重型商用车行驶阻力与燃料消耗量相关性分析

尹贻军 李 博

（1-中国重型汽车集团有限公司汽车研究总院 山东 济南 250101 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

重型商用车目前采用GB/T27840-2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》[1]标准进行底盘测功机燃料消耗量测试，该标准对燃料消耗量的测量方法做了详细规定，适用于最大设计总质量大于3 500kg的商用车。对于车辆行驶阻力在底盘测功机上的设定，该标准规定，既可以采用推荐阻力系数[2]，又可以采用实际滑行阻力系数。在整车油耗测试方面，该标准中规定了碳平衡法、质量法和容积法3 种测试方法。本次试验采用推荐阻力系数和实际测量行驶阻力系数对比的方式，在重型底盘测功机上进行3 个完整的C-VTVC 循环测试。试验过程中，使用CVS全流排气污染物测量系统测量排气污染物浓度和排气流量，采用碳平衡法进行燃料消耗量计算，最终的燃料消耗量取3 次测量结果的算术平均值。对测量结果的比较，以推荐阻力系数测得的综合燃料消耗量为基准，将2 次实际测量结果与基准相减，从而得到整车燃料消耗量的降幅与行驶阻力减幅（减小幅度）的相关性。

重型商用车燃料消耗量的影响因素诸多，从整车开发角度来讲，燃料消耗量与发动机标定开发、传动系统匹配、整车后桥速比、整车造型等因素息息相关[3-4]，从测试角度来讲，燃料消耗量与测试设备精度、试验环境及驾驶员行为习惯均有关[5]。研究表明，重型商用车加装气动附件，可以有效减小其行驶阻力，最大可减小14.51%[6]。本文旨在研究某重型牵引车采用不同挂车外形的行驶阻力减小情况，得到其行驶阻力减幅与燃料消耗量降幅的关系，作为该类型车辆降低油耗的参考。

1 试验方法

1.1 行驶阻力

车辆行驶阻力的测定在干燥平直的试验场直线性能路上进行，试验过程中，大气湿度、温度和风速均满足要求。为了满足试验一致性要求，试验风速均小于1 m/s。道路试验前，车辆在试验路段以中高速至少热车40 min，在水温达到80 ℃且机油温度达到85℃后，进行滑行测试。将车辆加速到规定车速后，将变速器置于空挡位置进行滑行，直至车速小于15 km/h[1]。测量从v2=（v+5）km/h 减速至v1=（v-5）km/h 所需时间，每组测试往返各1 次，每次试验共进行8 组测试。行驶阻力的计算公式如下：

式中：F 为行驶阻力，N；P 为行驶阻力功率，kW；M 为最大行驶总质量，kg；T¯为车辆从v2减速到v1的平均时间，s；RR为车速为v 时的滚动阻力，N；Rw为车速为v 时的空气阻力，N；RT为总行驶阻力，N；t 为大气温度，℃；t0为基准温度，t0=20 ℃，d 为试验条件下的空气密度，kg/m3；d0为标准状态下的空气密度，d0=1.189kg/m3；Δv=v2-v1，km/h；K 为校正系数；KR为滚动阻力的温度校正系数，KR=6×10-3℃-1。

1.2 燃料消耗量

车辆在底盘测功机上固定之后，输入行驶阻力系数，将底盘测功机设置为道路阻力模拟模式进行测试。正式试验前，对车辆进行2 个完整的C-WTVC循环，以便充分预热。试验过程中，通过全流稀释采集系统对发动机的THC、CO 和CO2等排气污染物浓度进行实时采集。试验结束后，通过碳平衡法进行每个循环工况燃料消耗量的计算，计算公式如下。

式中：Q 为燃料消耗量，L/100 km；HC 为碳氢化合物排放量，g/km；CO 为一氧化碳排放量，g/km；CO2为二氧化碳排放量，g/km；ρg为15 ℃下燃料密度，kg/L；FC综合为完整C-WTVC 循环下的燃料消耗量，L/100 km；FC公路为公路部分燃料消耗量，L/100 km；FC高速为高速部分燃料消耗量，L/100 km；D公路为公路里程分配系数；D高速为高速里程分配系数。

2 试验结果

2.1 试验工况分析

试验样车为N3 类牵引车，根据GB/T27840-2011 标准规定，只进行市郊和高速工况试验。图1 为实际行驶工况，前384s 进行市郊工况试验，后516 s进行高速工况试验，总行驶时间为900 s。

图1 C-WTVC 循环工况

图2 为发动机转速与行驶时间的关系。

结合图1 和图2 可以看出，车辆在加速过程中，发动机转速在1 200～1 600 r/min 范围内，发动机工作在最大转矩区域，根据燃料喷射量MAP 标定原则，此时，燃料喷射量为最大值，此时的CO2排放量应该最大。

图2 发动机转速与行驶时间的关系

图3 为CO2排放与行驶时间的关系。

图3 CO2 排放与行驶时间的关系

从图3 可以看出，加速过程中，CO2排放陡然上升，最大值达到23 307×10-6；而在高速工况，当车速稳定在85 km/h 左右时，发动机转速稳定在1 150 r/min左右，CO2排放在10 000×10-6左右。

图4 为车辆挡位分布散点图。

图4 车辆挡位分布散点图

由图4 所示的车速和发动机转速的车辆挡位分布散点图可以看出，车辆在最高挡位时，车速在80km/h 以上，发动机主要工作区域为1 100～1 200r/min，该区域为发动机的有效比油耗最低区域，处于柴油机万有特性曲线中的最低有效比油耗区域，说明该车辆的动力性和经济性匹配结果良好。

2.2 行驶阻力分析

进行行驶阻力测试的车辆使用标准挂车和低阻挂车2 种不同外观的挂车，箱体尺寸均满足GB/T 1413-2008《系列1 集装箱分类、尺寸和额定质量》[6]标准要求的1AA 型集装箱尺寸，长×宽×高=12 192 mm×2 438 mm×2 591 mm，试验车辆总质量为48 930 kg，整个试验环境平均风速小于1 m/s。2 次试验环境条件如表1 所示。

表1 行驶阻力测试环境条件

经过计算，得到车辆修正到基准状态（温度为20 ℃，大气压力为100 kPa）下的行驶阻力见表2。

表2 不同车速下的行驶阻力

图5 为车辆行驶阻力与车速的关系。

从图5 可以看出，在所有车速下，车辆的实际行驶阻力均小于推荐值，减幅在20%～40%之间，减幅明显。

图5 车辆行驶阻力与车速的关系

图6 为实际行驶阻力相对于推荐值的减幅。

图6 实际行驶阻力相对于推荐值的减幅

从图6 可以看出，车速从90 km/h～15 km/h，车辆行驶阻力减幅大体呈下降趋势，主要是因为车辆的风阻在高速工况占主导作用。从车辆整体行驶阻力减幅来看，与由推荐阻力系数计算的阻力相比，使用标准挂车的整车，平均行驶阻力降低29.0%；使用低阻挂车的整车，平均行驶阻力降低36.8%。因此，建议重型商用车企业在试验场地条件允许的情况下，尽可能采用实际道路滑行法进行行驶阻力测量，相比于推荐值，，测量结果更接近于车辆的实际行驶阻力。

2.3 油耗和行驶阻力相关性分析

采用表2 中的3 种阻力分别对车辆进行3 组9次完整的C-WTVC 循环，每组进行3 次综合燃料消耗量测量，结果取算术平均值，得到最终车辆百公里油耗，如图7 所示。

图7 不同方案的整车油耗

从图7 可以看出，使用推荐阻力系数得到的综合油耗不满足标准限值40L/100km[7]的要求；使用实际行驶阻力的车辆，燃料消耗量在标准限值以内。与使用推荐阻力系数得到的综合燃料消耗量相比，使用标准挂车的综合油耗降低了14.8%，使用低阻挂车的百公里燃耗降低了24.3%，降幅非常明显。

图8 为平均行驶阻力减幅和综合油耗降幅的相关性。

图8 平均行驶阻力减幅和综合油耗降幅的相关性

从图8 可以看出，随着车辆行驶阻力的减小，车辆的综合油耗呈现降低趋势，且降幅明显。该车的百公里油耗降幅和行驶阻力减幅的关系式为：

呈线性关系，斜率为0.8264。

表3 为市郊和高速工况的燃料消耗量测量结果。

表3 市郊和高速工况下百公里油耗

从表3 可以看出，高速工况燃料消耗量整体低于市郊工况。主要原因有2 点：

1）市郊工况，车辆加减速工况较多，发动机大多工作在1 200～1 600 r/min 的外特性区域，燃料喷射量较多，这点从图2 可以得到印证。

2）根据重型商用车C-WTVC 循环数据统计特征，高速工况里程占据全部里程的44.33%。同时，高速工况车辆平均车速为75.772 km/h[1]。从图4 所示的车速与发动机转速的车辆挡位分布散点图可知，平均车速为75 km/h 左右的发动机工作区域主要集中在1 100 r/min 左右，该工况也是发动机万有特性曲线上有效比油耗最低的区域。因此，高速工况油耗反而远低于市郊工况油耗。

图9 为市郊工况下不同方案的油耗降幅和平均行驶阻力减幅情况。

从图9 可知，采用2 种挂车方案的市郊工况，平均行驶阻力分别减小27%和35%，百公里燃料消耗量分别降低6%和12%。

图9 市郊工况下不同方案的油耗降幅和平均行驶阻力减幅情况

图10 为市郊工况下的燃料消耗量降幅与行驶阻力减幅的关系。

图10 市郊工况下油耗降幅和平均行驶阻力减幅相关性

从图10 可知，在市郊工况下，随着车辆行驶阻力的减小，车辆的综合油耗呈现降低趋势，且降幅明显。该车的百公里油耗降幅与平均行驶阻力减幅的关系式为：

呈线性关系，斜率为0.5422。

图11 为高速工况下不同方案的油耗降幅和平均行驶阻力减幅情况。

图11 高速工况下不同方案的油耗降幅和平均行驶阻力减幅情况

从图11 可知，采用2 种挂车方案的高速工况，平均行驶阻力分别减小33%和40%，百公里燃料消耗量分别降低16%和26%。

图12 为高速工况下的燃料消耗量降幅与行驶阻力减幅的关系。

图12 高速工况下油耗降幅和平均行驶阻力减幅相关性

从图12 可知，高速工况下，随着车辆行驶阻力的减小，车辆的综合油耗呈现降低趋势，且降幅明显。该车的百公里油耗降幅与平均行驶阻力减幅的关系式为：

呈线性关系，斜率为1.3471。

从图9 和图11 可以看出，与标准挂车相比，低阻挂车的高速工况行驶阻力比市郊工况平均减小5%，高速工况油耗比市郊工况降低至少10%，这点从图10 和图12 油耗降幅和行驶阻力减幅的关系曲线斜率可以看出，高速工况斜率是市郊工况斜率的2.48 倍。由于重型半挂牵引车的高速工况在整个CWTVC 循环中特征里程分配比例高达90%，因此，高速工况对整车综合油耗的影响更大，减小高速工况的行驶阻力对整车油耗的降低起着决定性作用。

3 结论

1）C-WTVC 循环的市郊工况，行驶过程中加减速工况频繁，发动机多运转在1 200～1 600 r/min 范围内，燃料喷射量处于高位值；高速工况下，发动机主要工作区域为1 100～1 200 r/min，发动机运行在有效比油耗最低区域，车辆的动力性和经济性匹配良好。

2）推荐阻力远高于实际行驶阻力，对于使用标准挂车的，相比于推荐阻力，整车平均行驶阻力减小29.0%；对于使用低阻挂车的，相比于推荐阻力，整车平均行驶阻力减小36.8%。因此，建议重型商用车企业在条件允许的情况下，尽可能采用实际道路滑行法进行行驶阻力测量。

3）与采用推荐阻力系数得到的综合油耗相比，使用标准挂车的综合油耗降低14.8%，使用低阻挂车的百公里油耗降低24.3%，低阻挂车行驶阻力对油耗的降幅更明显。

4）高速工况的行驶阻力比市郊工况平均降低5%，高速工况的油耗比市郊工况降低至少10%。因此，减小牵引车高速工况的行驶阻力对整车油耗的降低起着关键作用。