重型商用车油耗优化研究

杜辉 蔡锦康 孟令群 江帆

摘 要：采用GT DRIVE软件，建立整车计算模型，研究了主减速比、变速箱速比、整车滑行阻力、发动机本体油耗四个因素对整车C-WTVC循环油耗的影响。结果显示，主减速比越大，发动机转速越高、负荷越低，运行点越远离发动机经济区，因此整车循环油耗也越高。变速箱对整车循环油耗的影响较小，主要原因是不同变速箱之间速比的差异并不大。滑行阻力减小，使得整车循环油耗显著降低（7.2%），说明降低整车滑行阻力是降低整车油耗的重要手段。通过发动机本体油耗使整车循环油耗降低了4.2%，由此可见，提高发动机热效率也是提高整车经济性的重要因素。

关键词：商用车;油耗;运行点

中图分类号：U473  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）14-79-04

Abstract： A vehicle simulation model is established using the GT-Drive software to study fuel consumption of C-WTVC driving cycle under the influence of four factors， including final drive ratio， transmission ratio， vehicle coast down resistance and engine fuel consumption. The simulation results show that the larger the final drive ratio is， the higher the engine speed， the lower the load， and the farther operation points away from the engine economic region， resulting in higher fuel consumption. Gearbox has a small impact on vehicle fuel consumption due to the similarity between gear ratio values of different gearboxes. The vehicle fuel consumption is significantly decreased （by 7.2%） when vehicle coast down resistance coefficient is reduced， indicating that the reduction of vehicle coast down resistance can be an important approach to optimize vehicle fuel consumption. The vehicle fuel consumption can be reduced by 4.2% with smaller engine fuel consumption， therefore decreasing engine fuel consumption is also a good option to improve vehicle fuel economy.

Keywords： Commercial vehicle; Fuel consumption; Operating point

CLC NO.： U473  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）14-79-04

前言

隨着我国经济的持续发展，汽车工业规模不断的扩大，能源短缺和环境污染等问题愈发凸显。重型商用车百公里燃油消耗量高，行驶里程长，已成为目前我国燃油消耗的主体。为了更好地开展商用车的节能减排工作，有必要研究重型商用车油耗的影响因素，找出关键参数，指导商用车的开发。

采用GT DRIVE软件，建立整车动力性经济性仿真模型，评估传动系速比、整车行驶阻力等重要因素对整车油耗的影响大小。目前工信部三阶段油耗法规对应的整车循环为C-WTVC循环，因此下文中的整车循环油耗均指代整车C-WTVC循环的百公里油耗。

1 整车参数

整车主要参数如表1所示。

2 整车油耗的影响因素研究

影响整车油耗的主要因素有以下几方面：

主减速比，影响发动机运行点分布，发动机运行点随着主减速比不同沿着等功率线移动。

变速箱速比，影响发动机运行点分布。发动机运行点随着各挡速比不同沿着等功率线移动。

换挡策略，影响发动机运行点分布。且变速箱速比、主减速比对整车油耗的影响大小受制于换挡策略的选取。目前计算时主要有三种换挡策略，固定挡位换挡、基于车速的换挡策略以及基于发动机转速的换挡策略。

整车滑行阻力，包括轮胎滚动阻力、传动系阻力、空气阻力。滑行阻力大，需求的发动机功率也大，在相同总速比和换挡策略下，发动机运行点沿着等转速线移动。

发动机万有特性油耗水平，影响相同发动机运行点分布下的消耗燃油量。

整车质量对整车行驶阻力和加速阻力有很大的影响，但由于整车质量非可变参数，不作研究。

2.1 主减速比的影响

主减速比对整车油耗的影响原理是改变发动机运行点分布，由于整车消耗的功率不变，发动机运行点将沿着等功率线移动。若主减速比减少，发动机运行点将由高转速低负荷移动到低转速高负荷的等功率点，且新的转速大小取决于速比改变的大小。

图1为不同主减速比大小下整车油耗的计算结果。结果显示，主减速比对整车C-WTVC循环的影响很大，主减速比越高，油耗越高。其中主减速比由4.33增加至5.375，油耗从12.83L/100km增加至13.36，增幅4.1%。因此主减速比也是影响油耗的重要因素。考虑到主减速比还影响整车动力性，3.73的速比过小，因此不推荐3.73的主减速比方案，而采用4.33的主减速比方案。

图2是主减速比分别为4.33和5.375时，发动机运行点分布情况，可以明显看到，主减速比为4.33时，发动机运行点更偏向低速，负荷也更高;而主减速比為5.375时，发动机更偏向高速，负荷也更低。负荷更高，运行点更靠近高效区，这是主减速比4.33的整车循环油耗更好的原因。

2.2 变速箱的影响

变速箱速比和主减速比对整车循环油耗的影响都是使到发动机运行点沿着等转速线移动，因此两者有相似之处。两者的主要不同点在于，变速箱速比的变化幅度相对较小，主减速比的变化幅度大一些，因此主减速比的影响更大;另一方面，变速箱挡位数多，可以更精确的控制发动机运行点的分布情况。选取三组不同变速箱，评估变速箱对整车循环油耗的影响，其中变速箱1为原机变速箱。三组变速箱速比如图3所示。

不同变速箱的整车循环油耗计算结果如图4所示。可见，变速箱对整车油耗的影响约1%，相对较小。主要原因是三组变速箱4-6挡速比相同，只有1-3挡速比不同，且速比的差异幅度并不大。由于更改变速箱比更改主减速器更加复杂，而更改主减速器的效果更好，因此保持原有的变速箱不变。

2.3 滑行阻力的影响

选取两组实车滑行阻力作为对比，如图5所示。参考2车辆阻力明显小于参考1车辆，不同车速下阻力差异达到200N以上。由于滑行阻力的大小直接决定了驱动功率的需求，可以预见，参考2阻力的整车循环油耗要低。

两组滑行阻力的整车循环油耗计算结果如下图所示。采用参考2阻力，整车油耗比参考1阻力低0.93L/100km，降幅7.2%。从发动机运行点分布图也可以明显看出，采用参考2阻力时发动机运行的负荷较低，因此整车循环油耗较好。需要说明的是，在此处发动机运行负荷较低导致整车循环油耗好的原因是，发动机消耗的总功率降低，导致总的燃油消耗量降低。在对比主减速比（变速箱）的影响时，发动机消耗的总功率相同，发动机运行在小负荷区域时的比油耗大，导致总的燃油消耗量增加，这与滑行阻力的影响是不同的。

由于整车滑行阻力对整车循环油耗的影响十分巨大，因此车企应当通过减小传统系统阻力、优化整车风阻等方法减小滑行阻力，提升整车经济性。

2.4 发动机本体油耗的影响

发动机本体比油耗也是影响整车循环油耗的重要因素。因此，根据整车C-WTVC循环发动机的运行点分布情况，结合原机油耗水平，通过标定优化了发动机局部区域的油耗，如图8所示，针对200Nm以下的区域进行了发动机本体油耗的优化。

采用优化后的发动机油耗万有特性计算整车循环油耗，结果如图9所示。可以看出，整车油耗降低了0.5L/100km，降幅4.2%。由此可见，发动机本体油耗也是影响整车循环油耗重要因素。

3 结论

（1）主减速比越大，整车循环油耗越高。主减速比为5.375时的整车循环油耗相对主减4.33时增加了4.1%。

（2）变速箱对整车循环油耗的影响相对较小。

（3）采用参考2车辆滑行阻力系数，整车循环油耗比参考1车辆降低7.2%。因此应当着重研究降低整车阻力方法，以进一步降低整车油耗。

（4）通过优化发动机本体油耗，整车循环油耗降低了7%。

参考文献

[1] 高延龄.汽车动力性[M].人民交通出版社，1999.

[2] 谷正气.汽车的空气动力特性[M].机械工业出版社，2015.

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