營運客車燃油經濟性模擬分析

張棣華，武文科，朱譜

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

營運客車燃油經濟性模擬分析

張棣華，武文科，朱譜

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

汽車在出現的一百多年里為人類的生活、工作發揮了重大作用，但其為人類生活、工作提供便利的同時也破壞了人類賴以生存的自然環境。交通運輸業作為國民經濟的支柱產業、經濟循環的紐帶橋梁，每年消耗的石油約占總全社會總消耗量的1/3以上。提高車輛的燃油經濟性無論對環境還是經濟都有著很大的意義。

燃油經濟性；仿真模型；循環工況

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

前言

燃油經濟性是汽車最為重要與基本的性能。在傳統設計中，通常需要在完成整車道路試驗以后才能對車輛經濟性進行評價，然而現代汽車工業的發展對新車型的開發速度和水平提出了更高的要求，因此在開發階段就需要對汽車的性能有一定的準確預測。隨著汽車技術及計算機模擬技術的發展以及對車輛經濟性的關注度的提高，計算機仿真模擬成為了一種很好的解決辦法，車輛經濟性分析己經在概念開發階段就開始進行了。通過這樣的模擬與分析，既節省了大量的試驗費用，又大大縮短了設計周期，并且使相關設計人員對自己所設計的整車有了一個概括和方向性的了解。

1、客車燃油經濟性的仿真分析

1.1 發動機外特性模型的建立

對于已知試驗數據的發動機，其外特性功率可以看作是發動機轉速的一元函數，常用最小二乘法獲得擬合函數。

在發動機外特性臺架試驗中，可以得到節氣門全開時，一組發動機不同轉速所對應的轉矩、燃油消耗率等試驗數據。將這組試驗點用最小二乘法擬合成數學表達式。分別用x表示發動機轉速，y表示功率，s為擬合多項式的最高階數。假定其函數形式為式（1）所示：

s為擬合曲線的階數，一般s=3時，擬合曲線的精度相對較好。

1.2 發動機萬有特性模型的建立

所謂發動機萬有特性曲線就是在一張圖上較為全面地反映發動機等效燃油消耗率與轉速、轉矩關系的特征曲線。數值逼近是為得到一個精確解或足夠精確的解，拉格朗日插值是數值逼近的一種手段。對某個多項式函數，已知有給定的k+1個取值點：（x0，y0），……，（xk，yk）。其中xj對應著自變量的位置，而yj對應著函數在這個位置的取值。假設任意兩個不同的xj都互不相同，那么應用拉格朗日插值公式所得到的拉格朗日插值多項式為式（2）所示：

其中每個lj(x)為拉格朗日基本多項式（或稱插值基函數），其表達式為式(4)所示：

拉格朗日基本多項式lj(x)的特點是在xj上取值為1，在其它的點上取值為0。

構造二元多項式如式（4）所示：拉格朗日方法插值條件式（5）所示：拉格朗日方法插值多項式為式（6）所示：線性插值基函數lj(x,y)應滿足1.lj(x,y)為分段線性函數；

1.3 汽車燃油經濟性的計算

在汽車設計與開發工作中，常需要根據發動機臺架試驗得到的萬有特性圖與汽車功率平衡圖，對汽車燃油經濟性進行估算。本節將介紹燃油經濟性循環行駛試驗工況的各工況，如等速行駛、加速、減速等行駛工況的燃油消耗量計算方法。

1.3.1 等速行駛工況燃油消耗量的計算

在萬有特性圖上有等燃油消耗率曲線。根據這些曲線，可以確定發動機在一定轉速n、發出一定功率Pe時的燃油消耗率。發動機應提供的功率為式（7）所示：

根據等速行駛車速ua及阻力功率，在萬有特性圖上（利用拉格朗日插值法）可確定相應的燃油消耗率b，從而計算出以該車速等速百公里燃油消耗量（L/100km）為為式（8）所示：

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

1.3.2 等加速行駛工況燃油消耗量的計算

把加速過程分隔為若干區間，每個區間的燃油消耗量可根據其平均的單位時間燃油消耗量與行駛時間之積來求得。各區間單位時間燃油消耗量Q（nmL/s）燃油消耗量通為式（9）所示：

式中，Qt（n-1），Qtn為tn-1,tn各個時刻的單位時間燃油消耗量（mL/s）。

整個加速過程的燃油消耗量Qt（mL）為式（10）所示：

1.3.3 等減速行駛工況燃油消耗量的計算

減速行駛時，節氣門松開（關至最小位置）并進行輕微制動，發動機處于強制怠速狀態，其油耗量即為正常怠速油耗。若時間為ts（s），則燃油消耗量Qid（mL）為式（11）所示：

式中Qd為怠速燃油消耗率（mL/s）

1.3.4 整個循環工況的百公里燃油消耗量

對于由等速、等加速、等減速等行駛工況組成的循環，其整個試驗循環的百公里燃油消耗量（L/100km）為式（12）所示：

式中，為所有過程油耗量之和（mL），s為整個循環的行駛距離（m）。

2、循環工況

2.1 各檔等速百公里燃油消耗量

等速行駛百公里燃油消耗量是指汽車在一定載荷（我國標準規定轎車為半載、貨車為滿載）下，以在水平良好路面上等速行駛100km的燃油消耗量。

2.2 六工況循環

在六工況試驗規范中，規定了試驗條件如道路、氣候條件、汽車技術狀況和試驗儀器等，并規定了每一工況時間歷程。六工況包括三個等速工況、兩個加速工況和一個減速工況。分別計算等速工況、加速工況、減速工況的燃油消耗量，然后相加求和，在轉換成百公里燃油消耗量。具體說明見表1。

表1 商用車六工況

3、燃油經濟性模擬仿真軟件設計與分析

在程序中，首先進行客車發動機外特性、萬有特性曲線擬合，擬和得到轉速和功率二元函數多項式。等速百公里、六工況油耗計算在拉格朗日插值基礎上進行。

3.1 系統的輸入

該系統需要的參數主要包括需要模擬車輛數據主要有：整車參數如整車質量，空氣阻力系數，主減速比和各檔減速比等。

表2 整車基本參數

3.2 系統的輸出

3.2.1 各檔等速百公里燃油消耗量注：車速單位km/h，油耗單位為L/100km

表3 各檔等速百公里燃油消耗量

3.2.2 六工況燃油消耗量

表4 六工況燃油消耗量

4、結束語

本文運用VC++軟件進行燃油經濟性的計算分析，以等速百公里燃油消耗量以及六工況燃油消耗量作為衡量燃油經濟性的標準。開發客車燃油經濟性模擬仿真系統，對客車燃油經濟性采用數學描述的方法，在VC++的開發平臺上編制了客車燃油經濟性模擬計算軟件。以某客車為例，利用該系統對其燃油經濟性各項評價指標進行模擬計算仿真，進一步說明了模型的實用性。

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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

張棣華，就讀于長安大學汽車學院。