营运客车燃油经济性模拟分析

张棣华，武文科，朱谱

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

营运客车燃油经济性模拟分析

张棣华，武文科，朱谱

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

汽车在出现的一百多年里为人类的生活、工作发挥了重大作用，但其为人类生活、工作提供便利的同时也破坏了人类赖以生存的自然环境。交通运输业作为国民经济的支柱产业、经济循环的纽带桥梁，每年消耗的石油约占总全社会总消耗量的1/3以上。提高车辆的燃油经济性无论对环境还是经济都有着很大的意义。

燃油经济性；仿真模型；循环工况

CLC NO: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-47-03

前言

燃油经济性是汽车最为重要与基本的性能。在传统设计中，通常需要在完成整车道路试验以后才能对车辆经济性进行评价，然而现代汽车工业的发展对新车型的开发速度和水平提出了更高的要求，因此在开发阶段就需要对汽车的性能有一定的准确预测。随着汽车技术及计算机模拟技术的发展以及对车辆经济性的关注度的提高，计算机仿真模拟成为了一种很好的解决办法，车辆经济性分析己经在概念开发阶段就开始进行了。通过这样的模拟与分析，既节省了大量的试验费用，又大大缩短了设计周期，并且使相关设计人员对自己所设计的整车有了一个概括和方向性的了解。

1、客车燃油经济性的仿真分析

1.1 发动机外特性模型的建立

对于已知试验数据的发动机，其外特性功率可以看作是发动机转速的一元函数，常用最小二乘法获得拟合函数。

在发动机外特性台架试验中，可以得到节气门全开时，一组发动机不同转速所对应的转矩、燃油消耗率等试验数据。将这组试验点用最小二乘法拟合成数学表达式。分别用x表示发动机转速，y表示功率，s为拟合多项式的最高阶数。假定其函数形式为式（1）所示：

s为拟合曲线的阶数，一般s=3时，拟合曲线的精度相对较好。

1.2 发动机万有特性模型的建立

所谓发动机万有特性曲线就是在一张图上较为全面地反映发动机等效燃油消耗率与转速、转矩关系的特征曲线。数值逼近是为得到一个精确解或足够精确的解，拉格朗日插值是数值逼近的一种手段。对某个多项式函数，已知有给定的k+1个取值点：（x0，y0），……，（xk，yk）。其中xj对应着自变量的位置，而yj对应着函数在这个位置的取值。假设任意两个不同的xj都互不相同，那么应用拉格朗日插值公式所得到的拉格朗日插值多项式为式（2）所示：

其中每个lj(x)为拉格朗日基本多项式（或称插值基函数），其表达式为式(4)所示：

拉格朗日基本多项式lj(x)的特点是在xj上取值为1，在其它的点上取值为0。

构造二元多项式如式（4）所示：拉格朗日方法插值条件式（5）所示：拉格朗日方法插值多项式为式（6）所示：线性插值基函数lj(x,y)应满足1.lj(x,y)为分段线性函数；

1.3 汽车燃油经济性的计算

在汽车设计与开发工作中，常需要根据发动机台架试验得到的万有特性图与汽车功率平衡图，对汽车燃油经济性进行估算。本节将介绍燃油经济性循环行驶试验工况的各工况，如等速行驶、加速、减速等行驶工况的燃油消耗量计算方法。

1.3.1 等速行驶工况燃油消耗量的计算

在万有特性图上有等燃油消耗率曲线。根据这些曲线，可以确定发动机在一定转速n、发出一定功率Pe时的燃油消耗率。发动机应提供的功率为式（7）所示：

根据等速行驶车速ua及阻力功率，在万有特性图上（利用拉格朗日插值法）可确定相应的燃油消耗率b，从而计算出以该车速等速百公里燃油消耗量（L/100km）为为式（8）所示：

式中，b为燃油消耗率[g/（kW·h）]，ρ燃油的密度（kg/L），g为重力加速度（m/s2）。

1.3.2 等加速行驶工况燃油消耗量的计算

把加速过程分隔为若干区间，每个区间的燃油消耗量可根据其平均的单位时间燃油消耗量与行驶时间之积来求得。各区间单位时间燃油消耗量Q（nmL/s）燃油消耗量通为式（9）所示：

式中，Qt（n-1），Qtn为tn-1,tn各个时刻的单位时间燃油消耗量（mL/s）。

整个加速过程的燃油消耗量Qt（mL）为式（10）所示：

1.3.3 等减速行驶工况燃油消耗量的计算

减速行驶时，节气门松开（关至最小位置）并进行轻微制动，发动机处于强制怠速状态，其油耗量即为正常怠速油耗。若时间为ts（s），则燃油消耗量Qid（mL）为式（11）所示：

式中Qd为怠速燃油消耗率（mL/s）

1.3.4 整个循环工况的百公里燃油消耗量

对于由等速、等加速、等减速等行驶工况组成的循环，其整个试验循环的百公里燃油消耗量（L/100km）为式（12）所示：

式中，为所有过程油耗量之和（mL），s为整个循环的行驶距离（m）。

2、循环工况

2.1 各档等速百公里燃油消耗量

等速行驶百公里燃油消耗量是指汽车在一定载荷（我国标准规定轿车为半载、货车为满载）下，以在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。

2.2 六工况循环

在六工况试验规范中，规定了试验条件如道路、气候条件、汽车技术状况和试验仪器等，并规定了每一工况时间历程。六工况包括三个等速工况、两个加速工况和一个减速工况。分别计算等速工况、加速工况、减速工况的燃油消耗量，然后相加求和，在转换成百公里燃油消耗量。具体说明见表1。

表1 商用车六工况

3、燃油经济性模拟仿真软件设计与分析

在程序中，首先进行客车发动机外特性、万有特性曲线拟合，拟和得到转速和功率二元函数多项式。等速百公里、六工况油耗计算在拉格朗日插值基础上进行。

3.1 系统的输入

该系统需要的参数主要包括需要模拟车辆数据主要有：整车参数如整车质量，空气阻力系数，主减速比和各档减速比等。

表2 整车基本参数

3.2 系统的输出

3.2.1 各档等速百公里燃油消耗量注：车速单位km/h，油耗单位为L/100km

表3 各档等速百公里燃油消耗量

3.2.2 六工况燃油消耗量

表4 六工况燃油消耗量

4、结束语

本文运用VC++软件进行燃油经济性的计算分析，以等速百公里燃油消耗量以及六工况燃油消耗量作为衡量燃油经济性的标准。开发客车燃油经济性模拟仿真系统，对客车燃油经济性采用数学描述的方法，在VC++的开发平台上编制了客车燃油经济性模拟计算软件。以某客车为例，利用该系统对其燃油经济性各项评价指标进行模拟计算仿真，进一步说明了模型的实用性。

[1] 余志生,夏群生.汽车理论［M］.北京:机械工业出版社,2009:41-73.

[2] 王望予,张建文.汽车设计［M］.北京:机械工业出版社,2011:1-51.

[3] 魏朗,陈涛.VC++程序设计攻略教程［M］.西安:电子科技大学出版社,2004:1-112.

[4] GB/T 27840-2011,重型商用车辆燃料消耗量测量方法［S］.北京:中国标准出版社,2012.

[5] GB/T 12545.2-2001,商用车辆燃料消耗量实验方法［S］.北京:中国标准出版社,2002.

[6] JT/T325-2010,营运客车类型划分及等级评定［S］.北京:中国标准出版社,2010.

Simulation Analysis on Fuel Economy of Operating Passenger Cars

Zhang Lihua, Wu Wenke, Zhu Pu
( Chang’an University, School of Automobile, Shaanxi Xi'an 710064 )

A Appeared in more than one hundred years,car played a major role for people's life and work,it’s provided convenience for people living and working, however, destroyed the natural environment we live in at same time. Transportation industry is the pillar industry of national economy, the consumption of oil accounted for about a year more than one third of total consumption of the whole society. Improve the fuel economy of vehicles for both the environment and economic has a great significance.

fuel economy; simulation model; circulation conditions

U462.3

A

A1671-7988(2017)01-47-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.018

张棣华，就读于长安大学汽车学院。