基于Visual Basic卡車循環運輸工況燃油經濟性分析

宋俊良，周勁草

（1.四川交通職業技術學院汽車工程系，四川 成都 611130；2.西安理工大學機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048）

1 引言

隨著環保排放法規的嚴格及企業降成本的要求，費用占比達到（40～55）%的燃油消耗，是降低成本的重要來源。運輸卡車燃油經濟性的計算指標常用噸百公里油耗來評價，礦山運輸卡車的運行工況比較固定，在整個循環周期內，運輸量、距離、油耗量等的綜合最優時，則認為燃油消耗達到最佳[1]。車輛燃油消耗的影響因素眾多，涉及的工況也較多，建立高效燃油經濟性評價系統，可提升成本控制的有效性，具有重要的應用價值。

國內外學者對此進行了一定的研究：文獻[2]基于試驗臺架，通過調整加載，選取空載、1/3裝載、1/2裝載、2/3裝載及滿載等工況，獲取負載變化對燃油經濟性的影響；文獻[3]采用一維軟件STARCD建立發動機動力傳遞系統能量管理模型，以此影響發動機燃油經濟性的各個影響因素，主要是負載和油門開度；文獻[4]采用三維建模軟件ADAMS，建立發動機傳動系統的分析模型，獲取影響燃油消耗的主要影響因素，并重點分析負載的影響情況；文獻[5]基于發動機的動力學模型，分析不同運行工況參數，主要包括油門開度、負載等對整車油耗的影響規律，以此獲取最優的參數組合設計；文獻[6]采用發動機在線監測系統，對某車輛周期性循環運行工況下的燃油消耗量進行在線測試，分析不同的油門開度的影響，以獲取最佳動力分配比。

針對井下運輸卡車循環工況的特點，建立工作循環示意圖，獲取八工況各自的燃油消耗量；采用循環行駛計算法，測定運輸卡車的燃油經濟性。基于編程語言VB（Visual Basic）建立卡車燃油經濟性分析模塊，分為輸入和輸出端。分析不同車型、斜坡道坡度、運輸量等對燃油經濟性的影響。采用發動機燃油測試試驗臺，分析不同轉速和負載條件下，發動機的比油耗，與系統模擬結果進行對比，以此驗證分析結果的準確性。

2 運輸卡車循環工況模型

礦山運輸卡車的運行工況比較固定，卸料-裝載-卸料完成一個工作循環工況，重載運輸、空載返回，如此往復運動[7]，循環示意圖，如圖1所示。

圖1 工作循環示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Working Cycle

2.1 燃油消耗量數學模型

設定在某礦段進行運輸，運距s為2000m。斜坡道坡度15%，斜坡道長度s1為1600m，約占全長的80%；彎道處緩坡道坡度為5%，運行距離s2為250m，約占全長的12.5%；工作面內平路運行距離s3為50m；出口處距離卸料處平路距離s4為150m。卡車等待時間為tw，為在巷道內等待裝車的時間[8]。

由車輛燃油消耗率ge與小時燃油消耗量Gi的關系可知：

式中：Pe—發動機有效功率。

式中：Gi—怠速時小時燃油消耗量；gi—怠速時燃油消耗率。

（1）怠速燃油消耗量：

（2）同理，卡車在鏟運機裝料的時間內仍怠速運轉，此段時間內燃油消耗量：

（3）卡車在平路s3距離內做從靜止開始全油門加速運動加速至uɑ1。

加速過程分隔為若干區間，如圖2所示。可得：

圖2 等加速燃油消耗量Fig.2 Fuel Consumption During Equal Acceleration

車輛每個時間段末的速度分別為1km/h、2km/h……、nkm/h，相對應各檔位牽引力為F1，F2，…，Fn。繼而計算各時間段加速度ɑi=Fi/m。由Pi=Fi=vi，可計算出相應的發動機功率，由此可依據上述公式直接計算單位時間內燃油消耗量。

則，整個過程燃油消耗量為：

（4）卡車到達斜坡道開始以某一檔位，一定速度v勻速上坡，燃油消耗量為：

式中：gei—某車速下的燃油消耗率。

式中：ui—勻速上坡時的速度。

（5）卡車在出井口后為一段速度由v1到v2的勻加速運動，運動時間：

加速距離s4，這段時間的平均速度v平=（v1+v2）/2，由此可推算出F平，n平，P平。則該區段的燃油消耗量為：

（6）卸載工況燃油消耗量為：

（7）卡車卸料完成后回行，在平路做由靜止開始的加速運動，距離為s4。根據以上公式同理可得此段耗油量為：

（8）卡車在進入井口后沿斜坡道以某一車速uɑ3減速到uɑ4的等減速運動，減速時間為：

式中：uɑ2、uɑ3—起始和減速終了的車速；du/dt—減速度。

減速過程的燃油消耗量為：

（9）卡車在進入工作面巷道后以有一車速v勻速運動至裝料處。此過程的燃油消耗量為：

（10）整個等速過程行經s1的燃油消耗量為：

式中：ui—勻速上坡時的速度。

式中：Q—一個循環的燃油消耗量，為以上各運行狀態燃油消耗總和；m—運輸貨物重量；s—運輸的距離。

2.2 基于VB燃油經濟性求解模塊

循環運行工況充分體現了井下運輸卡車的工作特征，其中各路段的距離均有模塊參數輸入界面輸入數值[9]。燃油經濟性的分析依托于整車動力性能分析系統，其框圖，如圖3所示。

圖3 車輛動力性能仿真全過程圖Fig.3 The Whole Process of Vehicle Dynamic Performance Simulation

該模塊采用的編程語言是（Visual Basic），后臺數據庫采用Access數據庫，計算的結果報表以Excel文檔的形式輸出并存檔。每個工況運行的時間根據其所處路面狀況和長度有關，具體參數可在下一張燃油經濟性模塊開發的參數設定模塊中設定具體數值。這樣就可以更準確的計算運輸卡車在具有不同特點的礦井下運輸的燃油經濟性。燃油經濟性模塊主要包括運輸卡車工作循環參數設定、鏟運機工作循環參數設定、燃油經濟性計算三部分組成，如圖4所示。

圖4 燃油經濟性計算模塊框圖Fig.4 Block Diagram of Fuel Economy Calculation Module

運輸卡車工作循環參數設定是最重要的模塊之一，它要完成對卡車運輸參數和礦井參數的讀取和分工況燃油經濟性的計算，如圖5所示。

圖5 燃油經濟性求解模塊Fig.5 Fuel Economy Solution Module

運輸卡車工作循環參數設定界面中分兩個部分，如圖5 所示。第一部分為路面參數設定。第二部分是時間參數設定。燃油經濟性結果查詢模塊中有三個評價指標可以查詢：每噸礦公里油耗、百公里油耗和小時油耗，如圖6（b）所示。

3 燃油經濟性影響因素分析

以某鐵礦項目為例，其具體參數，如表1所示。將根據礦井實際參數，計算其單個工況循環的燃油消耗量以及每天的耗油量。

表1 某礦區礦井參數表Tab.1 Mine Parameters in a Mining Area

3.1 不同車型燃油經濟性對比

利用運輸卡車燃油經濟性模塊，三款運輸卡車燃油經濟性，車型主要參數，如表2所示。循環工況參數，如表1所示。在相同的工況循環條件下，計算系列車型的燃油經濟性，進行對比分析，具有一定的現實意義。計算輸入模塊參數也采取相同參數設置，獲得燃油經濟性輸出結果，如圖6所示。

圖6 運輸卡車燃油經濟性計算結果Fig.6 Fuel Truck Fuel Economy Calculation Result

表2 車型參數Tab.2 Model Parameters

由分析結果可知，三個車型的燃油消耗量相差不大，車型二與其他相比無優勢；考慮車型的運輸量，則車型二最大；考慮各因素的成本，則車型二的效益為96.8萬元，從生產效益角度考慮，其優于其他兩個車型，適合所研究工況運輸。

3.2 斜坡道坡度影響

工況模型參數如表1所示，獲取：每噸礦公里油耗、每小時油耗、百公里油耗、每天油耗量、每天運礦量、每天運礦量與油耗量的比值。繪制設定的工況循環下運輸卡車燃油經濟性評價指標隨坡度變化的離散數值曲線，曲線圖，如圖7所示。

圖7 不同坡度下的燃油經濟性指標Fig.7 Fuel Economy Index under Different Slopes

從圖中可以看出，隨著坡度增加，運輸量減小，油耗則呈現增長趨勢；車輛每個工況循環時間增大，需要的燃油消耗量也增大，在所研究的工況循環內，由上表分析可知，隨坡度增加，盈利減小，在該礦區坡度為15%時運輸卡車每天油耗量達到最大值。

3.3 每工況循環運量影響

在某礦區使用該型號卡車，斜坡道坡度為15%時，卡車的爬坡性能遠遠大于該坡度值，一二檔下車輛的儲備功率較高，因此可以考慮增加每工況循環運量來提高運礦量。根據運輸卡車燃油經濟性模塊計算同一個工況循環下，計算運輸卡車不同載重量時的燃油經濟性評價指標，如圖8所示。

圖8 不同運量的燃油經濟性指標Fig.8 Fuel Economy Indicators for Different Shipments

分析可知，百公里油耗隨卡車每工況循環運量量增大而逐漸增大，增加每個工況循環的運礦量，導致油耗增加，符合實際情況。圖中分析結果可知，小時油耗隨卡車每工況循環運量的增加而減小。噸礦公里油耗這個燃油經濟性評價指標隨卡車每工況循環運量量的增大而減小，也就是說提高每工況循環運量量可相對減小燃油消耗，這對運輸卡車而言意義重大。每工況循環不同運量的燃油經濟性指標，再根據運輸卡車的盈利公式，通過對表2中每臺卡車每天運量和每天燃油消耗量的計算，得知，當運輸卡車每工況循環的運量為30t時，效益可達最大值，如圖9所示。

圖9 油耗量關系曲線Fig.9 Fuel Consumption Relationship Curve

圖中分析可知，增大運輸卡車車廂容積，增大載重量可提高運輸卡車的效益。

4 試驗測試對比分析

利用發動機試驗臺架，對搭建的運輸卡車燃油經濟性分析模型進行檢驗。試樣臺，如圖10所示。包括發動機、變速箱、功率耗散裝置、水利測功機、燃油消耗測試系統等組成[10]。獲取不同功率、負載狀況下，發動機的比油耗，與系統模擬結果進行對比，如表3、圖11（a）所示。根據表1所示的整個循環坡度情況，調整發動機運行速度和輸出扭矩，獲取不同坡度下的燃油消耗，并與仿真結果進行對比，結果如圖11（b）所示。

圖10 發動機燃油經濟性測試臺架Fig.10 Engine Fuel Economy Test Bench

表3 測試結果對比Tab.3 Comparison of Test Result

圖11 測試曲線對比Fig.11 Comparison of Test Curves

根據分析結果可知，獲取的燃油經濟性變化曲線，隨著發動機轉速和輸出扭矩的增加，發動機的燃油消耗先增加后減小。獲取不同坡度下發動機燃油消耗逐漸增加，與系統測試趨勢一致。對比參數可以發現，測試系統獲取分析結果與試驗結果基本一致，最大誤差在7%以內。表明測試系統分析結果的可靠性。

5 結論

針對給定的工況循環，利用本節開發的燃油經濟性計算模塊，分析礦井斜坡道坡度、每工況循環運礦量對運輸卡車燃油經濟性的影響。結果可知：（1）每噸礦公里的燃油消耗量分別為0.156L，每天的生產效益為96.8萬元，所研究的運輸卡車油耗無優勢，但經濟效益顯著，適合在所研究的循環工況運行；（2）當坡度為15%時，運輸卡車每天油耗量達到最大值；當卡車的載重量為30t時可使該運輸卡車的經濟效益最大化；（3）試驗測試與系統模擬結果誤差在7%以內，油耗的變化趨勢保持一致，表明系統模塊結果的可靠性與準確性。