郑天雷，金约夫，张晓龙

(中国汽车技术研究中心 天津 300300)

0 引 言

燃料消耗量是衡量汽车性能的重要指标。重型商用车是我国柴油消耗的主体，其中货车保有量最大且年均行驶里程较长，在重型商用车柴油消耗总量中占比最高。本文以货车为研究对象，基于开发的模拟软件对重型货车各关键参数对燃料消耗量的影响进行模拟计算和量化分析，为燃料经济性的改善和效果评估提供参考。

1 试验工况及模拟软件

汽车燃料消耗量的影响因素主要包括两个方面(见图1)：一方面是车辆本身的因素，如车辆的质量、排量等技术参数以及发动机、变速器等部件的技术性能等；另一方面是外部因素，如车辆的行驶环境、行驶工况和司机的驾驶习惯等。

本研究主要针对车辆本身因素对燃料消耗量的影响开展分析，因此车辆在相同的驾驶循环、环境条件和换挡规范下进行测试，其中行驶工况采用C-WTVC循环。[1]C-WTVC循环是在世界重型商用车辆瞬态循环基础上进行调整形成的车辆瞬态循环工况，由市区、公路、高速 3段工况组成，工况曲线如图 2所示。C-WTVC循环的速度，加速度等特征参数如表1所示。

图1 燃料消耗量影响因素Fig.1 Influence factors of fuel consumption

图2 C-WTVC循环工况曲线Fig.2 C-WTVC driving cycle curve

表1 C-WTVC循环特征参数Tab.1 Characteristic parameters of a C-WTVC driving cycle

本研究以 GB/T 27840—2011标准方法开发的“重型商用车燃料消耗量模拟计算系统”为计算工具。模拟软件以发动机万有特性试验数据为基础，根据输入的车辆参数，计算出车辆在规定行驶工况下的发动机瞬时转速和扭矩。根据转速和扭矩对万有特性数据进行插值运算，最后通过积分计算得到不同工况下的燃料消耗量。[1]软件界面如图3所示。

图3 重型商用车燃料消耗量模拟计算系统界面Fig.3 Interface of the analog computing system for fuel consumption of heavy-duty commercial vehicles

模拟软件中考虑了空气阻力、滚动阻力等对燃料消耗量的影响，因此可以依据该软件对车辆不同质量、空阻系数、滚阻系数、主减速比、传动效率和主减速比对燃料消耗量影响程度进行计算和分析。

2 试验车型

我国重型货车中，5,t、16,t、25,t和 31,t是车型数量和产销量最多的4种最大设计总质量，因此在以上质量处各选取1个车型作为测试对象。4个车型的基本参数如表2所示：

表2 试验车型基本参数Tab.2 Basic parameters of testing vehicles

其中，车型1和车型4为国III排放标准车型，车型2和车型3为国IV排放标准车型。除获取车辆基本参数和变速器各档位传动比之外，依据GB/T 18297—2001标准进行发动机怠速试验、最大扭矩试验、反拖扭矩试验及万有特性试验。[2]其中，发动机万有特性数据点共 80～100个，均匀地分布在发动机正常转速及扭矩范围内。

3 影响分析

将车型 1～4的参数及发动机数据输入模拟软件，可以计算得到各车型在市区、公路、高速和综合工况下的燃料消耗量。同时，分别计算质量、空气阻力系数等参数变化后的燃料消耗量，分析各性能参数对燃料消耗量的影响程度。

3.1 质量

车辆质量对滚动阻力、加速阻力等影响较大，是影响燃料消耗量的重要参数。研究过程中，车型分别在 90%,、100%,(满载)、110%,最大设计总质量 3种载荷状态下进行测试，结果如图 4所示。以满载状态为基准，当质量增加 10%,，燃料消耗量平均上升 5.7%,；当质量减少 10%,，燃料消耗量平均下降5.2%,。

图4 最大设计总质量与燃料消耗量Fig.4 Relation of the Max.design mass to fuel consumption

图5为各车型在市区、公路、高速和综合4种工况下平均燃料消耗量变化情况。对比来看，质量变化对市区工况的燃料消耗量影响最大，质量增加或降低 10%,时，燃料消耗量平均增加 6.7%,和降低 6.5%,；对高速工况影响最小，相同质量变化下，燃料消耗量平均增加 3.7%,和降低 4.0%,。由于市区工况平均车速较低、加减速工况较多，与质量相关的滚动阻力和加速阻力占比较高；而在高速工况下与质量无关的空气阻力占比较高。

图5 不同工况下最大设计总质量对燃料消耗量的影响Fig.5 Impact of the Max.design weight on fuel consumption under different working conditions

通过上述分析，质量是重型货车燃料消耗量的重要影响因素。通过优化结构设计、采用轻质材料等轻量化技术减小整车整备质量，可以显著降低车型燃料消耗量。尤其对以市区工况为主的车型，减小质量对降低燃料消耗量作用最为明显。另一方面，当质量增加时，燃料消耗量增长幅度低于质量，这也意味着虽然车辆的百公里燃料消耗量增加，但单位质量的燃料消耗量有所下降，从而提高了运输效率。因此，应在设计环节上减小整车整备质量，从使用环节在法规规定的载荷范围内提高质量利用系数，从而达到节省燃油的目的。

3.2 空气阻力系数

车辆的空气阻力系数、迎风面积和车速决定了空气阻力的大小，进而影响车辆的燃料消耗量。以空气阻力系数(0.8)为基准，计算空阻系数增加和减小10%,状态下的燃料消耗量，结果如图6所示。当空阻系数增加10%,，燃料消耗量平均上升2.2%,；当空阻系数减少10%,，燃料消耗量平均下降2.3%,。

图6 空气阻力系数与燃料消耗量Fig.6 Relation of air drag coefficient to fuel consumption

在迎风面积和空阻系数一定的情况下，空气阻力与速度平方成正比。因此，如图 7所示，空阻系数变化对平均车速最高的高速工况燃料消耗量影响最大，空阻系数增加或降低10%,时，燃料消耗量平均增加 3.6%,和降低 3.9%,；对市区工况影响最小，相同变化下，燃料消耗量平均增加 0.5%,和降低0.5%,。

图7 不同工况下空阻系数对燃料消耗量的影响Fig.7 Impact of air drag coefficient on fuel consumption under different working conditions

空阻系数也是影响货车燃料消耗量的重要因素，尤其对于高速工况较多的大吨位货车、牵引车，通过优化外形设计、加装导流罩和侧裙板等降低空气阻力是提高燃料经济性的重要手段。

3.3 滚动阻力系数

轮胎和地面间的滚动阻力是影响货车燃料消耗量的重要因素，由车重和滚动阻力系数决定。在研究中，以GB/T,27840—2011标准规定的滚阻系数经验公式作为基准，即 f＝0.007,6＋0.000,056,V(14,t以下车辆)；f＝0.006,6＋0.000,028,6,V(14,t及以上车辆、斜交胎)；f＝0.004,1＋0.000,025,6,V(14,t及以上车辆、子午线胎)；其中 f为滚阻系数，V为车速，单位为 km/h。[1]分别计算滚阻系数增加和减小10%,状态下的燃料消耗量，结果如图 8所示。当滚阻系数增加10%,，燃料消耗量平均上升 2.3%,；当滚阻系数减少 10%,，燃料消耗量平均下降2.3%,。

图8 滚阻系数与燃料消耗量Fig.8 Relation of rolling resistance coefficient to fuel consumption

根据上述经验公式，滚阻系数与速度成正比。因此，如图9所示，滚阻系数变化对高速工况燃料消耗量影响最大，滚阻系数增加或降低 10%,时，燃料消耗量平均增加 2.6%,和降低3.0%,；对市区工况影响最小，相同变化下，燃料消耗量平均增加 1.2%,和降低 1.3%,。

图9 不同工况下滚阻系数对燃料消耗量的影响Fig.9 Impact of rolling resistance coefficient on fuel consumption under different working conditions

滚动阻力系数除与速度、胎压等使用状态有关外，还与轮胎、路面等相关，采用单宽胎、低滚阻轮胎等可有效降低滚动阻力、提高燃料经济性。

3.4 传动效率

传动效率也是影响燃料消耗量的重要参数。研究过程中，变速器和主减速器基准传动效率分别按0.96和0.94计算，同时计算传动效率增加和降低 10%,状态下的燃料消耗量，结果如图 10所示。当传动效率增加 10%,，燃料消耗量平均下降7.3%,；当传动效率降低 10%,，燃料消耗量平均增加 8.7%,。而从几种工况下的对比来看，传动效率变化对各种工况的燃料消耗量影响接近(见图11)。

图10 传动效率与燃料消耗量Fig.10 Relation of transmission efficiency to fuel consumption

图11 不同工况下传动效率对燃料消耗量的影响Fig.11 Impact of drive ratio on fuel consumption under different working conditions

总体上看，改善传动效率可以在各种行驶工况下显著提高车辆的燃料经济性。传动效率是一个国家汽车行业整体技术水平的体现，受多种因素影响，必须从加工工艺、匹配、润滑等多方面进行优化。

3.5 主减速比

主减速比对动力性能和燃料经济性均有较大的影响。主减速比的变化影响发动机运行区间，进而影响整车燃料消耗量结果。研究过程中，选取了几种常见的主减速比(3.73、3.91、4.77、5.1、5.6、6.33、6.9)分别进行计算，结果如图 12 所示。

图12 主减速比与燃料消耗量Fig.12 Relation of final ratio to fuel consumption

需要注意的是，在其他条件不变的情况下，主减速比增加导致最高车速下降，车型2和车型4在采用3.91以上主减速比时已无法达到工况所需最低车速要求，无法完成计算。总体上看，对于同一车型，随着主减速比的增加，燃料消耗量略有增加。采用较小的主减速比可以获得更好的燃料经济性，但在实际设计中，对于某些在困难工况(如山区等)下行驶的车辆，在发动机功率有限的情况下，往往首先为了满足车辆加速和爬坡性能而牺牲部分经济性，采用较大的主减速比。

3.6 发动机燃油消耗率

发动机是汽车上对燃料消耗量影响最大的部件。汽车燃油全部通过发动机消耗，因此模拟软件结果也是通过对燃油消耗率数据的插值和积分计算得出的。目前，常以全负荷最低燃油耗率表征发动机的燃油经济性，但在 C-WTVC和实际行驶工况下，发动机并非运行在某一工况点而是运行在不同的工况区间，因此仅最低燃油耗率的改变对工况燃料消耗量结果影响很小。如果通过技术手段改善整体燃油消耗率，则最终的工况燃料消耗量结果也将获得相同比例的改善。目前常见的发动机节能措施包括：增压和共轨、提高热效率、进排气系统优化、减少附件能耗等。

4 结 语

综上所述，在相同的试验条件下，分析评价重型货车关键参数对燃料消耗量的影响程度。从总体看，质量、空阻系数、滚阻系数、传动效率、主减速比和发动机燃油消耗率的变化对燃料消耗量的影响程度并不一致；同时，相同的参数变化对车型在市区、公路和高速工况下燃料消耗量的影响也存在差异。通过本研究，为重型商用车燃料经济性的改善方向和效果评估提供参考。随着能源形势的日趋严峻，我国将逐步实施更为严格的燃料消耗量标准，先进节能技术也将得到更广泛的应用，重型商用车的燃料经济性将进一步提高。■

［1］全国汽车标准化技术委员会.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.

［2］全国汽车标准化技术委员会.GB/T 18297—2001 汽车发动机性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2001.

［3］余志生，夏群生，赵六奇，等.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.