发明内容
试验表明,相同轮胎类别的车辆路面滚动阻力系数f是近似相等,相同车身类别新车型的车身设计也是大同小异,反映了基本相同的现有技术水平,空气阻力系数CD也近似相等。新车型满载路试等速百公里油耗考核指标是综合百公里油耗,是多个车速点的权重系数百公里油耗值相加,主要反映了车辆技术参数与发动机的匹配情况,在现有技术的设计水平、制造水平、发动机水平基本相同的条件下,新车型综合百公里油耗主要是用于检验车辆整体技术参数设计匹配的节能优化程度,同一车辆类别不同新车型不同设计的滚动阻力系数f和空气阻力系数CD的差异不大,可忽略该影响因素。可以在一定总质量范围内(货车)或车身长度范围内(客车),把相同车身类别和相同轮胎类别的车辆划归为相同车辆类别,相同车辆类别的所有新车型的滚动阻力系数方程和空气阻力系数方程都一样,按新车型的相关技术参数,可以模拟路试计算出该新车型路试等速百公里油耗。采用汽车等速百公里油耗模拟计算检测方法,不仅可以对新车型进行事后检验,而且可以对新车型进行事前的设计检验,可以人工计算或计算机编程自动计算,并进行变速箱多挡位计算,方便快捷,从根本上提高汽车燃料经济性的设计水平。各种车辆类别新车型路试步骤如下:
1、可以把轮胎类别划分为三种:斜交胎、子午胎轮胎断面宽度<8.25in、子午胎轮胎断面宽度≥8.25in,通常客车采用子午胎。
2、客车和铰接客车可以按长度来划分车身类别。
3、货车可以按车身形式来划分车身类别:如低档板车、高档板车、自卸车、牵引车、仓栅车、厢式车、罐车、工程车(如水泥搅拌车);由于客车车身长度已包含了质量因素,所以无需再划分质量类别,但货车还需再按额定总质量G划分三个质量类别:如G<10000kg,10000kg≤G<15000kg,G≥15000kg。按实际情况以不同的轮胎类别、车身类别、质量类别适当组合成不同的车辆类别。
4、用每种车辆类别至少一台新车型路试,挂上变速箱最高速挡至最高车速后空挡滑行,车辆通常可以为空载、单级主传动,测量每10整数车速点的车辆行驶阻力,得到各个10整数车速点的滚动阻力系数和空气阻力系数,并把全部系数都校正在基准环境状态下,即温度20℃;大气压100kPa下的滚动阻力系数f和空气阻力系数CD。
5、计算得到滚动阻力系数f与车速的一次方程或二次方程,得到空气阻力系数CD与车速的一次方程或二次方程。如果同一车辆类别有多台新车型试验则取平均值计算回归方程,车速单位为km/h。
当任何一台新车型需检验路试等速百公里油耗时,按以下具体实施步骤计算检测:
(1)按所检新车型的相关车辆技术参数来确定所属车辆类别和相应公式:车辆型号;车身类别;整备质量m,单位kg;总质量M,单位kg;发动机额定功率Pe/额定转速ne,单位kW和r/min;变速箱传动比ig;单级或双级主传动比i0;轮胎型号规格;车身尺寸:长×宽×高,单位mm;检测车速Vi,单位km/h;空载或满载;前轮距,单位为mm;确定所属的车辆类别以及相应的滚动阻力系数f公式和空气阻力系数CD公式。
(2)计算所检新车型的滚动阻力,根据车辆类别、整备质量m、总质量M或车身长度、轮胎类别、空载或满载、车速Vi、单级或双级主传动比,按相同车辆类别的f方程计算Vi车速点的滚动阻力系数fi,计算车辆的滚动阻力Ffi:如为空载、单级主传动,Ffi=fi×(m+100)×g;如为空载、双级主传动,Ffi=K1×fi×(m+100)×g;如为满载、单级主传动,Ffi=K2×fi×M×g;如为满载、双级主传动,Ffi=K1×K2×fi×M×g;其中:k1为传动结构修正系数,K1在1~1.04范围内,通常双级主传动结构取中间值,双联驱动桥和轮边减速结构取偏大值。K2为载荷修正系数,K2在1~1.03范围内;满载客车取偏小值,满载货车取偏大值。g为重力加速度,可取g=9.81m/s2。
(3)计算所检新车型的空气阻力,根据车辆类别、总质量或车身长度、前轮距、车高、车速,按相同车辆类别的CD方程计算Vi车速点的空气阻力系数CDi,计算车辆的空气阻力Fwi=0.5×CDi×A×ρ×V0 2,车辆迎风面积A=前轮距×车高×10-6,单位平方米,空气密度ρ=1.189N·S2m-4,车速V0单位为m/s,V0 2=Vi 2/12.96,Vi单位为km/h。
(4)计算所检新车型的车轮动力半径,根据轮胎型号规格,可得轮胎外径D,单位mm。计算车轮动力半径rp=0.5×k3×D×10-3,单位米,k3为轮胎动力半径系数,如为空载时,k3在0.94~0.96范围内,如为满载时,k3在0.91~0.94范围内。
(5)计算所检新车型的发动机转速,根据发动机额定转速ne、变速箱传动比ig、主传动比i0,计算该变速箱挡位的ne对应的额定车速Ve=0.377×ne×rp/(ig×i0),计算该变速箱挡位的发动机转速与车辆车速之比K=n/V=(ig×i0)/(0.377×rp),按车速Vi即可得该挡位对应的发动机转速ni=K×Vi,Vi单位为km/h,ni单位为r/min。
(6)计算所检新车型的发动机附件阻力,设在发动机额定转速ne时的附件阻功率为k4×Pe,Pe为发动机额定功率,单位kW,k4为发动机附件阻力系数,k4在0.05~0.011范围内,通常乘用车取偏小系数,工程车取偏大系数。计算额定转速ne时的发动机附件阻力Fze=k4×Pe×3600/Ve,设在发动机转速700r/min时的附件阻力为k5×Fze,k5是怠速发动机附件阻力系数,k5在0.2~0.4范围内,发动机额定转速ne偏小时取偏大值,发动机额定转速ne偏大时取偏小值。可以设定发动机附件阻力Fz与发动机转速或车辆车速是一次方或二次方的函数方程,从车速Vi可得ni,从而可计算得到该车速点的发动机附件阻力Fzi。
(7)计算所检新车型的发动机输出功率,车辆等速行驶时,发动机输出功率与车辆整个***的阻功率之和相等达到平衡,在车速Vi的发动机输出功率Pti=(Ffi+Fwi+Fzi)×Vi/3600,单位kW。
(8)采用***法,从所检新车型的发动机万有特性曲线上的发动机转速、功率、油耗率或者发动机油耗试验数据得到ni和Pti对应的油耗率gi或油耗,gi单位为克/千瓦小时。
(9)计算每小时的油耗Q=Pti×gi,单位为克/小时,根据燃料种类和标准规定的基准状态燃油密度ρ1,换算成该车速点等速路试的百公里油耗Qbi=100×Q×10-3/(Vi×ρ1),单位为升/100公里。
(10)计算机可以按以上检测方法编程,登录所检新车型的相关技术参数,可自动计算Vi、ni、Pti,从发动机万有特性曲线上人工确定对应的gi或把发动机油耗试验数据输入计算机,计算机自动计算出Qbi。
汽车等速百公里油耗模拟计算检测方法,无需路试测量油耗,根据所检新车型的相关技术参数,模拟计算所检新车型路试等速百公里油耗的检测方法,其主要技术特征在于:以所检新车型的相关技术参数确定其所属的车辆类别,按所属车辆类别新车型路试统计的滚动阻力系数f与车速的方程以及空气阻力系数CD与车速的方程,计算所检新车型Vi车速点的滚动阻力系数fi和空气阻力系数CDi;设定发动机附件阻力与发动机转速或车辆车速的方程,根据轮胎型号得到轮胎动力半径,计算发动机转速与车辆车速之比K,可得Vi车速点对应的发动机转速ni=K×Vi,Vi单位为km/h,ni单位为r/min;计算得到所检新车型在Vi车速点的滚动阻力Ffi、空气阻力Fwi和发动机附件阻力Fzi,阻力的单位为N,从而可得Vi车速点的发动机输出功率Pti=(Ffi+Fwi+Fzi)×Vi/3600,Pti的单位为kW;从所检新车型发动机万有特性曲线上对应的发动机转速、功率、油耗率曲线或发动机油耗试验数据,采用***法,计算得到Vi、ni和Pti对应的发动机油耗率gi或油耗,gi的单位是克/千瓦小时;计算每小时的油耗Q=Pti×gi,单位是克/小时,根据燃料种类和标准规定的燃油密度ρ1,单位为公斤/升,换算成Vi车速点等速的路试百公里油耗Qbi=100×Q×10-3/(Vi×ρ1),单位为升/100千米,无需所检新车型等速路试测量油耗,可以人工或计算机模拟计算出所检新车型路试在Vi车速点等速的百公里油耗。汽车等速百公里油耗模拟计算检测方法具有以下技术优点:
a、按每种车辆类别不同的路试公式分类计算,提高了模拟计算的准确性,而且车辆类别的数量不多,路试工作量也不大,也可无需满载试验,操作性良好。
b、如果每种车辆类别新车型空载路试,可以消除货车装载货物尺寸对空气阻力系数的影响,从而保证新车型节能设计油耗检测和评价的统一性。由于大多数路试新车型是单级主传动,考虑到双级主传动、双联驱动桥、轮边减速机构的阻力相对偏大,而且满载的滚动阻力系数也相对偏大,采用大于等于1的k1和k2修正系数可提高模拟计算的准确性。
c、由于同一车轮空载和满载的变形不同,动力半径rp也略有不同,设定不同的轮胎动力半径系数k3符合实际情况。引入系数K,可以准确地把车速换算成对应的发动机转速,既方便计算发动机附件阻力,也方便从发动机万有特性曲线中确定和计算gi。
d、可以对新车型进行事后的油耗检验,而且可以对新车型进行事前设计的检验,能大大提高设计效率。不仅可以快捷地按标准对变速箱最高速挡的油耗进行准确的模拟计算检验,也可以快捷地对次高速挡及其它挡位准确模拟计算检验,还可以加上其它耗能装置如空调等的消耗功率进行模拟计算油耗,从而把汽车节能设计提高到一个新水平,也为不同挡位不同车速的节能驾驶操作提供指导。
e、车辆等速行驶的发动机功率是稳态功率,发动机万有特性曲线的功率也是稳态功率,路试负荷和发动机功率都是统一在基准环境状态下的功率,不受路试环境状态的影响,保证了油耗检测的准确性、统一性和可比性。
f、大大降低了新车型等速检验百公里油耗的费用,可集中统一模拟计算,提高检验的规范性和权威性,也有利于准确检测和评价在用车等速百公里油耗。
具体实施方式
按JT711-2008《营运客车燃料油耗量限值及测量方法》,以一台11米长的大型客车新车型计算满载各车速点的百公里油耗和综合百公里油耗为例,来说明汽车等速百公里油耗模拟计算检测方法的具体实施方式。
1、所检新车型相关技术参数;总质量15500kg,发动机额定功率/转速为177kW/2300r/min,燃料为柴油,最高变速箱第6挡传动比ig为0.740,单级主传动比为4.875,轮胎型号为11R22.5,轮胎类别为子午胎断面宽度大于8.25in,车身尺寸长×宽×高为11270mm×2490mm×3520mm,检测车速Vi为70km/h,前轮距为2020mm,计算满载路试百公里油耗。以相同车辆类别的f方程和CD方程来计算,角标为70km/h车速。
2、计算车辆的滚动阻力系数和滚动阻力,按滚动阻力系数与车速一次方程f=0.00468+0.000024×V,计算70km/h的滚动阻力系数f70=0.00636,车辆为满载、单级主传动,取载荷系数k2=1.02,滚动阻力Ff70=k2×fi×M×g=1.02×0.00636×15500×9.81=986.4N.
3、计算车辆的空气阻力系数和空气阻力,按空气阻力系数与车速二次方程CD=1.2238-0.010V+0.0000525V2,计算70km/h的空气阻力系数CD70=0.77405,迎风面积A=2020×3520×10-6=7.1104m2,V0 2=702/12.96=378.086,空气阻力Fw70=0.5×CDi×A×ρ×V0 2=0.5×0.77405×7.1104×1.189×378.086=1237.1N。
4、轮胎型号为11R22.5的轮胎宽度为279mm,外径D为1065mm,满载路试取轮胎动力半径系数k3=0.93,轮胎断面宽度279/25.4=10.98in>8.25in,轮胎动力半径rp=0.5×0.93×1065×10-3=0.4952m。
5、计算额定车速Ve=0.377×ne×rp/(ig×i0)=0.377×2300×0.4952/(0.740×4.875)=119.02km/h;计算该挡位的发动机转速与车辆车速之比K=n/V=(ig×i0)/(0.377×rp)=(0.740×4.875)/(0.377×0.4952)=19.323,70km/h对应发动机转速n70=K×Vi=19.323×70=1353r/min。
6、计算发动机附件阻力,设发动机附件阻力系数k4=0.08,怠速发动机附件阻力系数k5=0.3,设发动机附件阻力是车速的一次方,附件阻力直线斜率tgB=(1-0.3)×Fze/(ne-700),ni转速点的发动机附件阻力Fze=0.3×Fze+(ni-700)×tgB,额定转速ne时的发动机附件阻力Fze=k4×Pe×3600/Ve=0.08×177×3600/119.02=428.3N,70km/h对应发动机转速1353的发动机附件阻力Fz70=0.3×428.3+(1353-700)×(1.0-0.3)×428.3/(2300-700)=250.8N。
7、计算发动机输出功率Pt70=(Ff70+Fw70+Fz70)×V70/3600=(986.4+1237.1+250.8)×70/3600=48.11kW。
8、采用***法计算油耗率,从车辆发动机万有特性曲线上的发动机转速、功率、油耗率曲线上,计算得到发动机转速为1353r/min、功率为48.11kW相对应点的油耗率g70为217克/千瓦小时。
9、计算该车速每小时的油耗Q=48.11×217=10440克/小时,按标准GB/T18566-2011《道路运输车辆燃料消耗量检测评价方法》规定,取柴油密度为0.838kg/L,70km/h车速的百公里油耗Qb70=100×Q×10-3/(Vi×ρ1)=100×10440×10-3/(70×0.838)=17.80L/100km。
10、计算机可以自动计算,例如:登录所检新车型的相关技术参数,当登录车辆型号四个数字中第1个数号为6时,可自动确定为客车,按JT711-2008,自动计算(40、50、60、70、80、90、100)km/h车速对应的发动机输出功率Pti和发动机转速ni,见下表:
人工采用***法计算,从车辆发动机万有特性曲线上计算对应的油耗率gi后输入表格中的gi行内,计算机自动计算出Qbi,并按JT711-2008规定的权重系数自动计算出高级客车或者中级及普通级客车的综合百公里油耗,而且自动评价合格与否。
汽车等速百公里油耗模拟计算检测方法,具有检验准确、操作性好、方便快捷的优点,不受路试环境状态的影响,检测的统一性和可比性良好。