第二章 汽车燃油经济性

1、第二章 汽车燃油经济性2.1 前言在当前和今后相当长的一段时期，汽车燃料仍将以石油产品为主。例如，西欧工业发达国家交通运输消耗石油产品的3445；美国交通运输部门消耗国内石油产品的52；我国交通运输和邮电通讯业消耗的石油产品约占总量的16，每年消耗的汽油占其总消耗量的36，柴油占27。2000年中国进口石油7600万吨，接近1GDP。据预测2010年我国石油缺口高达1.6亿吨以上。此外，由于汽车运输的油耗占汽车运输成本的20以上(见表2-1)。根据我国公路法的规定，公路养路费用将采取征收燃油附加费用的办法，燃料成本会大幅度增加。据统计，平均燃料费增加37.5%44.5，甚至高达60以上。节约燃

2、料就意味着汽车运输成本的降低，经济效益的提高。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能的意义重大，例如，同1970年相比，1993年美国汽车平均油耗下降了33。为此，世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。表2-1 某运输公司汽车货运成本组成汽车吨位10t载货汽车24t载货汽车成本类型固定折旧利息车辆税保险费可变折旧燃料轮胎维修润滑剂驾驶员工资及花费日常管理成本元22953100001800010000028571350010000250060001672917.97.814.07.8022.32.77.81.94.713.0元0225003750018

3、42032504607142040040800170015000499080.07.512.56.220.36.813.60.65.016.7共计128253100.0299446100.02.1.1 汽车燃油经济性的评价指标汽车燃料经济性，是指汽车以最少的燃料消耗完成单位运输工作量的能力。汽车发动机燃料经济性通常用有效燃料消耗率ge或有效效率e评价。但它们均不能反映发动机在具体汽车上的功率利用情况及行驶条件的影响。所以，它们不能直接用于评价汽车燃料经济性。为了评价汽车的燃料经济性，常选取单位行程的燃料消耗量（L/100km）或单位运输工作的燃料消耗量（L/100tkm、L/tpkm）作为评价

4、指标。前者用于比较相同容量的汽车燃料经济性，也可用于分析不同部件(如发动机、传动系等)装在同一种汽车上对汽车燃料经济性的影响；后者常用于比较和评价不同容载量的汽车燃料经济性。其数值越大，汽车的经济性越差。汽车燃料经济性也可用汽车消耗单位量燃料所经过的行程km/L作为评价指标，称为汽车经济性因数。例如，美国采用每加仑燃料能行驶的英里数，即MPG或mile/usgal。其数值越大，汽车的燃料经济性越好。由于汽车在使用过程中，载荷和道路条件对汽车燃料的消耗影响很大，也可采用燃料消耗量Q(单位为L/100km)与有效载荷Ge(单位：t)之间的关系曲线，评价在不同道路条件下汽车燃料经济性，称之为平均燃料

5、运行消耗特性。2.1.2 汽车燃料经济性试验方法汽车燃料经济性试验方法可根据对各种使用因素的控制程度分为不加以控制的路上试验、控制的道路试验、道路循环试验(包括等油耗、加速、制动油耗等)、在汽车底盘测功器(即转鼓试验台)上的循环试验；表2-2列出了影响汽车燃料经济性的使用因素。表2-2 影响汽车燃料经济性的使用因素行驶道路城市、市郊、一般公路、高速公路交通情况道路上行人、车辆构成及车辆密集程度驾驶习惯平均车速、加速度及制动减速度，阻风门的使用情况周围环境气温、风、雨、雪等对表3-2所列的各个因素都不加以控制的试验，称为“不控制的道路试验”。在试验条件中，对被试车辆的维护、调整规范及所用燃料、润

6、滑材料的规格都有明确的规定。由于各种使用因素的随机变化，要获得分散度很小的数据较难。为此，必须用相当数量的汽车(车队)进行长距离(10000km16000km)的试验，方能获得可信度较高的统计数据。由此可见，这种试验反映了车辆类型、道路条件、交通量、装载质量以及气候等因素对汽车燃料消耗的影响。它可用于全面评价汽车使用燃料经济性，是一种非常接近实际情况的试验。但这种试验持续时间很长，试验费用巨大，一般不被采用。过去我国汽车运输企业采用的“使用油耗试验”就是一种“不控制的道路试验”。即在某地区的某汽车运输部门中，把试验车辆投入实际使用，在运行中认真记录汽车行驶里程与油耗量，最后确定平均油耗量。这种

7、试验结果能较好地反映车队的实际情况，但难以真正做到准确地测量，同时也浪费时间。因此，它适合车型单一的运输企业使用。在道路试验中测量油耗时，若维持表3-2中的一个或几个因素不变，则称作“控制的道路试验”。例如，我国海南试验站进行的汽车质量检查试验规定，应在一般路面、恶劣路面和山区公路上测量百公里油耗，并对一些试验路线作了有较明确规定。如指定在海口市秀英港以南，海榆中线3km处入口、9km处出口，一条通往石山乡，全长18km的便道为试车的恶劣路面；海榆中线北起毛阳南至通什，总长25km的山道为试车的山区公路；而对一般路面，则仅指海南岛上较好的平原公路，未明确规定路段。这就是一种“控制的道路试验”。

8、国外是在汽车试验场的专用试验道路上进行类似的油耗试验。汽车完全按规定的车速时间规范进行的道路试验方法被称为“道路循环试验”。实验规范中规定了换档时刻、制动时间、速度、加速度、制动减速度等数值。等速行驶油耗试验和怠速油耗试验是这类试验中两种最简单的循环试验方法。等速行驶百公里油耗试验是一种在我国广泛采用的最简单的道路循环试验。试验规范规定，试验在纵坡不大于0.3的混凝土、沥青道路，要求路面干燥、平坦、清洁、测量路段长度500m，两端可方便地使汽车调头。气温035，气压740mmHg770mmHg，相对温度5095，风速小于3m/s。汽车技术状况良好，试验前，汽车必须充分预热，使发动机出水温度80

9、90，变速器及驱动桥润滑油温度不低于50。试验时，汽车用最高档等速行驶，从车速20km/h开始，以车速10km/h的整倍数，直至该档最高车速的80，至少测定5点。通过500m测量段，测定耗油量和时间，每种车速往返试验各两次，两次试验之间的时间间隔(包括使车速达到预定的稳定车速所需的助跑时间)应尽可能地缩短，以保持稳定的热状况。往返共四次试验结果的油耗量差值不应超过±5，取四次试验结果的平均值为等速行驶的耗油量。等速行驶燃料经济性不能全面考核汽车运行燃料经济性，它只能作为一种相对比较性的指标。因为等速燃料经济性试验缺乏有关动力性要求的检验指标，容易造成试验汽车的动力性要求与燃料经济性匹

10、配不合理的现象；此外，等速行驶燃料经济性不能反映汽车实际行驶中频繁出现的加速、减速等非稳定行驶工况。我国针对载货汽车、城市公共汽车和乘用车提出了相应的燃料经济性试验规范。载货汽车“六工况燃料测试循环”、城市公共客车四工况（GB/T 12545.2-2001）方法见表2-3至表2-5和图2-1、图2-2和图2-3。试验过程是，用仪器记录行程车速时间曲线，检查试验参数。在每个试验单元中，车辆终速度偏差应小于±3.0km/h，其它工况速度偏差±1.5km/h，要求控制六工况的总行驶误差小于±1.5s。完成一个单元试验后，尽可能迅速地调头，从相反方向重复试验。累计进行四个

11、单元试验，将此六工况循环或四工况循环的累计耗油量折算成算术平均百公里耗油量测定值。“乘用车城市底盘测功机试验运转循环”（GB12545.1-2001）方法见表2-5至表和图2-3。距离测量准确度应为0.3%，时间测量的准确度为0.2S，燃料测量精度±2，燃料测量装置的进出口压力和温度变化不得超出10和±5，环境温度应为535，大气压力应为91kPa104kPa。表2-3 六工况循环试验参数表工况行程 m时间 s累计行程 m车速 km/h加速度 m/s212511.31254017514.030040500.225018.05505025016.380050600.17250

12、15.010506030021.6135060400.26表24 城市客车和双层客车四工况循环试验参数工况序号运转状态km/h行程m累积行程m时间min变速器档位及换挡车速km/h档位换档车速1025换档加速5.55.55.6IIIII6824.5308.8IIIIV1315508011.8IVV19217015011.4V22512027017.2V3(30)2540160430(20.9) 17.7V4减速行驶270700空档注：1 对于5档以上变速器采用II挡起步，按表中规定循环试验；对于4挡变速器I档起步，将IV挡代替表中V档，其他依次代替，则按表中规定试验循环进行。2 括号内数字适用

13、于铰接式客车及双层客车。表25 乘用车十五工况循环试验参数工况运转次序加速度速度每次时间累计时间手动变速器使用档位运转/工况/11 怠速1111116s1)十5s22 加速1.040154415133 等速158823144 等速-0.6915102152515 减速,离合器脱开-0.9210032856 怠速21214916s十5s67 加速0.8301512125418 换档  569 加速0.941532612710 等速322424852811减速-0.75321081193212 减速离合器脱开-0.92100396913 怠速212111716s十5s1014

14、怠速0.830152626122115 换档  12416 加速0.621535133217 换档  13518 加速0.62355014331119 等速 50121215531220 等速0.5250358816331321 等速35131317631422 换档1212178 23 减速-0.863210185224减速离合器脱开-0.921001881525 怠速771957s1) PM指变速器在空档，离合器接合；2) k1(或k2)指变速器挂1档(或2档)，离合器脱开；3) 如车辆装备自动变速器，驾驶员可根据工况自行选择合适

15、的档位。美国机动车工程师协会(SAE)曾推荐了四种道路循环，见图2-4及表2-6。道路循环试验在一定程度上反映了汽车实际行驶工况。它具有数据重复性好，使用仪器简单，花费时间少，消耗低等优点。所以，现有使用这类方法的很多。在汽车底盘测功器上进行汽车燃料经济性测量是汽车制造商和汽车检验认证机构常用的室内试验方法。这种试验能借助底盘测功器模拟汽车行驶阻力与加速时惯性阻力等道路上的行驶工况。所以，可以按照很复杂的循环规范对汽车进行室内试验。若试验间的气温也能控制，则室内汽车测功器就能控制主要使用因素。表2-6 SAE道路循环试验规范行驶循环城市城郊州际州际开始试验条件试验地点长度，行驶时间,平均车速,

16、最高车速,最大加速度，定速时间,加速时间,减速时间,怠速时间,每英里停车次数热车试验道32197.724.948.22.158.311.317.413.04.0热车试验道83697.666.196.62.175.211.310.53.00.4热车试验道75645.189.096.60.361.819.119.100热车试验道75644.0113.5120.70.351.524.324.200图2-5是美国环保局(EPA)CVS-C行驶循环(UDDS循环)的速度-时间关系曲线。整个循环行驶时间为22.87min，行程12km，平均车速31.4km/h，最高车速90.9km/h。它是根据美国洛杉矶

17、市中心的交通情况拟定的，包括了一系列不重复的加速、减速、怠速和接近于等速的行驶过程。用汽车测功器测量的油耗有以下优点：在室内试验可不受外界气候条件的限制；能控制试验条件，周围环境影响的修正系数可以减到最少；若能控制室温，则可对不同气温条件的汽车工况进行模拟试验；室内便于控制行驶状况，故能采用符合实际的复杂循环；可以同时进行燃料经济性与排气污染试验；能采用多种测量油耗的方法，如质量法、体积法与碳平衡法。用汽车底盘测功器测量油耗的方法尚需改进。例如，不易准确模拟道路滚动阻力和空气阻力；室内冷却风扇产生的冷却气流与道路行驶的实际情况有差异；难以给出准确的惯性阻力。与其它方法相比，由于用汽车底盘测功器

18、测量油耗的重复性好，能反映实际行驶时复杂的交通情况，能采用多种测量油耗方法，还能同时进行废气污染的测量，所以这种方法日益受到重视。2.1.3 汽车燃料经济性的计算根据每小时燃料消耗量Gr(kg/h)，可利用式（2-1）确定燃料消耗量Q(L/100km)为 (2-1) (2-2)式中：ua 车速，km/h；r燃料密度，汽油可取6.967.15N/L；柴油可取7.948.13N/L；p发动机有效功率，kW；ge发动机有效油耗率，g/（kWh）。将式(2-2)代入式(2-1)，可得，L/100km (2-3)根据汽车功率平衡方程式为 = fr cos± sin当较小时，cos1,i=tgs

19、in，则 = fr ± i则，kW (2-4)将式(2-4)代入式(2-2)，可得汽车燃料消耗方程式为 (2-5)式中：传动系机械效率；G汽车总重力(单位N),G=mg；道路阻力系数，；空气阻力系数；A汽车迎面面积，m2；汽车旋转质量换算系数。汽车燃料方程式表明其燃料消耗量与影响因素(发动机燃料经济性、汽车结构参数、行驶条件等)的关系。它全面地表述了汽车燃料经济性。在汽车研究和开发中，常要在试验样车制成前，根据发动机台架试验得到的油耗曲线与汽车功率平衡图，对汽车进行燃料经济性估算，其中最简单和最基本的就是估算汽车等速行驶时的油耗。由功率平衡图及负荷特性可找出行驶时发动机的油耗。图2-

20、6所示为由发动机台架试验得到的某发动机使用负荷特性。使用负荷特性给出了在发动机某一转速时，不同有效功率(或负荷率)下的有效油耗率曲线。负荷率，是指在某一相同转速下油门部分打开时发动机发出的功率与全开时(最大)功率之比，通常以百分数表示。若汽车以等速在平路上行驶，发动机应输出功率应等于汽车阻力功率P'，(见图2-7a)，。此时，发动机负荷率U'为若对应车速的发动机转速为，则根据和U'便能在负荷特性曲线上确定有效油耗率(见图2-7b)。式中：变速器相应档位的速比； 主减速器速比。、P'、和代入式(2-3)，即可求出速度时汽车百公里油耗。若每隔求出相应的百公里油耗，便

21、可做出汽车等速百公里油耗曲线。按同样的步骤也可作出汽车在有坡度的道路上()行驶时的等速油耗曲线(见图3-7c)。目前厂家提供的负荷特性常是在发动机没有带附件的条件下测得的，因此，应对计算所得到的等速油耗予以修正。有时也用发动机万有特性来计算汽车等速油耗，见图2-8。还可以在动力特性图上画上“等百公里油耗曲线”，该曲线称为行驶特性。它能全面反映汽车在各种档位下行驶时的百公里油耗。由于转矩只能表示一台发动机性能产生的总的驱动效果，而不能表现发动机的工作特征，所以万有特性的纵坐标轴机械损失的大小及有效压力的比例标尺。因能综合地反映发动机工作循环进行的完善程度、机械损失的大小及其强化水平。同样，发动机

22、转速ne也是作为计算驱动效果的绝对值，为了反映发动机高速水平，万有特性的横坐标轴也常附有平均活塞速度的比例刻度。此外，有时在特性图上还画上表示发动机热负荷的“等单位活塞面积功率曲线”。利用万有特性计算汽车在一定道路上行驶的等速油耗，首先是根据某一行驶车速求出相应发动机转速ne，即,r/min式中：变速器传动比；主减速器传动比；r车轮半径，m。由道路行驶阻力功率求出发动机的扭矩，N·m根据、，在万有特性图上查出曲线值，并求出百公里油耗,L/100km同理,可求出对应不同行驶车速的汽车等速百公里油耗。选取不同的车速和档位,就可在功率平衡图或驱动力-行驶阻力平衡图或动力特性图等百公里油耗曲

23、线图族。上述的计算方法主要依靠发动机使用负荷特性图或者万有特性图完成的。汽车的等速行驶油耗也可采用经验拟合公式来计算。计算方法概括如下：已知(,),1,2,以及汽车的有关结构参数和道路条件(和)，求作出等速油耗曲线。根据给定的各个转速和不同功率下的比油耗值,采用拟合的方法求得拟合公式。1) 由公式计算找出和对应的点(,),(,),.,(,)。2) 分别求出汽车在水平道路上克服滚动阻力和空气阻力消耗功率和。3) 求出发动机为克服此阻力消耗功率。4) 由和对应的,从计算。5) 计算出对应的百公里油耗为6) 选取一系列转速，.，,找出对应车速，。据此计算出。把这些-的点连成线,即为汽车在一定档位下的

24、等速油耗曲线,为计算方便,计算过程列于表2-7。表2-7等速油耗计算方法 ,r/min计算公式. ,km/h. ,. ,. .,g/(kWh).,L/100km.由于等速油耗仅反映了汽车的稳态工况，而在实际行驶中汽车常为非稳态工况。因此，在分析汽车燃料经济性时，除等速百公里油耗曲线外，还常用数值计算法确定按某行驶工况循环试验行驶时的总平均百公里油耗量。为此，必须进行加速、减速以及停车怠速的耗油量的计算。减速及停车怠速时的耗油量，可根据试验得到的怠速油耗量()和循环中的减速行驶与停车怠速运转的时间，求得它们的耗油量。由于加速过程中系统的加浓作用等，加速时发动机的有效油耗率比稳态工况的略大。为了计

25、算方便，在计算加速油耗时，仍常用稳态工况的值来换算。等加速行驶时的油耗为其中, 可见，汽车以等加速在道路阻力系数的道路上行驶的燃料经济性，可用汽车在当量道路阻力系数下稳定行驶的燃料经济性近似表示。在等加速行驶的油耗曲线下面画上加速过程曲线(在纵坐标上加上时间坐标)，则在对应于等的速度间隔中，其平均加速度为而在时间间隔中的绝对油耗为式中：、和分别为在、和时间间隔的平均速度，km/h。由此，即可求出整个加速过程中的绝对油耗为汽车加速过程的油耗计算方法是，首先把加速阻力作为道路阻力作出()，再根据()和(加速过程)图分别求出各不同加速度时的油耗值。分段越细，结果越准确。最后把各段相加，就是整个加速过

26、程耗油量，再加上等速、减速、停车怠速等各种行驶状态的耗油量，就可以按预定循环工况试验程序估算出汽车燃料经济性。这种估算在设计试验样车阶段是十分必要的。计算某一具体条件下的汽车燃料消耗量也可采用定额计算法,它是一种能反映运输工作量的计算方法。汽车运行燃料消耗量的影响因素，除汽车结构、工艺水平、车况外，尚有道路、载荷、运距、环境条件(如气温、风、雨、雾、交通情况等)及驾驶水平等，其中包括随机因素、自然因素和人为因素。为了全面地建立数学表达式，需要考虑可等级化和数量化的因素，如道路、载荷、气温、海拔高度等。交通因素将在道路分类中予以考虑，而车况、驾驶水平等因素，尽管它们对运行燃料消耗也有较大影响，但计算时将其视为一般正常水平，而不予以考虑。对风、雨、雾等特殊环境因素，由于它们的影响是局部的、地区性的，而且也难于等级化和数量化，其影响可根据实际情况在制定燃料消耗定