重型貨車關鍵參數對油耗影響的模擬分析

鄭天雷，金約夫，張曉龍

(中國汽車技術研究中心 天津 300300)

0 引 言

燃料消耗量是衡量汽車性能的重要指標。重型商用車是我國柴油消耗的主體，其中貨車保有量最大且年均行駛里程較長，在重型商用車柴油消耗總量中占比最高。本文以貨車為研究對象，基于開發的模擬軟件對重型貨車各關鍵參數對燃料消耗量的影響進行模擬計算和量化分析，為燃料經濟性的改善和效果評估提供參考。

1 試驗工況及模擬軟件

汽車燃料消耗量的影響因素主要包括兩個方面(見圖1)：一方面是車輛本身的因素，如車輛的質量、排量等技術參數以及發動機、變速器等部件的技術性能等；另一方面是外部因素，如車輛的行駛環境、行駛工況和司機的駕駛習慣等。

本研究主要針對車輛本身因素對燃料消耗量的影響開展分析，因此車輛在相同的駕駛循環、環境條件和換擋規范下進行測試，其中行駛工況采用C-WTVC循環。[1]C-WTVC循環是在世界重型商用車輛瞬態循環基礎上進行調整形成的車輛瞬態循環工況，由市區、公路、高速 3段工況組成，工況曲線如圖 2所示。C-WTVC循環的速度，加速度等特征參數如表1所示。

圖1 燃料消耗量影響因素Fig.1 Influence factors of fuel consumption

圖2 C-WTVC循環工況曲線Fig.2 C-WTVC driving cycle curve

表1 C-WTVC循環特征參數Tab.1 Characteristic parameters of a C-WTVC driving cycle

本研究以 GB/T 27840—2011標準方法開發的“重型商用車燃料消耗量模擬計算系統”為計算工具。模擬軟件以發動機萬有特性試驗數據為基礎，根據輸入的車輛參數，計算出車輛在規定行駛工況下的發動機瞬時轉速和扭矩。根據轉速和扭矩對萬有特性數據進行插值運算，最后通過積分計算得到不同工況下的燃料消耗量。[1]軟件界面如圖3所示。

圖3 重型商用車燃料消耗量模擬計算系統界面Fig.3 Interface of the analog computing system for fuel consumption of heavy-duty commercial vehicles

模擬軟件中考慮了空氣阻力、滾動阻力等對燃料消耗量的影響，因此可以依據該軟件對車輛不同質量、空阻系數、滾阻系數、主減速比、傳動效率和主減速比對燃料消耗量影響程度進行計算和分析。

2 試驗車型

我國重型貨車中，5,t、16,t、25,t和 31,t是車型數量和產銷量最多的4種最大設計總質量，因此在以上質量處各選取1個車型作為測試對象。4個車型的基本參數如表2所示：

表2 試驗車型基本參數Tab.2 Basic parameters of testing vehicles

其中，車型1和車型4為國III排放標準車型，車型2和車型3為國IV排放標準車型。除獲取車輛基本參數和變速器各檔位傳動比之外，依據GB/T 18297—2001標準進行發動機怠速試驗、最大扭矩試驗、反拖扭矩試驗及萬有特性試驗。[2]其中，發動機萬有特性數據點共 80～100個，均勻地分布在發動機正常轉速及扭矩范圍內。

3 影響分析

將車型 1～4的參數及發動機數據輸入模擬軟件，可以計算得到各車型在市區、公路、高速和綜合工況下的燃料消耗量。同時，分別計算質量、空氣阻力系數等參數變化后的燃料消耗量，分析各性能參數對燃料消耗量的影響程度。

3.1 質量

車輛質量對滾動阻力、加速阻力等影響較大，是影響燃料消耗量的重要參數。研究過程中，車型分別在 90%,、100%,(滿載)、110%,最大設計總質量 3種載荷狀態下進行測試，結果如圖 4所示。以滿載狀態為基準，當質量增加 10%,，燃料消耗量平均上升 5.7%,；當質量減少 10%,，燃料消耗量平均下降5.2%,。

圖4 最大設計總質量與燃料消耗量Fig.4 Relation of the Max.design mass to fuel consumption

圖5為各車型在市區、公路、高速和綜合4種工況下平均燃料消耗量變化情況。對比來看，質量變化對市區工況的燃料消耗量影響最大，質量增加或降低 10%,時，燃料消耗量平均增加 6.7%,和降低 6.5%,；對高速工況影響最小，相同質量變化下，燃料消耗量平均增加 3.7%,和降低 4.0%,。由于市區工況平均車速較低、加減速工況較多，與質量相關的滾動阻力和加速阻力占比較高；而在高速工況下與質量無關的空氣阻力占比較高。

圖5 不同工況下最大設計總質量對燃料消耗量的影響Fig.5 Impact of the Max.design weight on fuel consumption under different working conditions

通過上述分析，質量是重型貨車燃料消耗量的重要影響因素。通過優化結構設計、采用輕質材料等輕量化技術減小整車整備質量，可以顯著降低車型燃料消耗量。尤其對以市區工況為主的車型，減小質量對降低燃料消耗量作用最為明顯。另一方面，當質量增加時，燃料消耗量增長幅度低于質量，這也意味著雖然車輛的百公里燃料消耗量增加，但單位質量的燃料消耗量有所下降，從而提高了運輸效率。因此，應在設計環節上減小整車整備質量，從使用環節在法規規定的載荷范圍內提高質量利用系數，從而達到節省燃油的目的。

3.2 空氣阻力系數

車輛的空氣阻力系數、迎風面積和車速決定了空氣阻力的大小，進而影響車輛的燃料消耗量。以空氣阻力系數(0.8)為基準，計算空阻系數增加和減小10%,狀態下的燃料消耗量，結果如圖6所示。當空阻系數增加10%,，燃料消耗量平均上升2.2%,；當空阻系數減少10%,，燃料消耗量平均下降2.3%,。

圖6 空氣阻力系數與燃料消耗量Fig.6 Relation of air drag coefficient to fuel consumption

在迎風面積和空阻系數一定的情況下，空氣阻力與速度平方成正比。因此，如圖 7所示，空阻系數變化對平均車速最高的高速工況燃料消耗量影響最大，空阻系數增加或降低10%,時，燃料消耗量平均增加 3.6%,和降低 3.9%,；對市區工況影響最小，相同變化下，燃料消耗量平均增加 0.5%,和降低0.5%,。

圖7 不同工況下空阻系數對燃料消耗量的影響Fig.7 Impact of air drag coefficient on fuel consumption under different working conditions

空阻系數也是影響貨車燃料消耗量的重要因素，尤其對于高速工況較多的大噸位貨車、牽引車，通過優化外形設計、加裝導流罩和側裙板等降低空氣阻力是提高燃料經濟性的重要手段。

3.3 滾動阻力系數

輪胎和地面間的滾動阻力是影響貨車燃料消耗量的重要因素，由車重和滾動阻力系數決定。在研究中，以GB/T,27840—2011標準規定的滾阻系數經驗公式作為基準，即 f＝0.007,6＋0.000,056,V(14,t以下車輛)；f＝0.006,6＋0.000,028,6,V(14,t及以上車輛、斜交胎)；f＝0.004,1＋0.000,025,6,V(14,t及以上車輛、子午線胎)；其中 f為滾阻系數，V為車速，單位為 km/h。[1]分別計算滾阻系數增加和減小10%,狀態下的燃料消耗量，結果如圖 8所示。當滾阻系數增加10%,，燃料消耗量平均上升 2.3%,；當滾阻系數減少 10%,，燃料消耗量平均下降2.3%,。

圖8 滾阻系數與燃料消耗量Fig.8 Relation of rolling resistance coefficient to fuel consumption

根據上述經驗公式，滾阻系數與速度成正比。因此，如圖9所示，滾阻系數變化對高速工況燃料消耗量影響最大，滾阻系數增加或降低 10%,時，燃料消耗量平均增加 2.6%,和降低3.0%,；對市區工況影響最小，相同變化下，燃料消耗量平均增加 1.2%,和降低 1.3%,。

圖9 不同工況下滾阻系數對燃料消耗量的影響Fig.9 Impact of rolling resistance coefficient on fuel consumption under different working conditions

滾動阻力系數除與速度、胎壓等使用狀態有關外，還與輪胎、路面等相關，采用單寬胎、低滾阻輪胎等可有效降低滾動阻力、提高燃料經濟性。

3.4 傳動效率

傳動效率也是影響燃料消耗量的重要參數。研究過程中，變速器和主減速器基準傳動效率分別按0.96和0.94計算，同時計算傳動效率增加和降低 10%,狀態下的燃料消耗量，結果如圖 10所示。當傳動效率增加 10%,，燃料消耗量平均下降7.3%,；當傳動效率降低 10%,，燃料消耗量平均增加 8.7%,。而從幾種工況下的對比來看，傳動效率變化對各種工況的燃料消耗量影響接近(見圖11)。

圖10 傳動效率與燃料消耗量Fig.10 Relation of transmission efficiency to fuel consumption

圖11 不同工況下傳動效率對燃料消耗量的影響Fig.11 Impact of drive ratio on fuel consumption under different working conditions

總體上看，改善傳動效率可以在各種行駛工況下顯著提高車輛的燃料經濟性。傳動效率是一個國家汽車行業整體技術水平的體現，受多種因素影響，必須從加工工藝、匹配、潤滑等多方面進行優化。

3.5 主減速比

主減速比對動力性能和燃料經濟性均有較大的影響。主減速比的變化影響發動機運行區間，進而影響整車燃料消耗量結果。研究過程中，選取了幾種常見的主減速比(3.73、3.91、4.77、5.1、5.6、6.33、6.9)分別進行計算，結果如圖 12 所示。

圖12 主減速比與燃料消耗量Fig.12 Relation of final ratio to fuel consumption

需要注意的是，在其他條件不變的情況下，主減速比增加導致最高車速下降，車型2和車型4在采用3.91以上主減速比時已無法達到工況所需最低車速要求，無法完成計算。總體上看，對于同一車型，隨著主減速比的增加，燃料消耗量略有增加。采用較小的主減速比可以獲得更好的燃料經濟性，但在實際設計中，對于某些在困難工況(如山區等)下行駛的車輛，在發動機功率有限的情況下，往往首先為了滿足車輛加速和爬坡性能而犧牲部分經濟性，采用較大的主減速比。

3.6 發動機燃油消耗率

發動機是汽車上對燃料消耗量影響最大的部件。汽車燃油全部通過發動機消耗，因此模擬軟件結果也是通過對燃油消耗率數據的插值和積分計算得出的。目前，常以全負荷最低燃油耗率表征發動機的燃油經濟性，但在 C-WTVC和實際行駛工況下，發動機并非運行在某一工況點而是運行在不同的工況區間，因此僅最低燃油耗率的改變對工況燃料消耗量結果影響很小。如果通過技術手段改善整體燃油消耗率，則最終的工況燃料消耗量結果也將獲得相同比例的改善。目前常見的發動機節能措施包括：增壓和共軌、提高熱效率、進排氣系統優化、減少附件能耗等。

4 結 語

綜上所述，在相同的試驗條件下，分析評價重型貨車關鍵參數對燃料消耗量的影響程度。從總體看，質量、空阻系數、滾阻系數、傳動效率、主減速比和發動機燃油消耗率的變化對燃料消耗量的影響程度并不一致；同時，相同的參數變化對車型在市區、公路和高速工況下燃料消耗量的影響也存在差異。通過本研究，為重型商用車燃料經濟性的改善方向和效果評估提供參考。隨著能源形勢的日趨嚴峻，我國將逐步實施更為嚴格的燃料消耗量標準，先進節能技術也將得到更廣泛的應用，重型商用車的燃料經濟性將進一步提高。■

［1］全國汽車標準化技術委員會.GB/T 27840—2011 重型商用車輛燃料消耗量測量方法[S].北京：中國標準出版社，2012.

［2］全國汽車標準化技術委員會.GB/T 18297—2001 汽車發動機性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2001.

［3］余志生，夏群生，趙六奇，等.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009.