基于底盤測功機(jī)模擬車輛行駛工況的能量利用率研究

張 鵬，儲江偉

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

城市化進(jìn)程的加快使機(jī)動車保有量正以前所未有的速度增加，截至2012年底，我國機(jī)動車保有量已達(dá)2.4億輛，這必將導(dǎo)致交通能耗所占比例逐漸增高。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，2012年我國進(jìn)口原油2.85億噸，對外依存度達(dá)到了58.7%，超過50%的警戒線。我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，所面臨的能源短缺問題越來越嚴(yán)峻。預(yù)計2020年我國石油年需求量將達(dá)到5.6～6億噸，對外依存度將超過65%工業(yè)的發(fā)展[1-2]，油耗的增多，不僅會帶來能源的短缺，還會對城市環(huán)境產(chǎn)生巨大的負(fù)作用。

在城市混合的交通條件下，交通流復(fù)雜、多變，車運(yùn)行工況是由一系列的怠速、勻速、加速、減速的相互轉(zhuǎn)換狀態(tài)組成。目前，國內(nèi)外為評價汽車產(chǎn)品的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放污染特性，幾乎全部采用在具體的交通條件下提取循環(huán)工況法進(jìn)行檢測。但是按循環(huán)工況檢測和評價的結(jié)果與實(shí)際的車輛運(yùn)行狀態(tài)還有差別，能量也沒有被充分利用，筆者從自由滑行的角度應(yīng)用自由行駛距離的理念從另外的角度對車輛行駛工況下的能量利用率進(jìn)行研究，為汽車的節(jié)能、環(huán)保和降低能耗提供研究方向。

1 汽車行駛工況概述

1.1 車輛行駛工況的定義及目的

車輛行駛工況又稱為汽車運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，是指某一類型車輛(如輕型車、貨車等)在特定交通環(huán)境下，汽車在一定的道路路網(wǎng)中(如城市道路、快速路和高速公路)行駛的速度-時間變化規(guī)律。車輛行駛工況的目的用于確定某類車輛在某一地區(qū)的污染物排放量和燃油消耗量，為發(fā)動機(jī)和整車設(shè)計的動力匹配提供參考從而開發(fā)新的車型等[3]。

1.2 國外車輛行駛工況的研究

目前，世界范圍內(nèi)的車輛行駛工況主要包括美國、日本和歐洲行駛工況3大組。

美國行使工況是在用作認(rèn)證車輛排放的測試程序FTP72基礎(chǔ)上深入研究的FTP75工況，由FTP75到FTP72工況、600 s熱浸后和熱態(tài)過渡工況(重復(fù)冷態(tài)過渡工況)3個階段。日本行使工況是由JPana10改進(jìn)后的Janpan10～15工況。該工況包括3個10工況循環(huán)和一個15工況循環(huán)，運(yùn)行時間是660 s，平均速度為22.7 km/h，最高車速為70 km/h。歐洲使用的是ECE+EUDC工況，合稱為NEDC行駛工況。第1部分ECE工況為市內(nèi)工況，共進(jìn)行4次循環(huán)，測試時間為780 s，行駛里程為4.052 km，平均速度18.7 km/h。第2部分的EUDC工況是一個附加工況，代表市郊車輛運(yùn)行過程[4-6]。

1.3 國內(nèi)行駛狀況研究

與發(fā)達(dá)國家相比，我國的車輛行駛工況研究相對于先進(jìn)發(fā)達(dá)國家，尚處于起步階段，目前還沒有一個符號我國國情的標(biāo)準(zhǔn)的行駛周期?，F(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 19233—2003《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》[7]建立在ECE15工況基礎(chǔ)上改進(jìn)的，如圖1。

圖1 中國行駛工況Fig.1 China driving condition

以圖1中市區(qū)工況為研究對象(圖1第1部分)，表1為循環(huán)單元的各種工況下的加速度、減速度、速度和時間等數(shù)據(jù)。

表1中國基本循環(huán)數(shù)據(jù)

Table1BasiccycledatainChina

2 底盤測功機(jī)測試系統(tǒng)簡介

筆者所使用的底盤測功機(jī)測試系統(tǒng)是由AVL—策爾納生產(chǎn)的，用于轎車和輕型商業(yè)車尾氣排放測試的試驗(yàn)設(shè)備，主要用于道路模擬的兩輪驅(qū)動車排放測試和整車性能測試。

該底盤測功機(jī)能夠精確地模擬輕型汽車道路載荷實(shí)際工況，而且這種道路載荷可以通過計算機(jī)控制界面時進(jìn)行修改并確定，具有自動標(biāo)定功能，滿足技術(shù)要求規(guī)定相應(yīng)的法規(guī)進(jìn)行排放試驗(yàn)的檢測[8]。

底盤測功機(jī)測試系統(tǒng)包括：48 in直線緊湊型交流底盤測功機(jī)、自動對中裝置、車輛位置監(jiān)視裝置、汽車性能軟件、車輛固定裝置、車輛冷卻風(fēng)機(jī)、油耗儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及司機(jī)助手等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2，系統(tǒng)主控機(jī)界面如圖3，底盤測功機(jī)測試系統(tǒng)實(shí)車連接如圖4。

利用底盤測功機(jī)模擬道路載荷進(jìn)行滑行試驗(yàn)。

圖2 底盤測功機(jī)測試系統(tǒng)組成Fig.2 Chassis dynamometer test system composition

圖3 底盤測功機(jī)測試系統(tǒng)主控機(jī)界面Fig.3 Main control machine interface of chassisdynamometer test system

圖4 底盤測功機(jī)測試系統(tǒng)實(shí)車連接Fig.4 Connection diagram of chassis dynamometertest system and vehicle

3 能量利用率的相關(guān)定義

3.1 能耗量Ec.

能耗量，用Ec.來表示，簡稱能耗，是指汽車運(yùn)行過程中消耗的能量，一般用汽車單位運(yùn)行里程或單位運(yùn)行時間的燃料消耗量來表示。即只要車輛在道路上以一定速度行駛，就有一定的能量消耗，并使其獲得相應(yīng)的能量狀態(tài)。

3.2 能態(tài)Es

能態(tài)，用Es表示，簡稱能量狀態(tài)，汽車以一定速度運(yùn)行時的能量狀態(tài)，即隨著速度的變化而變化，例如，加速行駛時，速度升高，其能量狀態(tài)增高，由低態(tài)向高態(tài)轉(zhuǎn)變，勻速行駛能態(tài)保持不變，減速行駛，速度降低時，能量狀態(tài)降低，由高態(tài)向低態(tài)轉(zhuǎn)變。若車輛運(yùn)行速度為0，則能量狀態(tài)為0。根據(jù)能量守恒原理，在能量狀態(tài)的保持和變化過程中，必然有能量消耗或吸收的轉(zhuǎn)化。

3.3 能量利用率

由能耗量的定義可知，汽車只要在道路上運(yùn)行就會消耗燃料，從而就會有能量損失，那么能量是否被充分利用了呢？汽車在行駛工況下行駛，當(dāng)減速行駛至速度為0時，能量由一定的狀態(tài)變?yōu)?，這時汽車行駛了一段距離，假設(shè)，汽車在同一循環(huán)工況下減速時的速度沒有任何制動的情況下，能量也有一定狀態(tài)變?yōu)?，此時汽車也會行駛一段距離，很顯然后者的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，我們?nèi)绻J(rèn)為后者的能量被100%利用，則可以定義前者的距離與后者距離之比為車輛由減速時到能量為0時的能量利用率。

3.4 能量利用率模型

應(yīng)用能量利用率的定義來計算汽車在行駛工況下的能量利用率問題，以我國行駛工況為基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究。圖5是一個工況的基本循環(huán)，包括加速過程、勻速過程、減速過程，加速過程能量由0升高到一定值，勻速過程保持能量狀態(tài)不變，減速能態(tài)降低至0，整個過程都有能耗產(chǎn)生，為了更好分析，這里燃油消耗暫時不考慮，只考慮由于速度變化，能態(tài)發(fā)生變化的能量利用率問題。行駛工況的每個過程都會行駛一定距離，根據(jù)各自距離提出了全行程利用能量利用率、半行程能量利用率、自由行程能量利用率的概念，具體計算見式(1)～式(3)：

(1)

(2)

(3)

式中：Y1，Y2，Y3分別為全程能量利用率、半程能量利用率和自由行程能量利用率；Sj，Sy，Sd分別為加速階段行駛距離、勻速階段行駛距離和減速階段行駛距離；Sz為車輛自由行駛距離。

圖5 行駛工況運(yùn)行Fig.5 Driving condition

4 汽車行駛工況的能量利用率計算

由能量利用率的定義可知，要想計算各行程的能量利用率都必須計算汽車在沒有任何制動的情況下減速至0的自由行駛距離，首先介紹自由行駛距離如何計算。

4.1 模擬阻力公式介紹

汽車在道路上行駛時，需要克服的阻力有道路滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力。這些阻力中，滾動阻力和空氣阻力是在任何行駛條件下均存在的，坡度阻力和加速阻力只在一定行駛條件下存在，滾動阻力由和車輛負(fù)荷和路面的滾動阻力系數(shù)決定，空氣阻力由空氣阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積決定，隨著速度的不同而不同[8-10]。

筆者研究的自由行駛距離根據(jù)我國輕型車的行駛工況，需要應(yīng)用底盤測功機(jī)上進(jìn)行滑行試驗(yàn)獲得，底盤測功機(jī)模擬的是車輛在良好的道路上行駛，克服的阻力為滾動阻力和空氣阻力，計算公式如式(4)：

F=(a+bv)±0.1F80(不得為負(fù)數(shù))

(4)

式中：F為底盤測功機(jī)吸收總負(fù)荷，N；a為滾動阻力當(dāng)量值，N；b為空氣阻力系數(shù)當(dāng)量值，N/(km·h-1)2；v為車速，km/h；F80為80 km/h車速時的負(fù)荷，N；其中，系數(shù)a，b可查表獲得。

4.2 自由行駛距離計算

受試驗(yàn)條件限制，采用的試驗(yàn)車長安杰勛為自動檔車(圖4)，質(zhì)量為1 515 kg，式(4)中a，b查測功機(jī)設(shè)定表分別是7.4 N和0.050 2 N/(km·h-1)2。使用自動檔車的問題是不能空檔滑行到速度為0，滑行到一定速度就不在滑行，這樣自由行駛距離不是完全滑行到0的距離，而是滑行到某一定速度的滑行距離加上一小段減速距離，所以有一定誤差，但對本文研究沒有任何影響。

經(jīng)過多次在底盤測功機(jī)上試驗(yàn)，最后確定滑行的末速度為15 km/h，而15 km/h按表1 的減速度減速至0 km/h，計算公式如式(5)：

Sz=Sv-15(h)+S15-0(r)

(5)

式中：Sv-15(h)為速度從vkm/h滑行到15 km/h的滑行距離；S15-0(r)為速度從15 km/h到0 km/h的減速距離。

從表1的循環(huán)工況可知應(yīng)計算速度32～0 km/h和速度50～0 km/h的自由行駛距離，所以需要模擬的應(yīng)該是速度為32～15 km/h、50～35 km/h和35～15 km/h的滑行距離。底盤測功機(jī)進(jìn)行滑行試驗(yàn)需要模擬兩次，經(jīng)過試驗(yàn)各段的滑行結(jié)果見表2。

表2 速度50～35，35～15，32～15 km/h滑行結(jié)果

4.3 能量利用率計算

根據(jù)表1～表2數(shù)據(jù)，利用勻加(減)速距離公式、勻速距離公式S=vt、式(5)算某速度下的Sj，Sy，Sd，Sz，根據(jù)式(1)～式(3)計算相應(yīng)的全行程能量利用率、半行程能量利用率和自由行程能量利用率，表3就是經(jīng)過計算得出我國行駛工況下市區(qū)的能量利用率。

表3 我國行駛工況下市區(qū)能量利用率

通過表3分析，由于試驗(yàn)滑行的末速度為15 km/h，速度0～15～10～0的變化情況沒有滑行距離，因此能量利用率為1，不能體現(xiàn)能耗情況。其他幾行的速度變化可看出能量利用率與速度的大小有關(guān)，隨著速度的增加，能量利用率呈上升趨勢。但最能體現(xiàn)能量利用率的自由行程能量利用率不到40%， 就是60%的沒有被利用，由于各種原因被消耗掉，能量被開發(fā)利用的潛力巨大。

5 結(jié) 語

以一定的工況下行駛的車輛，雖然對新能源車輛的開發(fā)，某種車輛的排放檢查等方面起到很好的效果，但能量都沒有被充分利用，全行程能量利用率相對高些，可以達(dá)到60%，自由行程能量利用率很低不到40%，能量利用率的提出可以和燃油經(jīng)濟(jì)性結(jié)合起來，下面的研究方向是繼續(xù)運(yùn)用底盤測功機(jī)等試驗(yàn)設(shè)備，將車輛在一定工況下行使的能量利用率轉(zhuǎn)化為能量消耗的利用程度，對車輛更安全、更環(huán)保、更高效的行駛進(jìn)行研究。

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