換擋提示功能的匹配與標(biāo)定技術(shù)研究

吳 瓊,李衛(wèi)兵,韓 俊

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230601)

2016215

換擋提示功能的匹配與標(biāo)定技術(shù)研究

吳 瓊,李衛(wèi)兵,韓 俊

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230601)

首先對換擋提示功能的節(jié)油原理和控制策略進行研究，然后在試驗車輛上實現(xiàn)換擋提示功能并進行節(jié)油效果測試。結(jié)果表明，在NEDC和FTP循環(huán)中采用換擋提示功能后分別節(jié)油4.8%和4.4%，相當(dāng)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(chǎn)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(jié)果表明換擋提示功能對整車排放幾乎沒有影響，重新標(biāo)定車載診斷條件后各項診斷均符合法規(guī)要求。

換擋提示；OBD診斷；節(jié)油；NEDC循環(huán)；FTP循環(huán)

前言

為推動我國乘用車節(jié)能技術(shù)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(biāo)》[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(gòu)和主機廠深入開展與發(fā)動機、整車和使用環(huán)節(jié)相關(guān)的各種節(jié)油措施，降低整車綜合油耗。

研究發(fā)現(xiàn)合適的換擋時機可以帶來燃油經(jīng)濟性的顯著提高，過早或過遲換擋都會導(dǎo)致整車燃油經(jīng)濟性變差。換擋提示功能通過發(fā)動機控制單元(engine control unit, ECU)對發(fā)動機和車輛運行狀態(tài)進行分析，由ECU計算當(dāng)前經(jīng)濟擋位，如果當(dāng)前實際擋位與經(jīng)濟性擋位不一致，通過CAN總線將升擋(或者降擋)信息發(fā)送給儀表提示駕駛員在經(jīng)濟性擋位駕駛車輛，降低油耗并且培養(yǎng)駕駛員良好的駕駛習(xí)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(jīng)濟性，降低整車油耗；

(2) 降低CO2排放，節(jié)能環(huán)保；

(3) 培養(yǎng)駕駛員良好的駕駛習(xí)慣；

(4) 符合法規(guī)要求及發(fā)展趨勢。

歐盟EC-65法規(guī)要求2012年11月1日以后M1類基準(zhǔn)質(zhì)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(fā)布的GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》中規(guī)定如果采用換擋提醒裝置，在計算企業(yè)平均油耗時可按照相關(guān)測試方法降低油耗測試結(jié)果[1]，巴西相關(guān)法規(guī)也規(guī)定如果車型采用換擋提醒裝置可把百公里油耗測試結(jié)果減去0.1L。

1 換擋提示節(jié)油的基本原理

當(dāng)車輛設(shè)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(fā)動機燃油消耗率。發(fā)動機燃油消耗率b特性曲線如圖1所示，發(fā)動機發(fā)出相同功率Pe驅(qū)動汽車等速行駛，不同發(fā)動機轉(zhuǎn)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(fā)動機是否工作在經(jīng)濟區(qū)域，如果不在經(jīng)濟區(qū)域通過換擋提示功能提示駕駛員合理換擋，使發(fā)動機在經(jīng)濟區(qū)域工作，從而達到動力性與經(jīng)濟性的平衡。

圖1 發(fā)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(dāng)前車速、油門踏板開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速比值確定當(dāng)前手動變速器的擋位情況。

步驟S2 通過發(fā)動機的燃油消耗萬有特性參數(shù)、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(jīng)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(jīng)濟性車速之間對應(yīng)關(guān)系的升擋/降擋速度表格中，如表1和表2所示。ECU通過當(dāng)前的車速與油門踏板開度查取這兩個表格計算當(dāng)前的經(jīng)濟性擋位，并與實際擋位進行比較。

表1 升擋標(biāo)定車速表 km/h

表2 降擋標(biāo)定車速表 km/h

步驟S3 如果當(dāng)前擋位與經(jīng)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(dāng)前擋位低于經(jīng)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(fā)送經(jīng)濟性擋位和升擋提示給儀表，如果此時有其他傳感器出現(xiàn)故障或巡航功能開啟時，ECU將會停止向儀表發(fā)送擋位提示。

步驟S6 與步驟S5過程類似，ECU發(fā)送目標(biāo)擋位與降擋提示給儀表，如有降擋禁止條件出現(xiàn)ECU停止向儀表發(fā)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(jié)油效果驗證

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

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

圖3 GB 18352.5—2013 NEDC循環(huán)工況

圖4 FTP-75循環(huán)工況

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

工況3 歐盟EC-65法規(guī)規(guī)定了換擋提示功能節(jié)油效果測試工況，如圖5所示[2]。它規(guī)定各擋位標(biāo)準(zhǔn)換擋車速、加速時間與加速度。節(jié)油效果試驗分別使用標(biāo)準(zhǔn)換擋點與換擋提示換擋點分別進行，結(jié)果表明換擋提示功能節(jié)油率3.25%。

圖5 EC-65測試工況

工況4 熟練駕駛?cè)藛T駕駛工況(下簡稱市場工況)，采集一位有20年駕駛經(jīng)驗的駕駛行為，提取出速度、擋位關(guān)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(jié)果表明二者油耗水平相當(dāng)。說明換擋提示功能計算出的經(jīng)濟性擋位與熟練駕駛員相當(dāng)，并能培養(yǎng)駕駛?cè)藛T良好的駕駛習(xí)慣。

圖6 市場工況

由以上4種對比試驗和表3分析結(jié)果說明，換擋提示功能節(jié)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(jié)油效果驗證統(tǒng)計

注：工況3為10km油耗，其他工況為100km油耗。

4 換擋提示相關(guān)性影響研究

GB 18352.5—2013規(guī)定手動擋車輛在NEDC循環(huán)中必須按照規(guī)定擋位和車速進行試驗，所以在NEDC循環(huán)中發(fā)動機的運行工況的各控制參數(shù)(發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷、節(jié)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(huán)過程中不再按照法規(guī)規(guī)定的擋位進行，所以發(fā)動機的各控制參數(shù)會發(fā)生改變。這些改變對運行NEDC循環(huán)的整車排放與OBD都會產(chǎn)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(yīng)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(zhuǎn)化器將HC，CO和NOx轉(zhuǎn)化成CO2和H2O，當(dāng)三元催化轉(zhuǎn)化器達到工作溫度，混合氣空燃比在14.7時轉(zhuǎn)換效率達到98%。ECU控制是通過氧傳感器閉環(huán)控制使空燃比在14.7附近，使三元催化轉(zhuǎn)化器達到最高的轉(zhuǎn)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(chǎn)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(huán)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(dǎo)致部分燃料不能完全燃燒而生成CO，所以當(dāng)發(fā)動機實際空燃比小于14.7時，發(fā)動機原始排放會產(chǎn)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(fā)生變化，所以當(dāng)催化器完全工作后CO的排放量基本一致，暖機過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低會導(dǎo)致總的CO排放量減少，發(fā)動機起動階段則沒有發(fā)生變化。

混合氣過稀、燃燒溫度過高、閉環(huán)控制過程中空燃比控制大于14.7時都會導(dǎo)致NOx產(chǎn)生。發(fā)動機起動與暖機過程中燃燒溫度較低，發(fā)動機產(chǎn)生的NOx較少，使用換擋提示功能后燃燒過程沒有發(fā)生變化，NOx的產(chǎn)生也不會發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)動機充分暖機后進入閉環(huán)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(guī)換擋點與換擋提示功能換擋點進行排放試驗，排放結(jié)果記錄在表4中。圖7～圖9為3種污染物在NEDC常溫循環(huán)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(huán)產(chǎn)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(dāng)，使用換擋提示功能后CO2和油耗均有降低。

表4 常溫排放結(jié)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(chǎn)生，而兩種換擋方法起動與暖機階段控制基本一樣，催化轉(zhuǎn)化器起燃后HC基本都被轉(zhuǎn)化掉(NMHC是通過HC計算得到)。

圖7 NEDC循環(huán)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(dǎo)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(huán)中兩種換擋方法NOx對比

圖9 NEDC循環(huán)中兩種換擋方法CO對比

由圖9可見，NEDC循環(huán)中兩種換擋方法試驗測得的CO結(jié)果都滿足要求，熱機階段的兩種試驗方法CO產(chǎn)生一致，冷機階段催化轉(zhuǎn)化器起燃使用換擋提示的發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，CO生成量較少。

由以上試驗對比可知，只要整車標(biāo)定控制數(shù)據(jù)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(guī)要求環(huán)境溫度-7℃時進行低溫排放試驗，試驗循環(huán)為NEDC循環(huán)的前面4個城市工況。分別按照法規(guī)提示和換擋提示進行試驗，試驗結(jié)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(dǎo)致發(fā)動機在NEDC循環(huán)中的部分控制參數(shù)發(fā)生變化，這就需要根據(jù)換擋提示功能在NEDC循環(huán)中的具體情況重新標(biāo)定OBD的診斷參數(shù)，使故障碼能夠在NEDC循環(huán)中報出[14-15]。OBD診斷循環(huán)中的尾氣排放基本不發(fā)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(jié)果對比記錄

針對以上分析重新標(biāo)定OBD診斷條件和診斷參數(shù)進行OBD的演示試驗，試驗結(jié)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(jié)果

表7 兩種換擋方法3%丟火診斷試驗結(jié)果

表8 兩種換擋方法催化轉(zhuǎn)化器診斷試驗結(jié)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(huán)中試驗，結(jié)果排放都滿足法規(guī)要求，并且能夠在診斷循環(huán)中報出故障碼點亮故障燈。

利用丟火發(fā)生器導(dǎo)入3%的丟火率，進行NEDC循環(huán)兩種換擋方法對比試驗，排放結(jié)果均滿足法規(guī)要求，均能夠在診斷循環(huán)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(huán)試驗，排放結(jié)果都小于法規(guī)限值120%，均能夠在NEDC循環(huán)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(huán)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(guī)要求完成診斷，并及時報出故障碼點亮故障燈。

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計的換擋提示功能工作正常，在標(biāo)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(xí)慣接近，說明該功能設(shè)計合理。

(2) 換擋提示功能滿足相關(guān)法規(guī)要求，NEDC循環(huán)節(jié)油率4.8%，F(xiàn)TP循環(huán)節(jié)油率4.4%，與一個成熟駕駛員的駕駛換擋習(xí)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(guī)要求。

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

所設(shè)計與匹配的換擋提示功能完全達到了量產(chǎn)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。

[1] GB 27999—2014乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

[2] 吳瓊,彭楊,涂安全,等.一種換擋提示系統(tǒng)及方法:201410567764.9[P].2015-03-04.

[3] 王梓,鄧華,何茜.一種汽車換擋提醒裝置:2014201093988[P].2014-07-16.

[4] Commission Regulation (EU) No 65/2012, Implementing Regulation (EC) No 661/2009 of the European Parliament and of the Council as Regards Gear Shift Indicators and Amending Directive 2007/46/EC of the European Parliament and of the Council[S]. EN: Official Journal of the European Union,2012.

[5] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:30-32.

[6] 王紹銧,夏群生,李建秋.汽車電子學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:86-93.

[7] Robert Bosch GmbH.汽油機管理系統(tǒng)[M].吳森,等譯.北京:北京理工大學(xué)出版社,2002.

[8] GB/T 19233—2008輕型汽車燃料消耗量試驗方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[9] GB 18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2013.

[10] 吳瓊.基于FTP-75循環(huán)的某出口車型排放標(biāo)定研究[J].西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,30(6):5-8.

[11] 彭憶強.汽車電子及控制技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[12] 涂安全.標(biāo)定技術(shù)在汽油機排放控制中的應(yīng)用[J].汽車工程師,2011(9):45-47.

[13] 彭凱,林喬,周乃君.基于新鮮催化器的微型車排放標(biāo)定的研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,28(9):11-14.

[14] 高煒.催化器OBD診斷監(jiān)測頻率功能的研究與驗證[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014,52(7):13-16.

[15] 張鵬,孔峰,王忠.車載診斷系統(tǒng)失火診斷策略的研究[J].汽車技術(shù),2007(9):20-23.

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。