實際條件下輕型汽車整車及發動機運行特征研究

溫泉，徐月云，張廣秀

（中國汽車技術研究中心，天津 30000）

實際條件下輕型汽車整車及發動機運行特征研究

溫泉，徐月云，張廣秀

（中國汽車技術研究中心，天津 30000）

采集了濟南市6輛不同排量輕型汽車一個月正常行駛條件下的數據，分析了車輛實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動機工況差異。結果表明：濟南市車輛通勤工況的怠速比例約為27%，平均車速為25km/h；發動機的運行區間主要集中在轉速為600~1000r/min，扭矩百分比在10%~20%之間，但是隨著排量的增大，發動機的低轉速比例升高，增壓發動機的低轉速比例同樣升高；研究的成果可以為基于實際條件的車型開發提供技術支持。

實際運行；整車；發動機；工況

前言

汽車行駛工況是汽車行業一項重要的基礎標準，是汽車產品（包括新能源汽車）開發過程中的重要設計輸入，是汽車各項性能指標標定優化時的主要基準，也是進行排放和油耗認證的基礎。目前我國在進行輕型汽車排放和油耗認證時，使用的是歐洲的行駛工況（NEDC）。NEDC是一種穩態工況，包括市內（ECE，1部)、市郊（EUDC，2部）。其中，1部從0~780秒，為市區部分，由4個連續的循環構成；2部從781~1180秒，為市郊部分。市區部分通過低速、低負荷及低排氣溫度等反映了城市的駕駛情況，全長4.052km，時長780秒，最大車速 50km/h，平均車速 19km/h。市郊部分也就是EUDC循環，較市區部分車速更高。市郊部分全長6.955km，時長400秒，最大車速120km/h，平均車速62.6km/h）。文獻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，研究發現：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建議；上述研究還表明不同車輛在同一車流中反應出來的速度特征是一致的，與車輛參數配置并無關系。但是在同一車流中，不同車輛發動機運行工況是否一致，利用單一整車工況是否能夠控制不同車輛發動機整個運行范圍內的排放和油耗卻鮮有報道。

本文在濟南市選擇6輛不同排量、不同進氣方式的車輛，車輛按照實際使用特征進行使用，分別采集一個月的行駛工況數據，并對其運行工況特征進行分析，比較不同排量、不同進氣方式車輛發動機的運行特征差異，從而為制定更加有效控制車輛全工況內排放和油耗工況和基于實際條件下的車輛開發及技術選擇提供技術支持。

1 試驗設計

1.1 試驗車輛

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

1.2 試驗設備

試驗系統由兩部分組成，車載數據采集終端和數據管理平臺。車載數據采集終端將采集信息按照統一的數據協議編排，并通過GPRS網絡實時發送到工況數據管理系統。車載數據采集終端的數據來源包括兩部分，GPS和車載診斷系統（OBD）。采集流程如圖1所示。采集參數見表2。

圖1 數據采集示意

表2 采集參數

1.3 試驗規劃

使用自主駕駛法采集車輛的行駛工況數據。自主駕駛法，即不規劃道路，自由駕駛，保證駕駛區域覆蓋濟南市整個區域，以充分反映實際道路情況下的汽車行駛工況特征。采集時間為7月1日至7月31日，共收集數據約為90萬條（秒），各車輛運行里程如表3所示。

表3 各車輛運行里程統計 單位：km

2 試驗結果分析

2.1 整車運行特征分析

本文分析了濟南市行駛工況的13個特征參數包括：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，以10km/h為間隔，共八個區間）等，參數具體定義參見文獻1。圖2車輛平均速度的計算結果。從中可以發現，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間比例特征，從中可以發現，采集車輛的平均怠速時間比例約為 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，不同車輛的速度區間分布與綜合的速度區間分布的變化趨勢大體一致。

根據上述結果并結合車輛本身配置可以發現，車輛在實際運行時，運行特征主要與運行環境和交通狀況相關。是否可以通過調查車輛運行特征構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行特征基本一致的前提下，發動機的運行特征是否一致？下文將分析不同排量的車輛實際運行時發動機運行特征的差異，以及相同排量不同進氣方式車輛發動機的運行特征。

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 發動機運行特征分析

2.2.1 不同排量發動機運行特征比較

由文獻4可知，目前法規用發動機工況是通過發動機轉速和發動機扭矩進行表征。本文重點分析了不同排量發動機實際運行時的轉速和扭矩百分比的分布特征。其中，圖5為1.5L車輛的運行特征，圖6為 2.0L車輛的運行特征，圖 7為2.4L車輛的運行特征。從圖5可以發現，1.5L排量的車輛，發動機轉速分布在 600~2000r/min，扭矩百分比主要在 30%以下，發動機運行主要區間集中在轉速為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車輛發動機的運行特征，分布趨勢變化與1.5L車輛的變化趨勢基本一致，主要運行區間集中在發動機轉速為600~1000r/min，扭矩百分比為10%~20%之間。

圖5 車輛5發動機運行特征

圖6 車輛3發動機運行特征

圖7 車輛2發動機運行特征

對比上述不同排量的車輛的發動機運行特征發現：車輛實際運行時發動機主要運行區間基本一致，發動機運行區間主要集中在600~1000r/min，扭矩百分比在10%~20%之間，但是隨著排量的增大，該區間內的占比越來越高，1.5L車輛在該區間的比例約為5%，2.0L車輛的比例約為10%，而2.4L排量車輛的比例則高達15%。另外，對比三輛采集車輛的運行特征發現：1.5L排量車輛的在1000r/min以上的轉速出現的比例比另外兩輛測試車輛高出很多，呈現了三峰狀，在1500~2000r/min扭矩在10%~20%區間內占比約為3%，而轉速在1500~2000r/min，扭矩百分比在20%~30%，同樣出現尖峰，占比也約為 3%；2.0L排量車輛，呈現雙峰狀，未出現轉速在 1500~2000r/min，扭矩百分比在 20%~30%區間的尖峰；2.4L與上述兩輛車輛相比，只有一個尖峰，即轉速在1000~2000r/min，扭矩百分比在10%~20%的運行區間。上述結果說明隨著排量的增大，發動機的主要運行轉速區間向低轉速集中，造成上述現象的主要原因為：車輛實際運行時，受交通環境的影響，不同配置車輛宏觀運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，需要發動機的運行轉速越高。

2.2.2 不同進氣方式發動機特征比較

選擇了同為2.0排量發動機，但是進氣方式不同的兩輛車進行分析。2.0L自然吸氣發動機運行特征見圖6，圖8為2.0L增壓發動機的運行特征，該發動機為雙增壓技術，即同時配置了機械增壓和渦輪增加。對比2.0自然吸氣與2.0增壓的車輛發動機的運行特征可以發現，增壓發動機的主要運行區間與其他測試車輛主要運行區間基本一致，主要集中在1000~2000r/min之間，扭矩百分比在10%~20%之間。但是與非增壓發動機相比，帶增壓的車輛的發動機運行特征在低轉速去更為集中，與2.4L發動機運行特征接近。造成上述現象的原因為：在相同轉速下，增壓發動機能夠輸出的功率更大，為此，在相同功率的需求下，增壓發動機的轉速更低。

圖8 2.0增壓發動機運行特征

通過上述分析還發現，車輛在實際使用時，主要運行工況為通勤工況，運行轉速較低，雙增壓技術能夠發揮作用，但是僅僅采用渦輪增壓技術是否能夠達到應有的效果值得商榷。車輛在實際通勤使用時，發動機主要運行轉速范圍約占到發動機最大轉速的 1/3（一般發動機最大轉速約為 7000r/min以上），而通過車輛測試結果可以看出，其余轉速范圍發動機仍然能夠覆蓋，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，也無法完全反應車輛實際運行狀況，因此制定包含不同用途的工況體系，通過調查給予每個工況不同權重，是一個可以考慮的建議。

3 總結

采集了濟南市6輛不同排量輕型汽車為期一個月的車輛行駛數據，分析了車輛的實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動機工況差異。結果表明：濟南市車輛通勤工況的怠速比例約為 27%，平均車速為25km/h，車輛實際行駛時，宏觀速度特征只與交通環境相關，與車輛配置相關性不大。但是通過對不同排量的車輛以及增壓非增壓車輛發動機的運行特征（發動機轉速—扭矩百分比的聯合分布）的分析發現，在宏觀速度特征基本一致的前提下，不同車輛的發動機運行特征相差較大，隨著排量的增大，發動機低轉速的比例越來越高；增壓非增壓對發動機的運行特征也有很大影響，增壓發動機實際運行工況下的低轉速比例比自然吸氣發動機高出很多。

目前只有單一工況的法規體系并不能全負荷范圍內控制車輛的油耗和排放，如果基于僅僅制定一條法規曲線，將會造成發動機的大部分工況點未得到有效控制，制定包含不同運行工況（通勤、低速和高速等）特征工況體系，將有利于全負荷范圍內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,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.中國城市機動車行駛工況研究[J]. 環境污染與防治,2007,10:745-748.

[4] GB 17691-2005.車用壓燃式、氣體點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國III、IV、V階段）[S].北京：中國標準出版社,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 文獻標識碼：A 文章編號：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研究中心。