汽车多工况路试油耗模拟计算检测方法

摘要

汽车多工况路试油耗模拟计算检测方法，所检新车型按所属车辆类别的滚动阻力系数方程以及空气阻力系数方程，计算各车速的滚动阻力和空气阻力，计算发动机附件消耗扭矩以及加速阻力，可得等速和加速工况各车速的发动机输出功率、扭矩和转速，以发动机万有特性曲线对应燃料消耗率来计算各工况的燃料消耗量，以车速区间内的较大驱动功率计算来补偿动态功率燃料消耗量，在很低初速度的车速区间应大一些，使发动机输出功率达到稳定状态，以发动机转速相对怠速停供转速来确定减速工况的燃料消耗量，以发动机怠速燃料参数计算怠速工况的燃料消耗量，自动计算多工况路试的燃料消耗量或废气排放。

说明书

技术领域

汽车多工况路试油耗模拟计算检测方法，所检新车型无需路试或台试，按所属车辆类别的空气阻力系数方程和滚动阻力系数方程，以车辆相关技术参数计算等速、加速、减速、怠速多工况路试燃料消耗量或废气排放的一种检测方法，属于汽车性能检测方法的技术领域。

背景技术

现有技术检测新车型多工况路试燃料消耗量，通常是按国标GB/T12545.2-2001《商用车辆燃料消耗量试验方法》和GB/T27840-2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》，在各个规定等速、加速、减速、怠速多工况测量路试燃料消耗量。其不足之处在于：(1)路试和台试的车辆磨合费用大，检验时间长。(2)路试检测燃料消耗量受路面条件、风力等因素影响，车辆的行驶阻力、发动机功率和燃料消耗量受环境温度、大气压等影响。(3)计算法不分车身类别把C_D作为定值的误差较大，估算低速挡汽车转动件当量惯量的误差太大。(4)台试和计算法没有规范挡位的操作性很差，在加速工况很低车速难以按每秒计算扭矩富裕率。(5)台试很难模拟满载重型车的惯性加速阻力。为克服现有技术的不足，采用汽车多工况路试油耗模拟计算检测方法，按所检新车型的相关技术参数和规定的多工况模拟计算路试燃料消耗量或废气排放。

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，相同车身类别的空气阻力系数C_D也近似相等。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，同一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相同。按新车型的相关技术参数和多工况路试要求模拟计算燃料消耗量或废气排放，适用于手动变速箱车辆。各种车辆类别统计路试步骤如下：

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。客车和铰接客车可以按长度来划分车身类别，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、导风罩车、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M划分多个质量类别：如M＜10000kg，10000kg≤M＜15000kg，M≥15000kg，乘用车可按基准质量来划分车辆类别。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。

2、每种车辆类别至少用一台新车型路试，挂上变速箱最高速挡至最高车速后空挡滑行，车辆可以是满载、单级主传动，测量每10整数车速点的车辆行驶阻力，可采用最小二乘法计算滚动阻力、空气阻力和路试阻力修正系数，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，即温度20℃；大气压100kPa的校正值。

3、计算f与车速的一次方程或二次方程，计算C_D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，并作为同一车辆类别所有新车型的相同校正系数方程。

当任何一台新车型需检验多工况路试燃料消耗量或废气排放，按以下具体要求计算：

(1)按车辆相关技术参数来确定所属车辆类别以及相应的f公式和C_D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P_e/额定转速n_e，单位kW和r/min；变速箱各挡的传动比i_g；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V_i，单位km/h；前轮距，单位mm。

(2)计算滚动阻力：按所属车辆类别的f方程计算各车速的滚动阻力系数f_i和滚动阻力F_fi＝k₁×f_i×M×g；其中：k₁为传动结构系数，在1～1.04范围内，单级主传动取1，双级主传动或双联驱桥取大于1，g为重力加速度，可取9.81m/s²。

(3)计算空气阻力：按相同车辆类别的C_D方程计算各车速的空气阻力系数C_Di和空气阻力F_wi＝0.5×C_Di×A×ρ×V₀²，A为车辆迎风面积，单位平方米，空气密度ρ＝1.189N·s²m^-4，车速V₀单位为m/s，V₀²＝V_i²/12.96，V_i单位为km/h。

(4)计算发动机转速：根据轮胎型号规格，可得轮胎外径D，确定车轮计算半径R＝0.5×k₂×D，单位米，k₂为轮胎计算半径系数，k₂在0.92～0.96范围内，空载取偏大值，满载取偏小值。计算变速箱各挡位的发动机转速与车辆车速之比k_3i＝n/V＝(i_g×i₀)/(0.377×R)，可得各挡位V_i对应的发动机转速n_i＝k_3i×V_i，V_i单位km/h，n_i单位r/min。

(5)计算离合器、变速箱、压气泵、冷气泵、动力转向液压泵的发动机附件消耗扭矩：设在发动机额定转速n_e时的附件消耗扭矩M_ze＝k₄×M_e＝k₄×P_e×9549/ne，单位N·m，M_e为发动机额定功率点的扭矩，k₄为发动机附件消耗扭矩系数，k₄在0.03～0.010范围内，通常乘用车取偏小系数，大客车和工程车取偏大系数。设在发动机怠速700r/min时的附件消耗扭矩为k₅×M_ze，k₅是发动机怠速附件消耗扭矩系数，k₅在0.2～0.4范围内，n_e偏小时取偏大值，n_e偏大时取偏小值。可以设定发动机附件消耗扭矩M_z与发动机转速是一次方或二次方的方程，从车速V_i可得n_i，从而可计算得到各车速的发动机附件消耗扭矩M_zi。

(6)计算等速工况发动机输出功率P_ti；车辆等速行驶时，发动机输出功率与车辆整个系统的阻功率之和相等达到平衡，车辆空挡滑行阻力中包含了等速的传动系阻力，无需计算传动系效率，各车速V_i的发动机输出功率P_ti＝n_i×M_zi/9549+(F_fi+F_wi)×V_i/3600，单位kW，P_ti对应发动机输出扭矩M_ti＝9549×P_ti/ni，单位N·m。

(7)计算加速工况的加速阻力Fai：由于高速挡的汽车转动件当量惯量相对总质量M的比值较小，估算误差不大，但在低速挡时估算的误差很大。所以，如果加速工况的初速度都较高如不小于40km/h，可采用变速箱最高速挡或次最高速挡来计算，可估算车辆转动件(含发动机)的当量惯量M_i＝δ×m，单位kg；m为车辆的整备质量，单位kg，系数δ为0.3～0.10，由于发动机的当量惯量是与车辆传动系的传动比平方成正比，变速箱最高速挡时取偏小值，次最高速挡时取偏大值，工程车辆取偏大值；

如果加速工况的初速度较小或者为0，为减小M_i和加速阻力的计算误差，应测量发动机的转动惯量I_e，或者计算发动机飞轮的转动惯量，估算曲轴、离合器等转动惯量，累加作为发动机的转动惯量I_e，计算各挡位的发动机当量惯量mei＝i_g²×i₀²×I_e/R²，然后采用自由和加载两次滑行法、不同加载量两次滑行法、增减惯量两次滑行法的其中任一种方法，测量变速箱空挡动力传动系当量惯量m₀，估算非驱动轮的当量惯量m_f，从而得到变速箱各挡传动比i_g的汽车转动件当量惯量M_i＝m₀+m_f+mei＝m₀+m_f+i_g²×i₀²×I_e/R²，单位kg。

(8)计算变速箱各挡的加速阻力Fai＝(M_i+M)×a/(η₀×η₁)，η₁为变速箱传动效率，η₀为主减速器传动效率，M为规定的满载总质量，单位kg；a为加速工况的加速度，a＝△V/(3.6×△t)，单位m/s²；△V为加速工况的车速范围，单位km/h；△t为加速工况的时间范围，单位s；可以把加速工况的车速和时间范围都划分为多个车速区间△Vi和时间区间t_i，通常划分的车速区间可以为(0.1～6)km/h，按t_i＝△Vi/(3.6×a)计算对应的时间。在很低初速度时的车速区间应大一些，使发动机输出功率达到稳定状态，在较高初速度时可按每秒或若干秒划分车速区间。由于发动机动态功率的状态较紊乱，在相同功率的动态燃料消耗量大于稳态燃料消耗量，发动机万有特性是稳态功率燃料消耗量，所以，在加速工况车速范围所划分的毎个车速区间两端，取较大车速点的发动机输出功率P_ai＝n_i×M_zi/9549+(F_fi+F_wi+F_ai)×V_i/3600作为该车速区间的平均稳态功率来计算燃料消耗量，使之补偿该车速区间的动态功率燃料消耗量，P_ai单位kW，P_ai对应发动机扭矩M_ai＝9549×P_ai/ni。

(9)确定各车速燃料消耗率g_i：从发动机万有特性曲线上人工或计算机把曲线数据化后，采用插入法，得到等速工况n_i、P_ti、M_ti或加速工况n_i和P_ai、M_ai对应的燃料消耗率g_i，g_i单位为克/千瓦小时。计算燃料消耗量Q＝P_ti×g_i，单位为克/小时，根据各工况的时间t_i，可计算各等速和加速工况的燃料消耗质量Q_m＝Q×t_i/3600，单位为克。同理，如果把发动机试验的CO、HC、NOx特性曲线数字化后，可以计算等速和加速工况路试的废气排放量值。

(10)计算减速工况的燃料消耗量：减速工况的加速踏板位置在发动机怠速位置，如果要求离合器结合而且变速箱挂上挡位减速时，发动机转速随车辆车速下降而逐渐减小，当发动机转速大于发动机怠速停供转速n_t时燃料消耗量为0或废气排放为0，当发动机转速小于n_t时按发动机怠速燃料参数计算燃料消耗量或按发动机怠速废气参数计算废气排放，通常柴油机n_t约为750r/min，汽油机n_t约为900r/min。如果在减速工况规定要求脱开离合器或变速箱挂上空挡减速时，则发动机迅速处于怠速位置，以规定的时间，按发动机怠速燃料参数计算燃料消耗量或按发动机怠速废气参数计算废气排放。

(11)计算怠速工况的燃料消耗量：以规定的时间，按发动机怠速燃料参数计算燃料消耗量或按发动机怠速废气参数计算废气排放。

(12)根据各工况时间、燃料消耗量之和或废气之和、燃料密度和总行程，可计算多工况的路试百公里燃料消耗量或百公里废气排放量。

计算机可以按以上计算要求编程，登录所检新车型的相关技术参数，可自动计算V_i、n_i、P_ti、M_ti、P_ai、M_ai，把发动机万有特性曲线或者CO、HC、NOx特性曲线数据化后，采用插入法，计算机自动计算出多工况的路试燃料消耗量或废气排放。

汽车多工况路试油耗模拟计算检测方法，无需所检新车型路试或台试测量燃料消耗量或废气排放，是根据车辆的相关技术参数和规定的等速、加速、减速、怠速多工况，模拟计算车辆多工况路试燃料消耗量或废气排放的检测方法，其特征在于：以所检新车型的相关技术参数确定其所属的车辆类别，按所属车辆类别统计的滚动阻力系数f与车速的方程以及空气阻力系数C_D与车速的方程，计算各车速的滚动阻力F_fi和空气阻力F_wi，根据轮胎型号得到轮胎计算半径，计算变速箱各挡位发动机转速与车辆车速之比k_3i，可计算各车速V_i对应的发动机转速n_i＝k_3i×V_i，V_i单位km/h，n_i单位r/min，设定发动机附件消耗扭矩与发动机转速的方程，可得各车速的发动机附件消耗扭矩M_zi；在等速工况，计算各车速的发动机输出功率P_ti＝n_i×M_zi/9549+(F_fi+F_wi)×V_i/3600，单位为kW，在加速工况，计算各车速的发动机输出功率P_ai＝n_i×M_zi/9549+(F_fi+F_wi+F_ai)×V_i/3600，Fai为加速阻力，单位为N，在加速工况规定车速范围内所划分的毎个车速区间，取较大车速点的功率P_ai作为该车速区间的平均功率，在很低初速度的车速区间应大一些，使发动机输出功率达到稳定状态；从发动机万有特性曲线上人工或计算机把曲线数据化后，采用插入法，得到等速工况n_i、P_ti、M_ti或加速工况n_i、P_ai、M_ai对应的燃料消耗率g_i；在减速工况，当发动机转速大于发动机怠速停供转速时燃料消耗量为0，当发动机转速小于发动机怠速停供转速时按发动机怠速燃料参数计算燃料消耗量；在怠速工况，以发动机怠速燃料参数来计算燃料消耗量；根据各工况时间、燃料消耗量之和、燃料密度和总行程，可计算多工况的路试百公里燃料消耗量，或者根据需要可以同理按发动机试验的CO、HC、NOx特性曲线，自动计算多工况路试的废气排放值，可适用各种燃油和燃气车辆。汽车多工况路试油耗模拟计算检测方法具有以下优点：

a、可用怠速停供转速来规范减速工况的挂挡策略，当从较高车速减速至较低车速时，可在较高挡位的发动机转速略高于n_t时要求降挡以提高转速使燃料消耗量为0，直至规定较低挡转速接近n_t时规范脱开离合器或挂空挡。

b、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，消除了轮胎气压、路面情况、环境状态等的影响，保证了检测状态的统一性。

c、消除了相同发动机型号不同产品的±4％燃料消耗量离散性误差，无需磨合降低了费用，可分散检验技术参数后计算，集中统一审核，不需要复杂的监管系统。

具体实施方式

按GB/T12545.2-2001《商用车辆燃料消耗量试验方法》第5.1.1款的六工况循环，以一台11米长的客车新车型计算满载六工况循环路试燃料消耗量为例，来说明具体实施方式。

1、车辆相关技术参数：整备质量11500kg，总质量15500kg，发动机额定功率/转速为177kW/2300r/min，燃料为柴油，确定挂六挡检测，六挡传动比i_g为0.740，单级主传动比为4.875，轮胎型号为11.00R22.5，轮胎类别为子午胎断面宽度大于8.25in，车身长×宽×高为11270mm×2490mm×3520mm，前轮距为2020mm，计算满载多工况路试燃料消耗量。

2、确定各车速点V_i：在加速工况划分车速区间为5km/h，计算时间区间为：在(40～50)km/h加速工况的减速度a＝10/(3.6×14.0)＝0.198m/s²，对应5km/h车速区间的时间t_i＝5/(3.6×0.198)＝7.0s。在(50～60)km/h加速工况的减速度a＝10/(3.6×16.3)＝0.170m/s²，对应5km/h车速区间的时间t_i＝5/(3.6×0.17)＝8.17s。

3、轮胎型号11.00R22.5的轮胎宽度为279mm，外径D为1065mm，满载取k₂＝0.93，轮胎断面宽度279/25.4＝10.98in＞8.25in，R＝0.5×0.93×1065×10^-3＝0.4952m。计算该挡位的转速与车速之比k₃＝(i_g×i₀)/(0.377×R)＝(0.740×4.875)/(0.377×0.4952)＝19.323。

4、计算发动机附件消耗扭矩：设k₄＝0.08，M_ze＝k₄×P_e×9549/n_e＝0.08×177×9549/2300＝58.79，设k₅＝0.3，设发动机附件消耗扭矩是转速的一次方，附件消耗扭矩直线斜率t_gB＝(1-0.3)×M_ze/(n_e-700)，n_i转速点的M_zi＝0.3×M_ze+(n_i-700)×t_gB。

5、计算滚动阻力系数和滚动阻力：按所属车辆类别的f与车速一次方程f＝0.00468+0.000024×V，车辆为单级主传动，取传动结构系数k₁＝1，滚动阻力F_fi＝f_i×M×g。

6、计算空气阻力系数和空气阻力：按所属车辆类别的C_D与车速二次方程C_D＝1.2238-0.0101V+0.0000525V²，迎风面积A＝2020×3520×10^-6＝7.1104m²，V₀²＝V_i²/12.96，空气阻力F_wi＝0.5×C_Di×A×ρ×V_i²/12.96。

7、计算等速工况发动机输出功率P_ti＝n_i×M_zi/9549+(F_fi+F_wi)×V_i/3600，最高速挡检测可估算δ＝0.04，设η₁＝0.95、η₀＝0.96，F_ai＝(0.04×11500+15500)×a/(0.95×0.96)＝17500×a，计算加速工况发动机输出功率P_ai＝n_i×M_zi/9549+(F_fi+F_wi+F_ai)×V_i/3600，P_ai对应扭矩M_ai＝9549×P_ai/n_i，单位N·m。

8、采用插入法，从发动机万有特性曲线上得到等速工况的n_i、P_ti、M_ti和加速工况的n_i、P_ai、M_ai对应的燃料消耗率g_i，g_i单位为克/千瓦小时。或者计算机把发动机万有特性曲线数据化后自动计算对应的g_i，把计算结果列入下表：

9、按Q_m＝P_ti×g_i×t_i/3600计算各等速区间的燃料消耗质量：Q_m40＝16.3×238×11.3/3600＝12.214克，Q_m50＝27.955克，Q_m60＝32.259克。计算加速工况各车速区间的燃料消耗质量：Q_m45＝28.395克，Q_m50＝30.794克，Q_m55＝36.186克，Q_m60＝40.443克。角标为车速：

10、按标准规定，在减速中完全放松加速踏板，离合器仍接合，变速箱挂上高挡位。该六工况的减速工况最低车速为40km/h，对应柴油机转速为773r/min大于怠速停供转速750r/min，减速工况燃料消耗量为0。该六工况没有怠速工况，怠速工况燃料消耗量为0。

11、计算规定多工况的燃料消耗量总质量为208.246克，按基准状态下的柴油密度0.830克/毫升换算为208.246/0.830＝250.8991mL，总行程为1350m，计算该六工况的路试百公里燃料消耗量为100000×250.899/(1000×1350)＝18.59L/100km。

12、同理，按上述计算的发动机输出功率、扭矩、转速，采用插入法，从发动机试验的CO、HC、NOx特性曲线中，可以计算多工况路试的废气排放量值。

汽车多工况路试油耗模拟计算检测方法，可以把汽车的节能和减排有机的结合起来，具有检验准确、操作性好、方便快捷、费用低、统一性和可比性良好的优点。