燃油乘用車滑行阻力系數測定優化

王儒梟，張 超，周博雅，黎 蘇，李 博

(1.中國汽車技術研究中心有限公司， 天津 300300；2.河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401)

0 引言

車輛滑行阻力系數的研究是降低整車阻力和能耗的一種有效的方法。對于輕型車而言，使用量大且頻繁，其實際道路整車阻力在底盤測功機上的精準復現，對整車性能檢測及發展有著重要的意義[1-2]，是整車燃油經濟性評價，電車續航、電耗等性能測試和評價重要且關鍵的參數[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和車輛風洞試驗，取得了一定的成果，但對于數據的獲取和處理還存在著各種問題，比如精確度不高，選取速度點不合適，阻力影響因素較多等。張曉龍等[11]通過對國六標準中車載風速儀滑行法做了梳理，引入風速測量和修正，在實際試驗中車載風速儀基本不受外界環境影響，很好地反映車輛的真實性能，大大地提高了試驗效率。楊凡等[12]利用試驗的方法對比滑行和查表法的續航里程，結果表明查表法續航里程能耗較低，阻力小于滑行法，在高速工況下，滑行法續航里程能耗較低，阻力小于查表法，在整個續航試驗過程中電機回收能量相差不大。試驗的方法可以獲得較準確的滑行數據，但試驗周期長，費用高，環境影響因素較大。除了通過試驗方法外，還可以通過模擬計算的方式進行試驗分析[13-14]，王彤[15]通過cruise搭建了車輛單級減速和EM-CVT的純電動汽車模型，并結合matlab得到了汽車動力性和經濟性的仿真計算結果。許家毅[16]利用cruise軟件搭建商用汽車整車動力性及油耗仿真計算模型。完成車輛最高車速、爬坡度及加速時間的動力性和車輛燃油消耗的經濟性仿真計算。

本研究基于前人的研究，對14輛燃油乘用車進行了實際道路滑行試驗，并根據實測車輛滑行阻力對照國標中給出的推薦值進行了對比分析，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，得到阻力計算公式，將阻力計算公式應用在驗證車上，對應用計算公式得到的阻力進行驗證。之后采用模擬計算的方式，分析車輛實測油耗和計算值、推薦值得到的油耗之間的關系。

1 道路滑行試驗要求

1.1 試驗安排

首先根據國標要求[17]，滑行試驗選擇在清潔、平直、干燥的瀝青混凝土路面進行，具有足夠的長度，并且道路在任意3 m內坡度為±0.5%以內，總長不大于1%。5 s內風速不大于5 m/s，2 s內峰值風速不大于8 m/s。本研究基于9輛燃油乘用車為基礎展開試驗，為保證在實際滑行過程中的風阻一致，車輛的整車尺寸保持在一定范圍之內，即車輛的迎風面積一致，并選擇無風或小風速條件下的同一時間進行。試驗前各車輛均進行半小時熱車準備，試驗時車輛車窗、空調處于關閉狀態。

1.2 試驗車輛信息

對進行試驗的所有車輛按照車型和試驗質量進行了分組，并根據某質量段內的車次數量，做進一步的試驗。試驗車輛信息如表1所示。

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

2 試驗原理

2.1 滑行試驗阻力計算及修正

正式測試時車輛加速到145 km/h，速度穩定后空檔滑行，記錄車輛速度從V+ΔV降至V-ΔV的時間。在滑行過程中，盡量保持直行，并采用高低速兩段滑行試驗法，每段試驗進行正反兩次，消除風向[18]對試驗的影響。

滑行阻力計算公式為：

(1)

式中，Δtj為在基準速度vj下測量得到的往返滑行時間調和算術平均值；mav為道路載荷試驗開始和結束時試驗車輛的平均質量；mr為轉動部件的等效有效質量。

通過公式計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f0，f1，f2。按照國標中的修正公式將試驗條件下的阻力系數A，B，C修正到基準溫度和基準條件下，修正后阻力計算公式為F=A+B×v+C×v2，其中v為試驗車速。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《GB 18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值測量方法》[19]規定，在底盤測功機上模擬汽車道路行駛，需要對轉鼓施加一部分阻力。阻力值可以通過車輛的整備質量加100 kg，并通過查表的方式確定測功機設定的當量慣量和道路阻力系數，即可得到轉鼓加載阻力F=a+bv2。查表法部分標準阻力系數如表2所示。

表2 標準阻力系數Tab.2 Standard resistance coefficient

3 結果分析

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是試驗車輛實測值與推薦值差值分布。由于所選14輛燃油乘用車中，車輛的整備質量和最大質量比較分散，而且試驗結果也顯示曲線分布較分散，所以，根據國五標準中滑阻系數的選擇方法即對車輛的基準質量分區段分析，對試驗中的所有車輛也按照國標中的方法分區段分析。經過滑行阻力數據的分析以及試驗車輛的質量分布，在1 650～1 850 kg試驗質量段內的9輛車做進一步的分析，其余車輛由于相應質量段內試驗車輛輛次少，故不予分析。

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

圖2 試驗車輛實測值與推薦值差值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際道路滑行阻力與推薦值阻力分布圖，圖5是各試驗車實際道路滑行實測值與推薦值的差值分布。從試驗數據分析，隨著速度的增長，推薦值與實測值之間的誤差逐漸降低，由87%變化到11%，但始終低于實測值，尤其是在低速度段時，推薦值阻力值非常小，與車輛的實際阻力相差較大，在110 km/h以上時差值在20%之下，但始終在10%以上。根據實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面積較大，在滑行過程中的風阻對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。所以對于SUV車型而言，會出現車輛道路滑行阻力實測值在整個的滑行過程中行駛阻力始終高于阻力推薦值的現象，對于這種車型，在無法得到實際道路滑行阻力系數的情況下，采用推薦值系數進行轉鼓試驗會使得試驗結果較好，但不符合車輛實際情況，會使車輛的動力性和經濟性與實際情況相差較大。所以想要通過采用實測值與推薦值的差值擬合得到修正車輛阻力計算公式的方法不適合用在較大車型的研究上。所以采用各速度點下阻力值求平均的方式進行研究。

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

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

圖5 試驗車實測值與推薦值的差值Fig.5 Differences between measured values and recommended values of experimental vehicles

表3所示為試驗組6輛車實測阻力值，對試驗組6輛試驗車各速度點下的阻力值做平均，然后根據平均值得到了該質量段下車輛阻力計算公式。

y=0.047 2v2+0.304v+167.97。

(5)

表3 各試驗車滑行阻力Tab.3 Coasting resistances of experimental vehicles

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

表4 驗證車滑行阻力Tab.4 Coasting resistances verification vehicle

圖6 驗證車輛計算值與實際值Fig.6 Calculated and actual values of verification vehicle

4 模擬計算

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

圖7～圖9是3輛車的試驗油耗和模擬計算油耗分布圖。3輛車的實際油耗分別為8.8，8.82，8.78 L/(100 km)，通過模擬計算，實測阻力系數的油耗值與實際試驗測得的油耗值相差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#通過采用計算公式得到阻力系數的方法測得的油耗值為8.67 L/(100 km)，與實測油耗值相差1.5%；而采用推薦值得到的油耗值為8.08 L/(100 km)，與實測油耗值相差8.2%。

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

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

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

5 結論

通過以上試驗和計算得出以下結論。

(1)通過采用車輛實測阻力各速度點下阻力平均值的方法，得到了1 650～1 850 kg試驗質量段下的阻力計算公式，試驗驗證表明，計算值與實測值誤差在常用速度段內的誤差為5%以內，比查表法得到的阻力更接近實際值。

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

(3)該研究結果表明，得到的計算公式可以計算出燃油乘用車在1 650～1 850 kg質量段內的阻力，優化了國標中的阻力推薦值，但對于其他車型和質量段內的車輛是否適用，需要進一步的試驗證明。