汽车油耗的测量与计算研究及其进展

汽车油耗的测量与计算研究及其进展 第25卷第1期北京工商大学(自然科学版)vo1.25N..1 322007年1月JournalofBeijingTechnologyandBusinessUniversity(NaturalScienceEdition)Jan.2007 文章编号:1671—1513(2007)0l一0032.06 汽车油耗的测量与计算研究及其进展 ,叶身斌 贺新,王岐东 (北京工商大学化学与环境学院,北京100037) 摘要:阐述了碳平衡法的基本原理;分析了日本,美国,欧盟等油耗标准或法规的碳平衡法公式. 通过对油耗的测量方法和几个典型的油耗模型的介绍,为油耗的研究提供理论依据,进而为城市交 通规划提供参考.另外,实验表明,单位油耗和比功率VSP存在线性关系,可以尝试在油耗研究中 引入VSP这个参数. 关键词:能源;机动车;燃油消耗;测量;模型 中图分类号:U464.113文献标识码:A 自1993年起,中国成为石油净进口国,2003年 中国的石油消费量达到2.75亿吨(每天598.2万 桶),占世界石油消费总量的7.6%,成为仅次于美 国的世界第二大石油消费国.长远看,未来中国石 油需求和对世界石油市场的依赖还将进一步增加, 石油短缺问题日益成为中国能源安全的核心….另 外,受观念,政策,资金,技术,能源价格等因素的影 响,中国能源利用效率远远低于发达国家,能源系统 总效率为9.3%,只及发达国家的50%左右_2J. 在交通运输领域,我国目前的交通能耗与总能 耗的比例已经很高,燃油消耗中交通所占比例一般 在50%左右_3J,而道路运输系统的能源消费量占整 个交通运输部门能源消费量的50%以上_4J. 从20世纪90年代起,中国机动车保有量保持 了年均13%的增长速度,是目前世界上最快的.到 2003年年底,机动车保有量达到近2400万辆』. 随着人们生活水平的提高,机动车保有量还将继续 高速增长,交通能耗与总能耗的比例将会迅速提高. 此外,排放规律和油耗规律也有一定的相关性. Post等人(1981)得出结论,CO的排放规律和油耗 规律有相似性,据此就能估算出排放量.Williams 等人(1994)扩展了这种观点,并应用于HC和No 上.尾气管中的HC类物质和油耗有很高的相关 性,而且NO的量可能会随着功率的增大而增大, 而机动车功率要求和油耗的精确关系能在标准工况 下得到.因此,弄清汽车燃油消耗规律能够为合理 的交通规划提供有力的理论指导,进而能节约能源, 减少大气污染. 国外对汽车油耗的研究最早始于20世纪20年 代,尽管对油耗的研究很多,但多数是针对发动机而 言的.从70年代开始,受全球石油危机的影响,运 输系统的燃油消耗问题受到了高度的重视. 1油耗的影响因素 一 般研究认为,影响汽车油耗的因素有30多 种,概括起来主要是三大类,即汽车自身特性,道路 交通条件和自然环境.汽车消耗燃料最根本的目的 就是做功,因此做功的多少直接影响油耗的大小. 在机动车技术水平一定的情况下,机动车的实 际行驶特征(如速度,加速度大小及其分布)以及道 路特征(如坡度)可以用一个参数来衡量,即机动车 比功率VSP(vehiclespecificpower).其表达式为: VSP=×[1.1a+9.81×(atan(sinG))+ 0.132+0.000302.-03. 式中,VSP表示机动车比功率,kw/t;为速 度,m/s;a为加速度,m/s;G为道路坡度. 本人通过实验研究发现,机动车的单位油耗和 VSP有一定的相关性,见图1. 收稿日期:2006—11—13 作者简介:贺新(1982一),男,湖南常德人,硕士研究生,主要从事机动车污染物排放 及油耗研究 第25卷第1期贺新等:汽车油耗的测量与计算研究及其进展33 图1单位油耗一比功率 从图上可以看出,单位油耗Q随着VSP的增 大而增大,呈一定的线性关系.在预测机动车油耗 的建模过程中,通过用一个参数来反映影响机动车 油耗的几个因素,可以减少变量,简化计算.因此, 在研究机动车油耗的过程中,引入VSP的概念不 失为一个积极的尝试. 2油耗的测量 我国1977年首次发布了汽车油耗试验方法标 准,1990年进行了第1次修订,其中规定等速油耗 和多工况油耗试验在道路上进行.20世纪90年代 后期,我国参照联合国欧洲经济委员会84号法规附 录4.制订了乘用车油耗试验方法l6J,取代了原标准 中的轿车部分,其中规定工况法油耗试验必须在实 验室的底盘测功机上进行.但是,多年来我国仍主 要在试车场进行等速油耗试验.但在实际中,机动 车并不是在没风的水平地面上以恒定的速度行驶, 机动车燃油的经济性受交通流,驾驶员,机动车状况 等因素的影响,发动机是否完全被加热也会对油耗 产生影响.另外,税收政策(像燃油税等)和政府行 为也会对燃油的经济性产生影响[. 2.1直接测量 1)燃料流量测定法:在燃料管上接流量计,直 接测定燃料消耗量; 2)满油箱法:每次行驶时加满油箱,测定燃料 的消耗量; 3)利用油耗仪对汽车油耗进行实时测量. 2.2间接测量 1)燃料喷射量累计法:测定由发动机ECU发 出指令的喷射驱动信号.由驱动时间箅出喷射量, 根据它的累计算出燃油消耗量. 2)空燃比测定法:通过测定发动机吸入空气量 和空燃比,算出每个测量周期的燃油消耗量.根据 它的累计,箅出燃油消耗量. 3)碳平衡法:2003年12月1日颁布的GB/T 19233--2003《轻型汽车燃料消耗量试验方法》规定, 在实验室内测量汽车工况法排放的同时,通过碳平 衡法计算出汽车油耗J.碳平衡油耗计算法是目前 国际上通行的实验室内车辆工况法油耗试验方法, 即通过对汽车尾气[}JC02,CO,HC含量的取样并进 行计算来得到燃油消耗量(B).碳平衡法是根据质 量守恒定律,燃料经过发动机燃烧后,排气中C含 量总和与燃烧前的燃油中C质量总和相等.C原子 在汽车排气中主要以CO,,CO和HC的形式存在. 2.2.1碳平衡法的原理[9-1oJ 汽油主要是由c和H的化合物组成的混合物, 燃烧后生成不同量的CO,CO2,HC,H2O(包括气态 和液态)及NO等.不论燃烧状况如何,尾气中 CO,C02,HC中C元素的总量应当对应着所消耗汽 油中的C的含量. 碳平衡法是通过对尾气中CO,co2和HC体积 排放测量的分析,得到排气中单位里程内的C元素 含量,再与所用汽油中C元素含量相比而间接得出 B的方法. 不管按照何种运转循环进行油耗测试,假定汽 车运行了Lkm,汽车平均油耗为FEkm/I,燃油密 度为』DFkg/m,燃油中C质量含量为CWFF,所消 耗汽油中的C质量为 肘z=lDF×CWFF×L/,E(1) 按照汽车排放测试标准,可测量?汽车按照运 转循环运行Lkm后,其排气中C02,ECO,HC的排 放量(g/km),分别以E?,E),EHc来表示.另外, C02和CO中C的质量分数为0.273,0.429,HC中 C的质量分数的计箅公式为 C?,FH(=12/(12+),(2) 所以,排气中C质量之和为 聍c二(0.273×Ec【)十0.429×EcO+ CWFH[×EHC)×L,(3) 由(1)式和(3)式相等得到油耗公式为: FE=IDF×CWFF/(0.273×Ec【)+ 0.429×Ec0+CWFuc~.×EHC),(4) 由此得到100km油耗量公式为 Q=100×(0.273×Ec()一 +0.429×ECO+ CWFHc×EHc)/(IDF×CWFv).(5) 34北京工商大学(自然科学版)2007年1月 2.2.2基于碳平衡法的各国油耗公式 由碳平衡原理得到的公式,在日本,美国,欧盟 标准或法规中出现了不同的表现形式,并且随着时 问而修正. ?Et本油耗公式 Et本标准协会制订的汽车油耗试验方法自 1983年就采用了平衡法计算油耗,该标准于1994 年进行了修订,但没有变化. 汽油车: FE=649/(0.273×Eco一 +0.429× Eco+0.866×EHc);(6) 柴油车: FE=735/(0.273×Eco. +0.429× Eco+0.866×EHc).(7) 式(6),式(7)是假定汽柴油在15?下的密度分 别为749kg/m,849kg/m,且燃油中碳质量比 CWF=0.866.排气中碳氢化合物的碳质量比 CwFH=0.866的情形下,对式(4)的简化. ?美国油耗公式 美国油耗法规早在1978年就采用了碳平衡法 计算汽车油耗,法规中的计算公式为式(8),式(9). 汽油车: MPG=2421/(0.273×Eco+0.429×Eco+ 0.866×EHc(mile/ga1));(8) 柴油车: MPG=2778/(0.273×Eco+0.429×Eco+ 0.866×EHc(mile/ga1)).(9) 式(8),式(9)是假定汽柴油密度分别为739 kg/m,848kg/m,且燃油中碳质量比,排气中碳氢 化合物的碳质量比CWFF和CF胁均为0.866 的情况下,对式(4)的简化,其中二氧化碳,一氧化碳 和碳氢化合物排放量使用英制单位g/mile,油耗单 位是mile/gal(=0.425km/m). 1988年美国对上述油耗法规进行了修订,柴油 车的油耗公式保持不变,而汽油车的碳平衡法公式 修正为: MPG=(51740×CWFF×pF/[(0.273× Ecn+0.429×Eco+CFH×EHc)× (6×10一×pF×NH+5471)](mile/ga1). (10) 式(10)中NH为试验燃料的净热值(Btu/lb, 根据BOSCH汽车工程手册l1,普通汽油典型值约 为42.7MJ/kg(?18360Btu/lb). 当汽油密度pF取值739,749kg/m,NH取 上述典型值时,式(10)与式(4)计箅结果相差在 0.4%以内.所以如果不能实测试验燃料的相关特 性值,也可采用较简单的式(4). 1993年美国油耗法规对计算公式进行了补充, 考虑到甲醇汽车,天然气汽车的发展,根据甲醇,天 然气的特性,法规中相应补充了油耗计算公式,详见 文献[12]. ?欧盟油耗公式 欧盟制订的汽车油耗试验方法[1o]自1993年采 用了碳平衡法计算油耗,于1999年进行了修订,但 只是试验循环发生变化,计算公式没有变化. 汽油车: Q=115.4/pF×(0.273×Eco+0.429×Eco+ 0.866×EHc)(i~/100km);(11) 柴油车: Q=115.5/PF×(0.273×Ec()+0.429×E?+ 0.866×EHc)(i~/100km).(12) 式(11),式(12)是假定汽油,柴油的氢碳比分别 为1.85,1.86,即汽油,柴油中碳质量比CFF分别 为0.8664,0.8658,且排气中碳氢化合物的碳质量 比率C=0.866的情形下,对式(4)的简化. 另外,与日本,美国公式不同,欧盟油耗法规计算的 是100km油耗. 2.2.3各国油耗公式的比较 下面通过比较基本油耗子公式(4)中参数的不 同取值,来比较各国油耗公式的不同,见表1. 表1各国油耗公式参数取值比较 研究表明(方茂东和郑贺悦,2003),采用同一组 数据,美国,日本,欧盟目前采用的公式的计算结果 差别很小.排气中碳氢化合物的氢碳比几乎对最终 计算结果没有影响,汽油中氢碳比在典型值的10% 内变化时,对计算结果的影响在试验误差范围内,可 以不予考虑. 第25卷第1期贺新等:汽车油耗的测量与计算研究及其进展35 3油耗模型 油耗模型从建模方法上讲一般可分为三大类: ?多元回归油耗模型;?理论油耗模型;?台架实验 油耗模型. 3.1多元回归油耗模型【?] TheAustrilianElementalModel是最着名的油 耗模型,这个模型把油耗表示成3个主要因素的函 数,这3个因素就是机动车的3个行驶模式:怠速, 匀速以及怠速和匀速之间的过渡(包括加速和减 速).这个模型的一个比较有用的表达形式如下: F=_厂l+f2×d+f3×h,(13) 式(13)中,,'表示单位里程平均油耗;d表示单 位里程内的怠速延误时间;h表示单位里程内的平 均停车次数;f表示匀速行驶时的单位里程平均油 耗;f2表示怠速时单位时间内的平均油耗;f3表示 每次停车的额外油耗. 在预测交通灯控制对油耗的影响方面,有以下 比较成熟的模型: Robertson建立了如下的方程 F=a×L+b×S+c×D,(14) 式(14)中,F表示总油耗,I;L表示总行驶里 程,km;S表示总的停车次数;D表示总的延误时 间,h. 各个系数来自于一系列的测试,通过回归得到. 它们取决于城市道路的特征,如交通混合情况,匀速 行驶速度,道路倾斜度等等. Cohen得出了一个适用于中等轻型车的公式 (15): E=以×T+b×L+c×N+d×To,(15) 式(15)中,E表示油耗,I;丁表示行驶时间,h; L表示行驶里程,km;N表示停车次数;To表示怠 速时间,h. 3.2台架实验油耗模型 反映汽车燃油消耗特征的指标有两类,即发动 机燃油消耗指标和汽车整体燃油消耗指标.通常以 发动机的比油耗ge(g/kW?h)来评价发动机燃油消 耗,以实际油耗Fr(mI)或百公里油耗Q(1/100 km)来评价汽车整体燃油消耗【14]. 台架实验模型主要用于分析发动机的燃油消耗 特性,要想用该模型预测交通系统燃油消耗需要通 过一系列的复杂计算才可能实现. 发动机比油耗是发动机转速和功率的函数, 即: gef(/,g,),(16) 式(16)中,为发动机的比油耗(g/kw?h)," 为发动机的负荷率,即发动机的输出功率与发 动机的最大输出功率之比,即:"=Pe/Pe, 为发动机转速(r/min). 由此可计算出汽车实际油耗和百公里燃油消 耗: F(,:丝盟( mI),(17)1000L??|D,…/', 式(17)中,L为汽车行驶距离(m);p为燃油密 度(g/mI);为汽车行驶速度(km/h). 从上述分析不难看出,影响汽车燃油消耗的因 素很多,从汽车性能上看,主要影响因素有发动机的 功率,转速及反映发动机燃油消耗特性的比油耗曲 线【14].这些因素都会随着汽车行驶状况的改变而 发生变化.在城市交通系统中,汽车的行驶状况会 受到诸如交通量,行驶速度,交叉口间距和控制方式 等的影响[. 3.3理论油耗模型 3.3.1理论油耗模型I【16] 理论油耗模型建立在发动机油耗是发动机功率 和转速的函数.而发动机功率又可细分为内部功率 和外部功率,内部功率用于克服发动机内部摩擦, 附属设施(风扇,电机等),外部功率则用于克服道路 阻力,空气阻力等.类似,发动机也因此分为内部 功率所需油耗和外部功率所需油耗.上述理论可用 式(18),(19),(20)表示: UFC=F(HP,RPM),(18) HP=HP+HP,019) UFC=UFC+UFC(20) 式(18),(19),(20)中UFC为单位油耗;liP 为发动机功率;RPM为发动机转速;HP,为发动 机内部输出功率;H,为发动机外部输出功率; UFC为发动机内部功率油耗;UFC为发动机外 部功率油耗. 在油耗理论中,将单位输出功率所消耗的燃料 定义为比油耗.一般研究都认为比油耗a是发动机 转速的函数并可以近似地表示为线性关系: 口=UFC/HP=口l+口2?RPM,(21) 如果将式(21)中HP分解为内部功率(用于发 动机摩擦,电机,风扇)和外部功率(用于克服道路 36北京工商大学(自然科学版) 阻力等)两个部分,则式(21)变为: UFC=(.l+a2?RPM)?HPn+ (口l+a2.RPM)?HP(22) 由于内部功率数值较小,且难以估计,一般将其 定义为常数,这样理论油耗就成为发动机转速和输 出功率的函数,它包含内部功率油耗和外部功率油 耗两个部分. 定义口lHP=UFC,a2HP=口3则式(22)可 整理如下: UFC=UFC面+a3.RPM+口l?HP+ a2'RPM?HP(23) 这样以UFC,HP及RPM为变量,通过恰当 的野外油耗实验,利用统计回归的方法,对式(23)中 的参数UFCal,a2,a3进行标定,即可建立不同 车型的油耗预测模型. 式(23)的理论油耗模型是针对外部功率大于零 的情况,当外部功率小于等于零时,外部功率与发动 机油耗没有相关关系(不产生油耗),此时式(23)变 为: UFC=UFC+a3'RPM(HP?0).(24) 3.3.2理论油耗模型lI[] 机动车克服阻力和产生加速度需要功率.驱动 机动车的瞬时功率可用式(25)表示: Zt=Zd+Zr+Za+Ze+Zm,(25) 式(25)中,Zd,Zr,Za,Ze和Zm分别表示克服 驱动阻力,轮胎滚动阻力,空气动力学阻力,惯性与 重力阻力所需的功率和附属设备(如空调)所需功 率.根据Richardson(1982),主要的计算式(用kw 表示)为: Za=2.36×10一M,(26) Z,=(3.72×10一+3.09×10一)M,(27) Za=1.29×10CaAv,(28) Z,=2.78×10叫(&+gsin0)My.(29) M(kg)表示机动车惯性质量,(km/h)表示机 动车速度,a(m/s)表示加速度,Cd表示空气阻力 系数,A(rn)表示机动车迎风面积,0表示道路坡 度.根据在底盘测功机上的测试结果,轮胎压力的 增大能减小滚动阻力.zr的值应在上述公式的计 算值的基础上减去0.3.Zm根据使用的附属设备 的类型而定. 详细的速度时间关系知道的情况下,瞬时功率 的模型就能适用,人们普遍接受的观点是,燃油消 2007年1月 耗率(mI/min)和总的瞬时功率(kW)成线性关系, 如式(30): F,=Og+,=C+gZ,,(30) a表示怠速油耗率,是功率产生过程中热力 学效率的量度.对于火花点燃式(sparkignition,SI) 发动机,Post等人(1981)发现,怠速燃油流率与发动 机排量(enginecapacity,EC,litres)成比例.直线斜 率就是),值, 3.4几类油耗模型的比较 对于第一类模型,由于它来自于大规模的野外 实验,因此具有很高的置信度.但这种方法有一个 缺点,那就是异地使用性能差.而台架实验模型的 基础是比油耗一功率一转速图,由于它们是由室内 实验得到的,因此可以使用在任何地方.但它的缺 点一是可信度差,二是需要有专门的设备取得实验 数据.第二类模型即理论油耗模型是根据能量守恒 原理,利用牛顿法则通过力学分析和实验标定建立, 用这种方法建立的模型能克服上述两种模型的缺 点,表现了高的置信度和异地使用性,因此被认为是 一 种较好的建模方法l1. 4结论及展望 目前对油耗研究的趋势大体可分二个方向:微 观方向和宏观方向.微观方向侧重于对发动机的研 究,例如对点火提前角和油耗关系的研究等,为发动 机技术革新提供依据.宏观方向侧重于和交通模型 结合起来,为交通布局和城市规划提供依据. 随着中国经济的发展,城市化进程的加快,基础 设施(包括公路)的建设,迫切需要交通系统的节能 和低排放,这就涉及到可持续交通理论中的能源和 环境两大要素l1.城市规划中交通路口和网格的 布局与是一个很重要的组成部分.交通路口通 过影响车辆运行的速度来影响交通效率,对速度的 影响又能影响汽车的燃油消耗,这是比较微观的层 面.交通网格的设计对交通效率的影响体现在更大 的尺度上.道路网格可采取3种形式:均匀网格形 式,环形路为主路的布局和直干路为主路的布局. 在一个城市的规划中如何将这3种形式有机结合起 来,使城市交通系统更高效,更环保,更低耗,最大限 度地满足可持续交通的能源战略,是环境工作者和 城市规划工作者共同努力的目标.例如,在有交通 信号灯控制的情况下,研究汽车的运行速度预测模 第25卷第1期贺新等:汽车油耗H测量与计钟:研究及其进展37 型和运行速度影响下的燃油消耗预测模型是一个基 础,也很重要的方面,它能为我们在更大尺度上寻求 交通系统效率优化和能源优化的结合点提供理论基 础. 参考文献: [1]中国现代国际关系研究院世界经济研究所.国际战略 资源调查[M].北京:时*出版社,2005. 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HEADWAYANDPROSPECTOFSTUDYON VEHICLEFUELCONSUMPTION HEXin,WANGQi—dong,YIEShen—bin (CollegeofChemicalandEnvironmentalEngineering,BeOingTechnologyand BusinessUniversity,Bering100037,China) Abstract:Thebasicprincipleofthecarbonbalancemethodhasbeendescribedinthispaper.Th edif— ferentformulasinstandardsorregulationsofJapan,theUSandEUhasbeenanalyzed.Measur ements andmodelsofvehiclefuelconsumptionhavebeenintroducedandusualmethodologiesinstudyingvehi— clefuelconsumptioncanbegained.Itcanprovidereferencesforurbantrafficprojects.Experiments indicateUSthatthereisalinearrelationshipbetweeninstantaneousfueIconsumptionandVSP.VSP canbeusedintheinvestigationofvehiclefuelconsumption. Keywords:energyresource;vehicle;fuelconsumption;measut.ment;model (责任编辑:檀彩莲)