底盤測功機的阻力設定方法對整車油耗測試的影響

朱文波 王雙 黎運

【摘 要】在實驗室測定輕型汽車的綜合油耗時，底盤測功機的2種阻力設定方法對測定結果有直接的影響。文章對底盤測功機的2種阻力設定方法（查表法和滑行法）進行了理論分析，并對阻力設定方法對汽車的尾氣排放和油耗的影響進行了試驗研究。結果表明，采用查表法在一定的運轉速度范圍內不能真實地反映車輛的油耗水平。在NEDC測試工況下，采用查表法進行阻力設定所測得的綜合油耗及尾氣排放中污染物的含量均比采用滑行法測定的要低。

【關鍵詞】底盤測功機；阻力設定；油耗；尾氣排放

【中圖分類號】TH117.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）06-0084-05

0 前言

汽車作為常見的交通工具，其燃油經濟性是廣大消費者最關注的技術指標之一。車輛在實際行駛過程中的燃油消耗與廠家公布的油耗值往往相差較遠，這是由于廠家采用的檢測方法與汽車在實際道路上行駛時的工況符合程度較低導致的。

在實驗室內模擬測試汽車在實際行駛時排放和油耗的一般方法如下：首先采集車輛在道路上行駛的路譜，經過統計分析后，確定測試用的典型工況，然后使用底盤測功機在室內模擬汽車在道路上行駛時所受到的阻力，最后使用軟件系統對汽車排出的尾氣進行分析處理[1]。因此，底盤測功機模擬道路行駛阻力的準確性對油耗試驗結果有很大的影響。

本文對汽車行駛過程中的受力情況和底盤測功機的受力狀況進行對比分析，找出底盤測功機阻力設定的影響因素。并分別應用不同的阻力設定方法進行油耗測試，同時對排放結果進行分析。

1 底盤測功機阻力設定

設定底盤測功機阻力的目的就是在底盤測功機上再現車輛在道路上行駛時所受到的阻力。

1.1 車輛行駛受力分析

1.1.1 道路行駛時車輛的受力分析

車輛在道路上勻速行駛時，其行駛阻力與發動機提供的動力相平衡。行駛阻力分為5個部分：輪胎的滾動阻力、空氣阻力、傳動系的阻力、坡度阻力和車輛慣性阻力。平衡方程如式（1）[2]：

Ft=Fr+Fw+Fn+Fi+Fj（1）

公式（1）中：Ft為發動機輸出的力；Fr為輪胎滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fn為車輛傳動系阻力；Fi為坡道阻力；Fj為車輛慣性阻力，包括汽車平移質量慣性力和旋轉部件旋轉質量慣性力。

1.1.2 在底盤測功機上車輛的受力分析

汽車在底盤測功機滾輪上行駛，從動輪被夾緊固定，僅驅動輪和底盤測功機的滾輪做相對旋轉運動，此時車輛相對滾輪是靜止的，車速為零。滾輪的表面則取代了路面。因此，汽車在底盤測功機上變速行駛時的力平衡方程式如下：

Ft'=Fb'+Fm'+Fr'+Fj'+FJ'+Fn'（2）

公式（2）中：Ft'為發動機輸出的力；Fb'為底盤測功機制動力；Fm'為測功機內阻；Fr'為驅動輪與滾筒接觸面的滾動阻力；Fj'為汽車旋轉部件的慣性阻力；FJ'為測功機的慣性阻力；Fn'為車輛傳動系阻力。

1.1.3 轉鼓實驗臺的阻力模擬分析

車輛在轉鼓上的滑行可模擬其在道路上行駛時所受的總阻力。車輛在底盤測功機上再現道路行駛阻力時，其受力分為2個部分，即底盤測功機上的車輛損失阻力和轉鼓測定阻力。道路總阻力減去車輛損失阻力就是底盤測功機需要設定的阻力。

通過表1的比較分析可知，在使用滑行法設定轉鼓阻力時，在車輛條件相同的情況下，車輛在轉鼓和在道路上行駛的傳動阻力是相同的。在轉鼓上滑行時，車輛相對于地面的速度為0，因此沒有受到風阻。車輛在轉鼓上滑行不存在坡度，因此也沒有坡度阻力。在道路上行駛時，輪胎的滾動阻力是由4個輪胎與地面接觸組成，而在轉鼓上滑行時只有2個輪胎轉動，因此車輛在轉鼓上所受的輪胎滾動阻力小于在道路上行駛時所受的輪胎滾動總阻力。

1.2 底盤測功機阻力設定原理

依據國家頒布的標準《輕型汽車污染物排放限值及測定方法（中國第五階段）》（GB 18352.5—2013），可采用2種方法對底盤測功機進行阻力設定，即標準推薦阻力設定（查表法）和車輛滑行實際阻力設定（滑行法）。

1.2.1 滑行法

滑行法是將道路試驗中車輛受到的阻力狀況在測功機上進行模擬。由道路滑行試驗測出道路負荷公式中的系數f0、f1、f2。車輛在道路行駛的總阻力F=f0+f1v+f2v2[3]。車輛損失阻力同樣通過滑行法采集，該阻力的線性方程為F '=f0'+f1'v+f2'v2。因此，轉鼓的阻力設定值應為F s=F-F '。

使用滑行法進行燃油消耗量試驗，可以高精度地模擬車輛在道路行駛時所受阻力的情況，會更加真實地反映車輛在實際道路中的排放和油耗水平。

1.2.2 查表法

根據車輛的基準質量，在標準中查表得到當量慣量和阻力系數a、b，將當量慣量和阻力系數輸入底盤測功機的控制計算機，得到底盤測功機的制動力F（F=a+bv2）。

查表法的優點是操作簡單、快捷方便；缺點是對車輛道路行駛的阻力模擬精度較低。

2 試驗部分

針對2款不同車型，分別使用滑行法和查表法加載進行NEDC整車油耗試驗。試驗方法依據《輕型汽車燃油消耗量試驗方法》（GB/T 19233—2003）進行。

2.1 試驗設備

整車油耗試驗在國內某實驗室進行，試驗設備主要包括試驗車、底盤測功機系統、排放分析系統、環境倉等。整車油耗試驗系統組成如圖1所示。

（1）測試車輛參數。測試采用的2款試驗車的相關參數見表2。

（2）底盤測功機系統。底盤測功機系統主要由測功機轉鼓、車輛對中裝置、輪胎固定裝置、冷卻風機等組成。測試設備型號見表3。該系統能有效地控制試驗行駛工況和運轉循環，重復性好，試驗精度高。試驗時，底盤測功機參數可由控制室的主機電腦進行設定。

（3）排氣分析系統。排氣分析系統主要由主機控制單元、HORIB 7200H排放分析儀、稀釋通道、定容采樣系統、氣袋采樣單元、鼓風機、消聲器等組成。

氣體污染物使用的分析儀器有一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）分析儀、總碳氫化合物（TCL）分析儀、點燃式發動機、甲烷分析儀、氮氧化合物分析儀。

（4）恒溫倉。恒溫倉主要由WEISS環境倉、廢氣排出系統、新鮮空氣補償系統、溫度和濕度控制系統、計算機控制系統等組成。進行整車油耗試驗時，須在恒溫倉中進行6 h以上的浸車處理，以控制試驗初始油溫。

2.2 試驗方案

2.2.1 試驗原理

整車油耗試驗方法根據國家標準《汽車燃油消耗量試驗方法 第1部分》（GB/T 12545.5—2008），采用GB 18352.3—2005中的NEDC循環工況，在底盤測功機上進行，試驗地點選在某企業的排放實驗室。

圖2是整車油耗試驗的原理圖。將試驗車驅動輪（后輪）安裝在底盤測功機的轉鼓上，前輪固定。轉鼓模擬連續移動的實際路面，阻力加載裝置模擬汽車行駛阻力，風機模擬汽車行駛風阻，飛輪系統模擬汽車運動慣性。試驗時，駕駛員控制試驗車按照NEDC循環工況運行，試驗車的排氣與環境空氣在稀釋通道中混合稀釋，防止采樣系統中高沸點的碳氫化合物與水蒸氣凝結，減少排氣各組分間的反應，使采樣氣體比較穩定，定容采樣系統按照排氣與空氣的定容積比連續收集樣氣，并通過排放分析儀系統進行分析，根據整個試驗循環過程中測得的采樣氣體濃度和氣體總體積，按照碳平衡法，便可計算出試驗車氣體排放物的質量，進一步折算成整車百公里油耗（L/100 km）。

整車油耗的分析和計算采用GB/T 12545.5—2008中的碳平衡法，其基本原理如下：根據質量守恒定律，尾氣排放中的含碳量與燃油中的含碳量相等。測得汽車在整個循環過程中的排氣總容積和含碳化合物濃度，便可算得含碳化合物的總質量，從而間接算得相應的燃油消耗量，公式如下[3]：

式中，Q為燃油消耗量，單位為L/100 km；MCO、MCO2、MHC分別為測得的CO、CO2、碳氫排放量，單位為g/km；ρ為15 ℃時試驗用燃油的密度，單位為kg/L。

2.2.2 試驗條件

汽車在底盤測功機上模擬道路行駛時，實驗室內溫度在25 ℃，大氣壓為100 kPa，室內相對濕度為50%，實驗前車身應潔凈、干燥，汽車車輪內無砂石等顆粒物。

2.2.3 試驗流程[4]

？譹？訛將試驗車更換好發動機、變速器和后橋潤滑油；？譺？訛預處理；？譻？訛浸車6 h（經預處理后的汽車，在試驗之前，應放置于溫度相對穩定在25 ℃的室內預置；此預置時間應至少進行6 h，直到發動機機油溫度和冷卻液溫度達到室內溫度的±2 ℃范圍內）；？譼？訛將試驗車的驅動輪置于底盤測功機的轉鼓上，用三角架固定試驗車的從動輪；？譽？訛調整試驗車驅動輪的胎壓至輪胎的標準胎壓210 kPa，調整底盤測功機的當量慣量（CN100B12為1 250 kg）；？譾？訛進行NEDC循環試驗，得出市區油耗、郊區油耗及綜合油耗。？譿？訛以上測試過程，為一次測試。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 查表法和滑行法阻力設定對比

選取當量慣量為1 360 kg、1 590 kg的2款車進行2種阻力設定方法的比較。表4為2種阻力設定方法對應的阻力系數及總阻力。

圖3為樣車1按2種阻力設定方法所得出的底盤測功機速度與阻力的關系曲線。從圖3中可以看出，在低速區標準推薦阻力均比實際滑行阻力小，在車速為90 km/h左右時，2種設定方法得到的阻力值差異不大。在速度大于90 km/h時，查表法推薦阻力值比實際滑行阻力值大。2條曲線出現交叉現象的原因是標準推薦阻力是通過不同車輛的滑行數據進行綜合分析后取得折中的阻力，在一定范圍內具有合理性和代表性（曲線無交叉則代表推薦阻力設定值與實際阻力值相比整體偏高或偏低，采用這種方式制定的標準就偏離了實際情況）。

圖4為樣車2在2種阻力設定方法下底盤測功機的速度與阻力的關系曲線。從圖4中可以看出，在0～120 km/h的速度區間，滑行法設定的阻力值均比標準推薦阻力值大。2條曲線出現交叉趨勢。

對比圖3和圖4可知，車輛的當量慣量越大，則2種阻力設定方法得到的速度——阻力曲線的交叉點會向高速方向移動。

整車油耗測試采用NEDC工況，工況中市區循環（UDC）的車速范圍為0～50 km/h，在此速度區間，樣車1和樣車2的標準推薦阻力值均比實際滑行阻力值小，因此可以推斷，使用查表法設定阻力得到的市區油耗比使用滑行法得到的結果要低。工況中市郊循環（EUDC）的車速范圍為0～120 km/h，在此速度區間內，樣車2的標準推薦阻力值均比實際滑行阻力小，同樣可以推斷，樣車2使用查表法測得的郊區油耗值比使用滑行法得到的結果要低。也能初步判斷，樣車2使用查表法測得的綜合油耗比使用滑行法低。

2.3.2 整車油耗測試值

由圖5可以看出，對于樣車1，使用滑行法進行阻力設定時測得的市區油耗值比使用查表法測得的油耗值要高，佐證了上述的推斷。對于郊區油耗，使用滑行法進行阻力設定所測得的值比使用查表法測得的油耗值要低。

由圖6可以看出，對于樣車2，使用滑行法設定阻力時所得到的市區油耗和郊區油耗均比使用查表法得到的油耗值要高。

由表5可知，樣車1使用查表法進行阻力設定時的綜合油耗值為7.13 L/100 km，使用滑行法測得的綜合油耗值為7.13 L/100 km，2種設定方法下的油耗偏差為1.54%。樣車2使用查表法進行阻力設定時的綜合油耗值為7.38 L/100 km，使用滑行法測得的綜合油耗值為7.22 L/100 km，2種設定方法下的油耗偏差為2.17%。樣車2的油耗偏差比樣車1的偏差大。

2.3.3 尾氣污染物含量

由表6可知，對于樣車1，使用滑行法進行阻力設定時，THC、NOX、CO2、CH4、NMHC等氣體的含量均比使用查表法進行阻力設定測得的結果高，只有CO的含量較查表法測得的結果低。對于樣車2，使用滑行法進行阻力設定時，除了CH4氣體含量與使用查表法時測得的結果一樣，其余氣體的含量均比使用查表法時測定的結果高。

3 結論

（1）進行整車燃油經濟性試驗時，為保證所測得的油耗值真實地反映車輛在實際道路中的油耗水平，應盡可能地使用滑行法進行底盤測功機的阻力設定。

（2）對于樣車1（當量慣量1 360 kg），當車速在0～90 km/h區間時，使用查表法得到的阻力設定值小于使用滑行法設定的阻力值。當車速超過90 km/h時，使用查表法設定的阻力值大于使用滑行法設定的阻力值。對于樣車2（當量慣量1 590 kg），車速小于120 km/h時，使用滑行法設定的阻力值均大于使用查表法設定的阻力值。

（3）對于樣車1，使用滑行法進行阻力設定時，市區油耗值比使用查表法時的高，郊區油耗比查表法時的低。對于樣車2，使用滑行法進行阻力設定時，市區油耗值和郊區油耗值均比使用查表法時的高。樣車1和樣車2使用滑行法設定阻力時的綜合油耗值均比使用查表法時高。

（4）對于樣車1，使用滑行法進行阻力設定時，尾氣中除了CO含量值較使用查表法設定阻力時要低，其余氣體含量均比使用查表法時高。對于樣車2，使用滑行法進行阻力設定時，尾氣中除去CH4含量值與使用查表法設定阻力時相同，其余氣體含量均比使用查表法時高。

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[責任編輯：陳澤琦]