溫泉，徐月云，張廣秀

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 30000）

實(shí)際條件下輕型汽車整車及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征研究

溫泉，徐月云，張廣秀

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 30000）

采集了濟(jì)南市6輛不同排量輕型汽車一個(gè)月正常行駛條件下的數(shù)據(jù)，分析了車輛實(shí)際通勤工況的基本特征，比較了不同排量下輕型汽車的整車及發(fā)動(dòng)機(jī)工況差異。結(jié)果表明：濟(jì)南市車輛通勤工況的怠速比例約為27%，平均車速為25km/h；發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行區(qū)間主要集中在轉(zhuǎn)速為600~1000r/min，扭矩百分比在10%~20%之間，但是隨著排量的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速比例升高，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速比例同樣升高；研究的成果可以為基于實(shí)際條件的車型開發(fā)提供技術(shù)支持。

實(shí)際運(yùn)行；整車；發(fā)動(dòng)機(jī)；工況

前言

汽車行駛工況是汽車行業(yè)一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，是汽車產(chǎn)品（包括新能源汽車）開發(fā)過程中的重要設(shè)計(jì)輸入，是汽車各項(xiàng)性能指標(biāo)標(biāo)定優(yōu)化時(shí)的主要基準(zhǔn)，也是進(jìn)行排放和油耗認(rèn)證的基礎(chǔ)。目前我國在進(jìn)行輕型汽車排放和油耗認(rèn)證時(shí)，使用的是歐洲的行駛工況（NEDC）。NEDC是一種穩(wěn)態(tài)工況，包括市內(nèi)（ECE，1部)、市郊（EUDC，2部）。其中，1部從0~780秒，為市區(qū)部分，由4個(gè)連續(xù)的循環(huán)構(gòu)成；2部從781~1180秒，為市郊部分。市區(qū)部分通過低速、低負(fù)荷及低排氣溫度等反映了城市的駕駛情況，全長(zhǎng)4.052km，時(shí)長(zhǎng)780秒，最大車速 50km/h，平均車速 19km/h。市郊部分也就是EUDC循環(huán)，較市區(qū)部分車速更高。市郊部分全長(zhǎng)6.955km，時(shí)長(zhǎng)400秒，最大車速120km/h，平均車速62.6km/h）。文獻(xiàn)1-3[1-3]分別研究了天津、寧波、合肥和重慶等城市的汽車行駛工況，研究發(fā)現(xiàn)：上述城市的輕型車行駛工況與NEDC工況的特征差異較大，并且給出了各城市行駛工況的改進(jìn)建議；上述研究還表明不同車輛在同一車流中反應(yīng)出來的速度特征是一致的，與車輛參數(shù)配置并無關(guān)系。但是在同一車流中，不同車輛發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況是否一致，利用單一整車工況是否能夠控制不同車輛發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的排放和油耗卻鮮有報(bào)道。

本文在濟(jì)南市選擇6輛不同排量、不同進(jìn)氣方式的車輛，車輛按照實(shí)際使用特征進(jìn)行使用，分別采集一個(gè)月的行駛工況數(shù)據(jù)，并對(duì)其運(yùn)行工況特征進(jìn)行分析，比較不同排量、不同進(jìn)氣方式車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征差異，從而為制定更加有效控制車輛全工況內(nèi)排放和油耗工況和基于實(shí)際條件下的車輛開發(fā)及技術(shù)選擇提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)車輛

選擇6輛輕型汽車，排量覆蓋范圍為1.5L至2.4L。其中，還包括兩輛同為2.0L排量車輛，進(jìn)氣方式分別為自然吸氣和雙增壓。車輛具體信息見表1。

表1 選擇車輛參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)由兩部分組成，車載數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。車載數(shù)據(jù)采集終端將采集信息按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議編排，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到工況數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。車載數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)來源包括兩部分，GPS和車載診斷系統(tǒng)（OBD）。采集流程如圖1所示。采集參數(shù)見表2。

圖1 數(shù)據(jù)采集示意

表2 采集參數(shù)

1.3 試驗(yàn)規(guī)劃

使用自主駕駛法采集車輛的行駛工況數(shù)據(jù)。自主駕駛法，即不規(guī)劃道路，自由駕駛，保證駕駛區(qū)域覆蓋濟(jì)南市整個(gè)區(qū)域，以充分反映實(shí)際道路情況下的汽車行駛工況特征。采集時(shí)間為7月1日至7月31日，共收集數(shù)據(jù)約為90萬條（秒），各車輛運(yùn)行里程如表3所示。

表3 各車輛運(yùn)行里程統(tǒng)計(jì) 單位：km

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 整車運(yùn)行特征分析

本文分析了濟(jì)南市行駛工況的13個(gè)特征參數(shù)包括：平均速度、四種工況（怠速、加速、減速和勻速）和速度分布比例（以0為起點(diǎn)，以10km/h為間隔，共八個(gè)區(qū)間）等，參數(shù)具體定義參見文獻(xiàn)1。圖2車輛平均速度的計(jì)算結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn)，采集車輛的平均速度約為25km/h，不同車輛的平均速度有差異，車輛4平均車速最高約為28km/h，車輛2平均車速最低約為22km/h。圖3為不同車輛怠速、加速、減速和勻速四種工況的時(shí)間比例特征，從中可以發(fā)現(xiàn)，采集車輛的平均怠速時(shí)間比例約為 27%，主要集中在 24%~29%之間，加速比例集中在 19%~24%之間，減速比例集中在23%~27%之間，差異不大。圖4為采集車輛的速度分布，采集車輛的速度主要集中在 50km/h以下，不同車輛的速度區(qū)間分布與綜合的速度區(qū)間分布的變化趨勢(shì)大體一致。

根據(jù)上述結(jié)果并結(jié)合車輛本身配置可以發(fā)現(xiàn)，車輛在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行特征主要與運(yùn)行環(huán)境和交通狀況相關(guān)。是否可以通過調(diào)查車輛運(yùn)行特征構(gòu)建典型工況就可以完全控制車輛的排放和油耗水平呢？不同配置車輛在宏觀運(yùn)行特征基本一致的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征是否一致？下文將分析不同排量的車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征的差異，以及相同排量不同進(jìn)氣方式車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征。

圖2 不同車輛平均速度

圖3 不同車輛四種工況分布

圖4 不同車輛的速度分布

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征分析

2.2.1 不同排量發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征比較

由文獻(xiàn)4可知，目前法規(guī)用發(fā)動(dòng)機(jī)工況是通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行表征。本文重點(diǎn)分析了不同排量發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和扭矩百分比的分布特征。其中，圖5為1.5L車輛的運(yùn)行特征，圖6為 2.0L車輛的運(yùn)行特征，圖 7為2.4L車輛的運(yùn)行特征。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，1.5L排量的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布在 600~2000r/min，扭矩百分比主要在 30%以下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行主要區(qū)間集中在轉(zhuǎn)速為600~1000r/min，扭矩百分比在10%~20%之間。圖6和圖7分別為排量2.0L和2.4L車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征，分布趨勢(shì)變化與1.5L車輛的變化趨勢(shì)基本一致，主要運(yùn)行區(qū)間集中在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為600~1000r/min，扭矩百分比為10%~20%之間。

圖5 車輛5發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征

圖6 車輛3發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征

圖7 車輛2發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征

對(duì)比上述不同排量的車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征發(fā)現(xiàn)：車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行區(qū)間基本一致，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)間主要集中在600~1000r/min，扭矩百分比在10%~20%之間，但是隨著排量的增大，該區(qū)間內(nèi)的占比越來越高，1.5L車輛在該區(qū)間的比例約為5%，2.0L車輛的比例約為10%，而2.4L排量車輛的比例則高達(dá)15%。另外，對(duì)比三輛采集車輛的運(yùn)行特征發(fā)現(xiàn)：1.5L排量車輛的在1000r/min以上的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的比例比另外兩輛測(cè)試車輛高出很多，呈現(xiàn)了三峰狀，在1500~2000r/min扭矩在10%~20%區(qū)間內(nèi)占比約為3%，而轉(zhuǎn)速在1500~2000r/min，扭矩百分比在20%~30%，同樣出現(xiàn)尖峰，占比也約為 3%；2.0L排量車輛，呈現(xiàn)雙峰狀，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速在 1500~2000r/min，扭矩百分比在 20%~30%區(qū)間的尖峰；2.4L與上述兩輛車輛相比，只有一個(gè)尖峰，即轉(zhuǎn)速在1000~2000r/min，扭矩百分比在10%~20%的運(yùn)行區(qū)間。上述結(jié)果說明隨著排量的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間向低轉(zhuǎn)速集中，造成上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋很囕v實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受交通環(huán)境的影響，不同配置車輛宏觀運(yùn)行速度特征相差不大，但是不同排量車輛在相同功率的需求下，車輛排量越小，需要發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速越高。

2.2.2 不同進(jìn)氣方式發(fā)動(dòng)機(jī)特征比較

選擇了同為2.0排量發(fā)動(dòng)機(jī)，但是進(jìn)氣方式不同的兩輛車進(jìn)行分析。2.0L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征見圖6，圖8為2.0L增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征，該發(fā)動(dòng)機(jī)為雙增壓技術(shù)，即同時(shí)配置了機(jī)械增壓和渦輪增加。對(duì)比2.0自然吸氣與2.0增壓的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征可以發(fā)現(xiàn)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行區(qū)間與其他測(cè)試車輛主要運(yùn)行區(qū)間基本一致，主要集中在1000~2000r/min之間，扭矩百分比在10%~20%之間。但是與非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，帶增壓的車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征在低轉(zhuǎn)速去更為集中，與2.4L發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征接近。造成上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸谙嗤D(zhuǎn)速下，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠輸出的功率更大，為此，在相同功率的需求下，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速更低。

圖8 2.0增壓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征

通過上述分析還發(fā)現(xiàn)，車輛在實(shí)際使用時(shí)，主要運(yùn)行工況為通勤工況，運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低，雙增壓技術(shù)能夠發(fā)揮作用，但是僅僅采用渦輪增壓技術(shù)是否能夠達(dá)到應(yīng)有的效果值得商榷。車輛在實(shí)際通勤使用時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍約占到發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速的 1/3（一般發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速約為 7000r/min以上），而通過車輛測(cè)試結(jié)果可以看出，其余轉(zhuǎn)速范圍發(fā)動(dòng)機(jī)仍然能夠覆蓋，只是占比較小，因此只制定一條具有代表性的通勤工況，將無法在全工況范圍控制車輛的排放和油耗水平，也無法完全反應(yīng)車輛實(shí)際運(yùn)行狀況，因此制定包含不同用途的工況體系，通過調(diào)查給予每個(gè)工況不同權(quán)重，是一個(gè)可以考慮的建議。

3 總結(jié)

采集了濟(jì)南市6輛不同排量輕型汽車為期一個(gè)月的車輛行駛數(shù)據(jù)，分析了車輛的實(shí)際通勤工況的基本特征，比較了不同排量下輕型汽車的整車及發(fā)動(dòng)機(jī)工況差異。結(jié)果表明：濟(jì)南市車輛通勤工況的怠速比例約為 27%，平均車速為25km/h，車輛實(shí)際行駛時(shí)，宏觀速度特征只與交通環(huán)境相關(guān)，與車輛配置相關(guān)性不大。但是通過對(duì)不同排量的車輛以及增壓非增壓車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速—扭矩百分比的聯(lián)合分布）的分析發(fā)現(xiàn)，在宏觀速度特征基本一致的前提下，不同車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特征相差較大，隨著排量的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的比例越來越高；增壓非增壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特征也有很大影響，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下的低轉(zhuǎn)速比例比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)高出很多。

目前只有單一工況的法規(guī)體系并不能全負(fù)荷范圍內(nèi)控制車輛的油耗和排放，如果基于僅僅制定一條法規(guī)曲線，將會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分工況點(diǎn)未得到有效控制，制定包含不同運(yùn)行工況（通勤、低速和高速等）特征工況體系，將有利于全負(fù)荷范圍內(nèi)的控制車輛油耗和排放。

[1] 張富興.城市車輛行駛工況的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2005.

[2] 楊延相等.天津市道路汽車行駛工況的研究[J].汽車工程,2002,03：201-204.

[3] 王岐東等.中國城市機(jī)動(dòng)車行駛工況研究[J]. 環(huán)境污染與防治,2007,10:745-748.

[4] GB 17691-2005.車用壓燃式、氣體點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國III、IV、V階段）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

The Research on the Cycle Characteristic of Light Duty Vehicle and Engine on Real World Condition

Wen Quan, Xu Yueyun, Zhang Guangxiu
( China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300 )

In this research, we chose 6 light cars with different emission degrees in city Jinan and operated them according to their original customer habits. During a period of 3 months, we managed to get necessary data collected.These data are used to analysis essential features of the practical light car commute cycle in Jinan. We also compared car and engine conditions under different emission degrees. Here's the brief result: idle rate of commute cycle in Jinan is about 27%, average speed is about 25km/h; engine interval mainly concentrates at 600~1000r/min, torque rate is between 10% and 20%, however, low rotate speed rates of both engine and supercharged engine increase along with emission degree; through our research, technical support is available for vehicle development base on practical conditions.

on real world; whole vehicle; engine; cycle

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-111-04

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-111-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.037

溫泉，就職于中國汽車技術(shù)研究中心。