乘用車換擋提醒裝置節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法研究

王 兆，鄭天雷，保 翔，金約夫

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 天津300300)

0 引 言

為貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》中提出的“2020年我國(guó)乘用車新車平均燃料消耗量達(dá)到 5,L/100,km”的目標(biāo)要求，促進(jìn)汽車行業(yè)節(jié)能減排，我國(guó)于 2014年制定發(fā)布了乘用車第四階段燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中首次提出，采用換擋提醒裝置等循環(huán)外技術(shù)的車輛燃料消耗量可根據(jù)其節(jié)能效果相應(yīng)減去一定額度。換擋提醒裝置在車輛實(shí)際道路行駛中具有較為明顯的節(jié)能效果，但由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的局限性，目前無(wú)法在試驗(yàn)過(guò)程中體現(xiàn)其節(jié)能效果，因此需要研究針對(duì)換擋提醒裝置的節(jié)能效果量化評(píng)價(jià)方法，以保證乘用車第四階段燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，促進(jìn)循環(huán)外技術(shù)的應(yīng)用。項(xiàng)目組自 2014年起承擔(dān)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定任務(wù)，完成了乘用車換擋提醒裝置節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法研究并開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 總體思路

換擋提醒裝置(GSI，Gear Shift Indicator)是指裝配于手動(dòng)擋車輛的可實(shí)時(shí)、直觀地提醒駕駛員調(diào)整擋位以降低實(shí)際駕駛中燃料消耗量的裝置，在實(shí)際行駛中對(duì)于新手司機(jī)具有較為明顯的節(jié)能效果?，F(xiàn)行輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 19233—2008)規(guī)定駕駛員應(yīng)按照固定換擋點(diǎn)進(jìn)行操作，因此無(wú)法體現(xiàn)換擋提醒裝置的節(jié)能效果。

本研究的總體思路是以GB/T 19233—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的固定換擋點(diǎn)方法為基礎(chǔ)，增加按照換擋提醒裝置操作的底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)，通過(guò)比較兩者之間差異得到節(jié)能效果。另一方面，考慮到在實(shí)際應(yīng)用中并非所有司機(jī)均選擇按照換擋提醒裝置進(jìn)行換擋操作，其對(duì)新手司機(jī)指導(dǎo)意義更大，因此需要開(kāi)展使用比例系數(shù)等調(diào)查，通過(guò)系數(shù)校正得到實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)能效果值。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 試驗(yàn)工況

評(píng)價(jià)方法以 GB/T 19233—2008標(biāo)準(zhǔn)中引用的NEDC循環(huán)(New European Driving Cycle)作為基準(zhǔn)工況。NEDC循環(huán)由市區(qū)、市郊兩段工況組成，工況曲線和特征參數(shù)如圖1、表1所示：

圖1 NEDC循環(huán)曲線Fig.1 Driving cycle of NEDC

表1 NEDC特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of NEDC

2.2 試驗(yàn)規(guī)程

為保證試驗(yàn)精度同時(shí)精簡(jiǎn)試驗(yàn)量，車型在熱態(tài)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前首先在底盤測(cè)功機(jī)上至少運(yùn)行一個(gè) NEDC循環(huán)或其他方式對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)熱。每組試驗(yàn)由連續(xù)進(jìn)行的一次基礎(chǔ)燃料消耗量試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱“基礎(chǔ)試驗(yàn)”)和按照換擋提醒裝置操作燃料消耗量試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱“GSI試驗(yàn)”)組成。其中，基礎(chǔ)試驗(yàn)按照GB/T 19233—2008規(guī)定的固定換擋點(diǎn)進(jìn)行換擋操作，GSI試驗(yàn)按照換擋提醒裝置所指示的擋位進(jìn)行換擋操作，換擋操作應(yīng)在換擋提醒裝置指示擋位后的 2,s內(nèi)完成，換擋過(guò)程迅速平穩(wěn)。除預(yù)處理和換擋操作外，其他參照GB/T 19233—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

試驗(yàn)共進(jìn)行3組，試驗(yàn)后按照公式分別對(duì)基礎(chǔ)試驗(yàn)和 GSI試驗(yàn)燃料消耗量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)。如能通過(guò)重復(fù)性檢驗(yàn)，計(jì)算 3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值分別作為基礎(chǔ)燃料消耗量(FC0)和 GSI燃料消耗量(FCG)。如基礎(chǔ)試驗(yàn)沒(méi)有通過(guò)重復(fù)性檢驗(yàn)，采用較低2次燃料消耗量結(jié)果平均值作為FC0；如GSI試驗(yàn)沒(méi)有通過(guò)重復(fù)性檢驗(yàn)，采用較高2次燃料消耗量結(jié)果平均值作為FCG。

2.3 重復(fù)性檢驗(yàn)方法

按下列公式計(jì)算3次試驗(yàn)結(jié)果的第95百分位分布的標(biāo)準(zhǔn)差σ，并將3次測(cè)量結(jié)果中最大燃料消耗量與最小燃料消耗量之差(△Qmax)與σ值進(jìn)行比較：如△Qmax不大于 σ，則視為通過(guò)重復(fù)性檢驗(yàn)；如△Qmax大于σ，則視為沒(méi)有通過(guò)重復(fù)性檢驗(yàn)。

2.4 相關(guān)系數(shù)

盡管通過(guò)比較基礎(chǔ)試驗(yàn)和 GSI試驗(yàn)結(jié)果可以得到換擋提醒裝置在 NEDC循環(huán)下的節(jié)能效果，但考慮到并非所有司機(jī)都選擇按照換擋提醒裝置進(jìn)行換擋操作，因此需要通過(guò)相關(guān)系數(shù)對(duì)節(jié)能效果值進(jìn)行校正。

為獲得更接近中國(guó)司機(jī)實(shí)際駕駛習(xí)慣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組組織國(guó)內(nèi)主要乘用車企業(yè)通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的形式對(duì)包括換擋提醒裝置在內(nèi)的循環(huán)外技術(shù)在國(guó)內(nèi)的使用情況進(jìn)行了調(diào)查，包括循環(huán)外技術(shù)使用比例、使用習(xí)慣、用戶實(shí)際工況等。調(diào)查共收集到 1,499份問(wèn)卷數(shù)據(jù)，地域分布上涵蓋了我國(guó)華北、華東等主要地區(qū)，問(wèn)卷數(shù)量與各地區(qū)人口和汽車保有量比例接近，具有一定代表性。

圖2 參與調(diào)查者駕齡分布Fig.2 Distribution of driving experience among interviewees

數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，對(duì)受調(diào)查者的男女比例、年齡、教育程度、駕齡也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。其中，與換擋提醒裝置較為密切的駕齡情況統(tǒng)計(jì)如圖 2所示。從圖 2來(lái)看，受調(diào)查者中各駕齡分布較為均勻，駕齡在 3年內(nèi)的調(diào)查者比例約占38.9%,。

在駕駛路段和路況方面(見(jiàn)圖 3)，超過(guò)半數(shù)受調(diào)查者(57%,)以市區(qū)行駛工況為主，而以高速行駛工況為主的受調(diào)查者僅占 4%,。在交通路況方面，接近45%,的受調(diào)查者在擁堵路況下駕駛，只有不到 15%,的受調(diào)查者的行駛路況較為暢通。我國(guó)駕駛員以市區(qū)工況、擁堵路況駕駛為主的特點(diǎn)決定了換擋提醒裝置、怠速起停等技術(shù)在實(shí)際使用中將發(fā)揮更大的節(jié)能效果。

圖3 行駛路段和路況分布Fig.3 Distribution of driving roads and conditions

在全部受訪者中，約 24%,的受訪者駕駛過(guò)具有換擋提醒裝置的手動(dòng)擋車輛?？傮w上看，換擋提醒裝置作為一項(xiàng)新技術(shù)，在目前我國(guó)乘用車市場(chǎng)上已具有一定市場(chǎng)規(guī)模。在全部受訪者中，約33%,的人表示會(huì)根據(jù)儀表盤上的換擋提示來(lái)進(jìn)行換擋。若將駕駛過(guò)和未駕駛過(guò)帶換擋提醒裝置車輛的受訪者區(qū)分統(tǒng)計(jì)，約 54%,駕駛過(guò)該類車輛的受訪者表示會(huì)按換擋提示來(lái)進(jìn)行換擋操作，而未駕駛過(guò)的受訪者中該比例為27%,，兩者相差較大(見(jiàn)圖 4)。分析其中原因，一是受訪者對(duì)換擋提醒裝置的接受與否一定程度上影響到其購(gòu)車選擇，因此在駕駛過(guò)該類車輛的受訪者中接受比例更高；二是受訪者在實(shí)際接觸和熟悉換擋提醒裝置后，愿意按其操作的比例有所提升。

圖4 是否會(huì)根據(jù)換擋提示來(lái)進(jìn)行換擋操作Fig.4 Responses to whether shift according to GSI of indication

在駕駛過(guò)帶換擋提醒裝置車輛的受訪者中，根據(jù)駕齡對(duì)換擋提醒裝置的使用比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。從圖中可以看出，換擋提醒裝置的使用比例隨著駕齡的增加有減少的趨勢(shì)。這主要是由于隨著駕齡增長(zhǎng)，駕駛經(jīng)驗(yàn)增加，換擋等操作更接近經(jīng)濟(jì)區(qū)間，因此對(duì)換擋提醒裝置的需求比例也越低。

圖5 不同駕齡按換擋提示進(jìn)行換擋的比例Fig.5 The proportion of shifting according to the indication of GSI regarding different driving years

以上述調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況為基礎(chǔ)對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了研究，考慮的系數(shù)主要包括使用比例系數(shù)(K1)和持久系數(shù)(K2)兩項(xiàng)。其中，K1是指駕駛具有換擋提醒裝置車輛的司機(jī)中能夠按照裝置提示進(jìn)行換擋操作的比例，從調(diào)查數(shù)據(jù)看K1應(yīng)位于0.27～0.54之間，從鼓勵(lì)技術(shù)應(yīng)用角度出發(fā)，以均值為基準(zhǔn)適當(dāng)上浮將該系數(shù)確定為 0.45；K2是指換擋提醒裝置效用的持久性，也即是隨著時(shí)間的推移司機(jī)仍關(guān)注換擋提醒裝置的比例，參照不同駕齡下?lián)Q擋提醒使用比例的變化情況及歐洲相關(guān)法規(guī)規(guī)定確定為0.8。

2.5 節(jié)能效果計(jì)算

匯總以上研究結(jié)果，對(duì)于裝配換擋提醒裝置的手動(dòng)擋車輛，按照下列公式計(jì)算該車型上換擋提醒裝置的節(jié)能效果：

式中：FCJ——換擋提醒裝置的節(jié)能效果，單位為L(zhǎng)/100,km；FC0——基礎(chǔ)燃料消耗量，單位為L(zhǎng)/100,km；FCG——按換擋提醒裝置操作的燃料消耗量，單位為L(zhǎng)/100,km；K1——使用比例系數(shù)；K2——使用持久系數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法的可行性以及掌握未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后車型可能獲得的節(jié)能效果值情況，項(xiàng)目組組織國(guó)內(nèi)主要乘用車企業(yè)開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證?？傮w上看，本評(píng)價(jià)方法測(cè)試設(shè)備和精度要求與GB/T 19233—2008標(biāo)準(zhǔn)類似，而各檢測(cè)機(jī)構(gòu)和汽車企業(yè)實(shí)驗(yàn)室在GB/T 19233—2008標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施過(guò)程中已積累了較多經(jīng)驗(yàn)，因此未來(lái)?yè)Q擋提醒評(píng)價(jià)方法實(shí)施后，現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)精度、試驗(yàn)人員等完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施需求。

項(xiàng)目組共組織開(kāi)展了17個(gè)乘用車車型的驗(yàn)證試驗(yàn)。各車型基礎(chǔ)燃料消耗量和GSI燃料消耗量如圖6所示。從圖中可以看出，被試車型的綜合燃料消耗量分布較為集中，大致分布在 6～7,L/100,km之間。各車型 GSI燃料消耗量均較基礎(chǔ)燃料消耗量有所降低。

圖6 車型基礎(chǔ)/GSI燃料消耗量對(duì)比(綜合工況)Fig.6 Comparison between vehicle conditions and GSI fuel consumption(combined cycles)

基礎(chǔ)和GSI燃料消耗量差值以及在基礎(chǔ)燃料消耗量中的占比如圖 7所示。從圖中可以看出，被試車型綜合燃料消耗量差值大致分布在 0.15～0.4,L/100,km 之間，在基礎(chǔ)燃料消耗量中的占比大致分布在 2.5%,～5.5%,之間，也即是換擋提醒裝置對(duì)車輛燃料消耗量的直接改善效果。

圖7 車型基礎(chǔ)/GSI燃料消耗量差值(綜合工況)Fig.7 Differences between vehicle conditions and GSI fuel consumption(combined cycles)

若按照NEDC市區(qū)、市郊和綜合工況進(jìn)行分析，各車型基礎(chǔ)和 GSI燃料消耗量差值以及其在基礎(chǔ)燃料消耗量中的占比如圖 8所示。從圖中可以看出，由于市區(qū)工況車速較低、加減速頻繁、換擋操作更多，因此換擋提醒裝置的節(jié)能效果更大；相應(yīng)地車輛在市郊工況下節(jié)能效果并不明顯，甚至個(gè)別車型出現(xiàn)了GSI燃料消耗量高于基礎(chǔ)燃料消耗量的情況。

圖8 燃料消耗量差值在基礎(chǔ)燃料消耗量中的占比(市區(qū)、市郊、綜合工況)Fig.8 The proportion of differences in basic fuel consumption(urban，suburban and combined cycles)

各車型按照公式 2計(jì)算的節(jié)能效果值對(duì)比如圖9所示。從圖中可以看出，盡管各車型基礎(chǔ)燃料消耗量接近，均采用了換擋提醒裝置，但最終各車型獲得的節(jié)能效果值相差較大，最大值接近 0.15,L/100,km，最小值約 0.07,L/100,km，這也體現(xiàn)了不同汽車企業(yè)換擋提醒裝置的技術(shù)水平差異。

圖9 各車型獲得的節(jié)能效果值對(duì)比Fig.9 Comparison of energy saving effects of differentvehicle types

圖10 節(jié)能效果值與基礎(chǔ)燃料消耗量分布(綜合工況)Fig.10 Distribution of energy saving effects and basic fuel consumption(combined cycles)

不同車輛換擋提醒裝置節(jié)能效果值與基礎(chǔ)燃料消耗量分布如圖 10所示。從圖中可以看出，換擋提醒裝置節(jié)能效果值與基礎(chǔ)燃料消耗量之間相關(guān)性較差。在同樣的基礎(chǔ)燃料消耗量下，不同車型可以獲得的節(jié)能效果值相差最大可達(dá) 50%,以上，決定節(jié)能效果值的主要因素是換擋提醒裝置本身的控制策略和技術(shù)水平，而非基礎(chǔ)燃料消耗量。

4 結(jié) 論

綜上所述，本研究完成了基于整車底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)的換擋提醒裝置節(jié)能效果評(píng)價(jià)方法，同時(shí)根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定了使用比例系數(shù)和持久系數(shù)。項(xiàng)目組選取 17個(gè)車型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，換擋提醒裝置節(jié)能效果值在0.07～0.15,L/100,km之間，不同車型換擋提醒裝置的節(jié)能效果值相差較大，體現(xiàn)了技術(shù)水平差異。

通過(guò)本研究的開(kāi)展，為客觀評(píng)估我國(guó)乘用車換擋提醒裝置節(jié)能效果和技術(shù)水平、乘用車第四階段燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以及實(shí)現(xiàn)《規(guī)劃》提出的“2020年我國(guó)乘用車新車平均燃料消耗量達(dá)到 5,L/100,km”發(fā)展目標(biāo)提供了技術(shù)支撐。

［1］ The European Commission. (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].

［2］ 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法[S]. GB/T 19233—2008. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］ 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)[S]. GB 27999—2014. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.