33%和40%，百公里燃料消耗量分別降低16%和26%。

圖12 為高速工況下的燃料消耗量降幅與行駛阻力減幅的關(guān)系。

圖12 高速工況下油耗降幅和平均行駛阻力減幅相關(guān)性

從圖12 可知，高速工況下，隨著車輛行駛阻力的減小，車輛的綜合油耗呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且降幅明顯。該車的百公里油耗降幅與平均行駛阻力減幅的關(guān)系式為：

呈線性關(guān)系，斜率為1.3471。

從圖9 和圖11 可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)掛車相比，低阻掛車的高速工況行駛阻力比市郊工況平均減小5%，高速工況油耗比市郊工況降低至少10%，這點(diǎn)從圖10 和圖12 油耗降幅和行駛阻力減幅的關(guān)系曲線斜率可以看出，高速工況斜率是市郊工況斜率的2.48 倍。由于重型半掛牽引車的高速工況在整個(gè)CWTVC 循環(huán)中特征里程分配比例高達(dá)90%，因此，高速工況對(duì)整車綜合油耗的影響更大，減小高速工況的行駛阻力對(duì)整車油耗的降低起著決定性作用。

3 結(jié)論

1）C-WTVC 循環(huán)的市郊工況，行駛過程中加減速工況頻繁，發(fā)動(dòng)機(jī)多運(yùn)轉(zhuǎn)在1 200～1 600 r/min 范圍內(nèi)，燃料噴射量處于高位值；高速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作區(qū)域?yàn)? 100～1 200 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在有效比油耗最低區(qū)域，車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性匹配良好。

2）推薦阻力遠(yuǎn)高于實(shí)際行駛阻力，對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)掛車的，相比于推薦阻力，整車平均行駛阻力減小29.0%；對(duì)于使用低阻掛車的，相比于推薦阻力，整車平均行駛阻力減小36.8%。因此，建議重型商用車企業(yè)在條件允許的情況下，盡可能采用實(shí)際道路滑行法進(jìn)行行駛阻力測(cè)量。

3）與采用推薦阻力系數(shù)得到的綜合油耗相比，使用標(biāo)準(zhǔn)掛車的綜合油耗降低14.8%，使用低阻掛車的百公里油耗降低24.3%，低阻掛車行駛阻力對(duì)油耗的降幅更明顯。

4）高速工況的行駛阻力比市郊工況平均降低5%，高速工況的油耗比市郊工況降低至少10%。因此，減小牽引車高速工況的行駛阻力對(duì)整車油耗的降低起著關(guān)鍵作用。