燃油乘用車滑行阻力系數(shù)測定優(yōu)化

王儒梟，張 超，周博雅，黎 蘇，李 博

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

車輛滑行阻力系數(shù)的研究是降低整車阻力和能耗的一種有效的方法。對(duì)于輕型車而言，使用量大且頻繁，其實(shí)際道路整車阻力在底盤測功機(jī)上的精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，對(duì)整車性能檢測及發(fā)展有著重要的意義[1-2]，是整車燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，電車?yán)m(xù)航、電耗等性能測試和評(píng)價(jià)重要且關(guān)鍵的參數(shù)[3-6]。在我國龔春忠[7-8]和高岳[9]、陳石人[10]等分別研究了車輛道路滑行試驗(yàn)和車輛風(fēng)洞試驗(yàn)，取得了一定的成果，但對(duì)于數(shù)據(jù)的獲取和處理還存在著各種問題，比如精確度不高，選取速度點(diǎn)不合適，阻力影響因素較多等。張曉龍等[11]通過對(duì)國六標(biāo)準(zhǔn)中車載風(fēng)速儀滑行法做了梳理，引入風(fēng)速測量和修正，在實(shí)際試驗(yàn)中車載風(fēng)速儀基本不受外界環(huán)境影響，很好地反映車輛的真實(shí)性能，大大地提高了試驗(yàn)效率。楊凡等[12]利用試驗(yàn)的方法對(duì)比滑行和查表法的續(xù)航里程，結(jié)果表明查表法續(xù)航里程能耗較低，阻力小于滑行法，在高速工況下，滑行法續(xù)航里程能耗較低，阻力小于查表法，在整個(gè)續(xù)航試驗(yàn)過程中電機(jī)回收能量相差不大。試驗(yàn)的方法可以獲得較準(zhǔn)確的滑行數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)周期長，費(fèi)用高，環(huán)境影響因素較大。除了通過試驗(yàn)方法外，還可以通過模擬計(jì)算的方式進(jìn)行試驗(yàn)分析[13-14]，王彤[15]通過cruise搭建了車輛單級(jí)減速和EM-CVT的純電動(dòng)汽車模型，并結(jié)合matlab得到了汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真計(jì)算結(jié)果。許家毅[16]利用cruise軟件搭建商用汽車整車動(dòng)力性及油耗仿真計(jì)算模型。完成車輛最高車速、爬坡度及加速時(shí)間的動(dòng)力性和車輛燃油消耗的經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算。

本研究基于前人的研究，對(duì)14輛燃油乘用車進(jìn)行了實(shí)際道路滑行試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)測車輛滑行阻力對(duì)照國標(biāo)中給出的推薦值進(jìn)行了對(duì)比分析，分析滑行法和查表法之間的差值，并采用差值擬合和阻力平均兩種方法，得到阻力計(jì)算公式，將阻力計(jì)算公式應(yīng)用在驗(yàn)證車上，對(duì)應(yīng)用計(jì)算公式得到的阻力進(jìn)行驗(yàn)證。之后采用模擬計(jì)算的方式，分析車輛實(shí)測油耗和計(jì)算值、推薦值得到的油耗之間的關(guān)系。

1 道路滑行試驗(yàn)要求

1.1 試驗(yàn)安排

首先根據(jù)國標(biāo)要求[17]，滑行試驗(yàn)選擇在清潔、平直、干燥的瀝青混凝土路面進(jìn)行，具有足夠的長度，并且道路在任意3 m內(nèi)坡度為±0.5%以內(nèi)，總長不大于1%。5 s內(nèi)風(fēng)速不大于5 m/s，2 s內(nèi)峰值風(fēng)速不大于8 m/s。本研究基于9輛燃油乘用車為基礎(chǔ)展開試驗(yàn)，為保證在實(shí)際滑行過程中的風(fēng)阻一致，車輛的整車尺寸保持在一定范圍之內(nèi)，即車輛的迎風(fēng)面積一致，并選擇無風(fēng)或小風(fēng)速條件下的同一時(shí)間進(jìn)行。試驗(yàn)前各車輛均進(jìn)行半小時(shí)熱車準(zhǔn)備，試驗(yàn)時(shí)車輛車窗、空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)車輛信息

對(duì)進(jìn)行試驗(yàn)的所有車輛按照車型和試驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行了分組，并根據(jù)某質(zhì)量段內(nèi)的車次數(shù)量，做進(jìn)一步的試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛信息如表1所示。

表1 燃油乘用車試驗(yàn)車輛信息Tab.1 Fuel passenger experimental vehicle information

2 試驗(yàn)原理

2.1 滑行試驗(yàn)阻力計(jì)算及修正

正式測試時(shí)車輛加速到145 km/h，速度穩(wěn)定后空檔滑行，記錄車輛速度從V+ΔV降至V-ΔV的時(shí)間。在滑行過程中，盡量保持直行，并采用高低速兩段滑行試驗(yàn)法，每段試驗(yàn)進(jìn)行正反兩次，消除風(fēng)向[18]對(duì)試驗(yàn)的影響。

滑行阻力計(jì)算公式為：

(1)

式中，Δtj為在基準(zhǔn)速度vj下測量得到的往返滑行時(shí)間調(diào)和算術(shù)平均值；mav為道路載荷試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)試驗(yàn)車輛的平均質(zhì)量；mr為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的等效有效質(zhì)量。

通過公式計(jì)算得到車輛滑行過程中的阻力值，并通過最小二乘法得到道路載荷系數(shù)f0，f1，f2。按照國標(biāo)中的修正公式將試驗(yàn)條件下的阻力系數(shù)A，B，C修正到基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)條件下，修正后阻力計(jì)算公式為F=A+B×v+C×v2，其中v為試驗(yàn)車速。修正公式為：

A=(f0-w1-K1)×[1+K0(T-20)]，

(2)

B=f1×[1+K0(T-20)]，

(3)

C=f2×K2，

(4)

2.2 查表法

根據(jù)《GB 18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值測量方法》[19]規(guī)定，在底盤測功機(jī)上模擬汽車道路行駛，需要對(duì)轉(zhuǎn)鼓施加一部分阻力。阻力值可以通過車輛的整備質(zhì)量加100 kg，并通過查表的方式確定測功機(jī)設(shè)定的當(dāng)量慣量和道路阻力系數(shù)，即可得到轉(zhuǎn)鼓加載阻力F=a+bv2。查表法部分標(biāo)準(zhǔn)阻力系數(shù)如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)阻力系數(shù)Tab.2 Standard resistance coefficient

3 結(jié)果分析

如圖1所示是本次研究中所有乘用車的滑行阻力曲線分布圖，圖2是試驗(yàn)車輛實(shí)測值與推薦值差值分布。由于所選14輛燃油乘用車中，車輛的整備質(zhì)量和最大質(zhì)量比較分散，而且試驗(yàn)結(jié)果也顯示曲線分布較分散，所以，根據(jù)國五標(biāo)準(zhǔn)中滑阻系數(shù)的選擇方法即對(duì)車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量分區(qū)段分析，對(duì)試驗(yàn)中的所有車輛也按照國標(biāo)中的方法分區(qū)段分析。經(jīng)過滑行阻力數(shù)據(jù)的分析以及試驗(yàn)車輛的質(zhì)量分布，在1 650～1 850 kg試驗(yàn)質(zhì)量段內(nèi)的9輛車做進(jìn)一步的分析，其余車輛由于相應(yīng)質(zhì)量段內(nèi)試驗(yàn)車輛輛次少，故不予分析。

圖1 所有試驗(yàn)乘用車滑行阻力Fig.1 Coasting resistances of experimental passenger vehicles

圖2 試驗(yàn)車輛實(shí)測值與推薦值差值Fig.2 Differences between measured and recommended values of experimental vehicles

如圖3和圖4所示是部分燃油車實(shí)際道路滑行阻力與推薦值阻力分布圖，圖5是各試驗(yàn)車實(shí)際道路滑行實(shí)測值與推薦值的差值分布。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，隨著速度的增長，推薦值與實(shí)測值之間的誤差逐漸降低，由87%變化到11%，但始終低于實(shí)測值，尤其是在低速度段時(shí)，推薦值阻力值非常小，與車輛的實(shí)際阻力相差較大，在110 km/h以上時(shí)差值在20%之下，但始終在10%以上。根據(jù)實(shí)測值與推薦值的差值分布可以看出，兩者的差值在80～200 N之間，相差較大。由于這種車型的迎風(fēng)面積較大，在滑行過程中的風(fēng)阻對(duì)車輛的行駛阻力影響較為明顯，尤其是在低速段，兩者差值更為明顯，且阻力值較分散。所以對(duì)于SUV車型而言，會(huì)出現(xiàn)車輛道路滑行阻力實(shí)測值在整個(gè)的滑行過程中行駛阻力始終高于阻力推薦值的現(xiàn)象，對(duì)于這種車型，在無法得到實(shí)際道路滑行阻力系數(shù)的情況下，采用推薦值系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)會(huì)使得試驗(yàn)結(jié)果較好，但不符合車輛實(shí)際情況，會(huì)使車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性與實(shí)際情況相差較大。所以想要通過采用實(shí)測值與推薦值的差值擬合得到修正車輛阻力計(jì)算公式的方法不適合用在較大車型的研究上。所以采用各速度點(diǎn)下阻力值求平均的方式進(jìn)行研究。

圖3 1#實(shí)測值與推薦值Fig.3 Measured values and recommended values (1#)

圖4 2#實(shí)測值與推薦值Fig.4 Measured values and recommended values(2#)

圖5 試驗(yàn)車實(shí)測值與推薦值的差值Fig.5 Differences between measured values and recommended values of experimental vehicles

表3所示為試驗(yàn)組6輛車實(shí)測阻力值，對(duì)試驗(yàn)組6輛試驗(yàn)車各速度點(diǎn)下的阻力值做平均，然后根據(jù)平均值得到了該質(zhì)量段下車輛阻力計(jì)算公式。

y=0.047 2v2+0.304v+167.97。

(5)

表3 各試驗(yàn)車滑行阻力Tab.3 Coasting resistances of experimental vehicles

表4是驗(yàn)證車滑行阻力。將公式應(yīng)用于3輛驗(yàn)證車輛中，結(jié)果如圖6所示。7車的實(shí)測值與計(jì)算值之間的誤差在1%～7%之間，在110 km/h速度下的阻力值與實(shí)測值的誤差在5%以內(nèi)，而車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)處于110 km/h以內(nèi)，所以可以認(rèn)為該公式對(duì)于該車具有較好的適用效果。8車和9車計(jì)算值與實(shí)測值的誤差均在5%以內(nèi)，可以認(rèn)為是工程誤差。所以通過對(duì)3輛驗(yàn)證車輛的計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比可以看出3輛驗(yàn)證車輛的阻力計(jì)算值與實(shí)測值的誤差較小，計(jì)算公式得到的計(jì)算值與實(shí)測值之間的誤差在5%以內(nèi)，大部分速度點(diǎn)下的誤差在3%以內(nèi)，所以可以認(rèn)為通過采用求取各速度點(diǎn)下阻力平均的方法得到的計(jì)算公式能夠很好的計(jì)算出試驗(yàn)質(zhì)量在1 650～1 850 kg內(nèi)的車輛滑行阻力。

表4 驗(yàn)證車滑行阻力Tab.4 Coasting resistances verification vehicle

圖6 驗(yàn)證車輛計(jì)算值與實(shí)際值Fig.6 Calculated and actual values of verification vehicle

4 模擬計(jì)算

根據(jù)前文研究內(nèi)容，采用AVL-CRUISE軟件建立了3輛燃油乘用車的整車模型，根據(jù)要求建立車輛仿真任務(wù)。通過得到的阻力計(jì)算公式，在模型中分別改變車輛的滑行阻力系數(shù)，車輛的循環(huán)工況選擇NEDC工況，模擬計(jì)算車輛在一個(gè)循環(huán)工況下的燃油消耗量。

圖7～圖9是3輛車的試驗(yàn)油耗和模擬計(jì)算油耗分布圖。3輛車的實(shí)際油耗分別為8.8，8.82，8.78 L/(100 km)，通過模擬計(jì)算，實(shí)測阻力系數(shù)的油耗值與實(shí)際試驗(yàn)測得的油耗值相差0.4%～0.7%，百公里耗油輛誤差較小，因此認(rèn)為建立的車輛模型可以用來研究車輛的整車性能。

圖7 11#車輛百公里油耗Fig.7 Vehicle fuel consumption per 100 km

圖8 12#車輛百公里油耗Fig.8 Vehicle fuel consumption per 100 km

圖9 13#車輛百公里油耗Fig.9 Vehicle Fuel consumption per 100 km

7#通過采用計(jì)算公式得到阻力系數(shù)的方法測得的油耗值為8.67 L/(100 km)，與實(shí)測油耗值相差1.5%；而采用推薦值得到的油耗值為8.08 L/(100 km)，與實(shí)測油耗值相差8.2%。

8#通過采用計(jì)算公式得到阻力系數(shù)的方法測得的油耗值為8.74 L/(100 km)，與實(shí)測油耗值相差0.6%；而采用推薦值得到的油耗值為8.19 L/(100 km)，與實(shí)測油耗值相差7.14%。

9#通過采用計(jì)算公式得到阻力系數(shù)的方法測得的油耗值為8.77 L/(100 km)，與實(shí)測油耗值相差0.1%；而采用推薦值得到的油耗值為8.22 L/(100 km)，與實(shí)測油耗值相差6.4%。

從計(jì)算結(jié)果來看，車輛在無法得到實(shí)際道路滑行阻力系數(shù)時(shí)，采用推薦阻力系數(shù)計(jì)算得到的車輛百公里油耗與實(shí)際車輛百公里油耗值低很多，與實(shí)際不符。而采用計(jì)算公式得到車輛的滑行阻力系數(shù)，車輛的油耗與實(shí)際油耗比較接近。所以從車輛的百公里燃油消耗量來看，采用計(jì)算公式計(jì)算車輛的滑行阻力系數(shù)，是可以滿足車輛的試驗(yàn)要求。

5 結(jié)論

通過以上試驗(yàn)和計(jì)算得出以下結(jié)論。

(1)通過采用車輛實(shí)測阻力各速度點(diǎn)下阻力平均值的方法，得到了1 650～1 850 kg試驗(yàn)質(zhì)量段下的阻力計(jì)算公式，試驗(yàn)驗(yàn)證表明，計(jì)算值與實(shí)測值誤差在常用速度段內(nèi)的誤差為5%以內(nèi)，比查表法得到的阻力更接近實(shí)際值。

(2)通過模擬，計(jì)算阻力系數(shù)得到的車輛百公里油耗與實(shí)測值的誤差在1.5%以內(nèi)，而推薦值得到的車輛百公里油耗與實(shí)測值相差6%～8%。相比查表法，計(jì)算公式更能反映車輛的實(shí)際油耗。

(3)該研究結(jié)果表明，得到的計(jì)算公式可以計(jì)算出燃油乘用車在1 650～1 850 kg質(zhì)量段內(nèi)的阻力，優(yōu)化了國標(biāo)中的阻力推薦值，但對(duì)于其他車型和質(zhì)量段內(nèi)的車輛是否適用，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)證明。