重型载货汽车高原区行驶特性试验

史培龙， 王志新， 余强，赵轩

(1.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064；2.甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070)

我国地域辽阔，高原和山地约占全国面积的60%，其中海拔1 000、2 000、3 000 m以上的高原面积分别占全国总面积的58%、26%、33%[1].高原地区人口分布稀疏，物流运输依赖于重型载货汽车，但是随着海拔升高，大气压力下降，空气密度减小，氧气含量降低，这种工况下会因发动机输出功率下降而出现动力不足和燃油消耗量增加的问题[2-8].为了改善重型载货柴油车在高海拔地区的行驶特性，通常主机厂或用户选择带增压的电控高压共轨柴油机[9]，但是匹配不当依然会出现功率不足的问题，因而研究重型载货汽车在不同海拔地区的行驶特性对于改善发动机匹配性能有重要的意义.

目前，国内外学者对高海拔地区车辆行驶特性做了一些研究，Li等[10]基于不同海拔地区功率差模型，利用燃油补偿的方法控制功率恢复解决高原区行驶车辆随着海拔增高出现输出功率降低的问题；Yang等[11]基于试验验证的柴油机结构模型研究了重型载货汽车柴油机高原适应性，并对发动机和增压器进行了匹配；Wang等[12]选取海拔0、1 600、3 300、4 500 m进行移动台架试验，以此研究不同海拔地区不同运行工况下柴油机的制动热效率，得出了制动热效率随海拔升高而下降的规律，但是尚未做定量分析；Liu等[13]通过不同大气压下不同氧含量柴油机性能试验研究了高压共轨柴油机的特性，考虑到了进气氧含量会对发动机性能产生影响，但仅对发动机制动工况进行了试验研究，尚未考虑驱动工况；Wang等[14]通过试验台研究海拔4 500 m时生物柴油的压缩特性和制动热效率，尚未考虑氧含量对发动机特性的影响，且只在海拔4 500 m进行试验；赵伟等[15]基于GT-Power建立并验证了电控共轨柴油机及海拔模型，研究了不同海拔高度对发动机与增压器主要性能的影响，但是参数化建模过程中引入了过多的变量.以上研究都基于发动机结构模型和台架试验方法，结构建模工作量巨大且引入过多参数，结果准确性难以保证，台架试验的方法不能真实反映整车行驶工况.

本研究通过不同海拔地区整车道路试验研究重型载货汽车行驶特性，考虑到大气压力和氧气含量主要影响发动机的进排气特性，因此通过发动机外特性和发动机制动特性定量分析不同海拔高度对其性能的影响.采用整车道路试验方法建立发动机外特性和发动机制动特性模型，从而减少了结构建模带来的巨大工作量，同时真实、准确的反映了整车的行驶特性.

1 车辆系统动力学建模

1.1 车辆系统动力学建模

根据汽车系统动力学[16]，车辆在行驶过程中驱动力和阻力平衡可得式(1)～(5).

Ft=Fj+Ff+Fw+Fi

(1)

Fj=δmdu/dt

(2)

Ff=mgf

(3)

(4)

(5)

式中，Ft为驱动力；Fj为加速阻力；δ为旋转质量换算系数；Ff为滚动阻力；m为总质量，f为滚动阻力系数；Fi为坡度阻力；i为坡度；Fw为空气阻力；CD为空气阻力系数，ρ为空气密度，A为迎风面积，ur为相对速度，在无风时为汽车的行驶车速ua.

当车辆处于发动机全负荷状态加速时，由式(1)～(5)可得式(6).

(6)

当车辆处于发动机制动时，制动踏板未参与工作，发动机制动力Fb为式(7).

(7)

式(6)～(7)中的加速阻力Fj分别由全负荷加速试验和发动机制动试验获得，空气阻力和滚动阻力之和由理论推导和试验相结合的方法获得.

1.2 不同海拔下空气阻力和滚动阻力确定

由式(5)可知，空气阻力的大小与Cd、ρ、A、ur有关.一般情况下，CD是雷诺数Re的函数，在车速较高、动压力较高时相应气体的粘性摩擦较小时，CD随Re变化较小；给定车型，A为定值，文中A=7.14 m2；ur与天气状况及车速有关，无风条件下即为车速；ρ随着海拔、大气压力和气温变化都会发生一定的变化[17].为了研究不同海拔高度空气阻力特性变化，经查阅相关材料[18]，得大气压力与海拔间的关系式(8).

PH=1 013.25(1-0.006 5H/288.15)5.255

(8)

式中，PH为海拔H处的大气压力(hPa)；H为海拔高度(m).

根据气体状态方程，可得空气密度与大气压力和温度关系，如式(9).

ρ=PHM/R(273.15+T)

=28.98PH/8.314×10×(273.15+T)

(9)

式中，M为摩尔气体质量(28.98 g/mol)；R为气体常量，R=8.314 J/(mol.k)；T为空气温度(℃).

由此得到不同海拔下大气压力和空气密度的关系，如图1所示.

基于汽车动力学试验及统计结果[19]，得到载货汽车滚动阻力系数经验公式，如式(10)：

f=0.007 6+0.000 056u

(10)

由式(8)～(10)得，无风条件下车辆行驶过程中空气阻力和滚动阻力与车速的关系式(11).

(11)

式中，awf、bwf和cwf分别为行驶阻力系数.

选取试验地点分别为青海省西宁市郊区、共和、兴海、玛多和玉树市郊区较平坦的道路，代入参数后获得阻力特性模型，测试地点海拔、温度和系数见表1.

图1 大气压力和空气密度与海拔关系曲线Figure 1 The curve of relationship between atmospheric pressure,air density and altitude

表1 不同海拔下空气阻力和滚动阻力系数

2 行驶特性试验

2.1 试验方案

为了准确获得不同海拔下发动机使用外特性曲线和发动机制动特性曲线，选择六轴载货汽车为研究对象，车辆满载状态，总质量47 600 kg(包括随车人员3名、仪器设备120 kg)，试验车参数见表2.选择路面纵坡≤1.5%、长度大于5 km的道路作为试验路段，变速器分别置于5、6、7、8、9挡，各挡位传动比见表3.为了减小道路坡度、风向、风速等因素的影响，选定试验路段进行往返试验.试验过程中，采用英国Racelogic公司生产的RLVB3iSL-RTK型车速传感器采集车辆行驶车速，英国牛津科技公司生产的RT3100型惯性导航系统采集道路坡度，加拿大ISAAC公司生产的SENST2型位移传感器采集加速踏板行程，为了提高车速和道路坡度采集精度，采用RLVBBS4RG型差分基站以提高卫星定位精度，搭建数据采集系统见图2.

图2 数据采集系统Figure 2 Data acquisition system

表2 重型载货汽车基本参数

表3 5-10挡变速器传动比

为了提高试验数据的准确性，在选定试验路段内，针对每个挡位进行正反方向多次试验，有效试验统计数据见表4，其中部分试验数据用于模型验证.试验过程中，记录海拔高度、车速、道路坡度等随时间变化的数据.

表4 有效试验数据统计

2.2 数据处理

针对记录的有效数据，应用二次拟合的方法分别获得车速与时间、加速度与时间曲线.依据汽车系统动力学方程获得发动机外特性曲线和发动机制动特性曲线.

首先，对车速与时间进行三次多项式函数拟合，求得车速与时间关系式，如式(12).

u=at3+bt2+ct+d

(12)

式中，a、b、c和d分别为多项式系数.

其次，对式(12)进行求导数，获得加速度与时间的关系式(13)：

du/dt=3at2+2bt+c

(13)

然后，针对dy/dt与ua进行二次拟合[20]，获得加速度与速度关系，如式(14).

(14)

式中，e、f和h分别为多项式系数.

由此获得加速阻力，如式(15).

(15)

根据汽车传动系统的工作原理，将式(15)、ua=0.377rn/igi0和T=Ftr/igi0ηr(T为扭矩)带入式(6)和式(7)，分别获得发动机外特性曲线和发动机制动曲线，如式(16).

Tik=Aikn2+Bikn+Cik

(16)

式中，i表示挡位；k表示挡位试验次数.

同一海拔地区，获得某一挡位下的多组数据，删除异常曲线后进行系数平均得到1个挡位下的发动机转矩与转速特性曲线.随后，再把同一海拔高度的不同挡位曲线系数进行平均得到一定海拔下的发动机转矩与转速外特性曲线，如式(17).

(17)

3 不同海拔行驶特性研究

3.1 发动机外特性研究

根据式(6)、式(17)得不同海拔高度时的发动机外特性曲线，如图3.

不同海拔高度下，发动机外特性曲线及台架试验标定特性曲线见图3.由图可知，发动机外特性曲线发生明显改变，低转速阶段扭矩输出变化不明显；随着转速提高，输出扭矩增加.但是在不同海拔高度下最大输出扭矩均小于标定最大输出扭矩，且获得最大输出扭矩时发动机转速大幅升高.随着海拔高度增加，发动机最大输出扭矩降幅明显.不同海拔高度下，发动机最大输出扭矩以及下降幅度如表5所示.台架试验数据显示，发动机转速为1 300 r/min时输出扭矩为1 700 N/m，与台架试验数据相比，海拔2 300、2 890、3 638、4 188和4 545 m位置发动机输出扭矩分别为额定输出扭矩的88.92%、84.77%、79.19%、75.81%和73.08%，分别下降了15.65%、20.87%、26.53%、29.33%和33.21%，对应最大输出扭矩时的发动机转速分别为1 817、1873、1916、1 902、1 972 r/min.发动机的转速为1 500 r/min时，发动机的输出扭矩分别为额定扭矩的84.35%、79.13%、73.47%、70.67%和66.79%.

图3 不同海拔下发动机特性曲线Figure 3 The contrast of engine characteristic curves at different altitudes

表5 不同海拔下发动机最大转矩对比

为了研究不同海拔发动机定转速下转矩的下降幅度，对发动机最大输出扭矩Tmax与海拔高度进行二次拟合得式(18).

Tmax=-8×10-6H2-6.61×10-2H+1 700.4

(18)

3.2 发动机制动特性研究

根据式(7)、式(17)得不同海拔高度时的发动机制动特性曲线，如图4.

结果显示不同海拔高度发动机制动特性曲线发生明显改变，低转速阶段扭矩输出差别明显，同一转速随着海拔增高输出扭矩减小；随转速增加，输出制动扭矩增加，但不同海拔间输出制动扭矩差异变小.发动机转速为 1 500 r/min时，西宁市郊区、共和、兴海、玛多和玉树制动试验获得输出制动扭矩分别为221.61、205.25、190.64、178.57、183.36 N/m，分别为标定时的60.80%、56.32%、52.31%、49.00%和50.31%，分别下降了30.20%、44.68%、47.69%、51.00%和49.69%.

将不同海拔下，转速为1 500 r/min时对应的转矩进行拟合(图5)，得到海拔与制动转矩Tb关系式如式(19).

Tb=9.00×10-6H2-8.14×10-2H+363.95

(19)

图4 不同海拔下发动机制动特性曲线Figure 4 The graph of engine braking characteristic curves at different altitudes

3.3 试验验证

为了验证文中发动机输出扭矩和发动机制动扭矩与海拔高度关系式的准确性，分别选取西宁市郊区、共和、兴海、玛多和玉树5个海拔高度的发动机全负荷加速试验和发动机制动试验数据各2组进行验证.

发动机输出扭矩与海拔高度关系式验证结果如表6所示，最大误差为4.33%，其余均在3%以内，表明拟合关系式能够准确反映发动机输出扭矩与海拔高度之间的关系.发动机制动扭矩与海拔高度关系验证结果如表7所示，最大误差为2.93%，误差均在3%以内，结果表明拟合关系式能够准确反映发动机制动扭矩与海拔高度的关系.

综上所述本文建立的发动机输出扭矩与海拔高度、发动机制动扭矩与海拔高度模型能够准确的反映不同海拔高度时发动机外特性、发动机制动特性，能够用于评价重型载货汽车高原区行驶的特性.

4 结论

本文以六轴重型载货汽车为研究对象，在西宁市郊区、共和、兴海、玛多和玉树5个高原区发动机全负荷加速和发动机制动试验的方法建立了发动机输出扭矩与海拔高度、发动机制动扭矩与海拔高度的关系模型，并对其准确性进行了试验验证.结果表明，本文建立的模型可以准确反映重型载货汽车高原区的行驶特性.

本研究采用不同海拔高度的发动机外特性、发动机制动特性评价整车高原区行驶特性的方法，为重型载货汽车的高原区动力性匹配提供思路，建立的模型为动力性匹配提供了数据基础.同时为高原地区道路纵行坡度的设计提供了理论依据.

图5 转速为1 500 r/min时制动转矩随海拔变化关系曲线Figure 5 The curve of braking torque change with altitude at the speed of 1 500 r/min

表6 不同海拔下发动机最大输出扭矩试验验证

表7 不同海拔下发动机输出制动扭矩试验验证(1 500 r·min-1)