汽車加速-滑行運行狀態(tài)能耗特性分析及試驗

儲江偉,胡 盼,李宏剛,李 紅,艾曦鋒

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

面對汽車保有量的持續(xù)增長、汽車排放污染、石油資源短缺的多重壓力,國內(nèi)外都在積極推進汽車行業(yè)的節(jié)能減排工作,提出了相關(guān)的解決對策[1]。在城市道路中汽車巡航約占總行駛狀態(tài)的35%,且在稀疏交通流中該占比還會提高[2-3]。因此節(jié)油的巡航駕駛策略可以顯著降低汽車行駛的能源消耗。E.G.GILBERT[4]提出,時間周期性控制可以提高巡航車輛的燃油經(jīng)濟性。在駕駛行為方面,I. DE VLIEGER[5]通過道路試驗發(fā)現(xiàn),與正常駕駛相比,激進駕駛所提供的排放量要高出4倍;K.BRUNDELL-FREIJ等[6]認為,停車時間、車速變化和駕駛員的加速強度是影響油耗的主要因素;M.GRABA等[7]分析了乘用車道路測試期間加速強度對能耗和驅(qū)動效率的影響,發(fā)現(xiàn)加速度增量為0.1 m/s2使單位總能耗成比例增加約0.15 J/(kg·m)。在車輛及道路環(huán)境方面,S.E.LI等[8]分析了具有連續(xù)可變變速器的傳統(tǒng)車輛燃油最優(yōu)駕駛策略,提出隨著車速的提高,最佳駕駛操作會從部分滑行策略改為全滑行策略,最后改為定速巡航策略;辛喆等[9]提出多交叉口工況的網(wǎng)聯(lián)汽車最優(yōu)節(jié)油駕駛策略,基于各交叉口的道路限速是否相同,給出車輛的節(jié)油行駛模式; 管湘源[10]基于Radau偽譜法,以最優(yōu)擋位且油耗最小為控制目標,求解出PnG策略的最優(yōu)控制問題。

上述文獻幾乎均為從駕駛行為、車輛特性、道路及交通環(huán)境角度研究了汽車的燃油經(jīng)濟性問題,進而改善燃油消耗。筆者從汽車的運動狀態(tài)方面入手,對汽車的節(jié)能效果進行了研究。在不同期望速度、加速度以及速度波動幅度下,通過對汽車在周期對稱性、非對稱性速度調(diào)控下的加速-滑行(pulse and gliding,PnG)過程進行仿真,得出汽車的能耗指標隨運動狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律;通過對PnG過程的累積能耗及其節(jié)能效果的仿真及試驗分析,進一步揭示汽車加速-滑行運動狀態(tài)的節(jié)能機制及其主要特征,為通過控制車輛運動狀態(tài)實現(xiàn)節(jié)能運行提供理論依據(jù)并對汽車節(jié)能駕駛實踐提供指導(dǎo)。

1 車輛運動狀態(tài)能耗及平衡關(guān)系

1.1 PnG過程中的車輛運動狀態(tài)能耗

1.1.1 車輛加速階段能耗

汽車在加速階段消耗的能量等于克服外界阻力所做的功,即:

∑Ej=Fz·Sj

(1)

式中:∑Ej為汽車加速階段所消耗的能量,J;Sj為汽車加速行駛的距離,m;Fz為汽車加速階段的總阻力,N。

(2)

Fz=Ff+Fw+Fj

(3)

式中:vj為汽車加速階段的速度,m/s;Ff為滾動阻力,N;Fw為空氣阻力,N;Fj為加速阻力,N。

1.1.2 車輛滑行階段能耗

汽車滑行時驅(qū)動行駛的能量來自自身具有的動能,不需要由發(fā)動機提供。因此,汽車滑行階段消耗的能量∑Eh等于克服外界阻力所做的功,即:

∑Eh=FhSh

(4)

(5)

Fh=Ff+Fw

(6)

式中:Sh為汽車滑行行駛的距離,m;Fh為汽車滑行階段的總阻力,N;vh為汽車滑行階段的速度,m/s。

1.2 PnG過程中能量消耗平衡關(guān)系

筆者以周期性PnG運動狀態(tài)過程為研究對象,即汽車行駛Sj1段(或稱第一加速段)的速度變化幅度和行駛Sj2段(或稱第二加速段)的速度變化幅度相同,如圖1。

圖1 周期對稱性加速-滑行過程

參照圖1,汽車在水平道路上加速-滑行行駛S過程中,從動力源獲取的能量(Qj+Qh)和累計消耗能量(∑Ej+∑Eh)之間的平衡關(guān)系為:

Qj+Qh=∑Ej+∑Eh

(7)

Qj=Qj1+Qj2

(8)

式中:Qj為汽車加速階段動力源輸入的能量,kJ;Qh為汽車滑行階段動力源輸入的能量,kJ;Qj1為汽車加速行駛Sj1動力源輸入的能量,kJ;Qj2為汽車加速行駛Sj2動力源輸入的能量,kJ。

Qh=0

(9)

(10)

式中:Fz1為汽車加速行駛Sj1段時所受到的總阻力,kN;Fz2為汽車加速行駛Sj2段時所受到的總阻力,kN;vj1為汽車加速行駛Sj1段時的速度,m/s;vj2為汽車加速行駛Sj2段時的速度,m/s。

汽車在水平道路上以PnG過程的期望速度vc勻速行駛時,受空氣阻力Fw和車輪滾動摩擦阻力Ff的作用。因此,汽車以vc勻速行駛S過程中,從動力源獲取的能量Qvc和累計消耗能量∑Evc之間的關(guān)系為:

Qvc=∑Evc

(11)

(12)

2 能耗特性指標及運動速度曲線

2.1 PnG過程的能耗特性指標定義

汽車PnG過程的瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)定義為以PnG過程的期望速度vc勻速行駛和加速-滑行行駛相同距離需要從動力源獲取的能量差值,即:

ΔQ(t)=Qvc(t)-[Qj(t)+Qh(t)]

(13)

汽車PnG過程的單位里程節(jié)能量Δqs(t)定義為瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)與對應(yīng)時間t內(nèi)行駛距離S(t)的比值,即:

Δqs(t)=ΔQ(t)/S(t)

(14)

汽車PnG過程的節(jié)能率η定義為瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)與以PnG過程的期望速度vc勻速行駛S(t)過程中從動力源獲取的能量Qvc(t)之比,即:

η=ΔQ(t)/Qvc(t)×100%

(15)

2.2 PnG過程的運動速度曲線

2.2.1 加速階段的速度曲線

設(shè)汽車在一個周期內(nèi)2個加速階段的速度曲線為:

(16)

式中:th為滑行段的時長,s。

2.2.2 滑行階段的速度曲線求解

汽車在滑行階段主要受滾動阻力和空氣阻力的作用,根據(jù)牛頓第二定律得:

Fh=δmah

(17)

式中:ah為汽車滑行段的加速度,m/s2。

根據(jù)汽車運動阻力平衡方程,有:

(18)

式(18)中所涉及的CD、δ、A、m、g、b、c的數(shù)值見表1。

求解式(18),得到v-t表達式:

v=f(t,λ0,λ1,λ2,λ3,C)

(19)

應(yīng)用邊界條件t=0時v=vh,求得:

C=h(t,λ0,λ1,λ2,λ3,vh)

(20)

得v-t表達式:

v=F(t,λ,λ1,λ2,λ3,vh)=

(21)

汽車PnG過程中的速度曲線函數(shù)為:

(22)

3 能耗仿真及特性分析

3.1 周期對稱性PnG過程的能耗特性

汽車周期對稱性速度調(diào)控下PnG過程分為兩段加速過程加速度相同的周期對稱性速度調(diào)控過程和加速度不同的周期對稱性速度調(diào)控過程。

3.1.1 加速度相同的周期對稱性PnG過程的能耗特性

兩段加速過程的加速度相同時,汽車周期對稱性速度調(diào)控幅度下的PnG運動狀態(tài)參數(shù)設(shè)置見表2,速度調(diào)控過程如圖2,仿真結(jié)果如圖3。

圖2 A組速度調(diào)控過程

圖3 A組節(jié)能率仿真結(jié)果

由圖3可見,對于兩段加速過程加速度相同的周期對稱性速度調(diào)控下的PnG過程,汽車的運動狀態(tài)基本不具有節(jié)能效果,節(jié)能率隨速度波動幅度的增大而降低。

3.1.2 加速度不同的周期對稱性PnG過程的能耗特性

兩段加速過程的加速度不同時,汽車周期對稱性速度調(diào)控幅度下的PnG運動狀態(tài)參數(shù)設(shè)置見表3,速度調(diào)控過程如圖4,仿真結(jié)果如圖5。

表3 加速度不同的周期對稱性PnG過程運動狀態(tài)參數(shù)

圖4 B組速度調(diào)控過程

圖5 B組節(jié)能率仿真結(jié)果

由圖5可見,對于兩段加速過程的加速度不同的周期對稱性速度調(diào)控下的PnG過程,當?shù)?段的加速度大于第2段的加速度時,汽車的運動狀態(tài)具有節(jié)能效果,節(jié)能率隨速度波動幅度的增大而增加;當?shù)?段的加速度小于第2段的加速度時,汽車的運動狀態(tài)不具有節(jié)能效果,節(jié)能率隨速度波動幅度的增大而降低。

3.2 周期非對稱性PnG過程的能耗特性

汽車周期非對稱性速度調(diào)控下的PnG過程分為第1段速度波動幅度比第2段速度波動幅度大的周期非對稱性速度調(diào)控過程和第1段速度波動幅度比第2段速度波動幅度小的周期非對稱性速度調(diào)控過程。

汽車周期非對稱性速度調(diào)控幅度下的PnG狀態(tài)參數(shù)設(shè)置見表4,速度調(diào)控過程如圖6,仿真結(jié)果如圖7。

表4 周期非對稱性PnG過程的運動狀態(tài)參數(shù)

圖6 C組速度調(diào)控過程

圖7 C組節(jié)能率仿真結(jié)果

由圖7可見,對于周期非對稱性速度調(diào)控下的PnG過程,當?shù)?段速度波動幅度大于第2段速度波動幅度時,汽車的運動狀態(tài)不具節(jié)能效果,節(jié)能率隨PnG過程的第1、2段速度波動幅度差值的增大而降低;當?shù)?段速度波動幅度小于第2段速度波動幅度時,汽車的運動狀態(tài)具有節(jié)能效果,且節(jié)能率隨PnG過程的第1、2段速度波動幅度差值的增大而降低。

3.3 PnG過程中瞬態(tài)節(jié)能量變化特點

汽車PnG運動狀態(tài)參數(shù)設(shè)置如下:汽車期望速度為45 km/h,速度波動幅度為±5 km/h,加速度最大值為0.05g,其能耗特性變化如圖8。

圖8 va-t,Q-t,ΔQ-t曲線

在圖8中,隨著車輛運動狀態(tài)的變化,瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)的變化分為以下幾個階段:

1)前加速耗能階段(圖8中0～a段)。汽車加速需要從動力源獲取的能量為Ef+Ew+Ea,而勻速行駛時獲取的能量為Ef+Ew。因此,圖8(b)中加速過程的累積能耗(曲線Ⅰ,實線)比以平均速度勻速行駛的累積能耗(曲線Ⅱ,虛線)的增長量快;圖8(c)中a點為加速-滑行過程的瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)最小值,即節(jié)能量最小點,而此階段的瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)≤0。

2)滑行過渡階段(圖8中a～b段)。由于汽車處于滑行狀態(tài),從動力源獲取的能量為0。因此,圖8(b)中曲線Ⅰ的斜率為0。此階段若以勻速狀態(tài)行駛,則汽車需要從動力源獲取Ef+Ew的能量,所以圖8(c)中的瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)開始上升,即相當于瞬態(tài)節(jié)能量在增加。在b點,加速-滑行過程中滑行段節(jié)省的能量與加速段多消耗的能量相等。因此,在圖8(b)中,曲線Ⅰ和Ⅱ相交點即圖8(c)中的ΔQ(t)為零的點,即節(jié)能量ΔQ(t)=0。此點對應(yīng)的汽車運動速度為45 km/h,為PnG過程中開始具有節(jié)能效果的臨界點,即節(jié)能開始速度點,或者說,滑行過程中速度應(yīng)降到低于此速度后才具有ΔQ(t)>0的狀態(tài)。

3)滑行節(jié)能階段(圖8中b～c段)。由于汽車在此滑行階段節(jié)省的能量比加速段的能耗量大,因此在圖8(c)中的b～c階段的節(jié)能量ΔQ(t)>0,且在c點達到最大值。

4)后加速遞減階段(圖8中c～d段)。由于從c點開始將從滑行轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀?汽車加速需要從動力源獲取能量。因此,在圖8(b)中曲線Ⅰ比曲線Ⅱ的斜率大。在圖8(c)中,瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)逐漸降低,并在d點的滑行節(jié)能量與加速能耗量相等,節(jié)能量ΔQ(t)=0。此點的車速為45 km/h,是PnG過程中終止節(jié)能效果的臨界點,即節(jié)能終止速度點,此時ΔQ(t)≤0。

在筆者設(shè)定的汽車參數(shù)(表1)、速度控制曲線〔式(22)〕以及期望車速(45 km/h)和速度波動幅度(±5 km/h)條件下,其PnG過程中的最大瞬態(tài)節(jié)能量為33.88 kJ,單位里程節(jié)能量為124.63 kJ/km,相對于勻速運動的最大節(jié)能率為36.03%。

在速度波動幅度為±5 km/h時,不同期望速度和加速度的PnG過程能耗特性指標計算結(jié)果見表5。

表5 速度波動幅度為±5 km/h時能耗特性指標計算結(jié)果

4 試驗結(jié)果分析

4.1 PnG過程能耗試驗方案

使用RACELOGIC VBOX測試儀和油耗儀,實時采集汽車運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù),被試汽車的詳細參數(shù)見表6。

表6 試驗車輛的基本參數(shù)

試驗道路直線長度為5.5 km,雙向四車道,道路平坦,風(fēng)速小于3 m/s,相對濕度小于85%,滿足試驗要求。

在試驗路段進行期望速度為25 ～60 km/h的勻速能耗測試和以25 ～55 km/h為期望速度的對稱性和非對稱性PnG油耗測試,且測試過程中空調(diào)等輔助設(shè)備均關(guān)閉,同一速度在同一路段進行往返4次試驗。

4.2 周期性PnG過程的油耗試驗結(jié)果

汽車以期望速度勻速行駛的油耗試驗結(jié)果見表7。

表7 勻速油耗試驗結(jié)果

汽車完成速度波動幅度為±5km/h的周期對稱性PnG過程后(即圖1中E點)的油耗試驗結(jié)果見表8。

表8 對稱性PnG過程的油耗試驗結(jié)果

汽車非對稱性PnG過程(圖1中E點)的油耗試驗結(jié)果見表9。

表9 非對稱性PnG過程的油耗試驗結(jié)果

4.3 PnG過程中油耗試驗結(jié)果

期望速度為45 km/h的某次PnG實車試驗結(jié)果如圖9。圖9中,在滑行階段的b點開始有節(jié)能效果,持續(xù)到后加速階段的d點;滑行節(jié)能速度區(qū)間為44.47～39.79～42.65 km/h;最大節(jié)油量為2.74 mL,單位里程節(jié)油量為15.38 mL/km,最大節(jié)油率為31.02%。

圖9 車速為45 km/h且調(diào)控范圍±5 km/h時的試驗結(jié)果

在不同試驗車速下,汽車多次PnG試驗過程中的最大節(jié)油效果見表10。

表10 對稱性PnG過程中的節(jié)油效果

在PnG試驗過程中,不同車速下的汽車加速度分布情況如圖10。由圖10可見,在進行PnG節(jié)能試驗時,汽車的加速度介于 -0.6～1.4 m/s2之間。因此,可以將其與同一期望車速和波動幅度下的加速度為amax=0.05g,0.10g,0.15g的PnG過程仿真結(jié)果進行對比分析。

圖10 PnG試驗過程的加速度分布

4.4 試驗與仿真結(jié)果的對比分析

將表8與表3、表9與圖7進行對比可知,對稱性PnG過程不節(jié)能、不節(jié)油,非對稱性PnG過程中圖6(a)型的速度曲線不節(jié)能、節(jié)油,圖6(b)型的速度曲線節(jié)能、不節(jié)油。對比表5和表10可知:在同樣車速下,試驗的平均最大節(jié)油率與同樣期望速度下仿真的平均最大節(jié)能率存在差異,試驗的平均最大節(jié)油率(37.30%)小于仿真的平均最大節(jié)能率(40.54%)。出現(xiàn)此差異的主要原因為筆者定義的節(jié)能率與節(jié)油率在能耗的計量范圍上有所不同。節(jié)能率的計算只考慮車輛以不同運動狀態(tài)(即PnG或勻速運行)行駛相同距離時所需(或消耗)的總能耗及其能耗差異。節(jié)油率是以車輛在不同運動狀態(tài)下行駛相同距離時車輛動力裝置的燃料消耗(或電能消耗)為計量基礎(chǔ),能量利用率受到車輛動力裝置的能量轉(zhuǎn)化效率以及傳動效率等因素的直接影響。所以,車輛不同運動狀態(tài)所具有的相對節(jié)能潛力還需要車輛動力裝置的能量轉(zhuǎn)化效率提升和與傳動系統(tǒng)的合理匹配來保障。

5 結(jié) 論

筆者通過對汽車PnG運動過程的節(jié)能量和節(jié)能率進行仿真分析和節(jié)油率測試試驗研究,其主要結(jié)論如下:

1)汽車在周期對稱性速度調(diào)控下的PnG運動狀態(tài)下,當兩段加速過程的加速度相同時,節(jié)能率隨速度波動幅度的增大而降低,汽車的運動狀態(tài)基本不具有節(jié)能效果;當?shù)?段的加速度大于第2段的加速度時,節(jié)能率隨速度波動幅度的增大而增加,汽車的運動狀態(tài)具有節(jié)能效果;當?shù)?段的加速度小于第2段的加速度時,節(jié)能率隨速度波動幅度的增大而降低,汽車的運動狀態(tài)不具有節(jié)能、節(jié)油效果。

2)汽車在周期非對稱性速度調(diào)控下的PnG運動狀態(tài)下,當?shù)?段速度波動幅度大于第2段速度波動幅度時,汽車的運動狀態(tài)不具節(jié)能效果、具有節(jié)油效果,節(jié)能率隨PnG過程的第1、2段速度波動幅度差值的增大而降低;當?shù)?段速度波動幅度小于第2段速度波動幅度時,汽車的運動狀態(tài)具有節(jié)能效果、不具有節(jié)油效果,節(jié)能率隨PnG過程的第1、2段速度波動幅度差值的增大而降低。

3)汽車在周期對稱性PnG過程中只有滑行速度降低到一定值后才開始有節(jié)能、節(jié)油效果。仿真結(jié)果顯示,汽車滑行節(jié)能區(qū)間的起始速度臨界點一般為期望速度值,且滑行降速到周期調(diào)控速度的最低點時瞬態(tài)節(jié)能量ΔQ(t)達到最大值。汽車在以周期對稱函數(shù)進行速度調(diào)控的PnG狀態(tài)運行下,在同樣車速的試驗下,平均最大節(jié)油率(37.30%)小于仿真平均最大節(jié)能率(40.54%)。研究結(jié)果表明:汽車以不同運動狀態(tài)(即PnG或勻速運行)行駛相同距離時所需(或消耗)的總能耗及其能量利用率存在差異;同時,車輛不同運動狀態(tài)所具有的相對節(jié)能潛力的發(fā)揮還需要以車輛動力裝置的能量轉(zhuǎn)化效率的提升以及與傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配工作點或范圍來保障。