（光学工程专业论文）轻型商用汽车经济行驶模式研究.pdf

摘要 汽车已经成为当今社会最主要的交通工具之一，然而随着我国汽车保有量的不断增 长，车用燃油消耗的速率也在迅速增长。随着全球石油储备的下降，我国的能源压力将 会越来越大，如何尽可能的降低车辆行驶中的实际油耗则成为现如今最需要及时解决的 问题之一。 本文通过分析国内外车辆燃油消耗研究的现状，以轻型商务汽车为研究对象，在实 际道路行驶时进行了各种路况下不同档位驾驶模式的油耗测试。通过理论分析、试验和 模拟计算的方法，分析车辆使用不同档位行驶过程中，速度、加速度、坡度、滑行等因 素对车辆油耗的影响。在此基础上，应用统计软件进行处理，并利用回归分析方法较为 准确地对各种油耗指标进行回归分析，建立汽车使用不同档位行驶工况下相应的油耗模 型，包括：基于速度的稳态油耗模型、基于道路坡度的稳态油耗模型，基于加速度的速 度油耗模型和滑行行驶时挂档与脱档两种模式下的油耗模型，并对这些模型进行了验证。 本文研究的轻型商务汽车不同工况下的油耗模型，对轻型商务汽车不同档位、不同 路况下的节油行驶具有重要的理论及指导意义。 关键词：轻型商务汽车，行驶工况，驾驶模式，燃油消耗，评价 a b s t r a c t c a r sh a v eb e c o m et o d a y ss o c i e t yo n eo ft h em a i nt r a n s p o r t a t i o n , h o w e v e r ，丽t ht h e g r o w i n ga u t op o s s e s s i o n ，t h ev e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o nr a t ei sg r o w i n gr a p i d l y w i t l lt h e g l o b a lo i lr e s e r v e sd e c l i n e ，c h i n a se n e r g yp r e s s u r ew i l lg r o wl a r g e r h o wt or e d u c ea sm u c h a sp o s s i b l et h ea c t u a lf u e lc o n s u m p t i o nv e h i c l e sh a v eb e c o m en o w a d a y sm o s tn e e dt i m e l y s o l v eo n eo ft h ep r o b l e m s t h r o u g ha n a l y s i so fd o m e s t i ca n df o r e i g no ft h ev e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o ns t u d ys i t u a t i o n ， t os m a l lb u s i n e s sv e h i c l ef o rt h es t u d y ，i na c t u a lr o a do nt h ev a r i o u sc o n d i t i o n so fd i f f e r e n t d r i v i n gm o d ef u e lc o n s u m p t i o nt e s t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s ta n ds i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n , a n a l y s i sv e h i c l eu s e sd i f f e r e n tg e a r s h i f ti nt h ed r i v i n gp r o c e s s ，t h ev e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n , s l o p e ，g l i d ef a c t o r sh o wt oi n f l u e n c ev e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o n o nt h i sb a s i s ，t h e a p p l i c a t i o no fs t a t i s t i c a ls o f t w a r ef o rp r o c e s s i n ga n du s i n gt h er e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d a c c u r a t e l ya n a l y s i sf u e lc o n s u m p t i o ni n d i c a t o r s ，e s t a b l i s hd i f f e r e n tg e a rd r i v i n gc o n d i t i o n s c o r r e s p o n d i n gf u e lc o n s u m p t i o nm o d e l ，i n c l u d i n g ：b a s e do nv e l o c i t ym o d e lo fs t e a d yf u e l c o n s u m p t i o n ，b a s e do ns l o p em o d e lo fs t e a d yf u e lc o n s u m p t i o n ，b a s e do nt h ea c c e l e r a t i o n s p e e df u e lc o n s u m p t i o nm o d e la n dg l i d ed r i v i n gf u e lc o n s u m p t i o nm o d e la n dt h e s em o d e l w a sv e r i f i e d t i l i sp a p e rs t u d i e st h el i g h tc o m m e r c i a la u t o m o b i l eu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s f u e lc o n s u m p t i o nm o d e l ，t ol i g h tb u s i n e s sc a ru n d e rd i f f e r e n tg e a r , d i f f e r e n tr o a do fd r i v i n g f u e l - e f f i c i e n ti so fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n ds i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：l i g h tc o m m e r c i a lc a r , d r i v i n gc o n d i t i o n , d r i v i n gm o d e ，f u e lc o n s u m p t i o n , e v a l u a t i o n i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1选题的背景 汽车已成为当前世界上最主要的交通工具之一，作为一种交通运输工具，它在我们 生活中所占的比重越来越大。随着汽车逐年的增多，它在方便我们的同时也对环境、能 源等方面造成了很大的影响。如何在大力发展汽车及汽车产业的同时，既能满足人们对 汽车需求量的增长，同时又能做到使汽车的排放污染减少以及车用能源消耗量的降低， 是现如今我国大力发展汽车产业的主要问题之一【l 】。 据调查，目前全球汽车保有量接近1 0 亿辆左右，而到2 0 1 5 年这一数字还将增加 2 0 。随着汽车销量的增加，全球很快就能达到平均每六个人拥有一辆汽车的水平。而 正在享受高增长的亚洲增幅则达到了4 3 。随着我国经济的快速发展，到2 0 1 0 年9 月 底，我国机动车保有量达1 9 9 亿辆，其中汽车8 5 0 0 多万辆，而且每年以超过2 0 的增长速度在增加，工信部预计到2 0 1 5 年我国汽车保有量将达到1 5 亿辆，2 0 2 0 年将超两亿辆，由此给我国带来的能源安全和环境问题将更加突出【2 】【3 】。 我国汽车工程技术水平较为落后，百公里油耗和单位油耗与国际水平相比过 高。根据国外油耗调查报告显示，以2 0 0 7 年为例，欧洲国家汽车的百公里平均油 耗为7 0 5 升，日本汽车的百公里平均油耗为5 0 4 l ，而我国汽车当年百公里平均油 耗约为8 0 6 升，比欧洲国家高出1 4 左右，比日本高出将近6 0 1 4 】。我国汽车数 量增长的同时，汽车所需的燃油消耗量也在迅速增加，在我国汽柴油总体消耗中 占的比重也越来越大，以2 0 0 9 年为例，我国汽车保有量达到6 2 0 0 万辆，消耗了1 3 4 8 0 万吨成品油，占全国汽柴油总产量的6 3 2 ，比2 0 0 8 年消耗净增加1 6 0 0 万吨。其中： 车用汽油消费量为6 2 6 0 万吨，占汽油产量7 1 9 2 万吨的8 7 ，车用柴油消耗7 2 2 0 万吨， 占柴油产量1 4 1 2 4 万吨的5 1 1 5 】【6 】。而过去5 年中，中国新增1 亿吨炼油能力，全 部被新增的3 5 0 0 万辆汽车吞噬掉。如果中国千人汽车保有量达到美国的水平，全 球的石油储备供应量都将不够【7 j 。 据海关总署统计，2 0 1 0 年全年我国进口原油2 3 9 亿吨，同比增长1 7 6 ，成品油 全年进口3 6 8 9 万吨，同比下降0 1 ，全年进口原油共花费1 3 5 1 亿美元，同比增长5 1 3 。 预计2 0 2 0 年我国车用燃油消耗量达3 0 5 亿吨年，而当前我国可供消耗的燃油总量为 1 7 6 亿吨年，车用燃油的缺口为1 2 9 亿吨年，而这1 2 9 亿吨的缺口必须通过节能减排 与培育新能源来解决。培育和发展新能源汽车着眼于汽车产业的长远发展，推广普 第一章绪论 及节能汽车着眼于大幅度降低汽车燃油消耗量。当前发展节能和新能源汽车都十 分重要，不可忽视任何一方面【8 】。 从总体上控制汽车百公里燃油消耗量，提高汽车的燃油经济性，已成为我国政 府和汽车行业所面临的最重要的课题。2 0 0 4 年l o 月我国正式发布的乘用车燃料 消耗量限值( g b l 9 5 7 8 2 0 0 4 ) ，是我国控制汽车燃油消耗量的第一个强制性标准， 该标准对我国乘用车的平均燃油消耗量进行了明确的规定，乘用车燃料消耗量限 值实施以后，新车的全国平均燃料消耗量从2 0 0 2 年的9 1 1 l 1 0 0 k m ，下降为8 0 6 l 1 0 0 k m ，乘用车燃料消耗量平均下降了1 1 5 【9 】。2 0 0 5 年底，国家六部委联合发出关 于鼓励发展节能环保型小排量汽车的意见，对小排量汽车发展有所促进；2 0 0 7 年，国 家标准委又发布轻型商用车辆燃料消耗量限值强制性国家标准，这是我国第一个控 制轻型商用车辆燃料消耗量的强制性标准【l 0 。 随着汽车行业的不断发展和全球经济形式的变化，我国的能源需求量将会持续 增长，这将会严重影响到我国汽车产业的发展方向，解决好能源需求量与汽车产业 发展之间的关系将变得极为重要。在替代能源以及电动车技术还未完全成熟之前， 当务之急是对传统汽车燃油消耗的改善。汽车实际行驶时，影响燃油消耗量的因 素有很多，总的来说分为四类，包括汽车车身硬件部分、实际行驶时的道路交通 情况、客观的自然环境因素以及驾驶员的驾驶水平及习惯。国内外针对汽车车身 硬件部分的研究较多，在汽车部件设计、制造以及使用方面，大量的节油技术已 经得到了广泛的应用，而对驾驶员驾驶水平及习惯以及实际行驶时的道路交通情 况的研究相对较少，尤其是道路交通情况对汽车实际燃油消耗量的影响，在这个 大背景下，研究实际道路交通情况和驾驶员驾驶水平及习惯对汽车燃油消耗量的 影响将具有重要的理论及现实意义【l l 】。降低车辆实际燃油消耗量是现在最重要的问题 之一，主要的措施有：通过对发动机内部结构的改进，突破和掌握关键核心技术，提 高发动机的工作效率以达到降低油耗的目的；建立起较为完整的节能新能源汽车产业 体系，要培育形成若干具有较强国际竞争力的整车和关键零部件企业；研发替代燃 油并大力发展并推广新型电动汽车并提高纯电动和插电式电动汽车的市场销售量；政 府部门通过相应的法律手段，制定相应的节油减排条例以及相应的标准来降低汽车能源 的消耗；增加人们对汽车的认识，减少高档汽车，高排量汽车所占的比重，大力推广小 排量环保型汽车；汽车燃油经济性总体上达到国际先进水平1 1 2 】。 通过研究实际道路行驶过程中的燃油消耗规律，对汽车燃油消耗情况进行量 2 长安大学硕士学位论文 化研究、分析与评估，建立汽车实际行驶过程中的燃油消耗模型可以作为汽车行 业改善汽车燃油消耗系统的参考及依据，也可以作为规划设计我国公路及城市道 路的相关依据，也可以作为预测汽车在不同道路上行驶时的燃油消耗量的有效手 段。 1 2国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 我国与国外相比，在汽车燃油经济性方面的研究起步较晚。国外对汽车燃油经济性 的相关研究，早期大多数是针对发动机进行的，通过研究分析发动机在实验室内的各种 工作情况的燃烧效率，调整相应的发动机机械结构，从而对发动机的工作效率进行提高， 以达到节能减排的目的【1 3 】。由于全球能源危机的频频爆发，车辆的能源消耗问题开始逐 渐的被人们所重视，一些发达国家如美国开始对汽车整车结构进行调整，研究节能部件 对车辆燃油经济性的影响并把这些成果投入到实际使用当中，如在发动机进气口加入压 缩空气增压装置，将燃料油变成雾状油滴的燃油及雾化系统，控制空气与燃油混合量的 电子控制化油器，降低混合气中的汽油含量的稀薄燃烧发动机等设备【1 4 1 。随着人们环境 意识的不断提高，汽车燃油消耗情况与排放污染情况越来越被人们所重视，仅仅单一的 改善汽车的结构以及部件已不能满足人们的需要，研究实际行驶道路上不同行驶工况， 不同驾驶模型等因素对车辆燃油消耗的影响，如不同道路设施之间、交通流不同运行特 征之间关系与汽车燃油消耗量关系已变得尤为重要。 上世纪7 0 年初，欧美等发达国家就开始把汽车燃油消耗研究开始从对发动机的改 善转向对运输系统燃油消耗模型、节能策略影响以及交通系统油耗等各个不同要素的研 究，同时也加入了对实际道路交通状况，驾驶员等因素的研究。日本、欧洲、美国都先 后建立了1 0 一1 5 m o d e 代表工况，e c e1 5 + e u d c n e d c 代表工况，f t p 7 5 代表工 况等，如图1 1 所示【1 5 】。各国在使用这些工况方法评价汽车的排放情况时，都遵循同一 规律：轻型车测试整车的排气污染物排放量，重型车测试整车的排气污染物排放量。这 些评价方法为汽车实际行驶中的节能减排提供了大量的理论依据，并且在某些方面已经 进行了实际的运用，例如3 h d m i i i 模型体系等【l 6 1 。 3 第一章绪论 id o 口 9 0 0 8 口d 7 00 ：6 0 0 巨5 0 0 誓 i4 f i d 3 d 朋 2 0 0 0 o 0 0 8 0d 5 0o 4 00 害 三3 00 ， 2 0d 1 0 ，d 0 0 8 0d 0o 丞0 ，d 一5 00 二 e4 口0 】巴 ，3 0o 铷o t 0a 00 f t p7 5 o5 0 019 0 01 5 0 02 0 0 0 剞s i e c e 5 量0 10 0 1 5 02 0 02 6 0 q 针 1 0 1 5m o d e 02 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 制；l 图1 - 1f i p - 7 5 、e c e l 5 + e u d c n e d c 和1 0 - 1 5 m o d e 代表工况 各国采用的排气污染物排放量测试方法主要来自于这些发达国际，并结合本国国情 来制定，如我国1 9 8 9 年颁布的轻型汽车排放物排放标准( g b l 4 6 7 1 1 呻3 ) 【1 7 】。美国 4 长安大学硕士学位论文 在上世纪八十年代初率先开始利用碳平衡原理( 碳的排放和吸收两方面在数量或质量 上相等或相抵) ，模拟车辆实际行驶时的循环工况，通过检测车辆行驶时的排放物排放 量等数据来推导出车辆的实际油耗1 1 3 】。随后日本、欧洲也开始在原先测量方法的基础 上，利用碳平衡原理结合模拟车辆行驶循环工况来测量油耗，目前，国内也开始进行利 用碳平衡原理推导油耗值的研究以推广使用【1 9 】【2 0 1 。 1 2 2 国内研究现状 我国对车辆燃油消耗的研究起步较晚，与国际水平相比有着很大的差距。2 0 世纪 9 0 年代之前，我国主要还是围绕车辆结构研究相应的节能技术，如提高发动机的压缩比、 缩减汽车的质量和尺寸以降低风阻系数、加强驾驶员节油操作训练以及替换原有的润滑 油等。2 0 0 0 年以后，我国才开始逐渐的对汽车不同行驶工况下的燃油消耗情况进行研究。 如河北公路规划设计院在2 0 0 0 年，以河北省道路公路油耗调查为理论基础，建立了平 原和山区地带的车辆实际油耗、道路交通情况与油耗的数学回归模型；吉林大学在2 0 0 2 年，研究了不同道路交通情况对汽车燃油消耗的影响及自然天气情况对燃油消耗的影 响；东南大学对实际城市道路不同交通量的燃油消耗情况进行了研究，并以此为理论基 础，建立了基于城市道路交通系统的预测模型和数学回归模型；天津内燃机研究所在 2 0 0 3 年，以华利微型面包车和桑塔纳轿车为试验车，在天津市不同城市道路上对这两种 车辆进行了大量的油耗测试，通过这些油耗数据深入的研究，确定了车速、加速度等行 驶特征参数对实际道路燃油消耗的影响；山东理工大学在2 0 0 4 年，以济青高速公路和 国道1 0 2 线的实际交通情况为例，应用实证对比分析的方法以及应用统计方法建立了高 速公路与普通公路的车速油耗预测模型；交通部公路科学研究所与安徽省公路管理局 通过大量的燃油消耗试验，首先对理论燃油消耗模型进行了标定，并分析了实际道路情 况包括道路坡度、道路平整度、道路曲度等因素与汽车单位油耗的关系，以此为依据建 立了相应的四种大众车型的燃油消耗模型，如下式，相应的参数见表1 1 【2 1 】 2 2 】 2 3 1 【2 4 】 2 s 】 2 6 1 2 7 1 o u f c = u f c j o + 口3 r i m ( 1 1 ) 5 第一章绪论 表1 1 理论油耗模型参数标定结果 依维柯东城半挫小匕虎北京 参数 ( a 4 0 10 )( a p 9 1 7 1 )( l z w l 叭0 p s ) ( b j 戊j ：l3 ) n 啪3 l1 52 1 2 6 r ： d 5 d 5d 4 2 70 3 0 30 7 0 m s e0 0 8 30 0 3 90 0 4 40 2 1 6 u f 匕h h ；t i c 2 0 8 7 52 0 4 90 9 5 7 岛1 0 。 匕讹血 1 2 2 3 3 1 13 2 8 7 23 0 4 l 碳平衡法测油耗准确、简便、通用，是道路运输车辆燃油消耗量检测必不可少的技 术手段，为长期难以推行的道路运输车辆燃油经济性检测扫除了障碍，为车辆管理部门 全面贯彻节能法，交通运输部令提供了强有力的技术支撑。交通运输部2 0 0 9 年第1 1 号 部令和最新修订的国家标准g b t1 8 5 6 6 营运车辆燃油消耗量检测评价方法要求对车 辆燃油经济性进行强制性检测，明确规定使用碳平衡油耗检测设备口8 】【2 9 】。 分析国内外燃油消耗综合研究现状发现，交通道路体系尤其是在城市道路交通系统 中，研究汽车的燃油消耗量首先均需要建立相应的燃油消耗模型，这些基本有三类模型 所组成，分别是：基于整车数据的理论油耗模型，基于试验室内的试验油耗模型，基于 实际道路情况的多元回归油耗模型。理论油耗模型以车辆出厂时的各部件参数数值为基 础，根据能量守恒或功率守恒的定理，通过相应的力学分析来建立，用这种方法建立的 模型在实际行驶中无法准确的反映出实际行驶时的油耗大小；试验油耗模型以发动机工 作状况为基础，通过分析计算在试验台上得到发动机比油耗、转速和功率之间的关系曲 线来建立，用这种方法建立的模型在模拟车辆实际行驶的油耗时可信度较低且在记录数 据时需要专门的设备来获取试验数据；多元回归油耗模型，以车辆具体行驶情况为基础， 通过大量反复的室外试验进行测量，因此具有较高的置信度，能基本反映实际行驶过程 中车辆的油耗大小。我国现如今对车辆油耗的研究，油耗模型的建立主要还是通过理论 模型和试验模型来获得。而在汽车实际道路下燃油消耗规律试验中，速度与油耗关系、 道路坡度与油耗的关系研究较多，不同行驶档位下各因素与油耗的关系、加速度与油耗 关系的研究则较少【3 。 本论文以实际行驶中汽车的燃油消耗试验数据为基础，记录在不同档位行驶模式下 速度、加速度、道路坡度等影响车辆燃油消耗的因素，并对所得数据进行分析处理，利 用多元回归方法建立不同档位行驶下相应的燃油消耗模型。 6 长安大学硕士学位论文 1 3本文的研究内容 不同的驾驶员有着各自不同的驾驶习惯，各种驾驶工况下选用档位的不同使得燃油 消耗量存在着很大的差异。因此，研究在不同档位驾驶模式下的节油驾驶具有十分重要 的意义。 基于以上讨论，本文以江铃全顺轻型客车( 6 5 4 1 d h ) 为试验车型，研究轻中型 柴油车辆不同档位行驶模式下不同道路特征的经济性驾驶模式，并着重对以下问题进行 研究： 1 对江铃全顺轻型客车( j x 6 5 4 1 d h ) 的动力性和经济性进行理论计算和分析， 建立理论数学模型； 2 对江铃全顺轻型客车( 6 5 4 1 d h ) 进行平路，上坡，下坡试验，得到发动机 不同档位、不同道路下、不同驾驶模式下的油耗量； 3 对车辆各种理论模式的油耗进行模拟计算，并利用f l e x p r o 软件对试验数据进行 分析； 4 利用s p s s 对试验数据进行数学分析并得出回归模型。 5 结合理论及实际数学模型，确定降低油耗的量化分析。 7 第二章汽车燃油消耗量微观模型 第二章汽车燃油消耗微观模型 目前，汽车上最常用的发动机是汽油机和柴油机，轿车的发动机大部分为汽油机， 而商用车的发动机大部分为柴油机。随着各级公路道路条件的改善，汽车行驶速度不断 的提高，使得汽车不光要具有动力性也要有相应的经济性，随着车用发动机的功率不断 增加，柴油机的热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油 机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于载货汽车的使用，故在此我们主要讨论 柴油机的工作过程【3 1 1 。 2 1 汽车燃油消耗指标 评价汽车的燃油消耗指标较多，不同的燃油消耗指标对汽车燃油消耗情况有着不同 的评价。下面列举了一些汽车的燃油消耗指标，如表2 1 。 表2 1 汽车燃油消耗指标 名称符号( 单位)解释 燃油消耗率 b ( g ( 七矽办) ) 发动机油耗的基本指标，反映发动机燃油的利用效率 单位油耗 岛( m l s ) 汽车等速行驶时单位时间内的燃油消耗量 息速油耗 q 甲( m 1 ) 汽车急逮时的燃油消耗量 汽车以某一车速匀速行驶的油耗，反映汽车油耗的基本指 等逡百公里油耗 包( l 1 0 0 虹) 标，可用于比铡司类型汽车在油耗方面的差异 实际百公里油耗 q ，( 1 l o o k m ) 反映汽车在实际交通环境中单位里程的燃油消耗 行驶时间 t ( s ) 实际行驶所用的时间 2 2 影响汽车油耗的主要因数 汽车的实际油耗指标通常是指完成一定运输量的燃油消耗量( 等速吨公里油耗) 和 完成一定行驶里程的燃油消耗量( 等速百公里油耗) 。而在复杂的交通条件下分析车辆 的实际油耗时，这两个油耗指标的准确性不高，因为它们都是在理想的交通条件下得到 的，并不能完全适用于复杂的交通道路条件下。实际行驶中，影响汽车燃油消耗量的原 因很多，例如，从车辆发动机性能上看，主要有比油耗、发动机的转速以及功率；从车 辆传动性能上来看，主要有传动系的传动比、传动效率；从驾驶模式选择上来看，主要 有速度、坡度与档位选择的关系；从公路道路性能上来看，主要有道路的坡度以及道路 的平整度；从实际交通状况上来看，主要有道路等级、实际交通量、十字路口的类型和 控制方式等。车辆行驶时，这些因素随着行驶工况的不同发生着相应的变化，同时发动 机的功率与转速也会相应的发生变化，故油耗的大小于这些因素有着很大的关系【32 。根 r 长安大学硕士学位论文 据上面的分析，汽车的燃油消耗情况可以用下面的通式( 2 1 ) 表示： q = ( ，力) ( 2 1 ) 式中：n 一发动机转速( r r a i n ) 。 一发动机的有效功率( k w ) ； q 一单位油耗 e j s ) 或( m l s ) ； 2 3 车辆行驶参数的确定 2 3 1 车辆行驶阻力 车辆匀速行驶在水平道路上，需要克服地面和空气对车辆的影响，也就是滚动阻力 和空气阻力；车辆在道路坡道上上坡行驶时，需要克服坡道对车辆的影响，也就是重力 的分力；汽车在加速行驶时过程中，还需要克服加速阻力对车辆的影响。所以，汽车的 行驶阻力功率就包括滚动阻力功率、空气阻力功率、坡度阻力功率和加速阻力功率。下 面对这些阻力的功率进行相应的分析【3 3 】f 3 4 】1 3 5 】。 设滚动阻力功率为尸，( k w ) ，则 尸，= f g c o s t z u a1 3 6 0 0 ( 2 2 ) 式中：g 汽车重量( n ) ； i 一道路坡度( ) ； 厂一滚动阻力系数； ”。汽车行驶速度( k m h ) 。 车辆行驶时，车轮与路面产生了相互作用力以及变形，车轮的刚度决定了形变的特 点。当车辆行驶在硬路面( 如混凝土路) 上滚动行驶时，轮胎的变形是主要的影响因素。 由于轮胎内部的摩擦，使轮胎产生弹性迟滞损失，轮胎变形时对它做的功不能全部回收。 汽车轮胎的滚动阻力系数厂由试验确定，它取决于诸多因素，如轮胎气压、轮胎结构、 轮胎材料，道路路面的种类以及汽车行驶时的速度等。在不同工况的道路上，滚动阻力 系数也不尽相同，下面列出汽车在某些路面上以低、中速行驶时，滚动阻力系数的大致 数值。 9 第二章汽车燃油消耗量微观模型 表2 2 滚动阻力系数厂的数值 路面类型滚动阻力系数 良好的沥青或混凝土路面0 0 1 0 , , v 0 0 1 1 1 一般的沥青或混凝土路面 0 0 1 8 - 0 且2 0 碎石路面0 0 2 0 , , 0 0 2 5 良好的卵石路面o 0 2 5 o o 坑洼的卵石路面 o j 略5 一o 奄5 0 压紧土路：干燥的 傻0 2 5 一o 粥5 雨后的 o 0 5 0 , - 0 1 5 0 泥泞土路( 雨季或解冻期)o 1 0 0 0 2 5 0 干砂 0 1 0 0 , 0 3 0 0 湿砂 0 0 6 0 - o 1 5 0 结冰路面 o 0 1 5 一o 0 3 0 压紧的雪道o 0 3 0 - 0 0 5 0 高速行驶时，滚动阻力迅速增长，此时轮胎会发生驻波现象，轮胎周边不再是圆形 而是呈明显的波浪状。出现驻波后滚动阻力显著增加，线性关系将不在适用。故下面列 出就低、中速时的滚动阻力系数计算方法。 对于轿车或轻型客车，可按下式( 2 3 ) 来计算： f = 0 0 1 6 5( 速度u , , 5 0 k r n h ) ( 2 3 ) 对于大型客车或载货车辆，可按下式( 2 4 ) 计算： f = 0 0 0 7 6 + 0 0 0 0 0 5 6u ( 2 4 ) 设空气阻力消耗的功率为己( k w ) ，则 只，：姜型生 ( 2 5 ) 2 1 1 5 3 6 0 0 式中：么一汽车迎面面积( m 2 ) ，a - 车宽车高； 一相对速度( k m h ) ，若风速为u 。，则= u - - - - u w ： c 刍一空气阻力系数。 不同车型的迎风面积a 以及空气阻力系数c d ，见表2 3 。 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 3 不同车型的迎风面积a 及空气阻力系数c d 车型迎风面积4 空气阻力系数c o 典型轿车 1 7 2 10 3 0 0 4 1 货车 3 70 6 - 1 0 客车 4 - 70 5 0 8 3 h a l 3 0 模型试验 空车 40 9 4 1 载货用篷布盖好 4 6 50 8 1 6 后面装有车厢式车厢5 80 5 6 4 油罐车 40 7 1 6 降低空气阻力系数c d ，车辆车身应遵循下列要点： ( 1 ) 车身前部：发动机盖向前下倾。面与面交界处的菱角因为圆柱状。风向玻璃应尽 可能“躺平”且与车项圆滑过渡。前支柱应圆滑，车窗应与车身相平。尽量减少灯、 后视镜等凸出物，凸出物的形状应接近流线型。在保险杠下面的前面应装合适的 扰流板。车轮盖应与轮胎相平。 ( 2 ) 整车：整个车身向前倾斜1 0 2 0 。水平投影应为“腰鼓”形，后端稍稍收缩，前端 呈半圆形。 ( 3 ) 汽车后部：最好采用舱背式( h a t c hb a c k ) 或直备式( f a s tb a c k ) 。应安装后扰流 板。若用折备式( n o t c hb a c k ) ，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些， 后面应有鸭尾式结构。 ( 4 ) 车身底部：所有零部件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部。 盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。 ( 5 ) 发动机冷却进风系统：仔细选择进、出风口的位置，应有高效率的冷却水箱，精 心设计的内部风道。 设坡度阻力消耗的功率为只，则 只= g i u o 3 6 0 0 ( 2 6 ) 式中：g 一汽车重量( n ) ； i 道路坡度( ) ； 汽车行驶速度( k m h ) 。 根据我国公路设计规范，在平原微丘区域内，高速公路的最大纵坡为3 ，一级汽 车专用公路的最大坡度为4 ，一般四级公路的最大坡度为5 ；在山岭重丘区域内，高 速公路最大纵坡为5 ，一级汽车专用公路的最大坡度为6 ，一般四级公路的最大坡度 1 1 第二章汽车燃油消耗量微观模型 为9 。从上面的数据看出，我国道路的坡度为3 到9 ，数值均不大，可按上式( 2 6 ) 计算坡度阻力消耗的功率。而当出现坡度较大的路段时，如图2 1 ，可按式( 2 7 ) 计算。 只= g s i n a u a 3 6 0 0 ( 2 7 ) 其中：f ：一h ：t a n a s 图2 1 汽车的上坡阻力 设加速阻力消耗的功率为e ，则 弓= 6 丽g 百n a ( 2 7 ) 式中：6 一旋转质量转换系数 华_ 功口速度( 聊s 2 ) g 一重力加速度( 一般取秽8 m s 2 ) 加速行驶中的汽车要克服旋转质量和平移质量产生的惯性力，还要克服旋转质量产 生的惯性力偶矩。为了计算的方便，均使用平移质量所产生的惯性力，这时要把旋转质 量的惯性力偶矩进行转化。而传动比固定的车辆，加入旋转质量惯性力偶矩后，以系数 6 作为汽车的旋转质量转换系数。传动比，发动机飞轮的转动惯量，车轮的转动惯量均 与8 有关，其表达式如下： 渊+ 辩+ 学 眨8 ， 式中：j ，一飞轮的转动惯量( k g m 2 ) ； l 车轮的转动惯量( k g 册2 ) ； f 。一变速器各档位的传动比； 长安大学硕士学位论文 屯一减速器的减数比； ，一车轮半径。 下面列出了轿车和货车的旋转质量转换系数6 ，见表2 4 。 表2 4 轿车和货车的旋转质量转换系数6 档位 车型 12345 轿车12 51 1 41 0 81 0 6 载货车或公共汽车 1 5 01 2 21 1 51 0 81 0 6 2 3 2 汽车发动机功率 发动机功率由发动机内部消耗功率己和发动机输出功率组成。发动机内部消耗 功率主要是发动机内部零部件磨损所消耗掉的功率。一般情况下，内部消耗功率与输出 功率相比很小，且很难准确估计，所以在研究中可把发动机内部消耗功率假设为常数。 设发动机输出功率为，则 e 2 去( 弓+ 只+ 弓+ 己) ( 2 9 ) 式中： 只一滚动阻力功率。 只一坡道阻力功率： p 一加速阻力功率； 乞一空气阻力功率； 珊传动效率。 轿车或轻型车的传动效率协一般为0 9 0 ；载货车或公交车的传动效率珊一般为 0 8 5 。 2 3 3 汽车发动机转速 刀= 者鲁 ( 2 1 0 ) 式中：一汽车行驶速度( k m h ) ： 名变速器的传动比； 屯一主减速器的传动比； ，一车轮半径( 1 i u l l ) 。 2 3 4 燃油消耗率的确定 发动机的燃油消耗率是表示发动机转速与负荷率关系的函数，即 第二章汽车燃油消耗量微观模型 b = f ( a ，刀) ( 2 1 1 ) 式中：b 一发动机的燃油消耗率( g ( k r v h ) ) ； a 一发动机的负荷率( 发动机的输出功率与发动机的最大输出功率之比，即： a = 一) 燃油消耗率曲线在发动机转速不同时具有一定的相似性，为了简化公式，假设当发 动机转速稳定在1 1 时，燃油消耗率与发动机转速的关系式如下所示： b ( a ，刀) = b ( a ，n o ) 1 + # ( n - n o ) 】 ( 2 1 2 ) 式中：某时刻下发动机的稳定转速( r r a i n ) ； 谳时刻下发动机的实际转速( r m i n ) 。 2 4 汽车实际行驶时油耗的微观模型 汽车厂家提供的燃油消耗量是相对于新出厂的发动机进行标定的，而实际行驶车辆 的燃油消耗量比提供的燃油消耗量要大，因此，对于实际行驶中的汽车单位油耗： q = 3 6 0 0 y 竺：! 益墨2 ：垒! 竺! 堡! 坠星! 竺二堡塑 ( 2 1 3 ) 3 6 0 0 y 式中：口一修正系数； ，燃油密度，其中汽油发动机的y 为o 7 3 ( g r n l ) ；柴油发动机的) ，为o 8 3 ( 酌 1 1 1 ) 。 a ，卢，n o ，己对于指定车辆均为常数。 2 5 不同油耗指标之间的关系 以汽车油耗微观模型为基础，得出相应汽车的单位油耗后，为了分析比较的方便， 有时需要用其他的油耗指标来表示单位油耗指标，如常用的百公里油耗；在对实验测得 的数据进行分析时也需要用到其他的油耗指标。各个油耗指标的转换方式如下所示。 2 5 1单位油耗转换成百公里油耗 当车辆行驶速度为u a ( k m h ) 时，百公里油耗为： q ：3 6 0 - q , ( l l o o k m ) ( 2 1 4 ) “口 2 5 2 测量油耗转换成百公里油耗 无论是车辆加速、减速、匀速行驶工况实验测量出的油耗，都可以转换为相应的加 速、减速、匀速百公里油耗。假设试验车辆匀速行驶，从记录开始到记录结束之间行驶 1 4 长安大学硕士学位论文 时的行驶速度为( k m h ) ，行驶时间为0 ，则相应的匀速行驶百公里油耗q ( u 1 0 0 虹) 为： g = 半2 署 ( 2 1 6 ) 2 5 3 百公里油耗转换成单位运输量油耗 设载货车辆的载重量为q ( ，) ，则相应的单位运输量油耗为： g = 譬 ( 2 1 5 ) 2 6 本章小结 本章主要针对汽车燃油消耗的不同指标分析了影响汽车燃油消耗情况的主要因素， 分析了行驶阻力、发动机功率、发动机转速等因素对燃油消耗的影响，并以此建立了与 汽车行驶参数有关的理论数学模型；并以单位油耗为基础，转换出其他不同的油耗指标。 1 5 第三章汽车经济行驶模式试验研究 第三章汽车经济行驶模式试验研究 3 1 汽车经济行驶模式试验方案的设计 3 1 1 试验方法的确定 有很多种测定汽车经济行驶模式的试验方法，具体可以分为以下几种：底盘测功机 上的循环试验：加以和不加以控制的实际道路试验；道路循环试验。底盘测功机上的循 环试验可以用于测量汽车驱动轮输出功率、扭矩( 或驱动力) 和转速( 或速度) 的，它 的主要部分为滚筒机构、动力吸收装置、控制与测量系统和辅助装置。有些还附加飞轮 系统等，还可以测量出汽车的加速性能、滑行性能等。实际道路试验是指车辆行驶在实 际城市道路上，同时记录下实验时的油耗大小，进行分析计算。道路循环试验是指选定 某一路段反复进行油耗试验，得到实验时的油耗大小，进行分析计算。 本次试验最终选取道路循环试验作为试验方法，是因为这种方法在一定程度上真实 的反应出了实际行驶工况下的真实油耗，且外界因素对数据的影响较小，得到的试验数 据较可靠。 3 1 2 测量方法的确定 常用的测量油耗的方法主要有直接测量和间接测量两种。直接测定主要是通过对燃 烧所用油量的容积、流量的测定来确定油耗的大小；间接测量主要是通过对发动机工作 参数与排放物之间的关系来进行计算以确定油耗的大d x 3 6 】 3 7 1 。 本次试验使用直接测量方法，通过在汽车油路中串联油耗仪，对汽车油耗进行测量。 3 2 试验前期准备工作 3 2 1 试验车型的选取 由于不同车型的车辆在性能上的差异，其燃油消耗的规律也不相同。故试验车选取 需要确定三方面的内容：驾驶员、车辆类型以及载重量的大小。 本次试验主要研究车辆不同档位行驶时的油耗，所以有较多的车辆类型进行选择， 但必须是手动挡车辆。在选择时需要考虑试验的适用性，最好选择市场上使用量较多的 车型。车辆在道路上的运行时油耗情况主要受到速度情况，行驶模式、道路情况的影响， 因本次试验不分析驾驶员的驾驶水平，所以驾驶员对油耗的影响要排除掉，故试验选用 经验丰富的驾驶员驾驶车辆进行试验。 本论文研究方向主要针对于柴油发动机，结合试验室现有的试验条件，选取江铃全 顺轻型客车( 6 5 4 l d h ) 作为试验车辆，如下图3 1 所示。 1 6 长安大学硕士学位论文 图3 1 江铃全顺轻型客车( j x 6 5 4 1 d h ) 3 2 2 试验路线的选取 因本次试验与道路实际交通量关系不是很大，故最终分别选择长安大学汽车综合试 验场跑道，水泥混凝土路面进行水平道路试验，西安郊区某长下坡路段进行上、下坡道 路试验。 3 2 3 试验仪器及设备的选取 1 、3 2 通道数据采集系统：德维创( d e w e l l r i ) 3 0 1 0 ，如图3 2 所示。 图3 23 2 通道数据采集系统：d e w e t r o n - 3 0 1 0 2 、卫星测速仪：德维创( d e w e t r o n ) v g p s - 2 0 0 ，如图3 3 所示。 1 7 第三章汽车经济行驶模式试验研究 图3 3 卫星测速仪：d e w e t r o n - v g p & 2 3 、燃油流量计：日本小野( o n o s o l ) f p 2 2 4 0 h a ，如图3 4 所示。 图3 4 燃油流量计：日本小野( o n o s o k k i ) - f p - 2 2 4 0 h a 3 3 试验数据分析与整理 3 3 1 试验数据的采集 本次试验的第一个关键环节就是试验数据的采集，数据采集的好坏将直接关系到试 验结果的可信度。相同行驶模式下，数据采集的越多，结果将会越准确。试验中采集的 数据主要有：车辆的瞬时速度，车辆行驶的时间与车辆瞬时油耗。采集的数据以f l e x p r o 文件的形式保存在采集电脑相应的文件夹中，形成原始数据，如图3 5 所示。所记录的 数据无法自动生成当时的行驶工况，如加速还是减速、上坡还是下坡，所以需要在试验 时对当时的行驶工况进行记录。 1 8 长安大学硕士学位论文 固哆固絮4 圆譬一圆一”一：圆：一 固掣_ 1 固：岫”叩固麓”。攀誓，。固，_ 固攀哆1 圆譬1 圆，? 一2 图。寥圆，誓 漕：葛烹固世警1 固等寥：国_ 。中i 固 园蔓叩_ 固一1 园麓。叩围_ 。固， 固9 寥1 围守叩1 固_ ”一圆? “絮1 固，- l i r 一 固驽p 。圆繁? 一2 固嚣謦2 固麓“_ 国薯” 固寥1 固譬声1 图麓一固冀一：园譬一 国争罗鞫，“国麓。叩2 圆譬_ 誊，誓紫 固争”1 圆廿_ 围：? 哆2 圆簟唑。固唑 固嚣一围寸尊咿固饕p2 固嚣哆。固尊? _ 固粤? 唧_ 。固篓_ “固掣_ 国寸。园，亨寥 3 3 2 试验数据的检查和分析 试验结束后，要对每次试验所记录的数据与当时记录的状态进行标定，以检查数据 的可靠性。同时，剔除掉可能出现的人为误差，如：数据丢失、数据失真、行驶数据与 行驶工况不一致等。会出现这些误差除了人为的因素外，测试时路面状况的好坏、卫星 信号的好坏也会影响到试验数据的准确性。 3 3 3 试验数据的初步处理 剔除掉不可靠的试验数据后，还需要对试验数据进行初步的分析计算，如匀速行驶 一段时间内的平均车速和平均单位油耗。平均车速可以反映道路的运行情况，平均单位 油耗可以反映车辆运行的油耗情况，这些数据可用下式进行计算： “= u i n( 3 1 ) i = 1 q = q n ( 3 2 ) i = 1 本次试验收集了大量数据，故选取较优的数据进行分析，这里列出了部分原始数据 以及使用3 档驾驶，速度2 0 k m h 向东行驶时的原始数据曲线，如表3 1 及图3 6 、3 7 所 示。 1 9 第三章汽车经济行驶模式试验研究 表3 1 试验原始数据 第一时间( s ) 0o 0 5o 1o 1 5o 2o 2 50 30 3 5 次试速