CN111563312A - 一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，包括依次连接的数据输入单元、运行状态模拟单元、车辆燃料消耗量计算单元、结果输出单元；所述数据输入单元用于输入整车参数、发动机参数以及传动系参数；所述运行状态模拟单元用于根据数据输入单元计算出每一时刻的发动机转速和扭矩，从而将整车的运行转化为发动机的运行；所述车辆燃料消耗量计算单元用于根据运行状态模拟单元中的运行数据通过计算得到车辆的综合燃料消耗量；所述结果输出单元用于输出最后的模拟结果。通过该模拟系统的应用，变型车辆不用再进行底盘测功机试验，从而降低测量成本和时间，解决了重型商用车变型多、转鼓测试成本高等问题，同时通过模拟计算法还可消除驾驶员操作、环境条件等变量的影响，可靠地估计重型商用车燃料消耗量。
Description
技术领域
本发明属于重型商用汽车领域，尤其是涉及一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统。
背景技术
重型商用车单车油耗高、排放高，虽然保有量相对乘用车较小，但总油耗和排放占比大，重型商用车一直是我国汽车节能以及大气污染防治的重点管理对象。与轻型汽车不同，重型商用车变型多，对所有可能的组合进行底盘测功机测试成本高且不切实际；发动机测功机测试无法反映整车技术状态，不适合测量燃料消耗量；模拟计算法可消除驾驶员操作、环境条件等变量的影响，可靠地估计重型商用车燃料消耗量。因此，欧美等发达国家普遍采用软件模拟的方法对重型车燃料经济性进行测试，如美国的GEM(Greenhouse GasEmission Model)，欧盟的VECTO(Vehicle Energy Consumption Calculation Tool)。企业在车型开发和测试过程中经常使用的AVL Cruise、P-SAT、Simulation X、 ADVISOR等商业软件可以建立起完善的模型，准确的计算车型的燃料消耗量。但是，商业模拟软件参数设定众多，用于大量的车型燃料消耗量计算较为繁琐、工作量很大；另一方面，标准测试方法应对所有车型建立统一的测试平台和参数设定，因此必须根据我国重型商用车现状及标准要求开发出专门的模拟计算程序。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，通过软件模拟的方式对重型商用车变型车辆的燃料消耗量进行软件模拟计算，代替采底盘测功机法测定燃料消耗量。底盘测功机法成本高、耗时长，且重型商用车辆变型多，如对所有变型进行底盘测功机测试不切实际，通过该模拟系统的应用，变型车辆不用再进行底盘测功机试验，从而降低测量成本和时间，解决了重型商用车变型多、转鼓测试成本高等问题，同时通过模拟计算法还可消除驾驶员操作、环境条件等变量的影响，可靠地估计重型商用车燃料消耗量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，包括依次连接的数据输入单元、运行状态模拟单元、车辆燃料消耗量计算单元、结果输出单元；
所述数据输入单元用于输入整车参数、发动机参数以及传动系参数；所述运行状态模拟单元用于根据数据输入单元计算出每一时刻的发动机转速和扭矩，从而将整车的运行转化为发动机的运行；所述车辆燃料消耗量计算单元用于根据运行状态模拟单元中的运行数据通过计算得到车辆的综合燃料消耗量；所述结果输出单元用于输出最后的模拟结果。
进一步的，所述整车参数包括车辆类型、整车整备质量、最大设计总质量、最大设计载质量、最大设计牵引质量、额定载客人数、驱动型式、轴数；所述发动机参数包括发动机万有特性、发动机反拖扭矩、发动机外特性扭矩、发动机怠速转速及怠速燃料消耗量、发动机额定转速、发动机最高转速；所述传动系参数包括变速器的类型、主副变速器档位数及变速比、主减速比。
进一步的，所述数据输入单元还包括确定行驶阻力、确定轮胎滚动半径、确定发动机转速和扭矩、以及换挡策略。
进一步的，所述运行状态模拟单元包括建立车辆模型，所述车辆模型包括环境模型、驾驶员模型、车轮模型、车身模型、传动系模型、发动机模型。
进一步的，所述运行状态模拟单元还包括计算汽车行驶阻力，所述传动系模型包括离合器模型和变速器模型，所述车辆燃料消耗量计算单元包括计算瞬时燃料消耗量和工况燃料消耗量。
进一步的，根据下面公式计算出每秒钟的瞬时燃料消耗量，
式中：et——瞬时燃料消耗量，单位为L/h；bt——燃料消耗率，单位为g/kwh；Ne(t)——发动机转速，单位为r/min；Te(t)——发动机扭矩，单位为Nm；t——时刻，s；ρ——燃料密度，单位为g/L。目前模拟程序中，柴油密度取0.835kg/L，汽油密度取0.739kg/L。
进一步的，根据下面公式计算工况燃料消耗量，
式中：FC——工况燃料消耗量，L/100km；et——每秒燃料消耗量，单位为L/h；Vt——每秒实际车速，km/h。n——工况的时间长度。
进一步的，所述结果输出单元在每个模拟计算结束时显示对应的瞬态车速、瞬态燃料消耗量曲线、平均车速和百公里燃料消耗量并自动保存，其中，模拟计算法确定燃料消耗量采用以下公式计算相应二氧化碳排放量参考值：
E＝K×Q/100
式中：E——车型二氧化碳排放量参考值，单位为克每千米(g/km)；K——转换系数，对于燃用汽油的车型为2.37×103，燃用柴油的车型为2.60×103，单位为克每升(g/L)；Q——车型燃料消耗量，单位为升每100千米(L/100km)。
相对于现有技术，本发明所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统具有以下优势：
1.为重型商用车节能管理提供集成化管理工具。单车油耗高、排放高，虽然保有量相对乘用车较小，但总油耗和排放占比大，重型商用车一直是我国汽车节能以及大气污染防治的重点管理对象。通过“重型商用车燃料消耗量模拟计算系统”的应用，可分类记录企业及车型信息，便于企业及相关管理部门存储数据并随时调用查看数据，从而实现重型商用车辆便捷化、集成化管理。
2.解决了利用模拟计算测量重型商用车燃料消耗量的一系列关键技术问题，1)根据重型商用车燃料消耗量的关键因素确定了燃料消耗量与车辆关键技术参数的关系。2)确定了消耗量模拟试验方法、关键环节和基础参数。3)在我国重型商用车产品种类、用途、技术状态、特征参数基础上提出适用于燃料消耗量试验的分类方法。4)将我国各类重型商用车产品技术特点、运行情况以及道路交通条件，导入软件中，建立运行工况。5)确定模拟试验法测定重型商用车燃料消耗量的主要环节、关键技术参数以及相关要求。6)设计重型商用车燃料消耗量模拟试验流程，采取技术手段控制关键参数输入输出。
3.增加重型商用车燃料消耗量测量精准度、降低测试成本。与轻型汽车不同，重型商用车变型多，对所有可能的组合进行底盘测功机测试成本高且不切实际；发动机测功机测试无法反映整车技术状态，不适合测量燃料消耗量；模拟计算法可消除驾驶员操作、环境条件等变量的影响，可靠地估计重型商用车燃料消耗量。欧美等发达国家普遍采用软件模拟的方法对重型车燃料经济性进行测试，如美国的GEM(Greenhouse Gas EmissionModel)，欧盟的VECTO(Vehicle Energy Consumption Calculation Tool),“重型商用车燃料消耗量模拟计算系统”填补了我国利用软件模拟的方法对重型车燃料经济性进行测试的空白。
4.为企业根据中国工况开发新车型提供软件工具。“重型商用车燃料消耗量模拟计算系统”引入了C-WTVC、中国重型商用车工况(CHTC)循环等多条测试循环曲线，企业可通过软件系统模拟计算不同工况下的燃料消耗量及温室气体排放，并进行对比分析，企业在开发新车型时，不必再反复进行底盘测功机测试，为企业采用CHTC开发新的节能车型提供更低成本、更便捷的测试工具，
5.为《重型商用车辆燃料消耗量限值》第四阶段标准制定提供重要测试工具。自《重型商用车辆燃料消耗量限值》标准执行以来，已经经历了三个阶段的限值标准，但是与欧美等发达国家相比，我国重型车辆燃料消耗量仍普遍偏高，四阶段重型商用车辆燃料消耗量限值将进一步加严标准，同时四阶段限值还面临着C-WTVC工况切换为CHTC工况的特殊情况，在制定的过程中必须收集大量数据，并通过各类车型验证，采用“重型商用车燃料消耗量模拟计算系统”将为数据测试及验证提供高效便捷的工具，以为重型车燃料消耗量四阶段限值标准的制定提供高质量的数据支撑，保障四阶段限值标准的科学性合理性，持续推动我国重型商用车节能及绿色发展。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为模拟系统运行流程示意图；图2为模拟计算程序计算流程示意图；
图3为扭矩与转速计算过程流程示意图；图4为燃料消耗量计算过程流程示意图；
图5为车辆模型示意图；图6为换档规律示意图；图7为换档方法示意图；
图8为重型商用车燃料消耗量模拟计算系统安装程序示意图；图9为程序组成示意图；
图10为传动系文件示意图；图11为发动机反拖扭矩文件示意图；
图12为发动机万有特性文件示意图；图13为发动机转速文件示意图；
图14为发动机最大扭矩文件示意图；图15为滑行阻力文件示意图；
图16为输出计算结果文件示意图；图17为程序起始界面示意图；
图18为企业信息和车型显示示意图；图19为显示实车参数示意图；
图20为选取轮胎规格或输入滚动半径示意图；图21为读取文件示意图；
图22为计算燃料消耗量结果示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
“重型商用车燃料消耗量模拟计算系统”以汽车发动机万有特性试验数据为基础，将整车、变速器、轮胎等关键参数输入计算机程序，通过计算机程序模拟试验车辆在循环工况下的运行状态，计算车辆燃料消耗量。通过计算机程序模拟试验车辆在C-WTVC、CHTC行驶工况下的运行状态，计算试验车辆的燃料消耗量及温室气体排放量。
1.模拟计算程序运行与计算流程如图1-4所示
模拟系统运行流程如图1所示。模拟计算程序计算流程如图2所示。扭矩与转速计算过程如图3 所示。燃料消耗量计算过程如图4所示。
2.输入参数及参数获取
2.1输入参数
需要输入的整车参数包括：车辆类型、整车整备质量、最大设计总质量、最大设计载质量、最大设计牵引质量(仅适用于半挂牵引车)、额定载客人数(含驾驶员)、驱动型式、轴数(对于半挂牵引车指汽车列车轴数)。
需要输入的发动机参数包括：
a)发动机万有特性，应按GB/T 18297－2001中8.5进行测定。试验时，应在发动机正常转速范围内、从不超过最大扭矩的10％开始至最大扭矩之间尽可能均匀地选取至少81个数据点测定燃料消耗量；额定转速、怠速转速及怠速转速以上200r/min为必取转速，各转速下不超过最大扭矩的10％和最大扭矩是必取点；
b)发动机反拖扭矩，应按GB/T 18297－2001中8.5进行试验准备、按8.7进行测定。试验时，应在发动机怠速转速至最高转速之间尽可能均匀地选取至少9个数据点测量反拖扭矩；怠速转速和最高转速是必取点。在测量反拖扭矩时，对没有安装调速器的发动机，最高转速应为最大功率转速的 1.05倍或超过最大功率转速且扭距下降3％时的转速；取二者中的较小值。对装有调速器的发动机，最高转速为带负荷最高转速；反拖扭矩指车辆行驶过程中出现的车辆拖动发动机曲轴旋转的工况下，发动机给车辆的阻力矩。
d)发动机外特性扭矩，应按GB/T 18297－2001中8.3的规定，在发动机正常转速范围内尽可能均匀地选取至少9个数据点进行测定；额定转速是必取点；
e)发动机怠速转速及怠速燃料消耗量；
f)发动机额定转速；
g)发动机最高转速。
需要输入的传动系参数包括：变速器的类型(AT、MT、AMT)、主(副)变速器档位数及变速比、主减速比等。
除上述参数外，还需要输入轮胎规格；以及行驶阻力参数。
2.1行驶阻力的确定
按GB/T 27840附录C进行滑行试验确定行驶阻力。数次滑行速度对应的时间平均值序列格式如 GB/T 27840H.1.2所示，作为模拟程序的读入文件。作为替代方法，若车辆生产企业同意，可采用 GB/T 27840附录F规定的行驶阻力系数推荐值。
行驶阻力测量具体方法如下：
道路试验前，车辆应在试验路段上以中高速行驶不少于40分钟。将车辆加速至表1规定车速(V) 以上，将变速器置于“空档”位置进行滑行直至车速小于15km/h。如车辆性能和场地条件允许，应在尽可能高的车速下滑行；如试验中无法达到表1规定车速，则在车辆所能达到的最高车速下滑行；如因试验道路长度限制无法一次完成滑行试验，可采用分段滑行法。
表1行驶阻力测定车速
测量车辆从V2＝V+ΔV减速至V1＝V-ΔV所需时间t1；式中，ΔV≤5km/h。在相反方向重复该操作，得到t2。计算时间t1和t2的平均值，即耗用时间Ti。重复上述试验不少于3次(即滑行试验总数不少于4次)。
按公式(1)计算平均耗用时间
的统计准确度(p)。统计准确度(p)在30km/h～70km/h 的速度点范围内不应大于4％，在其他速度点不应大于5％。如果统计准确度不能满足要求，则按表2的要求的滑行初速度增加试验次数。
统计准确度(p)的定义为：
式中：t——表C.2给定的系数；s——标准偏差，
n..........——试验次数。
表2系数
按公式(2)计算道路等速行驶阻力：
式中：
F——道路等速行驶阻力，单位为牛顿(N)；M——最大设计总质量，单位为千克(kg)；ΔV——与车速V的速度偏差，单位为千克每小时(km/h)；
按公式(3)计算道路等速功率：
式中：P——功率，单位为千瓦(kW)；V——试验车速，单位为千克每小时(km/h)；
M——最大设计总质量，单位为千克(kg)；ΔV——与车速V的速度偏差，单位为千克每小时(km/h)；
——n次试验汽车从V+ΔV减速到V-ΔV的平均耗用时间，s。
在道路上测定的阻力(F)和功率(P)应分别按公式(4)、(5)校正至基准状态下的阻力和功率：
F校正＝K×F测定......................................(4)
P校正＝K×P测定......................................(5)
式中：
RR—速度V时的滚动阻力，单位为牛顿(N)；如车辆生产企业提供了该类数据，则采用车辆生产企业的数据。RW—速度V时的空气阻力，单位为牛顿(N)；RT—总运行阻力，单位为牛顿(N)，等于
RR+RW；KR—滚动阻力的温度校正系数，取6×10-3/℃，或由车辆生产企业提供并经检测机构认可给定的校正系数；t—道路试验时大气温度，单位为摄氏度(℃)；t0.——基准大气温度，20℃；
d—试验条件下空气密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；
式中：d—试验条件下的空气密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；P—试验期间的大气压力，单位为千帕(kPa)；P0—基准状态大气压力，100kPa；T—试验期间的绝对温度，单位为开氏度(K)。 T0—基准状态温度，293.15K(20℃)。d0—基准状态(20℃,100kPa)下空气密度，1.189kg/m3。
2.2轮胎滚动半径确定
按公式(1)计算滚动半径：
式中：r—轮胎滚动半径，单位为米(m)；d—轮胎设计总直径，单位为米(m)；F—系数，数值见表3。
表3 F值选择表
| 轮胎类别 | F |
| 5°轮辋 | 3.03 |
| 15°轮辋(45、50、55、60及65系列) | 3.03 |
| 其他轮胎 | 3.05 |
| 多用途货车宽底轮胎(子午胎) | 3.00 |
| 多用途货车宽底轮胎(斜交胎) | 2.94 |
2.3发动机转速及扭矩确定
发动机转速按公式(2)计算：
式中：Ne(t)——发动机转速，单位为转每分钟(r/min)；im——变速器传动比；if——主减速比；r——轮胎滚动半径，单位为米(m)；V(t)——车速，单位为千米每小时(km/h)。
发动机扭矩按公式(3)、(4)计算：
当阻力R大于0时：
当阻力R小于0时：
式中：Te(t)——发动机扭矩，单位为牛顿·米(Nm)；r——轮胎滚动半径，单位为米(m)； im——变速器传动比；if——主减速比；ηm——变速器传动效率；ηf——主减速器传动效率。
2.4换档策略
采用二档起步。计算换档瞬间的实时扭矩，按公式(5)计算扭矩富裕率；通过判定升档后的扭矩富裕率是否大于估测值，确定是否则进行升档。
式中：TM——扭矩富裕率；Temax——相应转速下的最大扭矩，单位为牛顿·米(Nm)；Te——实时扭矩，单位为牛顿·米(Nm)。
减速时不换档。
3.模拟计算程序原理及模拟系统参数设定
燃料消耗量模拟计算程序以车辆发动机万有特性试验数据为基础，设想运行C-WTVC循环工况，根据车辆的分类、质量、尺寸参数、滑行阻力数据以及换挡策略，计算出每一时刻的发动机转速和扭矩，从而将整车的运行转化为发动机的运行。最后，对发动机万有特性数据的插值运算，得到工况中每一时刻的瞬时燃料消耗量，通过计算公式及不同的权重系数，最终得出车辆的综合燃料消耗量。
模拟计算程序可以很好的复现燃料消耗量计算结果并且可以对不同车辆之间的差异进行研究；可以模拟指定工况的燃料消耗量，包括市区、公路、高速以及综合工况的燃料消耗量。不同车辆之间的差异可以通过建立车辆模型进行分析，而影响燃料消耗量因素除基本车辆模型外，还包括驾驶员行为、环境因素等。对影响燃料消耗量的各种因素进行建模分析，建立图5所示的车辆模型：
3.1环境模型
3.1.1道路
轮胎在不同路面上的滚动阻力系数不同，汽车的燃料消耗量也不相同。松软路面的塑性变形及硬路面高低不平引起的轮胎与悬架的变形而产生的迟滞损失，是质量差的道路上滚动阻力系数增大的主要原因。另一方面，在相同路面上不同轮胎的滚动系数也不相同。子午线轮胎负荷能力大，比斜交轮胎提高14％左右，而且附着性能好，在附着系数相等的路面上通过能力强，在泥泞路面上不易打滑，在松软道路上下陷小，因此滚动阻力系数小于斜交轮胎。
模拟程序采用欧洲轮辋协会提供的计算公式来计算不同型号轮胎的滚动半径。行驶阻力数据应在在清洁、干燥、平直的沥青混凝土或混凝土路面上进行道路滑行试验，道路条件应满足：道路滑行试验应在清洁、干燥、平直的沥青混凝土或混凝土路面上进行。试验路面长度应满足试验要求，纵向坡度在±0.1％以内。
3.1.2天气
不同天气对车辆燃料消耗量影响很大，但并不能说明车型本身的燃料经济性好坏。因此，应该采用标准天气条件下测量的试验数据才能真实评价汽车的行驶阻力和燃料经济性，车辆进行道路滑行试验时的环境条件应满足：试验应在无雨、无雾的天气下进行，相对湿度小于95％，大气温度在0℃～ 40℃之间。在高出路面1.6m处测量的平均风速不大于3m/s，阵风不大于5m/s。
3.2驾驶员模型
根据相关研究估算，不同技术水平或驾驶习惯的驾驶员在相同使用条件下驾驶相同车辆，燃料消耗量差异最高可达20％～40％。模拟计算程序将从以下四个方面进行研究和控制，以构建合理的驾驶员模型。
3.2.1控制发动机温度
发动机在正常温度范围内工作时，燃料消耗量最低，功率最高。对于水冷式发动机，正常温度范围通常为80-90℃，而风冷式则为120℃。温度过高或过低都将使发动机的燃料消耗量增加。试验表明，对水冷式发动机，40℃时燃料消耗量比正常温度时增加9％～12％；当温度超过95℃时，比正常温度时燃料消耗量增加30％～40％。
3.2.2合理的车速
在实际道路运输中，合理的车速是由运输效率、交通安全、道路条件和燃料消耗量等因素共同决定的。研究表明，中速行驶既节油又利于安全行车。所谓中速行驶是指汽车以直接档燃料消耗量最低的车速行驶，即经济车速行驶。车型不同，其经济车速也不同；即使同一车型其经济车速也随道路条件、装载质量的变化而变化。一般来说，道路条件越好、装载量越少，则经济车速越高；反之则较低。
3.2.3合理的换档策略
机械变速器是否需要换档，取决于驾驶员对汽车行驶条件以及发动机转速和负荷的判断。在满足汽车的动力性的同时，也考虑汽车的燃料经济性，尽量利用高档行驶。一般来说，确定换档规律应满足以下两个条件：
a)选择最佳的档位及换档时机，使汽车具有良好的动力性和燃料经济性。
b)在一般道路条件下，尽量减少换档次数，使换档稳定可靠；尽量减少在某些道路条件下相邻两档间不断循环换档的现象。
在燃料消耗量模拟计算程序中，使用了保证最佳经济性的换档规律。目前有两种判断方法，一种是在汽车加速度大于零的情况下，尽可能采用高档行驶；另一种是以发动机燃料消耗率作为换档依据，保证汽车总是以使发动机的燃料消耗率最小的档位行驶。
3.2.4合理滑行
滑行是利用汽车的惯性行驶，把汽车积蓄的动能转变为有用的功。滑行有经常性和非经常性两种方法：非经常性滑行法指驾驶员根据道路条件伺机进行，如下坡滑行、停车前的滑行等；经常性滑行法指汽车在行驶时，人为地用加速与滑行两个过程交替进行。模拟计算程序主要考虑了停车前滑行对燃料消耗量影响。
3.3车轮模型
3.3.1滚动半径
车轮处于无载时的半径称为自由半径。汽车在行驶过程中，轮胎由于作旋转运动并受到径向载荷发生变形，因此滚动半径与自由半径并不相同。滚动半径可以通过车轮转动圈数与实际车轮滚动距离计算而来，公式如下：
式中，rr—–滚动半径；nw—–车轮转动的圈数；s—–车轮滚动的距离。
滚动半径可由试验测得，也可以通过经验公式作近似的计算。欧洲轮胎与轮辋技术协会(ETRTO) 曾推荐用下式来计算在最大载荷、规定气压与车速在60km/h时的滚动半径：
r＝Fd/2π…………………………………………(10)
式中，r—–滚动半径；d—–设计总直径；F—–系数其中，系数F的取值如表3所示。
3.3.2滚动阻力
车轮滚动时，轮胎与路面接触区域产生法向与切向的相互作用力，相应的轮胎和支撑路面发生变形，由于轮胎内部摩擦产生弹性迟滞损失，使得轮胎变形时所作的功不能全部收回，这些能量损失是产生滚动阻力的原因。车轮滚动时的滚动阻力可通过以下公式计算：
F＝f·G……………………………………………(11)
式中，F—–滚动阻力；f—–滚动阻力系数；G—–法向载荷。
滚动阻力系数f是车轮在一定条件下滚动时所需推力与车轮负荷的比值，即单位车重所需推力。试验表明，滚动阻力系数与轮胎(结构材料、气压)、道路(种类、状况)及使用条件(行驶速度、受力情况)有关，与车辆重量无关。
a)轮胎
不同类型轮胎的滚动阻力系数不同。子午线轮胎负荷能力大，比斜交轮胎提高14％左右；附着性能好，在附着系数相等的路面上通过能力强，在泥泞路面上不易打滑，在松软道路上下陷小。因此，子午线轮胎的滚动阻力系数比斜交轮胎要小。
轮胎气压对滚动阻力系数影响也很大。气压降低时，在硬路面上轮胎变形大，滚动时迟滞损失增加。子午线轮胎使用的气压比普通斜交轮胎高49-147kPa，因此在相同的路面及负荷下滚动时，子午线轮胎比普通斜交轮胎变形小，弹性迟滞损失较小，引起的滚动阻力系数变化不大。
b)路面
轮胎在不同路面上的滚动阻力系数不同。松软路面的塑性变形及硬路面的高低不平引起的轮胎与悬架的变形而产生的迟滞损失，是质量差的道路上滚动阻力系数增大的主要原因。
c)行驶速度
滚动阻力系数还与行驶速度有关，表3是滚动阻力系数与行驶速度关系的一些经验公式：
表3部分滚动阻力系数经验公式
轮胎制造商米其林则曾经提出了以下计公式，用于计算0～90km/h速度范围内的滚动阻力系数：
f＝friso+a·(v2-v2 iso)+b(v-viso)…………………(12)
式中，f—滚动阻力系数；friso—ISO9948的测试值；v—车速；viso—恒定值，80km/h；a,b—–恒定值。
3.3.3模拟程序滚动阻力系数
前面的分析中提供了部分重型载货汽车的滚动阻力公式，客车虽然没有明确的滚动阻力公式，但考虑到货车和客车在影响滚动阻力的因素方面没有本质区别，因此客车采用与货车相同的滚动阻力系数。通过以上对于轮胎滚动阻力系数影响因素的分析以及目前的一些经验公式，经过综合的考虑，模拟程序采用了如表5所示的滚动阻力系数公式：
表4滚动阻力系数
3.4车身模型
车身是驾驶员的工作场所，也是装载乘客和货物的部件。车身包括车头、车身本体，以及货车的车架、挂车和货物等。车身模型模拟汽车质量，空气阻力，还代表了惯性系统。
3.4.1空气阻力
汽车的空气阻力分为压力阻力与摩擦阻力两部分。摩擦阻力指空气粘度在车身表面产生的切向力在行驶方向的分力，该力仅占空气阻力总额的9％，在航空和航天中其作为重点考虑对象，在地面一般车辆中可予以忽略；压力阻力指汽车外表面大气作用的法向压力在行驶方向的分力。模拟程序中采用的空气阻力公式如下：
式中：
Fw——试验车辆的空气阻力，单位为牛顿(N)；CD——空气阻力系数；A——迎风面积，单位为平方米(m2)；V——试验车速，单位为千米每小时(km/h)。
由上式可知，空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比，与速度平方成正比。对于汽车的迎风面积，由车高减去离地间隙(300mm)的差值乘以车宽简化计算，或由企业提供。对于空气阻力系数，由于目前国内几乎没有专门用于测试汽车空气阻力的风洞，空气阻力系数往往无法直接通过试验测得。因此，利用部分车型的道路滑行试验数据拟合出汽车行驶阻力，通过与经验公式进行比较研究，确定空气阻力系数，对半挂牵引车、自卸汽车、货车(不含自卸汽车)、城市客车和客车(不含城市客车)分别取固定值0.8、0.8、0.8、0.65和0.65。
3.4.2加速阻力
汽车加速行驶时需要克服其质量加速运动时的惯性力，也就是加速阻力。汽车的惯量由平移质量和转动惯量组成，加速时不仅平移的质量产生惯性力，旋转的质量还要产生惯性力偶矩。为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，并以系数δ作为记入旋转质量惯性力偶矩后的汽车质量换算系数，因此汽车加速时的阻力为：
式中：δ—–汽车旋转质量换算系数，δ>1；m—–汽车质量，kg；dv/dt—–加速度， m/s2；δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关，计算公式如下：
式中：Iw—–车轮的转动惯量，kgm2；Il—–飞轮的转动惯量，kgm2；m—–汽车质量，kg。
在进行动力性初步计算时，若不知道准确的Iw、Il值，也可按下面的经验公式估算δ值：
δ＝1+δ1+δ2im 2…………………(16)
其中，δ1≈δ2＝0.03-0.05，目前在模拟计算程序中取0.03。
3.5传动系模型
模拟程序中考虑了传动系统的离合器、变速器和主减速器。其中，主减速器需要用户提供主减速比，离合器和变速器模型如下：
3.5.1离合器模型
汽车起步和换档过程中，离合器从彻底分离到完全接合为止，经历零扭矩传递、扭矩传递急速增长、恒定扭矩传递三个阶段。第一阶段为空行程阶段，用于消除空行程，主、从动盘之间无扭矩传递。第二阶段离合器继续接合，离合器主、从动盘之间产生滑磨，扭矩传递急速增长，直到超过车辆的最大阻力矩。结合速度较慢可以获得平稳起步和换档，提高乘坐舒适性和减少传动系冲击载荷；但过慢的速度又会造成滑磨时间长，影响离合器的寿命，因此须控制在一定时间内完成。第三阶段是主、从轴同步以后的行程，该过程继续接合，速度也较快，以使压紧力尽快达到最大值，并保留分离轴承与分离叉之间的间隙。
第二阶段滑磨过程比较复杂，建模较困难，目前模拟程序中离合器接合时间设定为一秒，离合器接触时的转速采用如下公式进行计算：
Ne(t)＝5×(额定转速—怠速转速)/100+怠速转速…………………(17)
3.5.2变速器模型
3.5.2.1不同变速器类型的处理方法
目前，模拟程序中使用的变速器模型是以手动变速器(MT)车为前提的，装有手自一体变速器 (AMT)的车型，认为其燃料消耗量与一般手动变速器车型相同。对于自动变速器(AT)，由于每个厂家的控制策略均不相同、在模拟计算过程中实现较为困难，而且目前国内3.5t以上的自动变速器车型很少，因此在计算其燃料消耗量时视为手动变速器，并采用如下系数进行修正：
AT车型的市区行驶工况油耗＝MT油耗/系数0.91
AT车型的公路行驶工况油耗＝MT油耗/系数0.96
AT车型的高速行驶工况油耗＝MT油耗/系数0.91
3.5.2.2换档规律
变速器模型研究的核心是建立起与驾驶员实际驾驶过程或底盘测功机试验过程中相似的换挡策略。为了研究合适的换挡规律，对ADVISOR、AVL Cruise等几种可以模拟整车燃料消耗量的软件中的换挡规律进行分析。
a)ADVISOR换挡规律。ADVISOR软件是根据固定车速换高档和低档。例如在1档和2档之间设置某一固定车速，当汽车加速到此车速时，由1档换到2档；减速到此车速时，则由2档换到1档。换挡规律如图6所示：
b)AVL Cruise换挡规律。AVL Cruise软件则可根据预先设定的发动机转速换高档和低档，如图7所示，细线是高档换低档，粗线是低档换高档。
然而，由于研究对象是最大设计总质量大于等于3.5t的所有重型商用车，车型匹配的变速器档位范围从五档到十几档，如果按照类似ADVISOR或AVL Cruise方法，要为每类变速器规定换档车速或发动机转速、扭矩值，需要采集大量数据并进行统计分析，耗时耗力。因此，模拟程序参考了日本 MLIT软件扭矩富余率的换档方法，结合我国车型的实际情况及其他软件的一些原则，采用了如下的换档策略：
1)起动档位。采用二档起步。
2)加速换挡原则。通过扭矩富裕率原则换高档，计算每一秒换档后的实时扭矩，如果扭矩富裕率超过设置值则进行换档。换档时，档位应满足车速要求，并选择正常的发动机转速范围和扭矩范围；如果超过此范围，在满足车速的前提下选择合适档位。如果发动机转速低于正常的发动机转速范围，在保证扭矩富裕率、档位保持时间，满足车速的前提下选择合适的档位。
3)减速时不换档。
式中：TM——扭矩富裕率；Temax——相应转速下的最大扭矩，单位为牛顿·米(Nm)；
Te——实时扭矩，单位为牛顿·米(Nm)。
考虑到我国车型后备功率实际情况，在原有扭矩富裕率的基础上根据我国车型实际测试结果适当减小估测值，如表5所示。
表5扭矩富裕率估测值
3.6.汽车行驶阻力计算
3.6.1经验公式计算法
汽车在道路上行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的加速阻力；在坡道上行驶时必须克服重力沿坡道的分力；汽车在加速行驶时还需要克服加速阻力。因此，汽车在行驶过程中，有以下的行驶平衡方程：
Ft＝R＝Ff+Fw+Fi+Fj……………………………………(19)
式中：Ft——驱动力，N；R——总行驶阻力，N；Ff——滚动阻力，N；Fw——空气阻力，N； Fi——坡度阻力，N；Fj——加速阻力，N；
在C-WTVC及中国工况循环工况中，不存在坡道工况，因此车辆的坡度阻力Fi可视为零。结合前面4.3与4.4中的汽车滚动阻力、空气阻力经验公式，可以按照以下公式计算汽车行驶过程中的总的阻力：
式中：R——总行驶阻力，N；M——最大设计总质量，kg；g——重力加速度，9.8m/s2；f——滚动阻力系数；CD—–空气阻力系数；A—–迎风面积，m2；V——车速，km/h；t——时刻，s；δ——旋转质量换算系数。
3.6.2滑行阻力曲线拟合法
除采用经验公式计算滚动阻力、空气阻力以及C-WTVC循环工况总行驶阻力外，还可以对车型进行道路滑行试验。利用车速和校正后的道路滑行阻力数据，可采用最小二乘法曲线拟合成二次多项式，代替车辆的空气阻力和滚动阻力经验公式。将实车试验与理论模拟相结合，可以很好评价和反映整车性能，理论上比采用滚动阻力及空气阻力经验公式模拟计算更加准确。
经过校正后的滑行阻力数据，可利用V+ΔV减速到V-ΔV的时间T，计算出以速度V等速行驶时的阻力F。因此，对于试验得到的一组(V，T)数据，利用最小二乘法采用二次多项式进行拟合，可以得到以下公式：
F＝AV2+BV+C……………………………(21)
式中：F——道路等速行驶阻力，N；A——拟合公式二次项系数；B——拟合公式一次项系数； C——拟合公式常数项。
因此，利用道路等速行驶阻力代替车辆的空气阻力和滚动阻力后，可按以下公式计算汽车行驶过程中的总阻力：
式中：R——总行驶阻力，N；A——拟合公式二次项系数；B——拟合公式一次项系数；C——拟合公式常数项。V——车速，km/h；M——最大设计总质量，kg；t——时刻，s；δ——旋转质量换算系数。
3.7发动机模型
如前所述，建立了车辆的车轮、车身、传动系等模型之后，模拟程序可以根据行驶阻力、换挡规律、传动系的传动比、传动效率、车轮半径等参数，计算出发动机实时的转速和扭矩，以进行燃料消耗量的插值计算。
发动机实时转速可以按如下公式计算：
式中：Ne(t)——发动机转速，单位为转每分钟(r/min)；im——变速器传动比；if——主减速比； r——轮胎滚动半径，单位为米(m)；V(t)——车速，单位为千米每小时(km/h)。
发动机实时扭矩可以按如下公式计算：
当阻力R大于0时：
当阻力R小于0时：
式中：
Te(t)——发动机扭矩，单位为牛顿·米(Nm)；r——轮胎滚动半径，单位为米(m)；im——变速器传动比；if——主减速比；ηm——变速器传动效率；ηf——主减速器传动效率。
目前模拟计算程序中对于变速器和主减速器传动效率的设定为：ηm＝0.96，ηf＝0.94；当传动比为1时，ηm取0.98。
发动机模型的描述包括汽车发动机外特性、万有特性、反拖扭矩、额定转速等数据或参数。描述发动机性能的方法有表格法、插值法和数学模型法三种，前两种描述方法精度较高，后者则是用于汽车动力性燃料经济性模拟计算的常用方法。为了得到精度较高的模拟计算结果，模拟程序采用线性插值作为基本算法，根据发动机燃料消耗量迈普图插值计算燃料消耗量。插值计算时，对于某一转速扭矩数据点，首先利用转速上下限和对应的扭矩上下限选出四组数据，再根据扭矩剔除与计算值最远的一组数据。利用余下的三组数据首先根据扭矩进行线性插值，然后根据转速线性插值，最终得出该点的燃料消耗率结果。
3.8燃料消耗量计算
3.8.1瞬时燃料消耗量
模拟程序根据CHTC或C-WTVC行驶工况计算出的瞬时发动机转速及扭矩，在发动机万有特性数据中进行插值，计算出每秒钟的燃料消耗率，并根据下面公式计算出每秒钟的瞬时燃料消耗量。
式中：et——瞬时燃料消耗量，单位为L/h；bt——燃料消耗率，单位为g/kwh；Ne(t)——发动机转速，单位为r/min；Te(t)——发动机扭矩，单位为Nm；t——时刻，s；ρ——燃料密度，单位为g/L。目前模拟程序中，柴油密度取0.835kg/L，汽油密度取0.739kg/L。
3.8.2工况燃料消耗量
为了克服单一工况的片面性，各国采用多工况获得的燃料消耗量来评价汽车的经济性。汽车多工况循环模式，是在大量的汽车实际行驶工况调研和统计的基础上获得的，因而获得的汽车燃料消耗量更接近实际行驶状况。在对实际行驶车辆进行跟踪测试统计的基础上，各国制定了一些具有代表性的典型循环行驶试验工况。例如，美国环境保护局(EPA)规定要测量市区循环工况及公路循环工况的燃料经济性，并按照0.55和0.45的权重计算综合燃料经济性。因此，测量方法标准参考了国外法规中计算综合燃料消耗量的方法，对C-WTVC循环中的三段工况(市区、公路和高速)设置权重系数(CHTC不再划分市区、公路和高速段，因此不再设置权重系数)，计算综合燃料消耗量。
在模拟计算程序中，依据每一秒钟的瞬时燃料消耗量进行积分，可以得到C-WTVC市区、公路及高速工况的百公里燃料消耗量、以及CHTC综合燃料消耗量。
式中：FC——工况燃料消耗量，L/100km；et——每秒燃料消耗量，单位为L/h；Vt——每秒实际车速，km/h。n——工况的时间长度。C-WTVC综合工况百公里燃料消耗量计算公式如下：
FC综合＝FC市区×D市区+FC公路×D公路+FC高速×D高速………………(28)
式中：
FC综合——一个完整的C-WTVC循环的综合燃料消耗量，单位为升每100千米(L/100km)；
FC市区——市区部分平均燃料消耗量，单位为升每100千米(L/100km)；
FC公路——公路部分平均燃料消耗量，单位为升每100千米(L/100km)；
FC高速——高速部分平均公路燃料消耗量，单位为升每100千米(L/100km)；
D市区——市区里程分配比例系数(简称市区比例)，％；
D公路——公路里程分配比例系数(简称公路比例)，％；
D高速——高速公路里程分配比例系数(简称高速比例)，％。
其中，市区、公路和高速工况的特征里程分配比例系数参见GB/T 27840-2011标准。
3.9输出结果
在每个模拟计算结束时显示对应的瞬态车速、瞬态燃料消耗量曲线、平均车速和百公里燃料消耗量并自动保存。
3.10二氧化碳排放量
模拟计算法确定燃料消耗量采用以下公式计算相应二氧化碳排放量参考值：
E＝K×Q/100……………………………………………(11)
式中：E——车型二氧化碳排放量参考值，单位为克每千米(g/km)；K——转换系数，对于燃用汽油的车型为2.37×103，燃用柴油的车型为2.60×103，单位为克每升(g/L)；Q——车型燃料消耗量，单位为升每100千米(L/100km)。
本发明的软件系统的配置过程如下
1.系统配置
系统运行环境:Windows98/Me/2000/Xp/2003/Vista/Win7/Win10；P 4以上CPU；64M以上内存； 10G以上硬盘。模拟软件开发工具:Microsoft Visual Basic 6.0。
2安装程序
双击“重型商用车燃料消耗量模拟计算系统安装程序.exe”，如图8所示。然后点击“下一步”及“同意”，输入程序序列号，直到提示程序安装已经完成。程序默认的安装路径是C:\Program Files\重型商用车燃料消耗量模拟计算系统。在安装目录文件夹内，双击文件“重型商用车燃料消耗量模拟计算系统.exe”运行模拟程序。
3.程序组成
安装完成的程序主要由执行程序、输入文件、输出文件、界面图片、数据库文件等部分组成，如图9所示。程序运行前需要读入输入文件和自带的数据库，其中输入文件需要用户自己编辑，并且有着特定的格式要求。
3.1输入文件
输入文件包括传动系文件、发动机反拖扭矩文件、发动机万有特性文件、发动机转速文件、发动机最大扭矩文件及滑行阻力文件六个txt文件。输入文件的内容应按照规定格式要求输入，指示头文件按照示例输入。同行数据间用Tab键隔开，整个数据左、右侧不要有空格；头部和末尾不要有空行数据。输入数据为小数的，建议保留两位或两位以上小数。
传动系文件内容如图10所示。传动系文件自第2行数据起依次列出主减速比、起步挡位、主变速器挡位数、各挡位的传动比、副变速器挡位数以及变速器型式；其中，MT、AMT用“0”表示，AT 用“1”表示。
发动机反拖扭矩文件如图11所示。发动机反拖扭矩文件应自第3行起、分两列依次列出各测量点对应的转速和反拖扭矩；其中，转速单位为r/min，扭矩单位为Nm。
发动机万有特性文件如图12所示。发动机万有特性文件应分三列依次列出发动机转速、扭矩和瞬态燃料消耗量(率)；其中，第1行数据为参数名称，第2、3行数据分别为怠速状态下的参数单位和数值，第4行数据为其它转速下的参数单位，自第5行数据起依次列出不同转速、扭矩及对应的瞬态燃料消耗率。文件内数据排序，转速从小到大排列；转速相同时，扭矩由大到小排列。
发动机转速文件如图13所示，应自第2行起依次列出发动机怠速转速、发动机额定转速、发动机最高转速，单位为r/min。
发动机最大扭矩文件如图14所示，分两列依次列出不同转速及对应的扭矩，转速单位为r/min，扭矩单位为Nm。
滑行阻力文件如图15所示。滑行阻力文件应在第1、2行列出道路试验时的大气温度和压力，并自第5行起依次列出各减速区间(V+5km/h,V-5km/h)的中间车速(V)及对应的减速时间；大气温度单位为℃，大气压力单位为kpa，车速单位为km/h，时间单位为s。以图中80km/h数据为例，其对应的时间是指从85km/h减速到75km/h需要28.57s，其他以此类推。
3.2输出文件
图16是程序的输出计算结果文件，用户可以在此文件里查看燃料消耗量模拟的详细信息。
4.运行程序
程序输入文件按格式输入完成以后，执行程序可以模拟相应车型的燃料消耗量。程序运行后，首先会看到如下图17所示界面。点击左上角“企业信息”进入下一步。
4.1显示企业信息和车型
1)右边框选择企业名称。如果没有相应企业，单击新增企业信息可以逐条添加新企业信息，添加完后保存即可。点击下一步选择“是”，填写新增企业的车型参数。
2)右边框单击选择企业名称，左上框会显示企业信息，如果有错误，直接修改保存即可。左下框显示选择企业的车型库，单击选择要模拟的车型，单击下一步；如果没有要模拟的车型，点击下一步选择“是”，填写要新增模拟的车型数据。选择完车型后，单击“下一步”，进入汽车技术参数界面。如图18所示。
4.2显示实车参数
如图19所示，带红色*号项为必填项，需要核对无误。通过下拉菜单选择填写“燃料类型”及“车辆分类”。界面缺少的实车参数，用户自己可以直接填写，然后保存，进入“下一步”模拟运算计算界面。
4.3选取轮胎规格或输入滚动半径
在“请选择轮胎规格”方框内输入模拟车型的轮胎型号，程序会计算出滚动半径；如果缺少轮胎规格直接输入滚动半径和轮胎类别。如图20所示。
4.4读取编写文件
单击模拟运算计算界面上的读取文件按钮，程序弹出如图21所示对话框，逐步单击确认格式，下面方框会显示用户自己编辑的输入文件数据，请用户确认数据和格式的正确性；如果格式错误，程序会报错，请用户在输入文件夹中按照3.1的格式要求修改输入文件中相应文件的格式，点击重置文件再次逐步确认格式。数据确认无误及格式不再报错后，点击确定返回键。
4.5选择工况
点击选择工况下方下拉框，选择行驶工况，可供选择的工况包括：C-WTVC，CHTC-C(中国普通客车行驶工况)，CHTC-B(中国城市客车行驶工况)，CHTC-LT(中国货车行驶工况GVW≤5500)，CHTC-HT (中国货车行驶工况GVW＞5500)，CHTC-D(中国自卸汽车行驶工况)，CHTC-TT(中国半挂牵引车列车形式工况)，选择合适的工况后点击确认工况，如选择的工况与车型不符，则会出现提示需重新选择，选择工况与车型相符则会弹出选择成功。
4.6计算燃料消耗量
单击“点击计算”键，计算燃料消耗量结果并且生成包含计算结果的文本文件，默认保存在安装目录的“输出文件”下，用户也可以点击“输出文件另存”键，选择其他路径保存。
点击“打印报告”和“打印附图”键，可打印报告和附图。如用户装有虚拟打印机，可将报告和附图保存在电脑中。如图15所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：包括依次连接的数据输入单元、运行状态模拟单元、车辆燃料消耗量计算单元、结果输出单元；
所述数据输入单元用于输入整车参数、发动机参数以及传动系参数；
所述运行状态模拟单元用于根据数据输入单元计算出每一时刻的发动机转速和扭矩，从而将整车的运行转化为发动机的运行；
所述车辆燃料消耗量计算单元用于根据运行状态模拟单元中的运行数据通过计算得到车辆的综合燃料消耗量；
所述结果输出单元用于输出最后的模拟结果。
2.根据权利要求1所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：所述整车参数包括车辆类型、整车整备质量、最大设计总质量、最大设计载质量、最大设计牵引质量、额定载客人数、驱动型式、轴数；所述发动机参数包括发动机万有特性、发动机反拖扭矩、发动机外特性扭矩、发动机怠速转速及怠速燃料消耗量、发动机额定转速、发动机最高转速；所述传动系参数包括变速器的类型、主副变速器档位数及变速比、主减速比。
3.根据权利要求1所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：所述数据输入单元还包括确定行驶阻力、确定轮胎滚动半径、确定发动机转速和扭矩、以及换挡策略。
4.根据权利要求1所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：所述运行状态模拟单元包括建立车辆模型，所述车辆模型包括环境模型、驾驶员模型、车轮模型、车身模型、传动系模型、发动机模型。
5.根据权利要求1所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：所述运行状态模拟单元还包括计算汽车行驶阻力。
6.根据权利要求4所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：所述传动系模型包括离合器模型和变速器模型。
7.根据权利要求1所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：所述车辆燃料消耗量计算单元包括计算瞬时燃料消耗量和工况燃料消耗量。
8.根据权利要求7所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：根据下面公式计算出每秒钟的瞬时燃料消耗量，
式中：et——瞬时燃料消耗量，单位为L/h；
bt——燃料消耗率，单位为g/kwh；
Ne(t)——发动机转速，单位为r/min；
Te(t)——发动机扭矩，单位为Nm；
t——时刻，s；
ρ——燃料密度，单位为g/L。目前模拟程序中，柴油密度取0.835kg/L，汽油密度取0.739kg/L。
9.根据权利要求7所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：根据下面公式计算工况燃料消耗量，
式中：FC——工况燃料消耗量，L/100km；
et——每秒燃料消耗量，单位为L/h；
Vt——每秒实际车速，km/h。
n——工况的时间长度。
10.根据权利要求1所述的一种重型商用车燃料消耗量模拟计算系统，其特征在于：所述结果输出单元在每个模拟计算结束时显示对应的瞬态车速、瞬态燃料消耗量曲线、平均车速和百公里燃料消耗量并自动保存，其中，模拟计算法确定燃料消耗量采用以下公式计算相应二氧化碳排放量参考值：
E＝K×Q/100
式中：E——车型二氧化碳排放量参考值，单位为克每千米(g/km)；K——转换系数，对于燃用汽油的车型为2.37×103，燃用柴油的车型为2.60×103，单位为克每升(g/L)；Q——车型燃料消耗量，单位为升每100千米(L/100km)。
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