重型柴油車實際道路行駛工況試驗研究?

丁一峰，李 君，劉 宇

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

前言

特定條件下的汽車行駛工況是一條速度 時間曲線，是真實道路行駛狀況的數學化體現。汽車行駛工況主要被用來進行車輛燃油經濟性、排放和行駛特征等方面的評估。文獻[1]中詳細闡述了道路測試循環的發展與構建方法，給出了基于車載測試方法行駛工況構建的一般流程。文獻[2]中也對典型城市車輛行駛工況構成進行了相關研究。通過解析實際道路行駛數據，構建實際道路行駛工況并分析工況中的典型特征參數，進而為臺架試驗和真實道路測試進行車輛燃油消耗與排放水平評價提供條件和依據，已成為國內外工況循環相關領域學者研究的重點[3-4]。基于實際道路行駛數據構建的行駛工況能真實反映車輛在實際道路行駛過程中的行駛特征和對燃油消耗與排放產生的影響。柴油車相對其他燃料類型車輛具有熱效率高、動力性強等優勢，在載貨汽車和大型客車等商用車中占有很大比重[5]。重型柴油車作為一種重要的運輸工具，在交通運輸、物流、公共服務等行業都有廣泛的應用。目前，重型柴油車保有量占汽車保有量的15%，NOx和PM排放量卻占總排放量的74%和86%[6]。隨著我國排放法規的日益嚴苛和化石燃料的短缺，研究重型柴油車實際道路行駛工況對于有效降低該類車輛油耗、控制污染物排放具有重要的現實意義。

世界統一瞬態試驗循環(WHTC)是由UN，ECE和GRPE作為全球性技術法規開發的瞬態工況，已被美國、歐盟、日本和澳大利亞等國家和地區采用。為適應世界不同地區的道路特征和駕駛條件，WHTC被賦予了不同的權重[7]。本文中對比分析了構建的重型柴油車實際道路行駛工況與WHTC循環在工況特征參數方面的一些差異，說明WHTC循環對試驗地區實際道路的適應性欠佳，不能很好地反映當地實際道路行駛特征。同時也說明根據實際道路行駛數據構建開發適應本地區道路特點和駕駛條件的行駛工況的必要性。

表1 試驗車主要參數

圖1 試驗設備示意圖

1 實際道路試驗

1.1 試驗車輛的選取

選取6輛一汽解放J6P重型載貨車作為試驗車，其最高車速可達120km/h。發動機為錫柴直列6缸柴油機，符合國Ⅳ/歐Ⅳ排放標準，該車型具有較好的動力性、可靠性和通過性，試驗車主要參數見表1。

1.2 試驗設備與方法

試驗設備如圖1所示，它是車載數據采集終端，終端內置GPS定位、無線傳輸和內部存儲器等模塊。終端通過CAN總線讀取車載傳感器數據，并將這些數據連同GPS位置信息通過無線網絡發送至管理平臺數據庫。同時，為防止因信號中斷等情況造成數據丟失，終端會將數據自動保存至內部存儲器中。GPS與CAN總線數據記錄頻率為1Hz。

本項研究中所使用的數據是中國新能源汽車產品檢測工況研究和開發項目采集數據的一部分。參試駕駛員具有不同的年齡、家庭收入和教育水平，在試驗過程中駕駛員按各自出行目的駕駛試驗車輛出行，不設定具體的試驗路線。數據采集時間為40天，車輛行駛范圍覆蓋了長春和四平的大部分地區。

2 重型車實際道路行駛工況

2.1 行駛特征數據解析

本文中使用的數據共793 837條，經檢驗數據缺失率小于10%，符合工況構建要求。數據采集時間覆蓋了行車高峰期與非高峰期、工作日與非工作日的各個時段。圖2為工況構建具體技術路線。

在試驗中采集到的數據具有數據源多樣和存儲量大等特點，原始數據的平滑、短片段分割、篩選和相應特征值主要通過MATLAB軟件編寫相應程序進行計算。車速信息以每秒記錄的CAN總線數據為準。短片段相關定義和篩選原則如下。

(1)運動片段：車速從0開始到大于0，最后到等于0為止的一段數據片段。

(2)怠速片段：車輛完成一個運動片段后，狀態保持車速為0，發動機轉速大于0的一段片段。要求怠速片段的時長小于200s，如果時長大于200s，默認時長為200s。

(3)短片段：一個運動片段加一個怠速片段。

(4)運動片段時長大于等于10s。運行速度大于5km/h，小于等于 120km/h。運行加速度小于5.0m/s2，大于等于-4.0m/s2。

(5)最大速度小于60km/h時，運動片段時長小于601s。最大速度大于60km/h、小于80km/h時，運動片段時長小于1 201s。最大速度大于80km/h時，運動片段時長小于3 601s。

本文中在數據解析過程中選取了15個短片段特征參數，如表2所示。經計算共篩選出符合要求的短片段441個，將這些短片段的特征值歸一化后進行主成分降維。表3是通過MATLAB軟件計算出的15個主成分中前5個主成分的貢獻率與累計貢獻率。通常，累計貢獻率大于85%的主成分就可以反映特征參數的基本信息。由表3可知，前4個主成分的累計貢獻率為87.23%，已大于85%，所以選取前4個主成分作為聚類分析的特征變量。

圖2 工況構建技術路線

表2 選取的短片段特征參數

表3 前5個主成分貢獻率與累計貢獻率

表4為K-means聚類后各類中的短片段數量和對應的聚類中心。由表4可知，第1類在Z4主成分最大，在Z1主成分最小；第2類在Z4主成分最大，在Z2主成分最小；第3類在Z2主成分最大，在Z3主成分最小；第4類在Z2主成分最大，在Z4主成分最小。綜上可見，Z2和Z4主成分對聚類效果有顯著影響，Z1和Z3主成分對聚類效果的影響不如Z2和Z4主成分。因此，圖3示出以Z2和Z4為坐標軸的主成分聚類結果的二維圖。從圖3可見，短片段被分為4類，每類中都有各自的聚類中心，各類別輪廓比較清晰，說明聚類的效果較好。

表4 各類中的片段數量與聚類中心

2.2 實際行駛工況的構建

構建實際行駛工況短片段的選取主要通過比較4類中各短片段與聚類中心的空間距離和確定所有短片段平均速度相對正加速度標準化標準差最小值的方法實現。由K-means聚類算法原理可知，與聚類中心距離越近的短片段越能代表這一類的特征，因此在這一過程中可確定4個短片段用于構建行駛工況。接著，利用數據標準化將速度、加速度無量綱化并計算標準差。由標準差的統計意義可知，標準差越小樣本變異越小，即可通過比較所有短片段中各短片段標準差值的大小選出最理想的短片段來體現總體的基本特征，借此可確定另一個短片段。將以上5個短片段按速度順序排列，并在開始階段加上30s的怠速，組合后的實際道路行駛工況曲線如圖4所示。工況循環時間1 580s，工況行駛里程達到13.379km，工況最大行駛速度為68.1km/h。

圖3 主成分聚類結果

圖4 實際行駛工況曲線示意圖

用于構建實際行駛工況的5個短片段中相應的運動片段如圖4所示，從左至右依次記為M1～M5。計算比較5個運動片段的平均速度，將M1定義為低速區，M2和M3定義為中低速區(M2和M3屬同一類，其中M3由過程2獲得)，M4定義為中高速區，M5定義為高速區，4個速度區分別代表了一種特定的交通狀況和駕駛條件。表5為4個速度區的速度和加速度基本情況，其中減速度是減速段的加速度。可見4個速度區的平均速度、最大速度、最大加速度和最大減速度呈遞增趨勢。中高速區的平均加速度、平均減速度中最大，低速區的最小。對比發現，中低速、中高速區的平均速度、最大速度差異不大，但加減速度參數差異明顯。而中低速、中高速區與其他速度區各項參數差異都較大。

表5 4個速度區的速度和加速度

圖5 行駛工況速度區間時間占比

圖6 行駛工況加速度區間時間占比

行駛工況的速度和加速度區間時間占比見圖5和圖6。由圖5和圖6可知，行駛工況運行車速在0～70km/h范圍內，平均運行車速為30.5km/h，其中0～10km/h的車速時間占比為21.3%，10～30km/h的車速時間占比為29.0%，40～60km/h的車速時間占比為31.6%。怠速時間占運行時間的12.4%，等速運行時間占運行時間的1%，加減速運行時間占運行時間的86.6%。車輛運行的加、減速度主要集中在-1.0～1.0m/s2范圍內，占總體加減速運行時間的95.7%。可見，重型柴油車實際道路行駛工況是一個瞬變的工況，其間發生連續的加速、減速和怠速的變化。與世界統一瞬態試驗循環(WHTC)相比，沒有WHTC的超高速工況(車速＞80km/h)，怠速時間占比也小于WHTC的17%[8]。因此，相應的工況和油耗特性會有較大差別。

3 試驗結果與分析

圖7為實際道路行駛工況發動機轉速隨時間變化的關系，圖8為行駛工況發動機轉速與油門踏板開度分布。由圖4與圖7可知：在中低速、中高速區具有較大的發動機轉速且波動較大，而在高速區發動機轉速略有下降且比較平穩，說明在中低速、中高速區車輛經歷了較為擁堵的交通狀況，為應對復雜的交通環境駕駛員頻繁地進行換擋操作，加、減速度變化較大，從而造成較高轉速的出現和相應位置轉速曲線的突變；在高速區，行駛條件較為平順，不需要過于頻繁地加、減速，發動機轉速也相對平穩并維持在一定范圍內。由圖8可知，行駛工況發動機轉速主要分布在1 000～1 500r/min，油門踏板行程主要分布在10%～40%。說明行駛工況總體上處于中低速、中低負荷狀態。

圖7 行駛工況發動機轉速與時間關系

圖8 行駛工況發動機轉速 油門踏板行程分布

圖9 行駛工況發動機轉矩百分比與時間關系

圖10 行駛工況發動機瞬時耗油率與時間關系

圖11 行駛工況發動機瞬時耗油率分布

圖9 為重型柴油車實際道路行駛工況發動機轉矩百分比隨時間的變化關系，圖10為瞬時耗油率隨時間變化的關系。可見，在中低速、中高速區轉矩波動較高速區大。由圖8和圖9可知，行駛工況的低負荷點較多，轉速多集中在1 500r/min以下，轉矩百分比多集中在20%以下。從圖10可知，高速區瞬時耗油率較大，而低速區、中低速區和中高速區瞬時耗油率明顯小。低速區的瞬時耗油率在大約30s的時間段出現了先升高后降低的現象。由圖7、圖8和圖10可知，高轉速、中高負荷行駛狀態產生的油耗在汽車行駛總油耗遠小于中低轉速、中小負荷行駛狀態。圖11為行駛工況轉速 轉矩 瞬時耗油率關系圖。可見，車輛實際行駛過程中油耗的怠速損失并不是主要的，約占油耗的14%。更多的集中在轉速800～2 200r/min，轉矩百分比20%～40%區域。瞬時耗油較高的部分集中在轉速1 200～1 700r/min，轉矩百分比28%～37%和轉速1 700～1 900r/min，轉矩百分比25%～28%兩個區域。前者主要由高速區平順駕駛的燃油消耗和低速、中低速、中高速區復雜駕駛環境的燃油消耗組成。后者主要是中低速、中高速區復雜駕駛環境下的燃油消耗。同時，可發現有一部分油耗產生于高轉速、低轉矩區域，這主要是由于極端駕駛操作產生的燃油消耗。

4 結論

(1)本文中構建了重型柴油車實際道路行駛工況循環，總時長1 580s，行駛里程13.379km，平均運行車速30.5km/h，最大運行車速68.1km/h，怠速時間占運行時間的12.4%，加減速運行時間占總體運行時間的86.6%，加減速度主要集中在-1.0～1.0m/s2，行駛工況集中在轉速1 000～1 500r/min，轉矩百分比0～20%范圍內，呈明顯的中低速，中低負荷特征，與WHTC循環存在明顯差異。

(2)行駛工況按速度分為低速區、中低速區、中高速區和高速區4個部分，中低速和中高速區轉速、轉矩波動較大，高速區轉速、轉矩較為平穩，是兩種不同的交通狀況與駕駛條件的真實反映。

(3)行駛工況的高瞬時耗油率主要集中在轉速1 200～1 700r/min，轉矩百分比28%～37%和轉速1 700～1 900r/min，轉矩百分比25%～28%兩個范圍內。

(4)本文中構建的重型柴油車實際道路行駛工況是基于實際道路行駛數據，能夠基本反映重型柴油車實際道路行駛特征，可以為臺架試驗和真實道路測試進行整車性能評價提供條件和依據。

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