2.3 车辆能源消耗

2.3.1 功率平衡公式

汽车设计中经常涉及传动和驱动问题，任何行驶中的车辆都需要外界的能源支持，这类问题从能量的角度来说，一是转换，二是平衡。在车辆的功率提供和需求之间必须达成平衡，这就引出了所谓的汽车基本公式：

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

式中 P_e——等效发动机功率；

P_vT——驱动链功率损失；

P_S——滑动功率损失；

P_R——滚动阻力功率；

P_LW——空气阻力功率；

P_St——爬坡功率；

P_a——加速功率。

P_vT、P_S属于内部损失，P_R、P_LW、P_St、P_a属于外部损失。

对车轮来说，其名义功率为P_N，有公式：

引入传动链效率η_T，换算为

理论行驶速度v_th在式（2-3）中是按照车轮转速直接计算的。因为滑差的存在，真实的行驶速度要小于直接计算值。需要根据轮胎的动态周长U_dyn和转速n_Rad来计算v_th。

动态周长定义为

得出功率平衡为

其中，P_S=P_Nλ_A，又因（滑动差）

得出

即驱动力等于各阻力之和。

2.3.2 燃油消耗

发动机的燃油消耗根据单位燃油消耗b_e和小时燃油消耗B_h来评价：

也可用行驶里程消耗B_s来计量：

通过换算可得以下公式：

式中，P_e为发动机功率需求，P_e=P_vT+P_S+P_R+P_LW+P_St+P_a（在稳态时，P_a=0）；ρ为燃油密度；P_z为牵引功率。

表2-6所示为常用燃油的密度和单位热值。

在世界范围内，石油产品的消耗日益增加，废气污染也同步增长。各国在汽车设计和生产中制定了很多政策法规，以求降低油耗，同时减少污染物。这些法规就是根据上述燃油消耗率等经济和技术指标制定的。要实现降低燃油消耗，可通过下面的几种思路来优化：

1）减少单位油耗（提高发动机效率）。

2）减少行驶阻力（车重、滚动阻力、空气阻力）。

3）提高动力传递的效率（减速器、差速器和轴承等）。

法规中重要的一条就是用城市工况循环法测量燃油消耗。

根据德国工业标准DIN 70030的第一部分，推断一辆车的燃油消耗，对轿车来说除90km/h、120km/h的等速油耗外，也可用模拟城市驾驶的工况来推断。

油耗测试过程大体如下：在功率实验台上，加载等效回转质量，同时限定边界条件（如胎压、载荷和燃油质量等），在预热过程后（一般是冷起动后五个循环）进行195s的循环模拟驾驶，以此来计算燃油消耗。一个完整循环包括：31%时间的空驶、22%时间的加速、29%时间的匀速行驶和18%时间的减速。档位切换速度为15km/h、35km/h及最高速度50km/h。图2-43所示为一个典型的城市工况循环曲线。

图2-44所示为新欧洲循环法（NEFZ）的典型曲线，与旧欧洲循环法相比，除标准的最高速度50km/h外，还增加了最高到120km/h的较高速度测试。

很多技术文献中都提到了所谓的油耗场图（图2-45），它用于说明汽油机燃油消耗场。即一台汽油机在各运行点的单位燃油消耗，该场以一个等高线状的曲线来表示，与发动机的等效中值压力有关，此压力与内燃机转矩成比例关系。

其中，发动机的等效中值压力可根据图2-46得出。

式中 η_m——发动机机械效率；

V_H——发动机行程体积；

n_M——发动机转速；

p_mi——中值非直接压力；

P_e——等效发动机功率；

K——此参数，对于四冲程发动机K=0.5，对于二冲程发动机K=1。

根据P_e=M_Mω_M（下标M指发动机）有以下关系式：

图2-47是一幅M—n图，即转矩—转速的燃油消耗场图，又称燃油消耗贝壳图。曲线以百分比来表示，如100%、105%……130%，最小消耗以100%为基准。最少消耗曲线也是最优消耗b_e=b_{e opt}，通过点来连接，该点正切于双曲线，如A点。以15kW的等效功率来说，最佳消耗点的双曲线正切于A，等于118%。如果消耗量增大2%，118%×1.02≈120.4%，也可以在贝壳图中反推此结果，即B点，120%等于1.02倍的最佳消耗。也可以看出，同样15kW的发动机，最低消耗点转速为1700r/min。在较低和较高转速区，消耗都会增加，b_e≠b_{e opt}。随着等效功率的提高，最佳消耗对应的转速是提高的，如29kW时对应的是2500r/min。这些都对设计车辆的发动机和动力匹配有参考价值。

从匹配角度讲，发动机转速与行驶速度是通过有级驱动装置（驱动装置或驱动器即通称的变速器）建立关系的。有级驱动的减速比、轴端减速比，对应于不同的行驶速度都可与发动机转速建立关系。如果忽略一些边界条件，如滑差、路面不平度和加速度等，可推导出每种驱动力下的发动机转矩及对应的最佳燃油消耗档位。

从图2-48中也可以看出，在C点有两条相交曲线，此时1档经济性好于2档（1.02b_{e opt}好于1.05b_{e opt}）。在D点时也有两条相交线，但此时2档的经济性就要好于1档。

图2-49说明了不同传动比和车速下的百公里油耗曲线。可以看出，在中速行驶区间有较小的传动比，即高档位时有最小的油耗。档位越高，油耗越低。这点很容易理解，因此在行驶中单纯从降低消耗来讲，要尽快升到高档位行驶。

前文已讲到降低油耗的三种思路，其一是优化发动机，这是一个比较直接的方法。优化发动机效率就是提高发动机等效效率η_e，图2-50所示为等效效率η_e场的概念。优化发动机效率常通过以下两点实现：

1）接近全负荷曲线上的运行点，如较小的发动机和高集成的驱动。

2）提高机械效率和指示功率。

图2-51所示为发动机在不同转速情况下的油耗场对比图。同样为40kW功率，在1点时，档位非常高、转速较低，b_e≈245g/kW·h，具有良好的燃油经济性、较低的磨损和排放。在2点时，高速低档，b_e≈340g/kW·h，具有较高功率储备，在不换档的情况下可提供更高功率。因此工程设计中需要综合考虑驱动力、车辆适用范围等条件，并加以具体分析。