基于底盘测功机模拟车辆行驶工况的能量利用率研究

张 鹏，储江伟

(1.东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

城市化进程的加快使机动车保有量正以前所未有的速度增加，截至2012年底，我国机动车保有量已达2.4亿辆，这必将导致交通能耗所占比例逐渐增高。据海关统计，2012年我国进口原油2.85亿吨，对外依存度达到了58.7%，超过50%的警戒线。我国经济持续快速增长，所面临的能源短缺问题越来越严峻。预计2020年我国石油年需求量将达到5.6～6亿吨，对外依存度将超过65%工业的发展[1-2]，油耗的增多，不仅会带来能源的短缺，还会对城市环境产生巨大的负作用。

在城市混合的交通条件下，交通流复杂、多变，车运行工况是由一系列的怠速、匀速、加速、减速的相互转换状态组成。目前，国内外为评价汽车产品的燃油经济性和排放污染特性，几乎全部采用在具体的交通条件下提取循环工况法进行检测。但是按循环工况检测和评价的结果与实际的车辆运行状态还有差别，能量也没有被充分利用，笔者从自由滑行的角度应用自由行驶距离的理念从另外的角度对车辆行驶工况下的能量利用率进行研究，为汽车的节能、环保和降低能耗提供研究方向。

1 汽车行驶工况概述

1.1 车辆行驶工况的定义及目的

车辆行驶工况又称为汽车运转循环，是指某一类型车辆(如轻型车、货车等)在特定交通环境下，汽车在一定的道路路网中(如城市道路、快速路和高速公路)行驶的速度-时间变化规律。车辆行驶工况的目的用于确定某类车辆在某一地区的污染物排放量和燃油消耗量，为发动机和整车设计的动力匹配提供参考从而开发新的车型等[3]。

1.2 国外车辆行驶工况的研究

目前，世界范围内的车辆行驶工况主要包括美国、日本和欧洲行驶工况3大组。

美国行使工况是在用作认证车辆排放的测试程序FTP72基础上深入研究的FTP75工况，由FTP75到FTP72工况、600 s热浸后和热态过渡工况(重复冷态过渡工况)3个阶段。日本行使工况是由JPana10改进后的Janpan10～15工况。该工况包括3个10工况循环和一个15工况循环，运行时间是660 s，平均速度为22.7 km/h，最高车速为70 km/h。欧洲使用的是ECE+EUDC工况，合称为NEDC行驶工况。第1部分ECE工况为市内工况，共进行4次循环，测试时间为780 s，行驶里程为4.052 km，平均速度18.7 km/h。第2部分的EUDC工况是一个附加工况，代表市郊车辆运行过程[4-6]。

1.3 国内行驶状况研究

与发达国家相比，我国的车辆行驶工况研究相对于先进发达国家，尚处于起步阶段，目前还没有一个符号我国国情的标准的行驶周期。现行的排放标准：GB/T 19233—2003《轻型汽车燃料消耗量试验方法》[7]建立在ECE15工况基础上改进的，如图1。

图1 中国行驶工况Fig.1 China driving condition

以图1中市区工况为研究对象(图1第1部分)，表1为循环单元的各种工况下的加速度、减速度、速度和时间等数据。

表1中国基本循环数据

Table1BasiccycledatainChina

2 底盘测功机测试系统简介

笔者所使用的底盘测功机测试系统是由AVL—策尔纳生产的，用于轿车和轻型商业车尾气排放测试的试验设备，主要用于道路模拟的两轮驱动车排放测试和整车性能测试。

该底盘测功机能够精确地模拟轻型汽车道路载荷实际工况，而且这种道路载荷可以通过计算机控制界面时进行修改并确定，具有自动标定功能，满足技术要求规定相应的法规进行排放试验的检测[8]。

底盘测功机测试系统包括：48 in直线紧凑型交流底盘测功机、自动对中装置、车辆位置监视装置、汽车性能软件、车辆固定装置、车辆冷却风机、油耗仪、数据采集系统及司机助手等。系统结构组成如图2，系统主控机界面如图3，底盘测功机测试系统实车连接如图4。

利用底盘测功机模拟道路载荷进行滑行试验。

图2 底盘测功机测试系统组成Fig.2 Chassis dynamometer test system composition

图3 底盘测功机测试系统主控机界面Fig.3 Main control machine interface of chassisdynamometer test system

图4 底盘测功机测试系统实车连接Fig.4 Connection diagram of chassis dynamometertest system and vehicle

3 能量利用率的相关定义

3.1 能耗量Ec.

能耗量，用Ec.来表示，简称能耗，是指汽车运行过程中消耗的能量，一般用汽车单位运行里程或单位运行时间的燃料消耗量来表示。即只要车辆在道路上以一定速度行驶，就有一定的能量消耗，并使其获得相应的能量状态。

3.2 能态Es

能态，用Es表示，简称能量状态，汽车以一定速度运行时的能量状态，即随着速度的变化而变化，例如，加速行驶时，速度升高，其能量状态增高，由低态向高态转变，匀速行驶能态保持不变，减速行驶，速度降低时，能量状态降低，由高态向低态转变。若车辆运行速度为0，则能量状态为0。根据能量守恒原理，在能量状态的保持和变化过程中，必然有能量消耗或吸收的转化。

3.3 能量利用率

由能耗量的定义可知，汽车只要在道路上运行就会消耗燃料，从而就会有能量损失，那么能量是否被充分利用了呢？汽车在行驶工况下行驶，当减速行驶至速度为0时，能量由一定的状态变为0，这时汽车行驶了一段距离，假设，汽车在同一循环工况下减速时的速度没有任何制动的情况下，能量也有一定状态变为0，此时汽车也会行驶一段距离，很显然后者的距离远远大于前者，我们如果认为后者的能量被100%利用，则可以定义前者的距离与后者距离之比为车辆由减速时到能量为0时的能量利用率。

3.4 能量利用率模型

应用能量利用率的定义来计算汽车在行驶工况下的能量利用率问题，以我国行驶工况为基础进行深入研究。图5是一个工况的基本循环，包括加速过程、匀速过程、减速过程，加速过程能量由0升高到一定值，匀速过程保持能量状态不变，减速能态降低至0，整个过程都有能耗产生，为了更好分析，这里燃油消耗暂时不考虑，只考虑由于速度变化，能态发生变化的能量利用率问题。行驶工况的每个过程都会行驶一定距离，根据各自距离提出了全行程利用能量利用率、半行程能量利用率、自由行程能量利用率的概念，具体计算见式(1)～式(3)：

(1)

(2)

(3)

式中：Y1，Y2，Y3分别为全程能量利用率、半程能量利用率和自由行程能量利用率；Sj，Sy，Sd分别为加速阶段行驶距离、匀速阶段行驶距离和减速阶段行驶距离；Sz为车辆自由行驶距离。

图5 行驶工况运行Fig.5 Driving condition

4 汽车行驶工况的能量利用率计算

由能量利用率的定义可知，要想计算各行程的能量利用率都必须计算汽车在没有任何制动的情况下减速至0的自由行驶距离，首先介绍自由行驶距离如何计算。

4.1 模拟阻力公式介绍

汽车在道路上行驶时，需要克服的阻力有道路滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力。这些阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的，坡度阻力和加速阻力只在一定行驶条件下存在，滚动阻力由和车辆负荷和路面的滚动阻力系数决定，空气阻力由空气阻力系数和迎风面积决定，随着速度的不同而不同[8-10]。

笔者研究的自由行驶距离根据我国轻型车的行驶工况，需要应用底盘测功机上进行滑行试验获得，底盘测功机模拟的是车辆在良好的道路上行驶，克服的阻力为滚动阻力和空气阻力，计算公式如式(4)：

F=(a+bv)±0.1F80(不得为负数)

(4)

式中：F为底盘测功机吸收总负荷，N；a为滚动阻力当量值，N；b为空气阻力系数当量值，N/(km·h-1)2；v为车速，km/h；F80为80 km/h车速时的负荷，N；其中，系数a，b可查表获得。

4.2 自由行驶距离计算

受试验条件限制，采用的试验车长安杰勋为自动档车(图4)，质量为1 515 kg，式(4)中a，b查测功机设定表分别是7.4 N和0.050 2 N/(km·h-1)2。使用自动档车的问题是不能空档滑行到速度为0，滑行到一定速度就不在滑行，这样自由行驶距离不是完全滑行到0的距离，而是滑行到某一定速度的滑行距离加上一小段减速距离，所以有一定误差，但对本文研究没有任何影响。

经过多次在底盘测功机上试验，最后确定滑行的末速度为15 km/h，而15 km/h按表1 的减速度减速至0 km/h，计算公式如式(5)：

Sz=Sv-15(h)+S15-0(r)

(5)

式中：Sv-15(h)为速度从vkm/h滑行到15 km/h的滑行距离；S15-0(r)为速度从15 km/h到0 km/h的减速距离。

从表1的循环工况可知应计算速度32～0 km/h和速度50～0 km/h的自由行驶距离，所以需要模拟的应该是速度为32～15 km/h、50～35 km/h和35～15 km/h的滑行距离。底盘测功机进行滑行试验需要模拟两次，经过试验各段的滑行结果见表2。

表2 速度50～35，35～15，32～15 km/h滑行结果

4.3 能量利用率计算

根据表1～表2数据，利用匀加(减)速距离公式、匀速距离公式S=vt、式(5)算某速度下的Sj，Sy，Sd，Sz，根据式(1)～式(3)计算相应的全行程能量利用率、半行程能量利用率和自由行程能量利用率，表3就是经过计算得出我国行驶工况下市区的能量利用率。

表3 我国行驶工况下市区能量利用率

通过表3分析，由于试验滑行的末速度为15 km/h，速度0～15～10～0的变化情况没有滑行距离，因此能量利用率为1，不能体现能耗情况。其他几行的速度变化可看出能量利用率与速度的大小有关，随着速度的增加，能量利用率呈上升趋势。但最能体现能量利用率的自由行程能量利用率不到40%， 就是60%的没有被利用，由于各种原因被消耗掉，能量被开发利用的潜力巨大。

5 结 语

以一定的工况下行驶的车辆，虽然对新能源车辆的开发，某种车辆的排放检查等方面起到很好的效果，但能量都没有被充分利用，全行程能量利用率相对高些，可以达到60%，自由行程能量利用率很低不到40%，能量利用率的提出可以和燃油经济性结合起来，下面的研究方向是继续运用底盘测功机等试验设备，将车辆在一定工况下行使的能量利用率转化为能量消耗的利用程度，对车辆更安全、更环保、更高效的行驶进行研究。

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