底盘测功机的阻力设定方法对整车油耗测试的影响

朱文波 王双 黎运

【摘 要】在实验室测定轻型汽车的综合油耗时，底盘测功机的2种阻力设定方法对测定结果有直接的影响。文章对底盘测功机的2种阻力设定方法（查表法和滑行法）进行了理论分析，并对阻力设定方法对汽车的尾气排放和油耗的影响进行了试验研究。结果表明，采用查表法在一定的运转速度范围内不能真实地反映车辆的油耗水平。在NEDC测试工况下，采用查表法进行阻力设定所测得的综合油耗及尾气排放中污染物的含量均比采用滑行法测定的要低。

【关键词】底盘测功机；阻力设定；油耗；尾气排放

【中图分类号】TH117.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）06-0084-05

0 前言

汽车作为常见的交通工具，其燃油经济性是廣大消费者最关注的技术指标之一。车辆在实际行驶过程中的燃油消耗与厂家公布的油耗值往往相差较远，这是由于厂家采用的检测方法与汽车在实际道路上行驶时的工况符合程度较低导致的。

在实验室内模拟测试汽车在实际行驶时排放和油耗的一般方法如下：首先采集车辆在道路上行驶的路谱，经过统计分析后，确定测试用的典型工况，然后使用底盘测功机在室内模拟汽车在道路上行驶时所受到的阻力，最后使用软件系统对汽车排出的尾气进行分析处理[1]。因此，底盘测功机模拟道路行驶阻力的准确性对油耗试验结果有很大的影响。

本文对汽车行驶过程中的受力情况和底盘测功机的受力状况进行对比分析，找出底盘测功机阻力设定的影响因素。并分别应用不同的阻力设定方法进行油耗测试，同时对排放结果进行分析。

1 底盘测功机阻力设定

设定底盘测功机阻力的目的就是在底盘测功机上再现车辆在道路上行驶时所受到的阻力。

1.1 车辆行驶受力分析

1.1.1 道路行驶时车辆的受力分析

车辆在道路上匀速行驶时，其行驶阻力与发动机提供的动力相平衡。行驶阻力分为5个部分：轮胎的滚动阻力、空气阻力、传动系的阻力、坡度阻力和车辆惯性阻力。平衡方程如式（1）[2]：

Ft=Fr+Fw+Fn+Fi+Fj（1）

公式（1）中：Ft为发动机输出的力；Fr为轮胎滚动阻力；Fw为空气阻力；Fn为车辆传动系阻力；Fi为坡道阻力；Fj为车辆惯性阻力，包括汽车平移质量惯性力和旋转部件旋转质量惯性力。

1.1.2 在底盘测功机上车辆的受力分析

汽车在底盘测功机滚轮上行驶，从动轮被夹紧固定，仅驱动轮和底盘测功机的滚轮做相对旋转运动，此时车辆相对滚轮是静止的，车速为零。滚轮的表面则取代了路面。因此，汽车在底盘测功机上变速行驶时的力平衡方程式如下：

Ft'=Fb'+Fm'+Fr'+Fj'+FJ'+Fn'（2）

公式（2）中：Ft'为发动机输出的力；Fb'为底盘测功机制动力；Fm'为测功机内阻；Fr'为驱动轮与滚筒接触面的滚动阻力；Fj'为汽车旋转部件的惯性阻力；FJ'为测功机的惯性阻力；Fn'为车辆传动系阻力。

1.1.3 转鼓实验台的阻力模拟分析

车辆在转鼓上的滑行可模拟其在道路上行驶时所受的总阻力。车辆在底盘测功机上再现道路行驶阻力时，其受力分为2个部分，即底盘测功机上的车辆损失阻力和转鼓测定阻力。道路总阻力减去车辆损失阻力就是底盘测功机需要设定的阻力。

通过表1的比较分析可知，在使用滑行法设定转鼓阻力时，在车辆条件相同的情况下，车辆在转鼓和在道路上行驶的传动阻力是相同的。在转鼓上滑行时，车辆相对于地面的速度为0，因此没有受到风阻。车辆在转鼓上滑行不存在坡度，因此也没有坡度阻力。在道路上行驶时，轮胎的滚动阻力是由4个轮胎与地面接触组成，而在转鼓上滑行时只有2个轮胎转动，因此车辆在转鼓上所受的轮胎滚动阻力小于在道路上行驶时所受的轮胎滚动总阻力。

1.2 底盘测功机阻力设定原理

依据国家颁布的标准《轻型汽车污染物排放限值及测定方法（中国第五阶段）》（GB 18352.5—2013），可采用2种方法对底盘测功机进行阻力设定，即标准推荐阻力设定（查表法）和车辆滑行实际阻力设定（滑行法）。

1.2.1 滑行法

滑行法是将道路试验中车辆受到的阻力状况在测功机上进行模拟。由道路滑行试验测出道路负荷公式中的系数f0、f1、f2。车辆在道路行驶的总阻力F=f0+f1v+f2v2[3]。车辆损失阻力同样通过滑行法采集，该阻力的线性方程为F '=f0'+f1'v+f2'v2。因此，转鼓的阻力设定值应为F s=F-F '。

使用滑行法进行燃油消耗量试验，可以高精度地模拟车辆在道路行驶时所受阻力的情况，会更加真实地反映车辆在实际道路中的排放和油耗水平。

1.2.2 查表法

根据车辆的基准质量，在标准中查表得到当量惯量和阻力系数a、b，将当量惯量和阻力系数输入底盘测功机的控制计算机，得到底盘测功机的制动力F（F=a+bv2）。

查表法的优点是操作简单、快捷方便；缺点是对车辆道路行驶的阻力模拟精度较低。

2 试验部分

针对2款不同车型，分别使用滑行法和查表法加载进行NEDC整车油耗试验。试验方法依据《轻型汽车燃油消耗量试验方法》（GB/T 19233—2003）进行。

2.1 试验设备

整车油耗试验在国内某实验室进行，试验设备主要包括试验车、底盘测功机系统、排放分析系统、环境仓等。整车油耗试验系统组成如图1所示。

（1）测试车辆参数。测试采用的2款试验车的相关参数见表2。

（2）底盘测功机系统。底盘测功机系统主要由测功机转鼓、车辆对中装置、轮胎固定装置、冷却风机等组成。测试设备型号见表3。该系统能有效地控制试验行驶工况和运转循环，重复性好，试验精度高。试验时，底盘测功机参数可由控制室的主机电脑进行设定。

（3）排气分析系统。排气分析系统主要由主机控制单元、HORIB 7200H排放分析仪、稀释通道、定容采样系统、气袋采样单元、鼓风机、消声器等组成。

气体污染物使用的分析仪器有一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）分析仪、总碳氢化合物（TCL）分析仪、点燃式发动机、甲烷分析仪、氮氧化合物分析仪。

（4）恒温仓。恒温仓主要由WEISS环境仓、废气排出系统、新鲜空气补偿系统、温度和湿度控制系统、计算机控制系统等组成。进行整车油耗试验时，须在恒温仓中进行6 h以上的浸车处理，以控制试验初始油温。

2.2 试验方案

2.2.1 试验原理

整车油耗试验方法根据国家标准《汽车燃油消耗量试验方法 第1部分》（GB/T 12545.5—2008），采用GB 18352.3—2005中的NEDC循环工况，在底盘测功机上进行，试验地点选在某企业的排放实验室。

图2是整车油耗试验的原理图。将试验车驱动轮（后轮）安装在底盘测功机的转鼓上，前轮固定。转鼓模拟连续移动的实际路面，阻力加载装置模拟汽车行驶阻力，风机模拟汽车行驶风阻，飞轮系统模拟汽车运动惯性。试验时，驾驶员控制试验车按照NEDC循环工况运行，试验车的排气与环境空气在稀释通道中混合稀释，防止采样系统中高沸点的碳氢化合物与水蒸气凝结，减少排气各组分间的反应，使采样气体比较稳定，定容采样系统按照排气与空气的定容积比连续收集样气，并通过排放分析仪系统进行分析，根据整个试验循环过程中测得的采样气体浓度和气体总体积，按照碳平衡法，便可计算出试验车气体排放物的质量，进一步折算成整车百公里油耗（L/100 km）。

整车油耗的分析和计算采用GB/T 12545.5—2008中的碳平衡法，其基本原理如下：根据质量守恒定律，尾气排放中的含碳量与燃油中的含碳量相等。测得汽车在整个循环过程中的排气总容积和含碳化合物浓度，便可算得含碳化合物的总质量，从而间接算得相应的燃油消耗量，公式如下[3]：

式中，Q为燃油消耗量，单位为L/100 km；MCO、MCO2、MHC分别为测得的CO、CO2、碳氢排放量，单位为g/km；ρ为15 ℃时试验用燃油的密度，单位为kg/L。

2.2.2 试验条件

汽车在底盘测功机上模拟道路行驶时，实验室内温度在25 ℃，大气压为100 kPa，室内相对湿度为50%，实验前车身应洁净、干燥，汽车车轮内无砂石等颗粒物。

2.2.3 试验流程[4]

？譹？訛将试验车更换好发动机、变速器和后桥润滑油；？譺？訛预处理；？譻？訛浸车6 h（经预处理后的汽车，在试验之前，应放置于温度相对稳定在25 ℃的室内预置；此预置时间应至少进行6 h，直到发动机机油温度和冷却液温度达到室内温度的±2 ℃范围内）；？譼？訛将试验车的驱动轮置于底盘测功机的转鼓上，用三角架固定试验车的从动轮；？譽？訛调整试验车驱动轮的胎压至轮胎的标准胎压210 kPa，调整底盘测功机的当量惯量（CN100B12为1 250 kg）；？譾？訛进行NEDC循环试验，得出市区油耗、郊区油耗及综合油耗。？譿？訛以上测试过程，为一次测试。

2.3 试验结果分析

2.3.1 查表法和滑行法阻力设定对比

选取当量惯量为1 360 kg、1 590 kg的2款车进行2种阻力设定方法的比较。表4为2种阻力设定方法对应的阻力系数及总阻力。

图3为样车1按2种阻力设定方法所得出的底盘测功机速度与阻力的关系曲线。从图3中可以看出，在低速区标准推荐阻力均比实际滑行阻力小，在车速为90 km/h左右时，2种设定方法得到的阻力值差异不大。在速度大于90 km/h时，查表法推荐阻力值比实际滑行阻力值大。2条曲线出现交叉现象的原因是标准推荐阻力是通过不同车辆的滑行数据进行综合分析后取得折中的阻力，在一定范围内具有合理性和代表性（曲线无交叉则代表推荐阻力设定值与实际阻力值相比整体偏高或偏低，采用这种方式制定的标准就偏离了实际情况）。

图4为样车2在2种阻力设定方法下底盘测功机的速度与阻力的关系曲线。从图4中可以看出，在0～120 km/h的速度区间，滑行法设定的阻力值均比标准推荐阻力值大。2条曲线出现交叉趋势。

对比图3和图4可知，车辆的当量惯量越大，则2种阻力设定方法得到的速度——阻力曲线的交叉点会向高速方向移动。

整车油耗测试采用NEDC工况，工况中市区循环（UDC）的车速范围为0～50 km/h，在此速度区间，样车1和样车2的标准推荐阻力值均比实际滑行阻力值小，因此可以推断，使用查表法设定阻力得到的市区油耗比使用滑行法得到的结果要低。工况中市郊循环（EUDC）的车速范围为0～120 km/h，在此速度区间内，样车2的标准推荐阻力值均比实际滑行阻力小，同样可以推断，样车2使用查表法测得的郊区油耗值比使用滑行法得到的结果要低。也能初步判断，样车2使用查表法测得的综合油耗比使用滑行法低。

2.3.2 整車油耗测试值

由图5可以看出，对于样车1，使用滑行法进行阻力设定时测得的市区油耗值比使用查表法测得的油耗值要高，佐证了上述的推断。对于郊区油耗，使用滑行法进行阻力设定所测得的值比使用查表法测得的油耗值要低。

由图6可以看出，对于样车2，使用滑行法设定阻力时所得到的市区油耗和郊区油耗均比使用查表法得到的油耗值要高。

由表5可知，样车1使用查表法进行阻力设定时的综合油耗值为7.13 L/100 km，使用滑行法测得的综合油耗值为7.13 L/100 km，2种设定方法下的油耗偏差为1.54%。样车2使用查表法进行阻力设定时的综合油耗值为7.38 L/100 km，使用滑行法测得的综合油耗值为7.22 L/100 km，2种设定方法下的油耗偏差为2.17%。样车2的油耗偏差比样车1的偏差大。

2.3.3 尾气污染物含量

由表6可知，对于样车1，使用滑行法进行阻力设定时，THC、NOX、CO2、CH4、NMHC等气体的含量均比使用查表法进行阻力设定测得的结果高，只有CO的含量较查表法测得的结果低。对于样车2，使用滑行法进行阻力设定时，除了CH4气体含量与使用查表法时测得的结果一样，其余气体的含量均比使用查表法时测定的结果高。

3 结论

（1）进行整车燃油经济性试验时，为保证所测得的油耗值真实地反映车辆在实际道路中的油耗水平，应尽可能地使用滑行法进行底盘测功机的阻力设定。

（2）对于样车1（当量惯量1 360 kg），当车速在0～90 km/h区间时，使用查表法得到的阻力设定值小于使用滑行法设定的阻力值。当车速超过90 km/h时，使用查表法设定的阻力值大于使用滑行法设定的阻力值。对于样车2（当量惯量1 590 kg），车速小于120 km/h时，使用滑行法设定的阻力值均大于使用查表法设定的阻力值。

（3）对于样车1，使用滑行法进行阻力设定时，市区油耗值比使用查表法时的高，郊区油耗比查表法时的低。对于样车2，使用滑行法进行阻力设定时，市区油耗值和郊区油耗值均比使用查表法时的高。样车1和样车2使用滑行法设定阻力时的综合油耗值均比使用查表法时高。

（4）对于样车1，使用滑行法进行阻力设定时，尾气中除了CO含量值较使用查表法设定阻力时要低，其余气体含量均比使用查表法时高。对于样车2，使用滑行法进行阻力设定时，尾气中除去CH4含量值与使用查表法设定阻力时相同，其余气体含量均比使用查表法时高。

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[责任编辑：陈泽琦]