载重车油耗计算方法及分析

1前言 由于全球范围内石油资源有限,自上个世纪能 源危机以来,汽车的经济性一直是大家关注的焦 点。燃油价格的持续上涨,使得汽车货运的燃油成 本不断提高,载重车的油耗成为汽车运输公司、卡 车司机、汽车行业技术人员等关注的热点。然 而影响载重车油耗的因素有很多,包括柴油机的油 耗特性、汽车的载重量、道路条件、汽车的配置 (如主减速比、变速箱的各档速比、轮胎的类型)、驾 驶员的操作方法等。汽车厂家提供的油耗数据是在 的汽车试验场按照 GB/T12545.2—2001《商 用车燃料消耗量试验方法》进行试验得到的数据, 而实际的使用状况与试验条件往往有所差别,所以 实际的油耗与厂家提供的试验数据通常不能对等。 本文首先根据影响载重车油耗的主要因素建立 计算模型,再按照试验数据标定计算模型中的系 数,最后利用标定后的计算模型计算不同载重量、 不同路况、不同操作方法时对载重车油耗的影响。 2柴油机的模型 柴油机的油耗特性可以通过柴油机台架试验测 量,通常可以做总功率的万有特性试验,有条件时 可以做净功率的万有特性,试验的转速和负荷尽量 覆盖汽车行驶过程中可能运行的范围。如果已知转 速和扭矩,在万有特性图上可以通过插值计算得到 比油耗,从而计算出该工况下的小时油耗量。图1 为典型的柴油机等比油耗万有特性曲线图,其中虚 线为等功率线。 需要说明的是实际汽车行驶时,由于所带附件 和管道布置的不同,燃油温度、中冷温度、机油温 度、进出水温都与试验室条件有所区别。在估算时 可以暂时忽略这些差别,以后可利用试验数据对模 型系数进行标定;也可以根据经验或试验数据对万 有特性数据进行标定。 3汽车的模型 根据汽车理论可知,汽车行驶主要克服4种阻 柴油机与制造 Design&ManufactureofDieselEngine 2006年第1期 第14卷(总第114期) 载重车油耗计算方法及分析 凌建群 (上海柴油机股份有限公司,上海 200438) 摘要 介绍一种载重车油耗的计算方法,该方法利用试验数据对计算模型中的系数进行标 定,可提高计算精度。通过计算实例定量分析了各因素对油耗的影响。 Abstract:Thispaperdescribesamethodtocalculatethetruckfuelconsumption,which modifiesthecoefficientsofthecalculationmodelwiththetestresults.Themethodcanim- provethecalculationaccuracyoffuelconsumption.Thefactorswhichaffectthetruckfuel consumption,suchasspeed,loadingcapacity,gradeslope,andgearshift,areanalyzedbya calculationexample. 关键词:卡车 柴油机 燃油耗率 Keywords:truck,dieselengine,fuelconsumption 图1 柴油机等比油耗万有特性曲线 (248)24- - 1 百公里耗油量实测数据 车速 km/h 百公里油耗 L/100km 转速 r/min 小时油耗量 kg/h 30 29.73 713 7.31 40 32.09 950 10.53 50 34.53 1188 14.16 60 37.55 1425 18.47 70 41.20 1663 23.65 力: (1)轮胎的滚动阻力F1:F1=Gf 其中:G为汽车总重,f为滚动阻力因数,而f 可能是车速v的函数:f=f0+k1v。 (2)迎风阻力F2。已知汽车的迎风面积S,风 阻系数k2,则迎风阻力F2=k2Sv2。 对具体型号的汽车,可以取常数 k3=k2S,则 迎风阻力F2=k3v2。 (3)爬坡阻力 F3。已知坡度系数 i,则爬坡阻 力F3=Gi。 (4)加速阻力F4。已知汽车加速度a,则加速 阻力F4=G/ga。g为重力加速度。 汽车恒速行驶时,a=0,F4=0。计算油耗时, 通常为稳定工况,汽车恒速行驶,加速阻力为0。 已知汽车主减速比为 j0,变速箱 (8档)各档 速比为j1、j2、⋯⋯、j8,则各档的总减速比 j为 j0j1、 j0j2、⋯⋯、j0j8。 已知柴油机转速为n,车轮半径为r,则正常行 驶时车轮转速为n/j,车速为rn/j。 已知载重车总重、风阻系数、滚阻因数和车 速,就可以计算出汽车的行驶阻力,从而可以计算 出汽车行驶需克服的阻力功率P2。 已知变速箱档位、车速和车轮半径,可以计算 出柴油机转速。已知汽车的机械传递效率为η,柴 油机需输出功率P1=P2/η。已知柴油机转速和功率, 可以计算出柴油机输出扭矩。 4油耗的计算方法 假设汽车在平坦的道路上匀速行驶,暂不考虑 爬坡阻力,柴油机常用转速为 700～2400r/min, 在其中均匀取 20个点 (可以根据需要增减点数), 对应汽车的一个档位,可以计算出车速,进而计算 出行驶阻力,汽车消耗的功率,进而计算出柴油机 输出的功率和扭矩。将这20个点连线并在柴油机万 有特性图上绘出,即绘出了汽车在这一档位上对应 柴油机的运行曲线。 同样方法,可以绘出汽车各个 档位对应的柴油机运行曲线。变速箱有8个档位,可 以绘出8根曲线。已知柴油机转速、扭矩、汽车车速, 对应这 8个档位,共 160个工况点,可以绘出等车 速曲线。等车速曲线与档位运行曲线的交点即是汽 车以该车速、该档位行驶时柴油机的运转工况点(转 速、扭矩)。 在图2中绘制了对应于8个档位的运 行线,以及车速为20~90km/h的等速行驶线。 例如:80km/h等车速曲线和8档运行曲线的 交点 1900r/min、821Nm,表示汽车总重 45t, 在平路8档以80km/h匀速行驶,对应柴油机运转 工况为转速:1900r/min,扭矩:821Nm。在万 有特性曲线上插值,可以计算得到该点比油耗为 210g/(kW·h)。进而可以计算该点的小时油耗量, 再根据车速80km/h,可以计算得到百公里油耗为 52.3L。同样方法可以计算各个档位对应各个车速 的百公里油耗 (汽车总重45t,在平路匀速行驶)。 若考虑爬坡,只要在计算汽车行驶阻力时考虑爬坡 阻力,计算方法一样。 图2 在万有特性曲线上的汽车运行线 5计算模型中系数的标定 上面介绍了载重车百公里油耗的一般计算方 法,但是要保证计算的精度,计算模型中风阻系数、 滚阻因数等的确定很重要。虽然这些参数可以从汽 车教科或参考资料上选取,但资料上的系数往往 是一个范围,具体到某一个型号的汽车,这些系数还 是有相当的差异,从而造成计算结果不能满足要求。 本文想通过汽车道路性能试验数据来标定模型 参数,思路如下。 已知某载重车,总重43t,用直接档在平路上 行驶,各车速下百公里油耗如下表,通过简单的计 算,可以计算得到对应各车速下柴油机转速和小时 油耗量,参见表1。 (249) 25- - 在绘制万有特性曲线时,可以绘制成纵坐标为 小时油耗量、横坐标为转速的等扭矩曲线,如图3 所示。 在该万有特性图上,根据转速和小时耗油量通 过插值可以计算得到对应工况的扭矩,进而计算柴 油机输出功率、汽车行驶克服的功率,再根据车 速,可以计算得到汽车的行驶阻力,如表2所示。 图3 等扭矩万有特性曲线 表2 柴油机输出功率及驱动力计算 将表2中的车速和行驶阻力绘成曲线图,并拟 合成二次项多项式,如图 4所示。则很容易得到, 风阻系数k3为二次项系数0.3857,滚阻因数f=f0+ k1v中的 f0可从 0次项系数求得 f0=3487.8/43000/ 9.8=8.277×10-3,k1可从1次项系数求得k1=6.8226 /43000/9.8=1.619×10-5。 求得该车型的实际风阻系数、滚阻因数后,可 以利用标定好的模型,计算汽车在不同载重、不同 路况、不同操作方法时载重车的油耗量。 6计算分析 6.1不同载重量时的油耗计算 计算条件:载重车匀速行驶,用直接档(8 档),分别计算30,40,50,60,70,80,90km/h 时的百公里油耗量。汽车总重分别为15,25,35, 45,55,65t,计算结果如图5所示。 从图中可以看出,随着车速提高,汽车行驶中 需克服的功率增加,导致油耗量增加。随着载重量 的增加,汽车行驶克服的功率也增加,导致油耗增 加。以车速 60km/h计,空车 15t时百公里油耗 为 23.3L,额定载重 45t时百公里油耗为 42.0L, 超载 65t时百公里油耗为 55.4L。每增加 10t总 重,百公里油耗增加 6.4L。以额定总重 45t计, 40km/h时百公里油耗为 36.1L,60km/h时百公 里油耗为 42.0L,80km/h时百公里油耗为 52.3 L, 每增加10km/h车速,百公里油耗增加4.1L。 6.2不同档位时的油耗计算 计算条件:额定载重,总重 45t,分别用 8 档、7档、6档在平路行驶,车速 50km/h,计算 油耗,具体数值见表3。 表3 不同档位时的油耗计算值 转速 r/min 小时油耗量 kg/h 扭矩 Nm 功率 kW 驱动力 N 713 7.31 449.2 33.5 4022 950 10.53 492.5 49.0 4410 1188 14.16 535.7 66.6 4797 1425 18.47 586.0 87.5 5247 1663 23.65 655.9 114.2 5873 图4 行驶阻力的多项式拟合 档位 转速 r/min 扭矩 Nm 比油耗 g/(kW·h) 百公里油耗 L/100km 6 2150 334 265 48.6 7 1604 448 221 40.6 8 1188 605 211 38.8 图5 载重量和车速对油耗的影响 (250)26- - 从计算可以看出,同样车速时,选用高档位, 可以降低柴油机转速,提高柴油机的负荷率,从而 得到较好的比油耗,汽车行驶克服的阻力功率相 当,所以百公里油耗明显下降。 6.3爬坡时的油耗计算 计算条件:额定载重,总重45t。分别在8档 和 7档,以及坡度为 0和 0.01时,计算车辆的百 公里耗油量。计算结果如表4~6所示。 从计算结果可以看出,载重车爬坡时,由于要 额外克服坡度阻力作功,所以爬坡时油耗要比平路 行驶时明显高。 同样总重为 45t,坡度为 1%,以 35km/h的 车速行驶,用8档时百公里油耗为67.6L,用7档 时百公里油耗为 63.9L,低档位省油。而以 50 km/h的车速行驶,用8档时百公里油耗为67.5L, 用7档时百公里油耗为76.0L,高档位省油。这主 要是由于档位不同,柴油机的工况点不一样,比油 耗不一样造成的。爬坡时,由于负荷较高,应选择 合适档位,使得柴油机转速运行在中速1300～1600 r/min、大扭矩、低油耗范围。 6.4机械传动效率的影响 不同机械效率时车辆的百公里耗油量见表 7、 表8。 7结论 通过试验数据标定了计算模型的参数,采用本 文所建立的载重车油耗的计算方法,可以提高计算 精度。并通过计算定量分析了各种影响载重车油耗 的因素。载重量的增加、道路滚动阻力系数的增 加、坡度的增加、车速的增加都直接增加了汽车行 驶克服阻力的功率,从而导致油耗增加。但是良好 的操作习惯,使得柴油机尽量运行在万有特性曲线 的低油耗区域,可以合理的降低油耗。 适当地优化主减速比、变速箱速比、轮胎半径 等参数,也可以调整汽车特定条件下各档的运行曲 线在柴油机万有特性图上的位置,使其尽量穿越低 (比)油耗区域,也可以达到省油的目的。 来稿日期:2005年7月20日 表4 百公里油耗(坡度:0,档位:8档) 车速 km/h 转速 r/min 扭矩 Nm 比油耗 g/(kW·h) 百公里油耗 L/100km 35 962 372 222 33.8 40 1283 407 223 37.1 50 1603 448 221 40.6 60 1924 496 225 45.8 70 2245 549 238 53.6 表5 百公里油耗(坡度:0.01,档位:8档) 表6 百公里油耗(坡度:0.01,档位:7档) 车速 km/h 转速 r/min 扭矩 Nm 比油耗 g/(kW·h) 百公里油耗 L/100km 35 962 737 224 67.6 40 1283 772 206 65.1 50 1603 813 203 67.5 60 1924 861 210 74.0 车速 km/h 转速 r/min 扭矩 Nm 比油耗 g/(kW·h) 百公里油耗 L/100km 35 1290 549 212 63.9 40 1720 576 214 67.5 50 2150 606 228 76.0 表7 机械效率为1.0时百公里油耗 表8 机械效率为0.95时百公里油耗 车速 km/h 转速 r/min 扭矩 Nm 比油耗 g/(kW·h) 百公里油耗 L/100km 35 713 505 218 33.4 40 950 555 216 36.4 50 1188 612 211 39.4 90 2138 927 219 61.7 60 1425 678 206 42.5 70 1663 753 205 46.9 80 1900 836 210 53.2 车速 km/h 转速 r/min 扭矩 Nm 比油耗 g/(kW·h) 百公里油耗 L/100km 35 713 481 219 32.0 40 950 528 216 34.6 50 1188 583 211 37.4 90 2138 883 219 58.7 60 1425 646 208 40.8 70 1663 717 206 44.8 80 1900 796 210 50.8 (251) 27- -