張 鵬，儲(chǔ)江偉

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

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，汽車、機(jī)動(dòng)車的保有量正以前所未有的速度增長。截至2012年年底，我國機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)2.4億輛。據(jù)專家預(yù)計(jì)，我國機(jī)動(dòng)車保有量將在未來的10年內(nèi)持續(xù)高速增長，到2020年將達(dá)到2.820億輛。在這樣的快速增長趨勢(shì)下，城市交通承擔(dān)了巨大壓力，城市環(huán)境也受到了嚴(yán)重影響。

對(duì)車輛行駛工況進(jìn)行研究，可以對(duì)機(jī)動(dòng)車排放污染物和燃料消耗量進(jìn)行正確評(píng)價(jià)，這也符合我國實(shí)際道路交通狀況中的車輛行駛工況，為發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛燃料消耗和排放物的檢測(cè)以及優(yōu)化方案的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前，循環(huán)工況的檢測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際的車輛運(yùn)行狀況還有一定差別，能量沒有被充分利用，針對(duì)我國市區(qū)行駛工況進(jìn)行能量利用率研究，為汽車安全、節(jié)能、環(huán)保提供研究方向。

1 國內(nèi)外行駛工況概述

1.1 車輛行駛工況的定義及意義

汽車行駛工況（Driving Cycle）又被稱為汽車運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，以某一類車輛（如乘用車、公交車等）作為參照，表現(xiàn)為在特定行駛環(huán)境（如城區(qū)道路，快速路等）限制下的車輛行駛速度同時(shí)間歷程的差。開發(fā)行駛工況的意義主要有以下幾方面:為考察某類車輛在某一地區(qū)的排放水平或燃油消耗量提供檢測(cè)依據(jù)；為車輛設(shè)計(jì)的動(dòng)力匹配提供參考依據(jù)；滿足汽車檢測(cè)及維護(hù)制度的需要。

1.2 國外車輛行駛工況的研究

作為世界行駛工況發(fā)展的最高水平和風(fēng)向桿，世界三大工況分別為歐洲行駛工況（ECE15＋EUDC）、美國行駛工況（FTP75）和日本行駛工況（JPAN10），三大工況分別對(duì)應(yīng)了汽車工業(yè)發(fā)展水平最高的三個(gè)國家和地區(qū)。

1.2.1 歐洲行駛工況

歐洲目前采用的是ECE＋EUDC工況。該工況由兩部分組成:第一部分主要反映市區(qū)內(nèi)的實(shí)際車輛行駛狀況，可以看成簡化的城市行駛過程，該部分由15種行駛方式組成，通常被稱為“十五工況法”，主要反映機(jī)動(dòng)車在歐洲城市內(nèi)的行駛特征，該工況共進(jìn)行4個(gè)15工況循環(huán)，測(cè)試時(shí)間持續(xù)780s，總行駛里程為4.052km，平均車速為18.7km／h；第二部分為一個(gè)附加的市郊行駛工況（EUDC），代表市郊車輛運(yùn)行過程，平均速度為62.6km／h，該部分最高車速為120km／h，測(cè)試時(shí)間為400s，行駛里程為6.955km。歐洲行駛工況在世界范圍內(nèi)得到認(rèn)可并被大多數(shù)國家采納。目前，我國汽車工業(yè)領(lǐng)域也采用歐洲行駛工況。

1.2.2 美國行駛工況

1972年，美國環(huán)保局將LA－4C工況用作認(rèn)證車輛排放的測(cè)試程序（簡稱FTP72），即LA－4C工況。按照LA－4C工況對(duì)車輛排放進(jìn)行檢測(cè)，被認(rèn)為是最嚴(yán)格的工況標(biāo)準(zhǔn)。1975年，F(xiàn)TP－72被擴(kuò)充成FTP－75，F(xiàn)TP－75工況的持續(xù)時(shí)間為2 475s，最高車速為91.2km／h，平均速度為31.4km／h。FTP－75工況更真實(shí)地反映了汽車在美國城市道路行駛時(shí)的特征，因而，F(xiàn)TP－75已成為目前美國城市汽車運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)工況。

圖1 中國行駛工況

1.2.3 日本行駛工況

隨著日本汽車業(yè)的發(fā)展，日本制定了第一個(gè)汽車行駛工況，也就是Japan10工況，隨著城市結(jié)構(gòu)、交通流量等的改變，目前日本使用的是經(jīng)過JPana10改進(jìn)后的Janpan10－15工況。Japan10－5由3個(gè)10工況循環(huán)和一個(gè)15工況循環(huán)構(gòu)成，工況運(yùn)行時(shí)間為660s，最高車速為70km／h，平均速度為22.7km／h。

1.3 國內(nèi)行駛工況研究

在法規(guī)采用的行駛工況中，我國現(xiàn)行的國標(biāo)《乘用車輛燃料消耗量試驗(yàn)方法》（GB／T12545－2001）和《電動(dòng)汽車—能量消耗率和續(xù)駛里程—試驗(yàn)方法》（GB／T 18368－2001）都是基于 ECE15工況。在輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)中，模擬城市工況循環(huán)燃料消耗量試驗(yàn)，使用ECE－15工況，如圖1所示，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)許多高校、科研院所以及對(duì)環(huán)保要求較高的大城市，都進(jìn)行了車輛行駛工況和汽車污染物排放控制等方面的研究，構(gòu)建了各自的車輛行駛工況，積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，取得了一定的研究成果。

2 汽車行駛工況下的能量利用率相關(guān)定義

汽車在一定的行駛工況下，都要消耗一定的能量，本文從能量利用率的全新角度對(duì)能量進(jìn)行研究，并給出相關(guān)定義。

2.1 能耗量

能耗量，用Ec表示，簡稱能耗，是指汽車運(yùn)行過程中消耗的能量，一般用汽車在單位運(yùn)行里程或單位運(yùn)行時(shí)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)。

2.2 能態(tài)

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(shí)的能量狀態(tài)，即隨著速度的變化而變化。例如，加速行駛時(shí)，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(shí)，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。

2.3 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(huì)消耗燃料，從而產(chǎn)生能量損失，能量能否被充分利用是問題的關(guān)鍵。汽車在行駛工況下行駛，當(dāng)減速行駛至速度為0時(shí)，能量由一定的狀態(tài)變?yōu)?，這時(shí)汽車行駛了一段距離；如果汽車在同一循環(huán)工況下減速時(shí)的速度沒有任何制動(dòng)，能量也保持在一定狀態(tài)，變?yōu)?，此時(shí)汽車就會(huì)行駛一段距離，此時(shí)的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，如果后者的能量被100%利用，則可以定義前者的距離與后者距離之比為車輛在減速時(shí)能量為0時(shí)的利用率。

2.4 能量利用率模型

本文應(yīng)用能量利用率的定義來計(jì)算汽車在行駛工況下的能量利用率問題，以歐洲行駛工況為基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究。圖2是一個(gè)工況的基本循環(huán)，包括加速過程、勻速過程、減速過程，在加速過程中，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(gè)過程都有能耗產(chǎn)生，為了更好地進(jìn)行分析，燃油消耗暫時(shí)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。在行駛工況的每個(gè)過程都會(huì)行駛一定距離，根據(jù)各自距離提出了全行程能量利用率、半行程能量利用率、自由行程能量利用率的概念，具體計(jì)算見式（1）、式（2）和式（3）

圖2 行駛工況運(yùn)行示意圖

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；S加，S勻，S減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；S自為車輛自由行駛距離。

3 汽車行駛工況下的能量利用率計(jì)算

由上文能量利用率的定義可知，如計(jì)算各行程的能量利用率，必須先計(jì)算汽車在沒有任何制動(dòng)情況下減速至0時(shí)的自由行駛距離，下面介紹自由行駛距離的計(jì)算。

3.1 自由行駛距離計(jì)算

車輛在水平道路上等速行駛時(shí)，必須克服來自地面的滾動(dòng)阻力和來自空氣的空氣阻力；當(dāng)汽車在坡道上坡行駛時(shí)，還必須克服坡度阻力；加速行駛時(shí)，還需要克服加速阻力。假設(shè)車輛在良好的道路上自由行駛，當(dāng)速度降為0時(shí)，主要克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力。

3.1.1 滾動(dòng)阻力介紹

滾動(dòng)阻力是指車輪滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力，滾動(dòng)阻力是由滾動(dòng)阻力系數(shù)決定的，滾動(dòng)阻力計(jì)算式為

式中:Ff為滾動(dòng)阻力；W為車輪負(fù)荷，這里用車載重表示；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

滾動(dòng)阻力系數(shù)與路面的種類、行駛車速以及輪胎的構(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān)。滾動(dòng)阻力隨著路面狀況的不同而不同，本文主要研究的是車輛在良好瀝青或混凝土路面下的中、低速行駛情況，滾動(dòng)阻力系數(shù)取0.010～0.018。

3.1.2 空氣阻力介紹

汽車在直線行駛時(shí)會(huì)受到空氣的作用力，在行駛方向上的分力被稱為空氣阻力，空氣阻力由空氣阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積決定，在無風(fēng)條件下的空氣阻力計(jì)算式為

式中:CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ua為無風(fēng)情況時(shí)汽車的行駛速度，m／s或km／h。

不同車型的迎風(fēng)面積和空氣阻力系數(shù)各不相同，本文研究的是輕型車輛在循環(huán)工況下的行駛情況，因此，迎風(fēng)面積取1.7～2.1m2，空氣阻力系數(shù)取0.030～0.041。

3.1.3 計(jì)算公式

由動(dòng)能定理可知車輛自由行駛距離為（Ff＋，整理得

式中:v1，v2為分別為車輛行駛的初速度和末速度；m為輕型汽車的質(zhì)量，取1 500kg。

3.2 能量利用率計(jì)算

本文以我國《輕型汽車排放污染物測(cè)試方法》中規(guī)定的市區(qū)工況為研究對(duì)象，表1為循環(huán)單元中各工況下的加速度、減速度、速度和時(shí)間等。

表1 中國基本循環(huán)數(shù)據(jù)表

表2 阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積取最小值相應(yīng)距離

圖3 阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積取最小值我國行駛工況下市區(qū)能量利用率

表3 阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積取最大值相應(yīng)距離

圖4 阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積取最大值我國行駛工況下市區(qū)能量利用率

通過圖3和圖4可知無論阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積取最小值還是最大值，能量利用率都沒有被完全利用，全行程能量利用率最高，體現(xiàn)了汽車行駛工況下的自由行程能量利用率最低，不到40%，剩余60%由于各種原因被消耗掉，能量利用率的提高還有很大的潛力。

4 結(jié) 語

綜合以上分析，車輛的行駛工況雖然對(duì)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，但在此工況下行駛時(shí)能量沒有被充分利用，能量利用率都不高，從整個(gè)循環(huán)看全行程利用率較高，超過了50%，自由行程能量利用率較低，不到40%，能量利用率與各阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積和速度的大小有關(guān)，隨著速度的增加和阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積的增加，能量利用率呈上升趨勢(shì)。能量利用率的提出可從其它角度為車輛節(jié)能，減少能量排放提供新思路。

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