丁一峰，李 君，劉 宇

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

前言

特定條件下的汽車行駛工況是一條速度 時間曲線，是真實道路行駛狀況的數(shù)學(xué)化體現(xiàn)。汽車行駛工況主要被用來進(jìn)行車輛燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和行駛特征等方面的評估。文獻(xiàn)[1]中詳細(xì)闡述了道路測試循環(huán)的發(fā)展與構(gòu)建方法，給出了基于車載測試方法行駛工況構(gòu)建的一般流程。文獻(xiàn)[2]中也對典型城市車輛行駛工況構(gòu)成進(jìn)行了相關(guān)研究。通過解析實際道路行駛數(shù)據(jù)，構(gòu)建實際道路行駛工況并分析工況中的典型特征參數(shù)，進(jìn)而為臺架試驗和真實道路測試進(jìn)行車輛燃油消耗與排放水平評價提供條件和依據(jù)，已成為國內(nèi)外工況循環(huán)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究的重點[3-4]?；趯嶋H道路行駛數(shù)據(jù)構(gòu)建的行駛工況能真實反映車輛在實際道路行駛過程中的行駛特征和對燃油消耗與排放產(chǎn)生的影響。柴油車相對其他燃料類型車輛具有熱效率高、動力性強(qiáng)等優(yōu)勢，在載貨汽車和大型客車等商用車中占有很大比重[5]。重型柴油車作為一種重要的運輸工具，在交通運輸、物流、公共服務(wù)等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。目前，重型柴油車保有量占汽車保有量的15%，NOx和PM排放量卻占總排放量的74%和86%[6]。隨著我國排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛和化石燃料的短缺，研究重型柴油車實際道路行駛工況對于有效降低該類車輛油耗、控制污染物排放具有重要的現(xiàn)實意義。

世界統(tǒng)一瞬態(tài)試驗循環(huán)(WHTC)是由UN，ECE和GRPE作為全球性技術(shù)法規(guī)開發(fā)的瞬態(tài)工況，已被美國、歐盟、日本和澳大利亞等國家和地區(qū)采用。為適應(yīng)世界不同地區(qū)的道路特征和駕駛條件，WHTC被賦予了不同的權(quán)重[7]。本文中對比分析了構(gòu)建的重型柴油車實際道路行駛工況與WHTC循環(huán)在工況特征參數(shù)方面的一些差異，說明WHTC循環(huán)對試驗地區(qū)實際道路的適應(yīng)性欠佳，不能很好地反映當(dāng)?shù)貙嶋H道路行駛特征。同時也說明根據(jù)實際道路行駛數(shù)據(jù)構(gòu)建開發(fā)適應(yīng)本地區(qū)道路特點和駕駛條件的行駛工況的必要性。

表1 試驗車主要參數(shù)

圖1 試驗設(shè)備示意圖

1 實際道路試驗

1.1 試驗車輛的選取

選取6輛一汽解放J6P重型載貨車作為試驗車，其最高車速可達(dá)120km/h。發(fā)動機(jī)為錫柴直列6缸柴油機(jī)，符合國Ⅳ/歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，該車型具有較好的動力性、可靠性和通過性，試驗車主要參數(shù)見表1。

1.2 試驗設(shè)備與方法

試驗設(shè)備如圖1所示，它是車載數(shù)據(jù)采集終端，終端內(nèi)置GPS定位、無線傳輸和內(nèi)部存儲器等模塊。終端通過CAN總線讀取車載傳感器數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)連同GPS位置信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至管理平臺數(shù)據(jù)庫。同時，為防止因信號中斷等情況造成數(shù)據(jù)丟失，終端會將數(shù)據(jù)自動保存至內(nèi)部存儲器中。GPS與CAN總線數(shù)據(jù)記錄頻率為1Hz。

本項研究中所使用的數(shù)據(jù)是中國新能源汽車產(chǎn)品檢測工況研究和開發(fā)項目采集數(shù)據(jù)的一部分。參試駕駛員具有不同的年齡、家庭收入和教育水平，在試驗過程中駕駛員按各自出行目的駕駛試驗車輛出行，不設(shè)定具體的試驗路線。數(shù)據(jù)采集時間為40天，車輛行駛范圍覆蓋了長春和四平的大部分地區(qū)。

2 重型車實際道路行駛工況

2.1 行駛特征數(shù)據(jù)解析

本文中使用的數(shù)據(jù)共793 837條，經(jīng)檢驗數(shù)據(jù)缺失率小于10%，符合工況構(gòu)建要求。數(shù)據(jù)采集時間覆蓋了行車高峰期與非高峰期、工作日與非工作日的各個時段。圖2為工況構(gòu)建具體技術(shù)路線。

在試驗中采集到的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)源多樣和存儲量大等特點，原始數(shù)據(jù)的平滑、短片段分割、篩選和相應(yīng)特征值主要通過MATLAB軟件編寫相應(yīng)程序進(jìn)行計算。車速信息以每秒記錄的CAN總線數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。短片段相關(guān)定義和篩選原則如下。

(1)運動片段：車速從0開始到大于0，最后到等于0為止的一段數(shù)據(jù)片段。

(2)怠速片段：車輛完成一個運動片段后，狀態(tài)保持車速為0，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于0的一段片段。要求怠速片段的時長小于200s，如果時長大于200s，默認(rèn)時長為200s。

(3)短片段：一個運動片段加一個怠速片段。

(4)運動片段時長大于等于10s。運行速度大于5km/h，小于等于 120km/h。運行加速度小于5.0m/s2，大于等于-4.0m/s2。

(5)最大速度小于60km/h時，運動片段時長小于601s。最大速度大于60km/h、小于80km/h時，運動片段時長小于1 201s。最大速度大于80km/h時，運動片段時長小于3 601s。

本文中在數(shù)據(jù)解析過程中選取了15個短片段特征參數(shù)，如表2所示。經(jīng)計算共篩選出符合要求的短片段441個，將這些短片段的特征值歸一化后進(jìn)行主成分降維。表3是通過MATLAB軟件計算出的15個主成分中前5個主成分的貢獻(xiàn)率與累計貢獻(xiàn)率。通常，累計貢獻(xiàn)率大于85%的主成分就可以反映特征參數(shù)的基本信息。由表3可知，前4個主成分的累計貢獻(xiàn)率為87.23%，已大于85%，所以選取前4個主成分作為聚類分析的特征變量。

圖2 工況構(gòu)建技術(shù)路線

表2 選取的短片段特征參數(shù)

表3 前5個主成分貢獻(xiàn)率與累計貢獻(xiàn)率

表4為K-means聚類后各類中的短片段數(shù)量和對應(yīng)的聚類中心。由表4可知，第1類在Z4主成分最大，在Z1主成分最小；第2類在Z4主成分最大，在Z2主成分最??；第3類在Z2主成分最大，在Z3主成分最小；第4類在Z2主成分最大，在Z4主成分最小。綜上可見，Z2和Z4主成分對聚類效果有顯著影響，Z1和Z3主成分對聚類效果的影響不如Z2和Z4主成分。因此，圖3示出以Z2和Z4為坐標(biāo)軸的主成分聚類結(jié)果的二維圖。從圖3可見，短片段被分為4類，每類中都有各自的聚類中心，各類別輪廓比較清晰，說明聚類的效果較好。

表4 各類中的片段數(shù)量與聚類中心

2.2 實際行駛工況的構(gòu)建

構(gòu)建實際行駛工況短片段的選取主要通過比較4類中各短片段與聚類中心的空間距離和確定所有短片段平均速度相對正加速度標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)差最小值的方法實現(xiàn)。由K-means聚類算法原理可知，與聚類中心距離越近的短片段越能代表這一類的特征，因此在這一過程中可確定4個短片段用于構(gòu)建行駛工況。接著，利用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化將速度、加速度無量綱化并計算標(biāo)準(zhǔn)差。由標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計意義可知，標(biāo)準(zhǔn)差越小樣本變異越小，即可通過比較所有短片段中各短片段標(biāo)準(zhǔn)差值的大小選出最理想的短片段來體現(xiàn)總體的基本特征，借此可確定另一個短片段。將以上5個短片段按速度順序排列，并在開始階段加上30s的怠速，組合后的實際道路行駛工況曲線如圖4所示。工況循環(huán)時間1 580s，工況行駛里程達(dá)到13.379km，工況最大行駛速度為68.1km/h。

圖3 主成分聚類結(jié)果

圖4 實際行駛工況曲線示意圖

用于構(gòu)建實際行駛工況的5個短片段中相應(yīng)的運動片段如圖4所示，從左至右依次記為M1～M5。計算比較5個運動片段的平均速度，將M1定義為低速區(qū)，M2和M3定義為中低速區(qū)(M2和M3屬同一類，其中M3由過程2獲得)，M4定義為中高速區(qū)，M5定義為高速區(qū)，4個速度區(qū)分別代表了一種特定的交通狀況和駕駛條件。表5為4個速度區(qū)的速度和加速度基本情況，其中減速度是減速段的加速度?？梢?個速度區(qū)的平均速度、最大速度、最大加速度和最大減速度呈遞增趨勢。中高速區(qū)的平均加速度、平均減速度中最大，低速區(qū)的最小。對比發(fā)現(xiàn)，中低速、中高速區(qū)的平均速度、最大速度差異不大，但加減速度參數(shù)差異明顯。而中低速、中高速區(qū)與其他速度區(qū)各項參數(shù)差異都較大。

表5 4個速度區(qū)的速度和加速度

圖5 行駛工況速度區(qū)間時間占比

圖6 行駛工況加速度區(qū)間時間占比

行駛工況的速度和加速度區(qū)間時間占比見圖5和圖6。由圖5和圖6可知，行駛工況運行車速在0～70km/h范圍內(nèi)，平均運行車速為30.5km/h，其中0～10km/h的車速時間占比為21.3%，10～30km/h的車速時間占比為29.0%，40～60km/h的車速時間占比為31.6%。怠速時間占運行時間的12.4%，等速運行時間占運行時間的1%，加減速運行時間占運行時間的86.6%。車輛運行的加、減速度主要集中在-1.0～1.0m/s2范圍內(nèi)，占總體加減速運行時間的95.7%?？梢?，重型柴油車實際道路行駛工況是一個瞬變的工況，其間發(fā)生連續(xù)的加速、減速和怠速的變化。與世界統(tǒng)一瞬態(tài)試驗循環(huán)(WHTC)相比，沒有WHTC的超高速工況(車速＞80km/h)，怠速時間占比也小于WHTC的17%[8]。因此，相應(yīng)的工況和油耗特性會有較大差別。

3 試驗結(jié)果與分析

圖7為實際道路行駛工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化的關(guān)系，圖8為行駛工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與油門踏板開度分布。由圖4與圖7可知：在中低速、中高速區(qū)具有較大的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速且波動較大，而在高速區(qū)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速略有下降且比較平穩(wěn)，說明在中低速、中高速區(qū)車輛經(jīng)歷了較為擁堵的交通狀況，為應(yīng)對復(fù)雜的交通環(huán)境駕駛員頻繁地進(jìn)行換擋操作，加、減速度變化較大，從而造成較高轉(zhuǎn)速的出現(xiàn)和相應(yīng)位置轉(zhuǎn)速曲線的突變；在高速區(qū)，行駛條件較為平順，不需要過于頻繁地加、減速，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也相對平穩(wěn)并維持在一定范圍內(nèi)。由圖8可知，行駛工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速主要分布在1 000～1 500r/min，油門踏板行程主要分布在10%～40%。說明行駛工況總體上處于中低速、中低負(fù)荷狀態(tài)。

圖7 行駛工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與時間關(guān)系

圖8 行駛工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 油門踏板行程分布

圖9 行駛工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩百分比與時間關(guān)系

圖10 行駛工況發(fā)動機(jī)瞬時耗油率與時間關(guān)系

圖11 行駛工況發(fā)動機(jī)瞬時耗油率分布

圖9 為重型柴油車實際道路行駛工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩百分比隨時間的變化關(guān)系，圖10為瞬時耗油率隨時間變化的關(guān)系。可見，在中低速、中高速區(qū)轉(zhuǎn)矩波動較高速區(qū)大。由圖8和圖9可知，行駛工況的低負(fù)荷點較多，轉(zhuǎn)速多集中在1 500r/min以下，轉(zhuǎn)矩百分比多集中在20%以下。從圖10可知，高速區(qū)瞬時耗油率較大，而低速區(qū)、中低速區(qū)和中高速區(qū)瞬時耗油率明顯小。低速區(qū)的瞬時耗油率在大約30s的時間段出現(xiàn)了先升高后降低的現(xiàn)象。由圖7、圖8和圖10可知，高轉(zhuǎn)速、中高負(fù)荷行駛狀態(tài)產(chǎn)生的油耗在汽車行駛總油耗遠(yuǎn)小于中低轉(zhuǎn)速、中小負(fù)荷行駛狀態(tài)。圖11為行駛工況轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 瞬時耗油率關(guān)系圖?？梢姡囕v實際行駛過程中油耗的怠速損失并不是主要的，約占油耗的14%。更多的集中在轉(zhuǎn)速800～2 200r/min，轉(zhuǎn)矩百分比20%～40%區(qū)域。瞬時耗油較高的部分集中在轉(zhuǎn)速1 200～1 700r/min，轉(zhuǎn)矩百分比28%～37%和轉(zhuǎn)速1 700～1 900r/min，轉(zhuǎn)矩百分比25%～28%兩個區(qū)域。前者主要由高速區(qū)平順駕駛的燃油消耗和低速、中低速、中高速區(qū)復(fù)雜駕駛環(huán)境的燃油消耗組成。后者主要是中低速、中高速區(qū)復(fù)雜駕駛環(huán)境下的燃油消耗。同時，可發(fā)現(xiàn)有一部分油耗產(chǎn)生于高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩區(qū)域，這主要是由于極端駕駛操作產(chǎn)生的燃油消耗。

4 結(jié)論

(1)本文中構(gòu)建了重型柴油車實際道路行駛工況循環(huán)，總時長1 580s，行駛里程13.379km，平均運行車速30.5km/h，最大運行車速68.1km/h，怠速時間占運行時間的12.4%，加減速運行時間占總體運行時間的86.6%，加減速度主要集中在-1.0～1.0m/s2，行駛工況集中在轉(zhuǎn)速1 000～1 500r/min，轉(zhuǎn)矩百分比0～20%范圍內(nèi)，呈明顯的中低速，中低負(fù)荷特征，與WHTC循環(huán)存在明顯差異。

(2)行駛工況按速度分為低速區(qū)、中低速區(qū)、中高速區(qū)和高速區(qū)4個部分，中低速和中高速區(qū)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波動較大，高速區(qū)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩較為平穩(wěn)，是兩種不同的交通狀況與駕駛條件的真實反映。

(3)行駛工況的高瞬時耗油率主要集中在轉(zhuǎn)速1 200～1 700r/min，轉(zhuǎn)矩百分比28%～37%和轉(zhuǎn)速1 700～1 900r/min，轉(zhuǎn)矩百分比25%～28%兩個范圍內(nèi)。

(4)本文中構(gòu)建的重型柴油車實際道路行駛工況是基于實際道路行駛數(shù)據(jù)，能夠基本反映重型柴油車實際道路行駛特征，可以為臺架試驗和真實道路測試進(jìn)行整車性能評價提供條件和依據(jù)。

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