2.3 車輛能源消耗

2.3.1 功率平衡公式

汽車設計中經常涉及傳動和驅動問題，任何行駛中的車輛都需要外界的能源支持，這類問題從能量的角度來說，一是轉換，二是平衡。在車輛的功率提供和需求之間必須達成平衡，這就引出了所謂的汽車基本公式：

P_e=P_vT+P_S+P_R+P_LW+P_St+P_a

式中 P_e——等效發動機功率；

P_vT——驅動鏈功率損失；

P_S——滑動功率損失；

P_R——滾動阻力功率；

P_LW——空氣阻力功率；

P_St——爬坡功率；

P_a——加速功率。

P_vT、P_S屬于內部損失，P_R、P_LW、P_St、P_a屬于外部損失。

對車輪來說，其名義功率為P_N，有公式：

引入傳動鏈效率η_T，換算為

理論行駛速度v_th在式（2-3）中是按照車輪轉速直接計算的。因為滑差的存在，真實的行駛速度要小于直接計算值。需要根據輪胎的動態周長U_dyn和轉速n_Rad來計算v_th。

動態周長定義為

得出功率平衡為

其中，P_S=P_Nλ_A，又因（滑動差）

得出

即驅動力等于各阻力之和。

2.3.2 燃油消耗

發動機的燃油消耗根據單位燃油消耗b_e和小時燃油消耗B_h來評價：

也可用行駛里程消耗B_s來計量：

通過換算可得以下公式：

式中，P_e為發動機功率需求，P_e=P_vT+P_S+P_R+P_LW+P_St+P_a（在穩態時，P_a=0）；ρ為燃油密度；P_z為牽引功率。

表2-6所示為常用燃油的密度和單位熱值。

在世界范圍內，石油產品的消耗日益增加，廢氣污染也同步增長。各國在汽車設計和生產中制定了很多政策法規，以求降低油耗，同時減少污染物。這些法規就是根據上述燃油消耗率等經濟和技術指標制定的。要實現降低燃油消耗，可通過下面的幾種思路來優化：

1）減少單位油耗（提高發動機效率）。

2）減少行駛阻力（車重、滾動阻力、空氣阻力）。

3）提高動力傳遞的效率（減速器、差速器和軸承等）。

法規中重要的一條就是用城市工況循環法測量燃油消耗。

根據德國工業標準DIN 70030的第一部分，推斷一輛車的燃油消耗，對轎車來說除90km/h、120km/h的等速油耗外，也可用模擬城市駕駛的工況來推斷。

油耗測試過程大體如下：在功率實驗臺上，加載等效回轉質量，同時限定邊界條件（如胎壓、載荷和燃油質量等），在預熱過程后（一般是冷起動后五個循環）進行195s的循環模擬駕駛，以此來計算燃油消耗。一個完整循環包括：31%時間的空駛、22%時間的加速、29%時間的勻速行駛和18%時間的減速。檔位切換速度為15km/h、35km/h及最高速度50km/h。圖2-43所示為一個典型的城市工況循環曲線。

圖2-44所示為新歐洲循環法（NEFZ）的典型曲線，與舊歐洲循環法相比，除標準的最高速度50km/h外，還增加了最高到120km/h的較高速度測試。

很多技術文獻中都提到了所謂的油耗場圖（圖2-45），它用于說明汽油機燃油消耗場。即一臺汽油機在各運行點的單位燃油消耗，該場以一個等高線狀的曲線來表示，與發動機的等效中值壓力有關，此壓力與內燃機轉矩成比例關系。

其中，發動機的等效中值壓力可根據圖2-46得出。

式中 η_m——發動機機械效率；

V_H——發動機行程體積；

n_M——發動機轉速；

p_mi——中值非直接壓力；

P_e——等效發動機功率；

K——此參數，對于四沖程發動機K=0.5，對于二沖程發動機K=1。

根據P_e=M_Mω_M（下標M指發動機）有以下關系式：

圖2-47是一幅M—n圖，即轉矩—轉速的燃油消耗場圖，又稱燃油消耗貝殼圖。曲線以百分比來表示，如100%、105%……130%，最小消耗以100%為基準。最少消耗曲線也是最優消耗b_e=b_{e opt}，通過點來連接，該點正切于雙曲線，如A點。以15kW的等效功率來說，最佳消耗點的雙曲線正切于A，等于118%。如果消耗量增大2%，118%×1.02≈120.4%，也可以在貝殼圖中反推此結果，即B點，120%等于1.02倍的最佳消耗。也可以看出，同樣15kW的發動機，最低消耗點轉速為1700r/min。在較低和較高轉速區，消耗都會增加，b_e≠b_{e opt}。隨著等效功率的提高，最佳消耗對應的轉速是提高的，如29kW時對應的是2500r/min。這些都對設計車輛的發動機和動力匹配有參考價值。

從匹配角度講，發動機轉速與行駛速度是通過有級驅動裝置（驅動裝置或驅動器即通稱的變速器）建立關系的。有級驅動的減速比、軸端減速比，對應于不同的行駛速度都可與發動機轉速建立關系。如果忽略一些邊界條件，如滑差、路面不平度和加速度等，可推導出每種驅動力下的發動機轉矩及對應的最佳燃油消耗檔位。

從圖2-48中也可以看出，在C點有兩條相交曲線，此時1檔經濟性好于2檔（1.02b_{e opt}好于1.05b_{e opt}）。在D點時也有兩條相交線，但此時2檔的經濟性就要好于1檔。

圖2-49說明了不同傳動比和車速下的百公里油耗曲線。可以看出，在中速行駛區間有較小的傳動比，即高檔位時有最小的油耗。檔位越高，油耗越低。這點很容易理解，因此在行駛中單純從降低消耗來講，要盡快升到高檔位行駛。

前文已講到降低油耗的三種思路，其一是優化發動機，這是一個比較直接的方法。優化發動機效率就是提高發動機等效效率η_e，圖2-50所示為等效效率η_e場的概念。優化發動機效率常通過以下兩點實現：

1）接近全負荷曲線上的運行點，如較小的發動機和高集成的驅動。

2）提高機械效率和指示功率。

圖2-51所示為發動機在不同轉速情況下的油耗場對比圖。同樣為40kW功率，在1點時，檔位非常高、轉速較低，b_e≈245g/kW·h，具有良好的燃油經濟性、較低的磨損和排放。在2點時，高速低檔，b_e≈340g/kW·h，具有較高功率儲備，在不換檔的情況下可提供更高功率。因此工程設計中需要綜合考慮驅動力、車輛適用范圍等條件，并加以具體分析。