汽車燃油經濟性計算方法及仿真分析

楊翔宇，王剛，周榮寬，劉志，文啓洲

(重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054)

汽車燃油經濟性計算方法及仿真分析

楊翔宇，王剛，周榮寬，劉志，文啓洲

(重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054)

燃油經濟性是汽車最重要的性能指標之一。燃油經濟性好不僅可以降低汽車的使用費用，還可以獲得較好的排放性能以減少對環境的污染。在美國聯邦環境保護局(EPA)規定的測試程序的基礎上對汽車進行動力學分析，分析汽車在城市循環工況(UDDS)和高速路循環工況(HWFET)兩種不同行駛狀態下的燃油消耗情況，提出了一種汽車燃油經濟性的計算方法。利用Matlab/Simulink對整車進行建模，對該型車輛在循環工況下的燃油消耗量進行仿真，并與理論計算值進行對比分析。結果表明:所提出的汽車燃油經濟性的計算方法是合理、準確的。

燃油經濟性;循環工況;計算方法;仿真分析

燃油經濟性是汽車的重要性能，也是每個擁有汽車的人最關心的指標之一［1］。影響汽車燃油經濟性的因素是多方面的，它的好壞不僅與汽車本身的性能(特別是發動機、變速箱、傳動系、驅動方式)以及駕駛技術有關，而且與汽車行駛的工況有著密切的關系［2］。

本文采用美國聯邦環境保護局(EPA)規定的測試程序(包括城市循環工況UDDS和高速路循環工況HWFET)［3］，在此基礎上對汽車的行駛狀態進行動力學分析。根據汽車在不同行駛狀態下的燃油消耗情況，分析計算各循環工況下汽車的燃油消耗量，進而計算出它的循環百公里燃油消耗量。提出了一種汽車燃油經濟性的計算方法。建立整車的Matlab/Simulink仿真模型，對汽車燃油經濟性進行仿真分析，并將仿真結果與計算結果進行對比，說明本文提出的汽車燃油經濟性計算方法是合理、準確的。

1 工況介紹

汽車都是在一定的工況下行駛，即使同一輛汽車在不同的工況下行駛，其燃油經濟性也是不同的。因此，行駛工況對汽車的燃油經濟性的評價計算有著十分重要的意義。當前世界的汽車行駛工況被分成3組:美國行駛工況、歐洲行駛工況和日本行駛工況。以美國FTP(Federal Test Program)為代表的瞬態循環工況(Transient Driving Cycle)和以ECE(Economic Commission for Europe)為代表的模態工況(Modal Driving Cycle)被廣為采用［4］。

本文采用美國聯邦環境保護局(EPA)規定的測試程序。它分為城市循環工況(UDDS)和高速路循環工況(HWFET)，分別如圖1、2所示［5］。

圖1 城市循環工況

圖2 高速路循環工況

由圖1、2可知:在美國聯邦環保局測試程序中，城市循環工況和高速路循環工況測試參數的具體值是不一樣的，如表1所示。

表1 各循環工況的參數值

2 發動機的燃油消耗

對于傳統的汽車而言，發動機作為其動力源，汽車在行駛過程中所消耗的能量都是由發動機提供的。因此，在分析汽車的燃油經濟性之前有必要先分析發動機的燃油消耗情況。發動機單位時間燃燒燃料產生的熱量與單位時間進入氣缸的燃料質量有關。其表達式為［6］

則發動機在一定時間內燃燒燃料產生的總能量為

發動機單位時間對外輸出的功與發動機燃燒燃料單位時間產生的有效的化學能是相等的。但需要說明的是，發動機燃燒燃料的化學能轉換為曲軸的輸出功需要經歷3級轉換，存在3個轉換效率［7］。其分別是發動機燃燒效率ηc、發動機循環熱效率ηt、發動機機械效率ηm(它又包括了發動機泵氣、摩擦，發動機配件和曲軸慣性損耗)，則發動機的有效效率為

發動機動力輸出的過程本質上是進入發動機燃料的化學能轉化為曲軸有效輸出的過程。由上述分析可知，發動機曲軸輸出的功為

3 車輛動力學分析

汽車在不同的行駛狀態下，其燃油消耗量不同。為了計算其燃油消耗量，應該對行駛的汽車進行動力性分析。圖(3)為汽車在無風、水平路面上行駛時的受力情況。

圖3 汽車行駛受力

由車輛動力學分析可知:在汽車行駛過程中，Ff、FW永不為負，而慣性力Fj則有多種可能，從而汽車驅動力的取值分為以下3種情況:Ft＞0，Ft＜0和Ft=0。

當Ft＞0時，發動機對外輸出正功。汽車的行駛狀態既可以是加速行駛，也可以是減速行駛或者勻速行駛。在城市循環工況下，Ft＞0的情況如圖4所示。

圖4 城市工況發動機對外輸出正功

2)Ft＜0

此時，發動機對外輸出負功(或者說發動機此時相當于一個負載)，汽車處于減速行駛狀態。汽車在下長陡坡或者雨雪天氣路面很滑等情況下，駕駛員為了安全起見一般都會采用發動機制動(不同于剎車制動)，此時發動機相當于一個負載。HWFET驅動周期與剎車點的確定如圖5所示。

圖5 高速路工況剎車點

3)Ft=0

當Ft=0時，發動機的動力輸出為零。但此時發動機仍需消耗能量，例如汽車遇到紅燈停車或者汽車減速滑行時，駕駛員松開離合器踏板，傳動系不對外輸出動力，但此時發動機依然在運行，會有燃料的消耗。

4 汽車燃油消耗量分析計算

式(11)中:0．55、0．45分別為城市循環工況、高速路循環工況加權系數。

在該測試程序中，任何一種循環工況的平均燃油消耗量的計算表達式可以寫成如下形式［9］:

由汽車動力學的分析可知:整個循環工況下根據驅動力Ft的不同取值，汽車分不同的行駛狀態，對應的發動機工作狀態分別為發動機動力驅動狀態、發動機制動狀態、發動機怠速狀態。則整個循環工況的燃油消耗量應是3種行駛狀態下發動機燃油消耗量之和，其表達式為

1)發動機動力驅動狀態(Ft＞0)

發動機動力驅動狀態燃油消耗量為

必須要說明的是，(E)1是發動機在汽車這一行駛狀態下輸出的有效功。這些能量不僅用于驅動車輛行駛，還必須保證發動機附件的正常運行。發動機附件是發動機正常運行必不可少的輔助機構，例如水泵、機油泵、高壓油泵、點火裝置、發動機風扇等［10］。其表達形式為

盡管大多數地球科學家贊賞地殼均衡在保持高地形的重要性，但許多人忘記了現今的巖石隆起大部分（85%）都歸功于已經被侵蝕或運移出該地形之外的物質均衡補償，而并非活動構造。

在發動機怠速過程中燃油消耗率基本是恒定的。因此:

由上述分析可知，循環工況下汽車平均燃油消耗量為:

需要說明的是:在Ft＞0時，根據已有試驗數據的統計分析，EFt、(EACC)之間存在一定的關系。

整個循環工況下，汽車的百公里燃油消耗量為

式(11)～(28)中:gC為循環工況綜合燃油消耗量(L/m);Gf為循環工況燃油消耗量體積(L);s為循環工況的距離(km);ρf為燃油密度(kg/L); (mf)1，(mf)2，(mf)3分別為各狀態下進入整機的燃料質量(kg);(m˙f)1，(m˙f)2，(m˙f)3分別為單位時間進入整機的質量(kg/s);t2、t3分別為循環工況發動機制動、怠速的時間(s);ηe，max為發動機的最大效率;(EFt)1為曲軸輸入汽車傳動系的功(kW·h);(EACC)為發動機附件消耗的功(kW· h);EF為作用在車輪上的功(kW·h);ˉg為循環工

t況的平均燃油消耗量(L/km)。

5 Matlab/Sumlink仿真模型的建立

隨著計算機技術的發展，仿真技術越來越多地應用到汽車新產品開發的整個過程中，從而能在產品開發前期及時有效地對開發人員的設計思路進行評價和驗證。目前大部分設計人員已經認可了仿真技術在汽車性能預測、計算、分析中所起的作用。本文利用Matlab/Simulink建立相關模塊，建立適合于分析計算汽車燃油經濟性的計算機仿真模型。

5.1 整車行駛動力學仿真建模

整車行駛動力學模型表示了整車在外力作用下的驅動力—阻力平衡關系。該模塊實現了汽車的縱向動力平衡:∑F=Ft。由汽車動力學模型建立仿真模型(如圖6所示)。

圖6 整車仿真模塊內部

5.2 汽車燃油經濟性的仿真建模

汽車燃油經濟性仿真模塊內部結構如圖7所示。

圖7 汽車燃油經濟性模塊內部

5.3 整車系統建模

將上述模塊和發動機模塊、變速器模塊、循環工況模塊以及油箱、油耗顯示器等部件，根據各自的聯系和相互作用的關系連接起來，組成整車系統的模型(圖8和圖9)。

圖8 城市循環工況汽車整車系統模型

圖9 高速路循環工況汽車整車系統模型

6 仿真結果對比分析

6.1 循環工況燃油經濟性的計算

本文以某款已知參數汽車為例進行燃油消耗量的計算，整車的部分參數如表2所示。

表2 整車參數

根據已有試驗數據統計的經驗參數如表3所示。

表3 經驗參數

EFt的值由式(27)確定，可以看出，它只與汽車本身的參數和行駛的距離有關。(EACC)為汽車行駛時輔助設備消耗的能量，在城市循環工況、高速路循環工況下，其值分別為EFt的10%和6%。

由式(26)、(11)、(28)求得汽車在城市循環工況、高速路循環工況下的平均燃油消耗量、綜合燃油消耗量以及百公里燃油消耗量(見表4)。

表4 理論計算結果

6.2 循環工況燃油經濟性的仿真計算

當前全球用來評價汽車燃油經濟性的標準循環工況主要有FTP、NEDC、JN10-15和ECE等。本文采用美國聯邦環境保護局(EPA)規定的測試程序。它分城市循環工況(UDDS)和高速路循環工況(HWFET)來評價燃油經濟性。下面是在滿足設計要求參數的情況下，在(UDDS)和(HWFET)循環工況下計算得到的仿真結果。

表5 仿真計算結果

6.3 燃油經濟性計算、仿真結果對比分析

通過對比某款已知參數的汽車，得到在城市循環工況(UDDS)和高速路循環工況(HWFET)下燃油消耗量的計算值、仿真值如表6所示。

表6 燃油消耗量的對比

通過以上計算以及仿真結果的對比可以看出:由式(26)計算得出的燃油消耗量與通過仿真計算得出的結果相差不大，百公里燃油消耗量的值相差6.36%。

7 結束語

本文根據美國聯邦環境保護局(EPA)規定的測試程序，在汽車動力學分析的基礎上，根據驅動力的取值把發動機的工作狀態分為3個階段(動力驅動階段、發動機制動階段、發動機怠速階段)，并結合已有的實驗數據，提出了一種汽車燃油經濟性的計算方法。利用Matlab/Simulink建立了仿真模型，并進行了汽車燃油經濟性的仿真。兩種計算結果對比顯示:百公里燃油消耗量的值相差6.36%，表明本文中建立的汽車燃油經濟性的評價方法是合理的。

需要進一步說明的是，利用本文中的公式可以進一步進行如下問題的研究:

1)對汽車的燃油經濟性進行預測，這對汽車產品的開發極為有利。

2)分析不同參數對汽車燃油經濟性的影響，對汽車的相關參數進行合理的設計。

［1］汽車燃油經濟性［EB/OL］.［2014-02-28］.http:// baike.baidu.com/link?url=lhZcRTXxMp-AZEPOGotYzYjmOqlQUVs-REGdMqVI1ueP0uwswF-jmqYQjdP-bJXJ.

［2］包凡彪.基于萬有特性的汽車燃油經濟性計算方法研究［J］.北京汽車，2012(1):23-28.

［3］http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_economy_in_automobiles.

［4］MichelAndre.DrivingCyclesDevelopmen:Characterization of the Methods.SAE961112.

［5］Dynamometer Drive Schedules［EB/OL］.［2013-02-06］. http://www.epa.gov/nvfel/testing/dynamometer.htm.

［6］Baglione M，Duty M，Pannone G.Vehicle System Energy Analysis Methodology and Tool for Determining Vehicle Subsystem Energy Supply and Demand［J］.SAE Transactions Journal of Passenger Cars:Electronic and Electrical Systems，2008，116(7).

［7］周龍保.內燃機學［M］.3版.北京:機械工業出版社，2010.

［8］余志生.汽車理論［M］.5版.北京:機械工業出版社，2009.

［9］Sovran G，Blaser D.A Contribution to Understanding Automotive Fuel Economy and Its Limits［J］.SAE Technical Paper，2003(1).

［10］王建昕，帥石金.汽車發動機原理［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［11］Sovran G，Bonn M.Formulae for the Tractive-Energy Requirements of Vehicles Driving the EPA Schedules ［J］.SAE Technical Paper，1981.

(責任編輯 劉舸)

Research and Simulation Analysis Method of Automobile Fuel Economy

YANG Xiang-yu，WANG Gang，ZHOU Rong-kuan，LIU Zhi，WEN Qi-zhou
(School of Vehicle Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Fuel economy is one of the most important performance indexes of the automobile，and fuel economy is better.Not only can it reduce the cost of vehicle，but it also can obtain better performance of emission reduction of environmental pollution.In this paper，on the basis of the U.S.Federal Test Procedure(EPA)for vehicle dynamic analysis，it analyzed automobile different driving states fuel consumption in urban driving cycle(UDDS)and highway driving cycle(HWFET)，and proposed a calculation method for automobile fuel economy.Using of Matlab/Simulink，it built model of vehicle based on theoretical analysis and relative reference.The fuel economy on the driving cycle was simulated.Contrasting with fuel economy of the theoretical calculation，the results showed in the present paper illustrate that the automobile fuel economy calculation methods are reasonable and accurate.

fuel economy;driving cycle;calculation method;simulation

U469.72+2

A

1674-8425(2014)08-0006-07

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.002

2014-03-18

重慶市教委科技項目(KJ080619)

楊翔宇(1953—)，男，重慶人，教授，主要從事車輛傳動技術及應用研究。

楊翔宇，王剛，周榮寬，等.汽車燃油經濟性計算方法及仿真分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014 (8):6-12.

format:YANG Xiang-yu，WANG Gang，ZHOU Rong-kuan，et al.Research and Simulation Analysis Method of Automobile Fuel Economy［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):6 -12.