城市混合道路行驶工况的能量利用率研究

张 鹏，储江伟

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

随着汽车工业的迅猛发展，汽车已成为人们日常生活中必不可少的交通工具。近年来，随着我国经济的迅猛发展，汽车、机动车的保有量正以前所未有的速度增长。截至2012年年底，我国机动车保有量已达2.4亿辆。据专家预计，我国机动车保有量将在未来的10年内持续高速增长，到2020年将达到2.820亿辆。在这样的快速增长趋势下，城市交通承担了巨大压力，城市环境也受到了严重影响。

对车辆行驶工况进行研究，可以对机动车排放污染物和燃料消耗量进行正确评价，这也符合我国实际道路交通状况中的车辆行驶工况，为发动机及车辆燃料消耗和排放物的检测以及优化方案的制定提供基础数据。目前，循环工况的检测和评价结果与实际的车辆运行状况还有一定差别，能量没有被充分利用，针对我国市区行驶工况进行能量利用率研究，为汽车安全、节能、环保提供研究方向。

1 国内外行驶工况概述

1.1 车辆行驶工况的定义及意义

汽车行驶工况（Driving Cycle）又被称为汽车运转循环，以某一类车辆（如乘用车、公交车等）作为参照，表现为在特定行驶环境（如城区道路，快速路等）限制下的车辆行驶速度同时间历程的差。开发行驶工况的意义主要有以下几方面:为考察某类车辆在某一地区的排放水平或燃油消耗量提供检测依据；为车辆设计的动力匹配提供参考依据；满足汽车检测及维护制度的需要。

1.2 国外车辆行驶工况的研究

作为世界行驶工况发展的最高水平和风向杆，世界三大工况分别为欧洲行驶工况（ECE15＋EUDC）、美国行驶工况（FTP75）和日本行驶工况（JPAN10），三大工况分别对应了汽车工业发展水平最高的三个国家和地区。

1.2.1 欧洲行驶工况

欧洲目前采用的是ECE＋EUDC工况。该工况由两部分组成:第一部分主要反映市区内的实际车辆行驶状况，可以看成简化的城市行驶过程，该部分由15种行驶方式组成，通常被称为“十五工况法”，主要反映机动车在欧洲城市内的行驶特征，该工况共进行4个15工况循环，测试时间持续780s，总行驶里程为4.052km，平均车速为18.7km／h；第二部分为一个附加的市郊行驶工况（EUDC），代表市郊车辆运行过程，平均速度为62.6km／h，该部分最高车速为120km／h，测试时间为400s，行驶里程为6.955km。欧洲行驶工况在世界范围内得到认可并被大多数国家采纳。目前，我国汽车工业领域也采用欧洲行驶工况。

1.2.2 美国行驶工况

1972年，美国环保局将LA－4C工况用作认证车辆排放的测试程序（简称FTP72），即LA－4C工况。按照LA－4C工况对车辆排放进行检测，被认为是最严格的工况标准。1975年，FTP－72被扩充成FTP－75，FTP－75工况的持续时间为2 475s，最高车速为91.2km／h，平均速度为31.4km／h。FTP－75工况更真实地反映了汽车在美国城市道路行驶时的特征，因而，FTP－75已成为目前美国城市汽车运行的标准工况。

图1 中国行驶工况

1.2.3 日本行驶工况

随着日本汽车业的发展，日本制定了第一个汽车行驶工况，也就是Japan10工况，随着城市结构、交通流量等的改变，目前日本使用的是经过JPana10改进后的Janpan10－15工况。Japan10－5由3个10工况循环和一个15工况循环构成，工况运行时间为660s，最高车速为70km／h，平均速度为22.7km／h。

1.3 国内行驶工况研究

在法规采用的行驶工况中，我国现行的国标《乘用车辆燃料消耗量试验方法》（GB／T12545－2001）和《电动汽车—能量消耗率和续驶里程—试验方法》（GB／T 18368－2001）都是基于 ECE15工况。在轻型汽车燃料消耗量试验中，模拟城市工况循环燃料消耗量试验，使用ECE－15工况，如图1所示，本文在此基础上进行研究。

随着我国汽车工业的发展，国内许多高校、科研院所以及对环保要求较高的大城市，都进行了车辆行驶工况和汽车污染物排放控制等方面的研究，构建了各自的车辆行驶工况，积累了大量的宝贵经验，取得了一定的研究成果。

2 汽车行驶工况下的能量利用率相关定义

汽车在一定的行驶工况下，都要消耗一定的能量，本文从能量利用率的全新角度对能量进行研究，并给出相关定义。

2.1 能耗量

能耗量，用Ec表示，简称能耗，是指汽车运行过程中消耗的能量，一般用汽车在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。

2.2 能态

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。

2.3 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，从而产生能量损失，能量能否被充分利用是问题的关键。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；如果汽车在同一循环工况下减速时的速度没有任何制动，能量也保持在一定状态，变为0，此时汽车就会行驶一段距离，此时的距离远远大于前者，如果后者的能量被100%利用，则可以定义前者的距离与后者距离之比为车辆在减速时能量为0时的利用率。

2.4 能量利用率模型

本文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，以欧洲行驶工况为基础进行深入研究。图2是一个工况的基本循环，包括加速过程、匀速过程、减速过程，在加速过程中，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，为了更好地进行分析，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。在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（2）和式（3）

图2 行驶工况运行示意图

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；S加，S匀，S减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；S自为车辆自由行驶距离。

3 汽车行驶工况下的能量利用率计算

由上文能量利用率的定义可知，如计算各行程的能量利用率，必须先计算汽车在没有任何制动情况下减速至0时的自由行驶距离，下面介绍自由行驶距离的计算。

3.1 自由行驶距离计算

车辆在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力；当汽车在坡道上坡行驶时，还必须克服坡度阻力；加速行驶时，还需要克服加速阻力。假设车辆在良好的道路上自由行驶，当速度降为0时，主要克服滚动阻力和空气阻力。

3.1.1 滚动阻力介绍

滚动阻力是指车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力，滚动阻力是由滚动阻力系数决定的，滚动阻力计算式为

式中:Ff为滚动阻力；W为车轮负荷，这里用车载重表示；f为滚动阻力系数。

滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。滚动阻力随着路面状况的不同而不同，本文主要研究的是车辆在良好沥青或混凝土路面下的中、低速行驶情况，滚动阻力系数取0.010～0.018。

3.1.2 空气阻力介绍

汽车在直线行驶时会受到空气的作用力，在行驶方向上的分力被称为空气阻力，空气阻力由空气阻力系数和迎风面积决定，在无风条件下的空气阻力计算式为

式中:CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；ua为无风情况时汽车的行驶速度，m／s或km／h。

不同车型的迎风面积和空气阻力系数各不相同，本文研究的是轻型车辆在循环工况下的行驶情况，因此，迎风面积取1.7～2.1m2，空气阻力系数取0.030～0.041。

3.1.3 计算公式

由动能定理可知车辆自由行驶距离为（Ff＋，整理得

式中:v1，v2为分别为车辆行驶的初速度和末速度；m为轻型汽车的质量，取1 500kg。

3.2 能量利用率计算

本文以我国《轻型汽车排放污染物测试方法》中规定的市区工况为研究对象，表1为循环单元中各工况下的加速度、减速度、速度和时间等。

表1 中国基本循环数据表

表2 阻力系数和迎风面积取最小值相应距离

图3 阻力系数和迎风面积取最小值我国行驶工况下市区能量利用率

表3 阻力系数和迎风面积取最大值相应距离

图4 阻力系数和迎风面积取最大值我国行驶工况下市区能量利用率

通过图3和图4可知无论阻力系数和迎风面积取最小值还是最大值，能量利用率都没有被完全利用，全行程能量利用率最高，体现了汽车行驶工况下的自由行程能量利用率最低，不到40%，剩余60%由于各种原因被消耗掉，能量利用率的提高还有很大的潜力。

4 结 语

综合以上分析，车辆的行驶工况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，但在此工况下行驶时能量没有被充分利用，能量利用率都不高，从整个循环看全行程利用率较高，超过了50%，自由行程能量利用率较低，不到40%，能量利用率与各阻力系数、迎风面积和速度的大小有关，随着速度的增加和阻力系数、迎风面积的增加，能量利用率呈上升趋势。能量利用率的提出可从其它角度为车辆节能，减少能量排放提供新思路。

［1］李庆虎.混合交通环境条件下行驶工况的仿真分析［D］.湖北:合肥工业大学，2010.

［2］李友文.混合交通环境条件下行驶工况的仿真分析［D］.湖北:合肥工业大学，2010.

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