換擋提示功能的匹配與標定技術研究

吳 瓊,李衛兵,韓 俊

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，合肥 230601)

2016215

換擋提示功能的匹配與標定技術研究

吳 瓊,李衛兵,韓 俊

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，合肥 230601)

首先對換擋提示功能的節油原理和控制策略進行研究，然后在試驗車輛上實現換擋提示功能并進行節油效果測試。結果表明，在NEDC和FTP循環中采用換擋提示功能后分別節油4.8%和4.4%，相當于熟練駕駛員的水平，說明換擋提示功能匹配合理。為達到量產的要求，還進行換擋提示功能對排放和車載診斷影響的研究，結果表明換擋提示功能對整車排放幾乎沒有影響，重新標定車載診斷條件后各項診斷均符合法規要求。

換擋提示；OBD診斷；節油；NEDC循環；FTP循環

前言

為推動我國乘用車節能技術革新，進一步降低乘用車的燃料消耗水平，縮小與國外先進水平的差距，我國2014年頒布了GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》[1]，從整體上要求乘用車燃料消耗量到2015年下降至7L/100km，2020年下降至5L/100km。各研究機構和主機廠深入開展與發動機、整車和使用環節相關的各種節油措施，降低整車綜合油耗。

研究發現合適的換擋時機可以帶來燃油經濟性的顯著提高，過早或過遲換擋都會導致整車燃油經濟性變差。換擋提示功能通過發動機控制單元(engine control unit, ECU)對發動機和車輛運行狀態進行分析，由ECU計算當前經濟擋位，如果當前實際擋位與經濟性擋位不一致，通過CAN總線將升擋(或者降擋)信息發送給儀表提示駕駛員在經濟性擋位駕駛車輛，降低油耗并且培養駕駛員良好的駕駛習慣[2-3]。手動擋車型增加換擋提示功能具有以下好處：

(1) 改善燃油經濟性，降低整車油耗；

(2) 降低CO2排放，節能環保；

(3) 培養駕駛員良好的駕駛習慣；

(4) 符合法規要求及發展趨勢。

歐盟EC-65法規要求2012年11月1日以后M1類基準質量不超過2 610kg并匹配手動變速器的車輛，必須裝配換擋提示器，要求2014年11月1日所有車輛進行裝配[4]。我國發布的GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》中規定如果采用換擋提醒裝置，在計算企業平均油耗時可按照相關測試方法降低油耗測試結果[1]，巴西相關法規也規定如果車型采用換擋提醒裝置可把百公里油耗測試結果減去0.1L。

1 換擋提示節油的基本原理

當車輛設計完成后，車輛在相同工況下行駛阻力是恒定不變的，影響車輛燃油消耗主要因素是發動機燃油消耗率。發動機燃油消耗率b特性曲線如圖1所示，發動機發出相同功率Pe驅動汽車等速行駛，不同發動機轉速下有不同的燃油消耗率[5-7]。換擋提示功能就是通過ECU檢測發動機是否工作在經濟區域，如果不在經濟區域通過換擋提示功能提示駕駛員合理換擋，使發動機在經濟區域工作，從而達到動力性與經濟性的平衡。

圖1 發動機燃油消耗率曲線

2 換擋提示控制邏輯

本研究采用的換擋提示控制邏輯如圖2所示[3]。

步驟S1 首先由ECU獲取當前車速、油門踏板開度和發動機轉速，并通過發動機轉速與車速比值確定當前手動變速器的擋位情況。

步驟S2 通過發動機的燃油消耗萬有特性參數、變速器各擋速比、主減速比和輪胎尺寸理論計算出整車各擋位的經濟性車速范圍，推算出各擋位的升擋與降擋車速，并將其填寫在反映油門踏板開度和擋位與經濟性車速之間對應關系的升擋/降擋速度表格中，如表1和表2所示。ECU通過當前的車速與油門踏板開度查取這兩個表格計算當前的經濟性擋位，并與實際擋位進行比較。

表1 升擋標定車速表 km/h

表2 降擋標定車速表 km/h

步驟S3 如果當前擋位與經濟性擋位一致，說明不需要提示駕駛員進行換擋，否則就需要進行降擋或升擋提示。

步驟S4 如果當前擋位低于經濟性擋位就需要提示升擋否則就進行降擋提示。

步驟S5 ECU發送經濟性擋位和升擋提示給儀表，如果此時有其他傳感器出現故障或巡航功能開啟時，ECU將會停止向儀表發送擋位提示。

步驟S6 與步驟S5過程類似，ECU發送目標擋位與降擋提示給儀表，如有降擋禁止條件出現ECU停止向儀表發送擋位提示。

圖2 換擋提示控制邏輯框圖

3 換擋提示功能節油效果驗證

在1.3VVT發動機匹配6MT變速器某A0級車型上開發完成換擋提示功能，升擋與降擋功能合理滿足量產化要求，采用4種試驗工況驗證換擋提示功能的節油效果。

工況1 GB 18352.5—2013法規規定NEDC排放與油耗測試循環[8-9]如圖3所示。由圖可見，NEDC循環對速度曲線與換擋時刻都有嚴格要求，節油效果對比試驗首先嚴格按照法規規定換擋點運行NEDC循環，然后再按照換擋提示的擋位運行整個循環，記錄與計算油耗值，結果表明在NEDC循環使用換擋提示功能節油率為4.8%。

圖3 GB 18352.5—2013 NEDC循環工況

圖4 FTP-75循環工況

工況2 圖4為美國EPA規定的FTP-75測試循環，采用法規規定的換擋時刻與換擋提示換擋時刻進行試驗，試驗結果表明換擋提示功能節油率4.4%。

工況3 歐盟EC-65法規規定了換擋提示功能節油效果測試工況，如圖5所示[2]。它規定各擋位標準換擋車速、加速時間與加速度。節油效果試驗分別使用標準換擋點與換擋提示換擋點分別進行，結果表明換擋提示功能節油率3.25%。

圖5 EC-65測試工況

工況4 熟練駕駛人員駕駛工況(下簡稱市場工況)，采集一位有20年駕駛經驗的駕駛行為，提取出速度、擋位關鍵點組成市場工況，如圖6所示。分別按照熟練駕駛員行為和換擋提示換擋點進行試驗，結果表明二者油耗水平相當。說明換擋提示功能計算出的經濟性擋位與熟練駕駛員相當，并能培養駕駛人員良好的駕駛習慣。

圖6 市場工況

由以上4種對比試驗和表3分析結果說明，換擋提示功能節油效果明顯，且換擋提示功能合理，滿足終端客戶使用要求。

表3 換擋提示功能節油效果驗證統計

注：工況3為10km油耗，其他工況為100km油耗。

4 換擋提示相關性影響研究

GB 18352.5—2013規定手動擋車輛在NEDC循環中必須按照規定擋位和車速進行試驗，所以在NEDC循環中發動機的運行工況的各控制參數(發動機轉速、負荷、節氣門開度和空氣流量等)基本固定，而使用換擋提示功能后車輛在NEDC循環過程中不再按照法規規定的擋位進行，所以發動機的各控制參數會發生改變。這些改變對運行NEDC循環的整車排放與OBD都會產生影響[11-13]。為此研究使用換擋提示功能對整車排放與OBD的影響及應對措施。

4.1 換擋提示對排放的影響

汽油機排放控制的基本方法是使用三元催化轉化器將HC，CO和NOx轉化成CO2和H2O，當三元催化轉化器達到工作溫度，混合氣空燃比在14.7時轉換效率達到98%。ECU控制是通過氧傳感器閉環控制使空燃比在14.7附近，使三元催化轉化器達到最高的轉化效率。

由于冷機起動和暖機過程中混合氣不完全燃燒致使很容易產生HC，使用換擋提示功能后冷機起動與怠速暖機過程完全一樣，NEDC循環的前50s污染物與不使用換擋提示功能相比基本沒有變化。

混合氣中氧氣不足導致部分燃料不能完全燃燒而生成CO，所以當發動機實際空燃比小于14.7時，發動機原始排放會產生較多CO。但是使用換擋提示功能后ECU的控制空燃比沒有發生變化，所以當催化器完全工作后CO的排放量基本一致，暖機過程中發動機轉速降低會導致總的CO排放量減少，發動機起動階段則沒有發生變化。

混合氣過稀、燃燒溫度過高、閉環控制過程中空燃比控制大于14.7時都會導致NOx產生。發動機起動與暖機過程中燃燒溫度較低，發動機產生的NOx較少，使用換擋提示功能后燃燒過程沒有發生變化，NOx的產生也不會發生變化。當發動機充分暖機后進入閉環控制，使用換擋提示功能也不會改變NOx排放量。

基于以上分析對試驗車輛分別按照法規換擋點與換擋提示功能換擋點進行排放試驗，排放結果記錄在表4中。圖7～圖9為3種污染物在NEDC常溫循環工況中兩種換擋方法車輛尾氣排放對比曲線。由表4可知，兩種方法進行NEDC循環產生的4種污染物都符合排放限值要求而且排放量基本相當，使用換擋提示功能后CO2和油耗均有降低。

表4 常溫排放結果對比

由圖7可見，兩種換擋方法試驗測得HC基本一致，因為HC和NMHC主要是在起動與暖機過程產生，而兩種換擋方法起動與暖機階段控制基本一樣，催化轉化器起燃后HC基本都被轉化掉(NMHC是通過HC計算得到)。

圖7 NEDC循環兩種換擋方法HC對比

由圖8可見，兩種換擋方法試驗測得的NOx基本一致，帶換擋提示在第一個城市工況時由于駕駛員的不正確操作導致NOx曲線有一次冒尖外，其他的過程中兩種換擋方法NOx排放基本一致。

圖8 NEDC循環中兩種換擋方法NOx對比

圖9 NEDC循環中兩種換擋方法CO對比

由圖9可見，NEDC循環中兩種換擋方法試驗測得的CO結果都滿足要求，熱機階段的兩種試驗方法CO產生一致，冷機階段催化轉化器起燃使用換擋提示的發動機轉速較低，CO生成量較少。

由以上試驗對比可知，只要整車標定控制數據合理，使用換擋提示功能后對整車常溫排放基本沒有影響。

下面研究換擋提示功能對低溫排放性能的影響。法規要求環境溫度-7℃時進行低溫排放試驗，試驗循環為NEDC循環的前面4個城市工況。分別按照法規提示和換擋提示進行試驗，試驗結果如表5所示。由表5可知，換擋提示功能對低溫排放基本沒有影響。

4.2 換擋提示對OBD診斷的影響

與排放試驗一樣，由于使用換擋提示功能導致發動機在NEDC循環中的部分控制參數發生變化，這就需要根據換擋提示功能在NEDC循環中的具體情況重新標定OBD的診斷參數，使故障碼能夠在NEDC循環中報出[14-15]。OBD診斷循環中的尾氣排放基本不發生變化，主要原因是使用換擋提示功能后在起動階段和暖機階段污染物變化很小。

表5 低溫排放結果對比記錄

針對以上分析重新標定OBD診斷條件和診斷參數進行OBD的演示試驗，試驗結果分別如表6～表8所示。

表6 兩種換擋方法氧傳感器診斷試驗結果

表7 兩種換擋方法3%丟火診斷試驗結果

表8 兩種換擋方法催化轉化器診斷試驗結果

用氧信號模擬器模擬氧傳感器失效后進行兩種換擋方法的NEDC循環中試驗，結果排放都滿足法規要求，并且能夠在診斷循環中報出故障碼點亮故障燈。

利用丟火發生器導入3%的丟火率，進行NEDC循環兩種換擋方法對比試驗，排放結果均滿足法規要求，均能夠在診斷循環中報出故障碼點亮故障燈。

使用極限催化器進行兩種換擋方法的NEDC循環試驗，排放結果都小于法規限值120%，均能夠在NEDC循環報出故障碼點亮故障燈。

綜上分析與試驗研究可知，換擋提示功能對常溫與低溫排放影響很小，只要更改OBD診斷條件讓診斷邏輯在NEDC循環中及時做動，氧傳感器診斷、丟火診斷和催化器診斷都能按照法規要求完成診斷，并及時報出故障碼點亮故障燈。

5 結論

(1) 設計的換擋提示功能工作正常，在標定的換擋時刻能及時提醒駕駛員換擋。換擋時刻與一個成熟駕駛員的駕駛習慣接近，說明該功能設計合理。

(2) 換擋提示功能滿足相關法規要求，NEDC循環節油率4.8%，FTP循環節油率4.4%，與一個成熟駕駛員的駕駛換擋習慣接近。

(3) 使用換擋提示功能后整車常溫排放與低溫排放不受影響，都能夠滿足法規要求。

(4) 更改OBD診斷條件后，法規規定的診斷項目都能夠完成診斷，符合法規要求。

所設計與匹配的換擋提示功能完全達到了量產化要求，并已成功移植至兩款暢銷的SUV車型上，倍受客戶好評。

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A Research on the Matching and Calibration Techniques of Shifting Prompts

Wu Qiong, Li Weibing & Han Jun

TechnicalCenter,AnhuiJiangHuaiAutomobileCo.,Ltd.,Hefei230601

The fuel saving principle and control strategies of shifting prompt function are studied first. Then shift prompts are implemented on test vehicle with their fuel saving effects measured. The results show that after shift prompts are adopted, fuel consumptions are reduced by 4.8% and 4.4% in NEDC cycle and FTP cycle respectively, equivalent to the level the skilled driver can achieve, demonstrating the reasonable matching of shifting prompt function. For meeting the requirements of mass production, the effects of shifting prompts on emissions and on-board diagnosis are also studied, with a result indicating that shifting prompts hardly affect the emissions of vehicle and all items of diagnosis accord with the requirements of regulation after diagnosis conditions are calibrated anew.

shifting prompts; on-board diagnosis; fuel saving; NEDC cycle; FTP cycle

原稿收到日期為2015年9月25日，修改稿收到日期為2015年12月24日。