关于在用货车燃料消耗率检测的思考

关于在用货车燃料消耗率检测的思考

jt719-2008年《商用车燃料消耗限制和测量方法》规定了车辆驾驶机械类型确定的燃料消耗测量方法和限额，并规定了车辆燃料经济评价的参与比例。作为营运货车节能的检测新技术,该标准还存在一些不足,下文对此进行分析探讨。1回归方程的确定JT719-2008“表2营运柴油汽车(单车)燃料消耗量限值”以总质量每2t划分区间来规定限值。作出限值与总质量的关系图,该关系曲线为阶梯形,在奇数吨总质量点,限值垂直上升,产生较大的跃变,出现死点,梯面为2t,梯高在中型车范围较大,梯高随总质量增加而逐渐减小。限值不符合燃料消耗量与货车总质量的规律。假设第一阶段限值是各总质量区间中间值的准确试验统计值,限值y1是总质量T的二次函数,用各总质量区间中间值来对应限值,对JT719-2008表2中的数据,在总质量3.5～20t内按回归曲线方程y1=5.2+2.06T-0.041T2计算限值,在20～31t范围内按回归曲线方程y1=18.1+0.6738T-0.0031T2计算限值,结果见表1。第二阶段限值y2实际上是在第一阶段限值的基础上下降10%,即y2=0.9y1,得到y2的回归方程。从表1来看,全部的误差δ均在±1.6%范围内。从图1可见,标准规定的燃料消耗量限值点几乎都在曲线上。表明二次曲线回归方程反映了燃料消耗量与总质量的规律。所以应该取消按2t总质量区间来划分限值的规定,改成按回归曲线方程、以总质量来计算和确定限值。对于JT719-2008表3中的柴油自卸汽车(单车)燃料消耗量限值,在总质量3.5～20t范围按回归曲线方程y=4.3+2.192T-0.0541T2计算,在20～31t范围按回归曲线方程y=60.7-3.05T+0.0687T2计算;而对于JT719-2008表4中的柴油半挂汽车列车燃料消耗量限值,在总质量27～51t范围按回归曲线方程y=21.4+0.864T-8.59×10-3T2计算。总质量区间2000kg偏大,尤其对中型货车限值不合理。例如BJ1065VCFA-AZ柴油货车的满载总质量为7750kg、超载总质量为9750kg,挂5挡路试,50km/h恒速油耗分别为10.0和11.5L/(100km),误差δ=(11.5-10)/10=15%。当质量区间较大时,为消除曲线的跃变死点,在难以寻找函数关系时,最简单的方法就是采用插入法,把各区间内的曲线作为线性关系,用各区间内的直线来近似组成总体的多次曲线,这样也可以减小误差。2模拟负荷误差的敏感性分析JT719-2008第4.4款规定:“50km/h空载等速燃料消耗量作为在用车辆燃料经济性评价的参比值。”此规定的不合理表现在:(1)考虑在用车燃料消耗量检测的操作性,通常只适宜在1个路试车速点等速进行台试模拟检测,这种方法本身属于“只见树木,不见森林”。由JT719-2008表1可知:汽车(单车)50km/h速度下的满载等速燃料消耗量权重系数仅为0.05,用如此微不足道的工况来检测和评价在用车燃料经济性,将进一步加大局限,以致“只见树叶,不见树木,更无法见森林”。要比较准确地反映在用车燃料经济性,汽车(单车)应在80km/h、自卸汽车在60或70km/h、半挂汽车列车在70km/h较大权重系数车速检测。(2)在模拟负荷误差的敏感性方面,假设营运货车在规定挡位50km/h台试模拟路试负荷恒速检测百公里油耗,如该点发动机转速和燃料消耗率ge不变,当发动机输出功率误差为±10%时,则会造成相应百公里油耗量误差约±10%。以国产东风1090中型货车为例进行试验和计算,该车型的发动机型号为6105系列,额定功率为99kW(2800r/min),最大转矩为382N·m(1700r/min),直接挡传动比为1,主减速比为6.33,轮胎半径为0.493m,直接挡50km/h车速的发动机转速n=50×6.33×1/(0.377×0.493)=1703r/min,在50km/h车速点发动机功率Pe1=382×1703/9549=68kW,50km/h车速恒速满载路试发动机输出功率为25.2kW,约为发动机相同转速点全负荷功率68kW的37.1%,空载路试发动机输出功率为19.6kW,约为全负荷的28.8%。百公里油耗量误差约±10%的负荷误差敏感性分别为2.52和1.96kW,车型越小,负荷误差敏感性越高,空载比满载进一步提高了模拟负荷误差的敏感性,对台试检测的负荷模拟精度提出了更高的要求。(3)空载车辆的发动机输出功率越小,发动机速度特性在该负荷的油耗率曲线弯曲越大,对转速差异的敏感性越高,而且在用车油耗率曲线除了可能向上移动外,还可能出现水平移动,通常曲线垂直上移则表明燃料经济性下降,而水平移动并不表明燃料经济性下降。50km/h空载等速检测对发动机转速敏感性太高,使车辆选装的不同规格轮胎、轮胎气压、车轮与滚筒的滑移率等因素都会对百公里油耗产生较大的影响。(4)当油耗检测仪绝对误差一定时,检测油耗量增大可减小相对误差,对碳平衡油耗检测法可大大提高稀释精度,50km/h车速空载车辆的油耗量较小,应增大发动机输出功率,加大检测油耗量才能提高和保证油耗检测精度。作为在用车台试模拟路试检测,同一车辆空载与满载的区别在于模拟负荷的大小不同和参比值不同,为简化路试,建议取消第4.3.2款,用50km/h满载等速燃料消耗量作为在用车辆燃料经济性评价的参比值。3对最高挡的认识JT719-2008第4.3.1款规定:“车辆满载,手动变速器车辆应置于最高挡或次高挡(当最高挡不能满足等速需要时采用次高挡),自动变速器车辆应置于前进挡,在各试验车速下,保持车辆平稳行驶至少100m后,等速通过500m的试验路,测量车辆通过该路段的时间和燃料消耗量。试验车速分别为40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、80km/h,自卸汽车(单车)试验车速分别为30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h。”多数营运货车手动变速器最高挡为直接挡,传动比为1,次直接挡传动比为1.35～1.7;有些营运货车手动变速器有超速挡,其传动比约为0.8,次高挡为直接挡。相同车速不同挡位的发动机转速不同,从发动机负荷特性曲线或万有特性曲线可知,在营运货车满载、恒速、发动机部分负荷下,超速挡的发动机转速相对较低,对应油耗率也相对较低,所以同一车辆不同挡位所测的百公里油耗量相差较大。建议将操作挡位规范为:车辆满载,手动变速器车辆应置于直接挡(如无直接挡则挂最接近变速器传动比为1的挡位)。在实际行驶中,由于附加设备的功率消耗(如空调)、道路的非平直、超载等众多因素,通常并不采用超速挡进行全质量行驶,更多地是在直接挡。统一采用直接挡,可防止试验挡位与实际行驶挡位不一致,出现试验油耗量低但实际行驶油耗量高这种情况。另外,超速挡油耗量低,也说明设计不合理,变速箱升速后再由主减速器减速,变速箱的升速挡比直接挡多了一级齿轮传动,降低了传动效率。要根据车辆行驶实际挡位的不同权重系数确定试验挡位,不宜把空载车辆短时间超速的挡位作为燃料经济性的挡位。绝大多数营运货车是柴油车,正如柴油车废气排放与柴油机动力性相关一样,柴油车燃料经济性与动力性也相关,只有检测动力性合格,确保发动机的额定功率和额定转速技术参数符合要求,新车型式认定的燃料经济性检测才有准确性和规范性。所以在操作规范上,无论是新车型式认定还是在用车燃料经济性检测,都应进行动力性检测,杜绝各种弄虚作假的可能性。4不同计算模型的燃油密度计算试验标准JT719-2008第5款规定:“汽油货车燃料消耗量限值为相应总质量的柴油货车限值的1.15倍。”假设同一车辆换装相同额定功率的汽油发动机和柴油发动机,车辆路试同一等速的发动机输出功率不变,两种发动机的机械效率近似相等,按油耗率公式:ge=3.6×106/(ηi×ηm×Hu)式中:ηi为热效率,通常汽油机为30%,柴油机为38%;ηm为机械效率;Hu为燃料的低热值,设汽油为44000kJ/kg,柴油为42500kJ/kg。ge汽/ge柴=0.38×42500/(0.3×44000)=1.223。再把质量比换算成容积比,按GB18565-2001《营运车辆综合性能要求和检验方法》所规定标准状态下的燃油密度,汽油为0.742kg/L,柴油为0.830kg/L,Le汽=ge汽/0.742,Le柴=ge柴/0.830,Le汽/Le柴=ge汽×0.830/(ge柴×0.742)=1.368。现有汽油机的热效率没有提高到接近柴油机热效率的程度,假设电喷汽油机提高了热效率等因素,使ge汽/ge柴=1.15,应该再乘以容积系数,即1.15×1.119=1.287,这样更接近实际情况。5发动机重负荷的功率曲线JT719-2008的试验方法中既缺少各规定车速下的行驶阻力,也缺少对发动机输出功率进行标准状态下的修正,不仅在不同的环境下难以重现路试,也难以台试准确模拟路试负荷。应增加试验,确定满载车辆各规定车速点的行驶阻力和发动机输出功率。建议对其试验方法作如下改善:(1)车辆在底盘测功机上采用两次滑行等方法,检测汽车空挡底盘传动系的当量惯量,加上前轮的当量惯量,在路试空挡滑行阻力计算系统惯量时迭加这些转动件当量惯量,提高路试各车速点系统阻力的准确性。(2)车辆满载至最高车速后,挂空挡自由滑行直至车速为零,在测试路段上往返测量各2次,计算各个10整数车速点的系统阻力。(3)估算发动机附件损耗在车轮表面的当量阻力F=kPe(Pe为发动机额定功率),统计当量阻力近似与车速成线性关系。例如设k=4.0+0.003v(v为直接挡或高速挡车速),50km/h车速时的发动机附件消耗功率为(4.0+0.003×50)×50Pe/3600=0.058Pe,80km/h时为0.094Pe,100km/h时为0.119Pe。由于发动机附件损耗功率占Pe的比例较小,即使估算的相对误差偏大,绝对误差也不大。然后把路试非标准状态下的发动机输出功率修正为标准状态下的功率。(4)在用车台试模拟路试检测,必须把标准状态下的发动机输出功率修正到检测状态下的发动机输出功率,消除路试与台试环境温度等参数不同造成的油耗量检测误差,这样台试模拟路试检测的百公里油耗才有参比性。百公里油耗试验时发动机输出功率受大气压、相对湿度、环境温度、干空气因素的影响,假设试验环境温度为0～40℃,同一车辆各规定车速下的满载路试等速行驶阻力不变,大气压、相对湿度、干空气这3个参数等于标准状态下的参数,仅考虑环境温度变化所造成的误差,标准状态下的车辆恒速行驶阻力功率和发动机输出功率相等(为P),发动机的输出功率在0、25和40℃时均为P,所以0℃路试时发动机标准状态下输出功率P1=a0P,40℃路试时发动机标准状态下输出功率P2=a40P(a0和a40分别为0和40℃时发动机输出功率校正系数)。按GB/T18276-2000《汽车动力性台架试验方法和评价指标》的功率校正方法,设柴油车的发动机因子fm=1.2,计算得0℃时a0=0.929,40℃时a40=1.0421。假设标准状态下25℃时的百公里油耗为Q25,油耗与发动机标准状态下的输出功率成正比,则在0℃时路试油耗量为0.929Q25,40℃时为1.0421Q25,同一台车在0～40℃路试,环境温度误差造成的油耗最大误差为(1.0421Q25-0.929Q25)/(0.929Q25)=12.2%。所以,JT719-2008仅有标准状态下的燃油质量校正是不够的,应该考虑不同试验环境参数下功率变化对油耗的影响。6在车辆燃料消耗检测方法中的比较6.1汽车恒速发动机规定负荷加载检测方法在用车与新车型式认定的燃料消耗量检测和评价的意义不同,后者主要是检查车辆行驶的发动机匹配是否合理、行驶阻力是否过大,主要是考核设计水平,属于车辆设计节能;在用车则主要是检查发动机和底盘传动系的技术状态是否下降过多,属于车辆使用节能。两者既有联系,又有区别。对于在用车,主要防止发动机技术状态下降过多致使燃油消耗量增大过多,而底盘传动系的技术状态可通过车辆台架滑行性能来检查。在用车燃料消耗量检测和评价的方法有三种:第一种为50km/h恒速全质量台试模拟路试负荷检测方法,具有负荷和转速敏感性太高、综合误差太大、工况权重系数太小等严重缺陷。如采用工况权重系数较大的台试模拟营运货车全质量路试负荷在80km/h恒速检测,并以该车型路试标定的百公里油耗作为参比值,一方面较长时间高速大负荷检测的安全性不好,另一方面由于在用车使用和检测原因,发动机实际转速点的变化容易造成单车速点的错检错判。第二种为汽车恒速全负荷油耗率检测方法,并以发动机说明书中的全负荷最低油耗率作为参比值,货车直接挡中速在发动机全负荷最低油耗率转速点范围进行检测。由于发动机速度特性的全负荷油耗率曲线在中速范围内的变化速率较小,曲线较平缓,所以在最低油耗率显著特征点进行燃料经济性检测可以保证检测和判断的准确性。其不足之处在于:为适应货车超载,将高压喷油泵额定扭矩点的供油量调大,当超调较大时,虽然中等车速不高,但负荷较大,如在用车技术状况较差,较长时间全负荷加载检测有可能损伤车辆和发动机。第三种为汽车恒速发动机规定负荷加载检测方法。该方法综合了前面两种方法的优点,克服了其缺点。从发动机不同负荷的速度特性曲线可知,全负荷最低油耗率不是发动机的最低油耗率,发动机的最低油耗率通常在85%全负荷左右。任何车用发动机都是兼顾动力性与燃料经济性,如果以发动机最低燃料消耗率相应负荷来确定动力性,会使发动机动力偏小,不符合汽车行驶工况需要短时间发动机较大功率的要求。通常发动机额定扭矩规定负荷的百分比δ可在60%～85%选择设定为固定值,δ值过小则无法克服现有百公里油耗检测方法的缺陷,无法保证检测的准确性;δ值过大则无法克服全负荷加载检测方法的缺陷,无法保证使用年限较长或技术状况较差在用车的检测安全。发动机δ×额定扭矩及该负荷最低燃料消耗率的转速与发动机额定扭矩转速相接近,为在用车恒速发动机规定负荷加载下进行动力性和燃料消耗率检测的准确性提供了依据。其检测方法:车辆在底盘测功机上挂上变速箱规定挡位,使规定车速点V1相应发动机转速在额定扭矩和规定负荷最低燃料消耗率gem的发动机转速范围内,底盘测功机和车辆整个系统对发动机的加载负荷等于δ×发动机额定扭矩Mm,调整和稳定油门踏板位置在发动机规定输出标准状态的δ×Mm负荷下,在规定车速点稳态恒速进行动力性或燃料经济性检测。确定规定车速点发动机规定负荷的功率吸收装置加载恒力值F1的步骤:1)通常设定规定车速点V1为45～75km/h,可以统计确定,货车直接挡55km/h、客车直接挡60km/h、乘用车次直接挡70km/h的发动机转速在δ×Mm负荷的最低燃料消耗率转速范围内,同时也在发动机额定扭矩转速范围内。设定规定车速点的发动机附件消耗扭矩为η×Mm,η为0.04～0.08。2)采用自由和加载两次滑行法、两次恒力加载滑行法、增减惯量两次滑行法、反拖稳态测量法、一次滑行法中的任一种方法,测量汽车空挡和底盘测功机整个传动系统在规定车速点V1的阻力Ff和损耗功率Pf。3)通过参数计算法或标定法得到该车型规定挡位的车速与发动机转速之比K,按标准状态下的功率修正方法,把标准状态下的规定负荷δ×Mm修正为检测状态下的Mmb,按F1=0.377×(Mmb−η×Mm−Ff×K/0.377)/KF1=0.377×(Μmb-η×Μm-Ff×Κ/0.377)/Κ计算底盘测功机功率吸收装置在滚筒表面上的加载恒力值,得发动机标准状态下的规定加载功率Ps=δ×Mm×V1/(9549×K)。如按发动机最大扭矩不小于0.75额定扭矩来评价车辆动力性合格,可以设定δ为0.75,在0.75×Mm负荷加载下,在规定车速点恒速较长时间测量燃料消耗量。当车辆发动机最大扭矩大于0.75×Mm,即可在发动机规定0.75×Mm加载负荷下的规定车速点恒速稳态检测,则评价动力性合格。如最大油门踏板位置时车辆发动机最大扭矩小于0.75×Mm,即该挡位无法在0.75×Mm加载负荷下的规定车速点恒速稳态检测,则评价动力性不合格,无需进行燃料经济性检测。功率吸收装置可以采用恒力控制,操作人员通过调整和稳定油门踏板在规定车速点恒速检测,保证发动机的输出功率稳定。如减小发动机实际转速相对额定扭矩转速误差造成的影响,也可以设定δ为0.73。6.2燃料经济性型式的检测第三种方法的发动