城市客車行駛工況數(shù)據(jù)分析

叢孟營，李慶磊，徐永平

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

車輛運(yùn)行包含宏觀與微觀兩個(gè)方面。宏觀是指整車的區(qū)域運(yùn)行環(huán)境會(huì)使車輛本體系統(tǒng)處于某種運(yùn)行規(guī)律；而微觀則指因整車運(yùn)行規(guī)律的影響，從而要求發(fā)動(dòng)機(jī)長期處于該運(yùn)行工況的響應(yīng)規(guī)律。無論是從宏觀還是微觀方面研究，均需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行支持，故此數(shù)據(jù)分析工作需長期進(jìn)行并歸納總結(jié)，然后從中建立車輛行駛工況和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行循環(huán)工況[1]?，F(xiàn)階段用于我國的行駛工況循環(huán)均引用歐洲ECE、美國FTP等標(biāo)準(zhǔn)工況，但這樣對(duì)于描述我國自身車輛行駛工況的有效性和可信度得不到充分認(rèn)證，這樣在指導(dǎo)我國城市客車動(dòng)力總成匹配工作過程中會(huì)存在一定的誤導(dǎo)性[2]。

1 車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)處理

本文針對(duì)匹配我公司某機(jī)型199kW柴油機(jī)的濟(jì)南城市客車為研究對(duì)象，按照試驗(yàn)規(guī)劃-數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)分析-工況合成-工況驗(yàn)證的基本方法，利用我公司自主研制的共軌引數(shù)據(jù)記錄儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過對(duì)數(shù)據(jù)分析形成有效的車輛行駛工況片段作為基準(zhǔn)譜，為利用Cruise軟件建立車輛匹配仿真模型，為城市客車循環(huán)工況基準(zhǔn)譜的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性仿真匹配分析打下基礎(chǔ)[3]。

車輛運(yùn)行過程數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz，因此，在數(shù)據(jù)采樣階段會(huì)記錄大量的數(shù)據(jù)，需要從中提取和車輛行駛工況相關(guān)的宏觀數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的微觀數(shù)據(jù)，然后再從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中歸納總結(jié)駕駛員操作習(xí)慣對(duì)城市客車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的影響。

1）畸點(diǎn)數(shù)據(jù)的剔除。由于車輛運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測儀一直處于采集狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)樣本中存在許多畸點(diǎn)。在運(yùn)用Matlab程序分析時(shí)，占用相當(dāng)部分內(nèi)存，降低數(shù)據(jù)分析效率。數(shù)據(jù)監(jiān)測儀采用CAN通訊協(xié)議的方式，當(dāng)車輛出現(xiàn)一些特殊故障時(shí)，使得通訊數(shù)據(jù)溢出，這樣就不可避免地會(huì)影響數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。因此，需要對(duì)所記載的全部變量制定有效數(shù)據(jù)范圍，將超出范圍的畸點(diǎn)數(shù)據(jù)全部剔除[4]。

2）特征數(shù)據(jù)的提取。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)理論對(duì)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有目標(biāo)性的提取和分析。提取所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的檔位、平均車速、最大車速、速度標(biāo)準(zhǔn)差、最大加速度、最大減速度、平均行駛車速、加速度標(biāo)準(zhǔn)差、加速比例、減速比例、勻速比例、怠速比例、平均加速度、平均減速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1000～1500 r/min的時(shí)間比例、車輛速度0～10km/h的時(shí)間比例等16個(gè)行駛工況特征值；依次取定步長為1800 s的候選循環(huán)工況，提取各個(gè)循環(huán)工況的特征值，然后將各循環(huán)工況的特征值與總試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征值求相關(guān)，最后將相關(guān)系數(shù)最大的候選循環(huán)工況作為能夠反映濟(jì)南城市客車實(shí)際行駛特征的城市客車行駛循環(huán)工況[5]。

3）根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理原則，兩條路線數(shù)據(jù)樣本及處理結(jié)果如表1所示。

表1 樣本數(shù)據(jù)處理

2 行駛工況數(shù)據(jù)分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況區(qū)域

在為期連續(xù)19天時(shí)間的數(shù)據(jù)采集過程中，共軌行采集頻率為1Hz，有效數(shù)據(jù)樣本共計(jì)314706個(gè)。以1800 s為循環(huán)時(shí)間分割原始數(shù)據(jù)，共計(jì)174個(gè)樣本矩陣，使用313200個(gè)數(shù)據(jù)。為保證矩陣的統(tǒng)一性，將原始數(shù)據(jù)末尾1506個(gè)數(shù)據(jù)拋棄。依據(jù)行駛工況的數(shù)據(jù)關(guān)系特征，求取各矩陣特征值，其中第94個(gè)矩陣與原始數(shù)據(jù)特征值最為接近，相關(guān)系數(shù)為0.9949[6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖1所示?？梢钥闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速主要集中700～1100 r/min，扭矩主要集中在200～800N·m。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布

圖2是城市客車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布比率。從中可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速絕大部分集中在600～1200 r/min內(nèi)，其中以700～800 r/min比重最大（發(fā)動(dòng)機(jī)怠速數(shù)據(jù)標(biāo)定值為750 r/min），即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于中低轉(zhuǎn)速時(shí)間比較長，車輛對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的需求為低速輸出狀態(tài)更多一些。由此可以反映出這兩車駕駛員均有意識(shí)地將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在低速區(qū)域內(nèi)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)總的噴油量。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速情況

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速包含停車怠速和行車怠速兩種狀態(tài)。停車怠速時(shí)間一般是在乘客上下車、等待紅燈、交接車等因素積累總和。行車怠速時(shí)間則主要是由于空檔滑行因素積累總和。如果是帶檔滑行，整車倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)由高到低的一個(gè)變化過程。作為城市客車而言，影響停車怠速時(shí)間的主要因素為乘客上下車和等待紅燈的時(shí)間。圖3是兩路城市客車運(yùn)行工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)圖?？梢钥闯觯藘陕烦鞘锌蛙嚧蟛糠謺r(shí)間處于空檔滑行和停車怠速兩個(gè)狀態(tài)。

2.4 油門踏板開度

圖4是兩路城市客車油門踏板開度使用分布圖?？梢钥闯觯{駛員未踩下油門踏板的時(shí)間占絕大多數(shù)，反映出城市客車發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于怠速或停車狀態(tài)。從油門踏板各開度區(qū)間所占比值分析，兩車駕駛員對(duì)油門踏板踩下角度控制得很好，說明兩車駕駛員在這一方面的駕駛習(xí)慣都相對(duì)良好。

2.5 檔位使用情況

圖5是兩路城市客車檔位使用比率。可以看出，2路城市客車駕駛員習(xí)慣使用二檔和三檔，不習(xí)慣使用一檔、四檔和五檔；18路城市客車駕駛員習(xí)慣使用三檔和四檔，不習(xí)慣使用一檔、二檔和五檔；在車輛檔位的使用過程中，空檔使用比例在30%左右，占比例最大，這充分說明車輛處于停車怠速時(shí)間較長。2路城市客車空檔使用比例為37%，明顯高于18路城市客車的空檔比例29%，說明2路城市客車滑行時(shí)間比較長。

2.6 常用車速情況

圖6是兩路城市客車車速使用比率分布圖?？梢钥闯?，城市客車車速主要集中在10～50km/h區(qū)域，符合城市內(nèi)紅綠燈多、車流量大、交通擁擠的特點(diǎn)。其中車速經(jīng)常處于10～40km/h狀態(tài)下，表明車輛在路線上受車流量等因素影響，導(dǎo)致運(yùn)行速度不是很快。多數(shù)情況下，車輛車速為零（停車怠速），該狀態(tài)比例接近30%，反映出在路線上車輛?？空敬螖?shù)、等待紅綠燈時(shí)間比較多。

2.7 燃油消耗統(tǒng)計(jì)情況

所選車輛每天往返3～4次，基本涵蓋了路線上早中晚三個(gè)時(shí)間段的客流高峰、非高峰狀態(tài)。在歷經(jīng)19天后，車輛的行駛里程與燃油消耗如表2所示。

表2 行駛里程和燃油消耗量參數(shù)

從上述油耗數(shù)據(jù)宏觀來看，除去駕駛員駕駛習(xí)慣外，線路因素影響占據(jù)絕對(duì)位置，成為影響油耗的首要因素。

2.8 車輛行駛工況

圖7是2路城市客車行駛工況；圖8是18路城市客車行駛工況。

可以看出，樣本車輛運(yùn)行過程中加減速頻繁。18路城市客車運(yùn)行速度在30km/h左右開始減速；2路城市客車運(yùn)行速度在25km/h左右開始減速。即在兩個(gè)站點(diǎn)之間車輛速度提不上來，因而也就要求發(fā)動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)將車速提升至一個(gè)速度值，然后開始滑行至下一個(gè)站點(diǎn)?？傮w來看，對(duì)于城市客車需要將發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩增大，以保證車輛出站后起步加速性能。低速扭矩加大后，又可以通過降低滑行怠速標(biāo)定值來降低燃油消耗[7-8]。

根據(jù)以上所采集到的城市客車的實(shí)際行駛工況，將提煉出的工況片段作為基準(zhǔn)譜輸入Cruise軟件，進(jìn)行整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的匹配仿真分析，作為動(dòng)力總成的選型設(shè)計(jì)依據(jù)，其仿真結(jié)果將更為準(zhǔn)確和貼近實(shí)際車輛的運(yùn)行情況。

3 結(jié) 論

在城市客車運(yùn)行路況的復(fù)雜多變、車輛不同配置參數(shù)的條件下，駕駛員的駕駛習(xí)慣會(huì)成為城市客車行駛工況差異化的主要因素。因此，除了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和整車配置之間良好的匹配外，駕駛員也應(yīng)在使用過程中摸索適合車輛經(jīng)濟(jì)性能最佳的操作習(xí)慣。為實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有車輛配置的基礎(chǔ)上，達(dá)到最優(yōu)節(jié)能減排效果，城市客車駕駛員應(yīng)在以下幾個(gè)方面注意車輛的駕駛操作：

1）在安全條件下，進(jìn)出公交站時(shí)，應(yīng)盡量降低剎車使用頻次。減少剎車操作也就等同于將車輛的動(dòng)能得到合理利用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)為克服車輛前進(jìn)慣性力的燃料得到節(jié)省。

2）車輛帶檔滑行的合理利用。城市客車多采用電控發(fā)動(dòng)機(jī)，電控發(fā)動(dòng)機(jī)通過數(shù)據(jù)標(biāo)定可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)特定轉(zhuǎn)速以上帶檔滑行區(qū)間將燃油噴射過程切斷，實(shí)現(xiàn)燃料零消耗，因此，帶檔滑行是不費(fèi)油的，對(duì)節(jié)能亦有很大幫助。由于帶檔滑行致使車輛滑行距離相對(duì)短，因此，實(shí)際行駛時(shí)，應(yīng)根據(jù)路況靈活運(yùn)用。

3）行駛過程中應(yīng)及時(shí)換檔。車輛行駛過程中，合理及時(shí)地?fù)Q檔，可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況維持在發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)域。發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上標(biāo)定萬有曲線時(shí)，最內(nèi)里圈表示燃油消耗率最低，轉(zhuǎn)速和扭矩的配比合理，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率也相對(duì)較高。

4）行駛過程中對(duì)油門踏板的操作應(yīng)盡量“溫柔”。車輛起步過程應(yīng)緩慢平穩(wěn)加速，切忌粗暴操作。另外，對(duì)前方路況應(yīng)及時(shí)判斷，謹(jǐn)慎控制油門踏板的開度，真實(shí)感受發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)油門踏板的響應(yīng)特性。

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[8]單飛，王國偉.基于行駛工況的單車燃油消耗微觀模型[J].公路與汽運(yùn)，2011，（6）