汽车燃油经济性计算方法及仿真分析

杨翔宇，王刚，周荣宽，刘志，文啓洲

(重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054)

汽车燃油经济性计算方法及仿真分析

杨翔宇，王刚，周荣宽，刘志，文啓洲

(重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054)

燃油经济性是汽车最重要的性能指标之一。燃油经济性好不仅可以降低汽车的使用费用，还可以获得较好的排放性能以减少对环境的污染。在美国联邦环境保护局(EPA)规定的测试程序的基础上对汽车进行动力学分析，分析汽车在城市循环工况(UDDS)和高速路循环工况(HWFET)两种不同行驶状态下的燃油消耗情况，提出了一种汽车燃油经济性的计算方法。利用Matlab/Simulink对整车进行建模，对该型车辆在循环工况下的燃油消耗量进行仿真，并与理论计算值进行对比分析。结果表明:所提出的汽车燃油经济性的计算方法是合理、准确的。

燃油经济性;循环工况;计算方法;仿真分析

燃油经济性是汽车的重要性能，也是每个拥有汽车的人最关心的指标之一［1］。影响汽车燃油经济性的因素是多方面的，它的好坏不仅与汽车本身的性能(特别是发动机、变速箱、传动系、驱动方式)以及驾驶技术有关，而且与汽车行驶的工况有着密切的关系［2］。

本文采用美国联邦环境保护局(EPA)规定的测试程序(包括城市循环工况UDDS和高速路循环工况HWFET)［3］，在此基础上对汽车的行驶状态进行动力学分析。根据汽车在不同行驶状态下的燃油消耗情况，分析计算各循环工况下汽车的燃油消耗量，进而计算出它的循环百公里燃油消耗量。提出了一种汽车燃油经济性的计算方法。建立整车的Matlab/Simulink仿真模型，对汽车燃油经济性进行仿真分析，并将仿真结果与计算结果进行对比，说明本文提出的汽车燃油经济性计算方法是合理、准确的。

1 工况介绍

汽车都是在一定的工况下行驶，即使同一辆汽车在不同的工况下行驶，其燃油经济性也是不同的。因此，行驶工况对汽车的燃油经济性的评价计算有着十分重要的意义。当前世界的汽车行驶工况被分成3组:美国行驶工况、欧洲行驶工况和日本行驶工况。以美国FTP(Federal Test Program)为代表的瞬态循环工况(Transient Driving Cycle)和以ECE(Economic Commission for Europe)为代表的模态工况(Modal Driving Cycle)被广为采用［4］。

本文采用美国联邦环境保护局(EPA)规定的测试程序。它分为城市循环工况(UDDS)和高速路循环工况(HWFET)，分别如图1、2所示［5］。

图1 城市循环工况

图2 高速路循环工况

由图1、2可知:在美国联邦环保局测试程序中，城市循环工况和高速路循环工况测试参数的具体值是不一样的，如表1所示。

表1 各循环工况的参数值

2 发动机的燃油消耗

对于传统的汽车而言，发动机作为其动力源，汽车在行驶过程中所消耗的能量都是由发动机提供的。因此，在分析汽车的燃油经济性之前有必要先分析发动机的燃油消耗情况。发动机单位时间燃烧燃料产生的热量与单位时间进入气缸的燃料质量有关。其表达式为［6］

则发动机在一定时间内燃烧燃料产生的总能量为

发动机单位时间对外输出的功与发动机燃烧燃料单位时间产生的有效的化学能是相等的。但需要说明的是，发动机燃烧燃料的化学能转换为曲轴的输出功需要经历3级转换，存在3个转换效率［7］。其分别是发动机燃烧效率ηc、发动机循环热效率ηt、发动机机械效率ηm(它又包括了发动机泵气、摩擦，发动机配件和曲轴惯性损耗)，则发动机的有效效率为

发动机动力输出的过程本质上是进入发动机燃料的化学能转化为曲轴有效输出的过程。由上述分析可知，发动机曲轴输出的功为

3 车辆动力学分析

汽车在不同的行驶状态下，其燃油消耗量不同。为了计算其燃油消耗量，应该对行驶的汽车进行动力性分析。图(3)为汽车在无风、水平路面上行驶时的受力情况。

图3 汽车行驶受力

由车辆动力学分析可知:在汽车行驶过程中，Ff、FW永不为负，而惯性力Fj则有多种可能，从而汽车驱动力的取值分为以下3种情况:Ft＞0，Ft＜0和Ft=0。

当Ft＞0时，发动机对外输出正功。汽车的行驶状态既可以是加速行驶，也可以是减速行驶或者匀速行驶。在城市循环工况下，Ft＞0的情况如图4所示。

图4 城市工况发动机对外输出正功

2)Ft＜0

此时，发动机对外输出负功(或者说发动机此时相当于一个负载)，汽车处于减速行驶状态。汽车在下长陡坡或者雨雪天气路面很滑等情况下，驾驶员为了安全起见一般都会采用发动机制动(不同于刹车制动)，此时发动机相当于一个负载。HWFET驱动周期与刹车点的确定如图5所示。

图5 高速路工况刹车点

3)Ft=0

当Ft=0时，发动机的动力输出为零。但此时发动机仍需消耗能量，例如汽车遇到红灯停车或者汽车减速滑行时，驾驶员松开离合器踏板，传动系不对外输出动力，但此时发动机依然在运行，会有燃料的消耗。

4 汽车燃油消耗量分析计算

式(11)中:0．55、0．45分别为城市循环工况、高速路循环工况加权系数。

在该测试程序中，任何一种循环工况的平均燃油消耗量的计算表达式可以写成如下形式［9］:

由汽车动力学的分析可知:整个循环工况下根据驱动力Ft的不同取值，汽车分不同的行驶状态，对应的发动机工作状态分别为发动机动力驱动状态、发动机制动状态、发动机怠速状态。则整个循环工况的燃油消耗量应是3种行驶状态下发动机燃油消耗量之和，其表达式为

1)发动机动力驱动状态(Ft＞0)

发动机动力驱动状态燃油消耗量为

必须要说明的是，(E)1是发动机在汽车这一行驶状态下输出的有效功。这些能量不仅用于驱动车辆行驶，还必须保证发动机附件的正常运行。发动机附件是发动机正常运行必不可少的辅助机构，例如水泵、机油泵、高压油泵、点火装置、发动机风扇等［10］。其表达形式为

尽管大多数地球科学家赞赏地壳均衡在保持高地形的重要性，但许多人忘记了现今的岩石隆起大部分（85%）都归功于已经被侵蚀或运移出该地形之外的物质均衡补偿，而并非活动构造。

在发动机怠速过程中燃油消耗率基本是恒定的。因此:

由上述分析可知，循环工况下汽车平均燃油消耗量为:

需要说明的是:在Ft＞0时，根据已有试验数据的统计分析，EFt、(EACC)之间存在一定的关系。

整个循环工况下，汽车的百公里燃油消耗量为

式(11)～(28)中:gC为循环工况综合燃油消耗量(L/m);Gf为循环工况燃油消耗量体积(L);s为循环工况的距离(km);ρf为燃油密度(kg/L); (mf)1，(mf)2，(mf)3分别为各状态下进入整机的燃料质量(kg);(m˙f)1，(m˙f)2，(m˙f)3分别为单位时间进入整机的质量(kg/s);t2、t3分别为循环工况发动机制动、怠速的时间(s);ηe，max为发动机的最大效率;(EFt)1为曲轴输入汽车传动系的功(kW·h);(EACC)为发动机附件消耗的功(kW· h);EF为作用在车轮上的功(kW·h);¯g为循环工

t况的平均燃油消耗量(L/km)。

5 Matlab/Sumlink仿真模型的建立

随着计算机技术的发展，仿真技术越来越多地应用到汽车新产品开发的整个过程中，从而能在产品开发前期及时有效地对开发人员的设计思路进行评价和验证。目前大部分设计人员已经认可了仿真技术在汽车性能预测、计算、分析中所起的作用。本文利用Matlab/Simulink建立相关模块，建立适合于分析计算汽车燃油经济性的计算机仿真模型。

5.1 整车行驶动力学仿真建模

整车行驶动力学模型表示了整车在外力作用下的驱动力—阻力平衡关系。该模块实现了汽车的纵向动力平衡:∑F=Ft。由汽车动力学模型建立仿真模型(如图6所示)。

图6 整车仿真模块内部

5.2 汽车燃油经济性的仿真建模

汽车燃油经济性仿真模块内部结构如图7所示。

图7 汽车燃油经济性模块内部

5.3 整车系统建模

将上述模块和发动机模块、变速器模块、循环工况模块以及油箱、油耗显示器等部件，根据各自的联系和相互作用的关系连接起来，组成整车系统的模型(图8和图9)。

图8 城市循环工况汽车整车系统模型

图9 高速路循环工况汽车整车系统模型

6 仿真结果对比分析

6.1 循环工况燃油经济性的计算

本文以某款已知参数汽车为例进行燃油消耗量的计算，整车的部分参数如表2所示。

表2 整车参数

根据已有试验数据统计的经验参数如表3所示。

表3 经验参数

EFt的值由式(27)确定，可以看出，它只与汽车本身的参数和行驶的距离有关。(EACC)为汽车行驶时辅助设备消耗的能量，在城市循环工况、高速路循环工况下，其值分别为EFt的10%和6%。

由式(26)、(11)、(28)求得汽车在城市循环工况、高速路循环工况下的平均燃油消耗量、综合燃油消耗量以及百公里燃油消耗量(见表4)。

表4 理论计算结果

6.2 循环工况燃油经济性的仿真计算

当前全球用来评价汽车燃油经济性的标准循环工况主要有FTP、NEDC、JN10-15和ECE等。本文采用美国联邦环境保护局(EPA)规定的测试程序。它分城市循环工况(UDDS)和高速路循环工况(HWFET)来评价燃油经济性。下面是在满足设计要求参数的情况下，在(UDDS)和(HWFET)循环工况下计算得到的仿真结果。

表5 仿真计算结果

6.3 燃油经济性计算、仿真结果对比分析

通过对比某款已知参数的汽车，得到在城市循环工况(UDDS)和高速路循环工况(HWFET)下燃油消耗量的计算值、仿真值如表6所示。

表6 燃油消耗量的对比

通过以上计算以及仿真结果的对比可以看出:由式(26)计算得出的燃油消耗量与通过仿真计算得出的结果相差不大，百公里燃油消耗量的值相差6.36%。

7 结束语

本文根据美国联邦环境保护局(EPA)规定的测试程序，在汽车动力学分析的基础上，根据驱动力的取值把发动机的工作状态分为3个阶段(动力驱动阶段、发动机制动阶段、发动机怠速阶段)，并结合已有的实验数据，提出了一种汽车燃油经济性的计算方法。利用Matlab/Simulink建立了仿真模型，并进行了汽车燃油经济性的仿真。两种计算结果对比显示:百公里燃油消耗量的值相差6.36%，表明本文中建立的汽车燃油经济性的评价方法是合理的。

需要进一步说明的是，利用本文中的公式可以进一步进行如下问题的研究:

1)对汽车的燃油经济性进行预测，这对汽车产品的开发极为有利。

2)分析不同参数对汽车燃油经济性的影响，对汽车的相关参数进行合理的设计。

［1］汽车燃油经济性［EB/OL］.［2014-02-28］.http:// baike.baidu.com/link?url=lhZcRTXxMp-AZEPOGotYzYjmOqlQUVs-REGdMqVI1ueP0uwswF-jmqYQjdP-bJXJ.

［2］包凡彪.基于万有特性的汽车燃油经济性计算方法研究［J］.北京汽车，2012(1):23-28.

［3］http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_economy_in_automobiles.

［4］MichelAndre.DrivingCyclesDevelopmen:Characterization of the Methods.SAE961112.

［5］Dynamometer Drive Schedules［EB/OL］.［2013-02-06］. http://www.epa.gov/nvfel/testing/dynamometer.htm.

［6］Baglione M，Duty M，Pannone G.Vehicle System Energy Analysis Methodology and Tool for Determining Vehicle Subsystem Energy Supply and Demand［J］.SAE Transactions Journal of Passenger Cars:Electronic and Electrical Systems，2008，116(7).

［7］周龙保.内燃机学［M］.3版.北京:机械工业出版社，2010.

［8］余志生.汽车理论［M］.5版.北京:机械工业出版社，2009.

［9］Sovran G，Blaser D.A Contribution to Understanding Automotive Fuel Economy and Its Limits［J］.SAE Technical Paper，2003(1).

［10］王建昕，帅石金.汽车发动机原理［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［11］Sovran G，Bonn M.Formulae for the Tractive-Energy Requirements of Vehicles Driving the EPA Schedules ［J］.SAE Technical Paper，1981.

(责任编辑 刘舸)

Research and Simulation Analysis Method of Automobile Fuel Economy

YANG Xiang-yu，WANG Gang，ZHOU Rong-kuan，LIU Zhi，WEN Qi-zhou
(School of Vehicle Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Fuel economy is one of the most important performance indexes of the automobile，and fuel economy is better.Not only can it reduce the cost of vehicle，but it also can obtain better performance of emission reduction of environmental pollution.In this paper，on the basis of the U.S.Federal Test Procedure(EPA)for vehicle dynamic analysis，it analyzed automobile different driving states fuel consumption in urban driving cycle(UDDS)and highway driving cycle(HWFET)，and proposed a calculation method for automobile fuel economy.Using of Matlab/Simulink，it built model of vehicle based on theoretical analysis and relative reference.The fuel economy on the driving cycle was simulated.Contrasting with fuel economy of the theoretical calculation，the results showed in the present paper illustrate that the automobile fuel economy calculation methods are reasonable and accurate.

fuel economy;driving cycle;calculation method;simulation

U469.72+2

A

1674-8425(2014)08-0006-07

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.002

2014-03-18

重庆市教委科技项目(KJ080619)

杨翔宇(1953—)，男，重庆人，教授，主要从事车辆传动技术及应用研究。

杨翔宇，王刚，周荣宽，等.汽车燃油经济性计算方法及仿真分析［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014 (8):6-12.

format:YANG Xiang-yu，WANG Gang，ZHOU Rong-kuan，et al.Research and Simulation Analysis Method of Automobile Fuel Economy［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):6 -12.