重型柴油车实际道路行驶工况试验研究∗

丁一峰，李 君，刘 宇

(吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

前言

特定条件下的汽车行驶工况是一条速度 时间曲线，是真实道路行驶状况的数学化体现。汽车行驶工况主要被用来进行车辆燃油经济性、排放和行驶特征等方面的评估。文献[1]中详细阐述了道路测试循环的发展与构建方法，给出了基于车载测试方法行驶工况构建的一般流程。文献[2]中也对典型城市车辆行驶工况构成进行了相关研究。通过解析实际道路行驶数据，构建实际道路行驶工况并分析工况中的典型特征参数，进而为台架试验和真实道路测试进行车辆燃油消耗与排放水平评价提供条件和依据，已成为国内外工况循环相关领域学者研究的重点[3-4]。基于实际道路行驶数据构建的行驶工况能真实反映车辆在实际道路行驶过程中的行驶特征和对燃油消耗与排放产生的影响。柴油车相对其他燃料类型车辆具有热效率高、动力性强等优势，在载货汽车和大型客车等商用车中占有很大比重[5]。重型柴油车作为一种重要的运输工具，在交通运输、物流、公共服务等行业都有广泛的应用。目前，重型柴油车保有量占汽车保有量的15%，NOx和PM排放量却占总排放量的74%和86%[6]。随着我国排放法规的日益严苛和化石燃料的短缺，研究重型柴油车实际道路行驶工况对于有效降低该类车辆油耗、控制污染物排放具有重要的现实意义。

世界统一瞬态试验循环(WHTC)是由UN，ECE和GRPE作为全球性技术法规开发的瞬态工况，已被美国、欧盟、日本和澳大利亚等国家和地区采用。为适应世界不同地区的道路特征和驾驶条件，WHTC被赋予了不同的权重[7]。本文中对比分析了构建的重型柴油车实际道路行驶工况与WHTC循环在工况特征参数方面的一些差异，说明WHTC循环对试验地区实际道路的适应性欠佳，不能很好地反映当地实际道路行驶特征。同时也说明根据实际道路行驶数据构建开发适应本地区道路特点和驾驶条件的行驶工况的必要性。

表1 试验车主要参数

图1 试验设备示意图

1 实际道路试验

1.1 试验车辆的选取

选取6辆一汽解放J6P重型载货车作为试验车，其最高车速可达120km/h。发动机为锡柴直列6缸柴油机，符合国Ⅳ/欧Ⅳ排放标准，该车型具有较好的动力性、可靠性和通过性，试验车主要参数见表1。

1.2 试验设备与方法

试验设备如图1所示，它是车载数据采集终端，终端内置GPS定位、无线传输和内部存储器等模块。终端通过CAN总线读取车载传感器数据，并将这些数据连同GPS位置信息通过无线网络发送至管理平台数据库。同时，为防止因信号中断等情况造成数据丢失，终端会将数据自动保存至内部存储器中。GPS与CAN总线数据记录频率为1Hz。

本项研究中所使用的数据是中国新能源汽车产品检测工况研究和开发项目采集数据的一部分。参试驾驶员具有不同的年龄、家庭收入和教育水平，在试验过程中驾驶员按各自出行目的驾驶试验车辆出行，不设定具体的试验路线。数据采集时间为40天，车辆行驶范围覆盖了长春和四平的大部分地区。

2 重型车实际道路行驶工况

2.1 行驶特征数据解析

本文中使用的数据共793 837条，经检验数据缺失率小于10%，符合工况构建要求。数据采集时间覆盖了行车高峰期与非高峰期、工作日与非工作日的各个时段。图2为工况构建具体技术路线。

在试验中采集到的数据具有数据源多样和存储量大等特点，原始数据的平滑、短片段分割、筛选和相应特征值主要通过MATLAB软件编写相应程序进行计算。车速信息以每秒记录的CAN总线数据为准。短片段相关定义和筛选原则如下。

(1)运动片段：车速从0开始到大于0，最后到等于0为止的一段数据片段。

(2)怠速片段：车辆完成一个运动片段后，状态保持车速为0，发动机转速大于0的一段片段。要求怠速片段的时长小于200s，如果时长大于200s，默认时长为200s。

(3)短片段：一个运动片段加一个怠速片段。

(4)运动片段时长大于等于10s。运行速度大于5km/h，小于等于 120km/h。运行加速度小于5.0m/s2，大于等于-4.0m/s2。

(5)最大速度小于60km/h时，运动片段时长小于601s。最大速度大于60km/h、小于80km/h时，运动片段时长小于1 201s。最大速度大于80km/h时，运动片段时长小于3 601s。

本文中在数据解析过程中选取了15个短片段特征参数，如表2所示。经计算共筛选出符合要求的短片段441个，将这些短片段的特征值归一化后进行主成分降维。表3是通过MATLAB软件计算出的15个主成分中前5个主成分的贡献率与累计贡献率。通常，累计贡献率大于85%的主成分就可以反映特征参数的基本信息。由表3可知，前4个主成分的累计贡献率为87.23%，已大于85%，所以选取前4个主成分作为聚类分析的特征变量。

图2 工况构建技术路线

表2 选取的短片段特征参数

表3 前5个主成分贡献率与累计贡献率

表4为K-means聚类后各类中的短片段数量和对应的聚类中心。由表4可知，第1类在Z4主成分最大，在Z1主成分最小；第2类在Z4主成分最大，在Z2主成分最小；第3类在Z2主成分最大，在Z3主成分最小；第4类在Z2主成分最大，在Z4主成分最小。综上可见，Z2和Z4主成分对聚类效果有显著影响，Z1和Z3主成分对聚类效果的影响不如Z2和Z4主成分。因此，图3示出以Z2和Z4为坐标轴的主成分聚类结果的二维图。从图3可见，短片段被分为4类，每类中都有各自的聚类中心，各类别轮廓比较清晰，说明聚类的效果较好。

表4 各类中的片段数量与聚类中心

2.2 实际行驶工况的构建

构建实际行驶工况短片段的选取主要通过比较4类中各短片段与聚类中心的空间距离和确定所有短片段平均速度相对正加速度标准化标准差最小值的方法实现。由K-means聚类算法原理可知，与聚类中心距离越近的短片段越能代表这一类的特征，因此在这一过程中可确定4个短片段用于构建行驶工况。接着，利用数据标准化将速度、加速度无量纲化并计算标准差。由标准差的统计意义可知，标准差越小样本变异越小，即可通过比较所有短片段中各短片段标准差值的大小选出最理想的短片段来体现总体的基本特征，借此可确定另一个短片段。将以上5个短片段按速度顺序排列，并在开始阶段加上30s的怠速，组合后的实际道路行驶工况曲线如图4所示。工况循环时间1 580s，工况行驶里程达到13.379km，工况最大行驶速度为68.1km/h。

图3 主成分聚类结果

图4 实际行驶工况曲线示意图

用于构建实际行驶工况的5个短片段中相应的运动片段如图4所示，从左至右依次记为M1～M5。计算比较5个运动片段的平均速度，将M1定义为低速区，M2和M3定义为中低速区(M2和M3属同一类，其中M3由过程2获得)，M4定义为中高速区，M5定义为高速区，4个速度区分别代表了一种特定的交通状况和驾驶条件。表5为4个速度区的速度和加速度基本情况，其中减速度是减速段的加速度。可见4个速度区的平均速度、最大速度、最大加速度和最大减速度呈递增趋势。中高速区的平均加速度、平均减速度中最大，低速区的最小。对比发现，中低速、中高速区的平均速度、最大速度差异不大，但加减速度参数差异明显。而中低速、中高速区与其他速度区各项参数差异都较大。

表5 4个速度区的速度和加速度

图5 行驶工况速度区间时间占比

图6 行驶工况加速度区间时间占比

行驶工况的速度和加速度区间时间占比见图5和图6。由图5和图6可知，行驶工况运行车速在0～70km/h范围内，平均运行车速为30.5km/h，其中0～10km/h的车速时间占比为21.3%，10～30km/h的车速时间占比为29.0%，40～60km/h的车速时间占比为31.6%。怠速时间占运行时间的12.4%，等速运行时间占运行时间的1%，加减速运行时间占运行时间的86.6%。车辆运行的加、减速度主要集中在-1.0～1.0m/s2范围内，占总体加减速运行时间的95.7%。可见，重型柴油车实际道路行驶工况是一个瞬变的工况，其间发生连续的加速、减速和怠速的变化。与世界统一瞬态试验循环(WHTC)相比，没有WHTC的超高速工况(车速＞80km/h)，怠速时间占比也小于WHTC的17%[8]。因此，相应的工况和油耗特性会有较大差别。

3 试验结果与分析

图7为实际道路行驶工况发动机转速随时间变化的关系，图8为行驶工况发动机转速与油门踏板开度分布。由图4与图7可知：在中低速、中高速区具有较大的发动机转速且波动较大，而在高速区发动机转速略有下降且比较平稳，说明在中低速、中高速区车辆经历了较为拥堵的交通状况，为应对复杂的交通环境驾驶员频繁地进行换挡操作，加、减速度变化较大，从而造成较高转速的出现和相应位置转速曲线的突变；在高速区，行驶条件较为平顺，不需要过于频繁地加、减速，发动机转速也相对平稳并维持在一定范围内。由图8可知，行驶工况发动机转速主要分布在1 000～1 500r/min，油门踏板行程主要分布在10%～40%。说明行驶工况总体上处于中低速、中低负荷状态。

图7 行驶工况发动机转速与时间关系

图8 行驶工况发动机转速 油门踏板行程分布

图9 行驶工况发动机转矩百分比与时间关系

图10 行驶工况发动机瞬时耗油率与时间关系

图11 行驶工况发动机瞬时耗油率分布

图9 为重型柴油车实际道路行驶工况发动机转矩百分比随时间的变化关系，图10为瞬时耗油率随时间变化的关系。可见，在中低速、中高速区转矩波动较高速区大。由图8和图9可知，行驶工况的低负荷点较多，转速多集中在1 500r/min以下，转矩百分比多集中在20%以下。从图10可知，高速区瞬时耗油率较大，而低速区、中低速区和中高速区瞬时耗油率明显小。低速区的瞬时耗油率在大约30s的时间段出现了先升高后降低的现象。由图7、图8和图10可知，高转速、中高负荷行驶状态产生的油耗在汽车行驶总油耗远小于中低转速、中小负荷行驶状态。图11为行驶工况转速 转矩 瞬时耗油率关系图。可见，车辆实际行驶过程中油耗的怠速损失并不是主要的，约占油耗的14%。更多的集中在转速800～2 200r/min，转矩百分比20%～40%区域。瞬时耗油较高的部分集中在转速1 200～1 700r/min，转矩百分比28%～37%和转速1 700～1 900r/min，转矩百分比25%～28%两个区域。前者主要由高速区平顺驾驶的燃油消耗和低速、中低速、中高速区复杂驾驶环境的燃油消耗组成。后者主要是中低速、中高速区复杂驾驶环境下的燃油消耗。同时，可发现有一部分油耗产生于高转速、低转矩区域，这主要是由于极端驾驶操作产生的燃油消耗。

4 结论

(1)本文中构建了重型柴油车实际道路行驶工况循环，总时长1 580s，行驶里程13.379km，平均运行车速30.5km/h，最大运行车速68.1km/h，怠速时间占运行时间的12.4%，加减速运行时间占总体运行时间的86.6%，加减速度主要集中在-1.0～1.0m/s2，行驶工况集中在转速1 000～1 500r/min，转矩百分比0～20%范围内，呈明显的中低速，中低负荷特征，与WHTC循环存在明显差异。

(2)行驶工况按速度分为低速区、中低速区、中高速区和高速区4个部分，中低速和中高速区转速、转矩波动较大，高速区转速、转矩较为平稳，是两种不同的交通状况与驾驶条件的真实反映。

(3)行驶工况的高瞬时耗油率主要集中在转速1 200～1 700r/min，转矩百分比28%～37%和转速1 700～1 900r/min，转矩百分比25%～28%两个范围内。

(4)本文中构建的重型柴油车实际道路行驶工况是基于实际道路行驶数据，能够基本反映重型柴油车实际道路行驶特征，可以为台架试验和真实道路测试进行整车性能评价提供条件和依据。

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