（光学工程专业论文）基于行驶工况的汽车燃油经济性研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 席：劣惭办侈峨磁 委员： 四万争马讶彬圆呵毛蜀冶岛 诌嘶锄影般 导师： 独创性声明 靴敝储戤：芗鲁参式 嗽忙侈鲈珀 学位论文版权使用授权书 。! 学位论文作者完全了解金匿拦 有关保留、使用学位论文的规 耋! 警竺竺并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅； 曼二本全篓竺尘生塑型垃可以将学位论文的全部或部分内容编入有关主磊；薹孬 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 。 学位论文者签名：尹色 签字日期：毋年q 细珈 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：劢年眇 电话： 邮编： 进= 岂濮f 夕王倒 一一一一 煮勺r1一p帐趔张 能文 与 姗欣影一靓酗灯腮秕黼 基于行驶工况的汽车燃油经济性研究 摘要 研究车辆在实际道路交通状况下的燃油消耗规律、对车辆燃油消耗进行分析与评 估、建立油耗模型既可以为改善车辆燃油系统提供参考，可以作为预测车辆在城市道 路上的燃油消耗的有效手段。 本文概述了国内外汽车燃油消耗的研究方法和取得的成果，并以合肥市区道路 为研究对象，利用车辆综合性能检测仪对汽车在实际道路中行驶的实时油耗进 行测试。主要分析了汽车在实际行驶过程中的时间、速度以及加速度等特征参 数对车辆燃油消耗的影响，并利用数学统计软件，较为准确地对单位油耗进行 回归分析，建立相应的油耗模型：基于速度的稳态和瞬态油耗模型、基于加速 度的加速油耗模型和减速油耗模型，并对此三类模型进行验证，分析模型的预 测值与实际值之间的整体误差和相关性。 关键词：行驶工况特征参数油耗回归分析 s t u d yo n v e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o nb a s e do nd r i v i n g c y c l e a b s t r a c t r e s e a r c h i n gt h ef u e lc o n s u m p t i o nr e g u l a r i t yo f v e h i c l ed r i v i n gp r o c e s sc a n b er e f e r e n c e df o ri m p r o v i n gv e h i c l ef u e ls y s t e m ，s i m u l t a n e o u s l y ，p r o v i d et h eb a s i s f o ru r b a nr o a dd e s i g na n dt h ee f f e c t i v em e a n so fp r e d i c t i n gt h ef u e lc o n s u m p t i o n o nd i f f e r e n tu r b a nr o a d s t h et h e s e sn a r r a t et h em e t h o d sa n dr e s u l t so f d o m e s t i ca n df o r e i g nv e h i c l e f u e lc o n s u m p t i o n ，a n dm a k eu r b a nr o a di nh e f e ia st h er e s e a r c ho b je c t ，e s t a b l i s h f u e l c o n s u m p t i o nt e s t i n gp l a t f o r m t h ee x p e r i m e n t t e s tt h er e a l t i m ef u e l c o n s u m p t i o no n u r b a nr o a d ，b yu s i n gt h ed e t e c t o ro fv e h i c l ec o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c eo nc a r i ta n a l y z e st h ei m p a c to ft i m ep a r a m e t e r s ，s p e e dp a r a m e t e r s a n da c c e l e r a t i o np a r a m e t e r sf o rv e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o n ，t h e n ，u s i n gs p s s m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c a ls o f t w a r e ，e s t a b l i s ht h ef u e lc o n s u m p t i o nm o d e lw h a ta r e b a s e do nt h es p e e do fs t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n t ，t h ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n a tl a s t ，b yv e r i f y i n gt h e s em o d e l s ，a n a l y z et h et o t a le r r o ra n dr e l e v a n c eb e t w e e n t h ea c t u a la n dm o d e lp r e d i c t e dv a l u e k e y w o r d s ：d r i v i n gc y c l e ；i m p a c tp a r a m e t e r ；f u e lc o n s u m p t i o n ；r e g r e s s i o n a n a l y s i s 致谢 本文的研究工作是在尊敬的导师石琴教授、姜平博士、项恒老师的精心指导和悉 心关怀下完成的，在研究生学习即将结束之际，谨向辛勤教导培育我的老n t i 致以崇 高的敬意和诚挚的感谢! 深深感谢敬爱的老n f i 为我的成长所倾注的心血。 感谢我的导师石老师，在我攻读硕士学位的三年时间里，得到了石老师的精心指 导和耐心帮助。石老师渊博的理论知识，严谨求实的治学作风，诲人不倦的师者风范， 对教育事业满腔热情，无私奉献的工作精神，时刻感染教育着我。此外，她对学生日 常生活的关怀，对学生的理解和宽容让我深受感动。在此，真诚的祝福石老师一生平 安幸福。 借此机会感谢国家自然科学基金委员会提供了如此难得的科研课题。 感谢我的父母和家人含辛茹苦的培养我，默默的鼓励我支持我。他们是我持续努 力奋斗的动力和源泉。 感谢李友文、李庆虎、刘魏娜、王新伟等师兄师姐，朱俊虎、王涛、郑与波等同 窗好友，仇多洋、刘春雷、冒文娟、王楠楠、范容君、吴靖、周洁渝、王润身等师弟 师妹，以及格物楼5 0 8 实验室所有的兄弟姐妹们在课题研究及论文写作期间给予我的 帮助。 感谢机械与汽车工程学院的各位老师在我硕士研究生阶段给予我的教导! 最后，向所有关心和支持我完成硕士学业的老师、亲人、朋友和同学表达我最真 诚的祝愿，愿他们永远幸福，快乐。 作者：张金武 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 我国城市道路交通特征4 1 4s p s s 软件简介4 1 4 1s p s s f o rw in d o w s 主要功能4 1 4 2s p s s 的数据分析5 1 4 主要研究内容6 第二章燃油消耗试验的研究7 2 1 燃油消耗试验简介7 2 1 1 燃油消耗的测定方法7 2 1 2 燃油消耗的试验方案7 2 2 试验方案设计9 2 2 1 试验车辆9 2 2 2 试验道路9 2 2 3 实验仪器及设备1 0 2 2 4 数据采集1 2 2 3 小结1 2 第三章车辆燃油经济性的研究1 3 3 1 燃油经济性评价指标1 3 3 2 汽车燃油经济性的影响因素及改善方法1 3 3 2 1 汽车结构因素的影响1 3 3 2 2 汽车使用因素的影响1 5 3 2 提高汽车燃油经济性的措施1 6 3 2 1 使用技术方面1 6 3 2 2 结构方面17 3 4 小结1 8 第四章基于行驶工况的油耗影响因素分析1 9 4 1 时间特征参数的油耗影响分析1 9 4 1 1 时间特征参数的计算1 9 4 1 2 油耗影响分析2 l 4 2 基于速度特征参数的油耗影响分析2 1 4 2 1 速度描述性特征对油耗的影响分析2 1 4 2 2 速度分布特征对油耗的影响分析2 3 4 3 加、减速度特征参数的油耗影响分析2 5 4 3 1 加、减速度对油耗的影响分析2 5 4 3 2 加速度分布特征对油耗的影响分析2 6 4 4 小结2 8 第五章车辆燃油消耗模型的建立2 9 5 1 基于速度的回归油耗模型2 9 5 1 1 稳态速度下的油耗模型2 9 5 1 2 瞬态速度下的油耗模型3 0 5 2 基于加速度的油耗回归模型3 2 5 2 1 加速状态的油耗模型3 2 5 2 2 减速状态的油耗模型3 5 5 3 模型验证3 6 5 4 小结3 7 第六章总结与展望3 8 6 1 全文总结3 8 6 2 展望3 8 参考文献4 0 攻读硕士期间发表的论文4 3 n 插图清单 图卜1 美国f t p - 7 2 和欧洲e c e 工况2 图卜2s p s s 操作界面5 图2 1 试验流程8 图2 2 爱迪尔c h 7 11 1 a 9 图2 - 3 试验道路1 0 图2 4 实验仪器1 0 图4 1 工况的时间比例2 0 图4 - 2 各工况单位时间油耗、油耗值2 l 图4 3 各次实验平均速度2 2 图4 4 平均百公里油耗和行驶百公里油耗2 3 图4 5 速度区间分布图2 3 图4 6 各速度区间的平均单位时间油耗2 4 图4 7 各速度区间平均油耗值2 4 图4 8 平均加速度和减速度2 5 图4 - 9 加速油耗和减速油耗2 6 图4 一1 0 加速单位时间油耗和减速单位时间油耗2 6 图4 1 1 加速度区间分布图2 7 图4 12 各加速度区间的油耗值2 7 图5 一l 车速一单位油耗拟合曲线3 0 图5 2 主干道速度一单位油耗拟合曲线3 1 图5 - 3 次干道速度一单位油耗拟合曲线3 1 图5 4 加速度一单位油耗拟合曲线3 4 图5 - 5 减速度一单位油耗拟合曲线图3 6 插图清单 表2 1 试验车基本参数9 表2 2a m 一2 6 0 0 s 技术参数1 1 表2 3a m - 4 0 0 技术参数1 l 表4 1 工况时间表2 0 表4 2 工况时间比例2 0 表4 3 各次实验平均速度值表2 2 表4 - 4 加速度区间表2 7 表5 1 速度一单位油耗统计表2 9 表5 - 2 模型的综合方差表3 0 表5 3 主要行驶速度一单位油耗3 1 表5 - 4 主干道模型综合方差表3 2 表5 5 次干道模型综合方差表3 2 表5 6 加速度一单位时间油耗3 3 表5 7 模型的综合方差表3 4 表5 8 加速度一单位油耗回归模型3 4 表5 - 9 加速度一单位时间油耗3 5 表5 1 0 模型的综合方差表3 6 表5 一l l 加速度一单位油耗回归模型3 6 表5 1 2 基于速度的油耗模型误差分析表3 7 表5 1 3 基于加速度的油耗模型误差分析表3 7 第一章绪论 1 1 引言 汽车影响着人类的生活，虽然给我们带来很大便利，但也使得能源、环境 等问题日益突出。因此，在汽车产业的发展过程中既要解决经济发展对汽车日 益增长的需求，又要减少能源的消耗和污染的排放。社会经济快速的发展带 动了汽车消费与保有量的大幅飚升。国家统计局发布的2 0 1 0 年国民经济和社 会发展统计公报显示，2 0 1 0 年末我国机动车保有量1 - 9 9 亿辆，其中全民用汽 车保有量达到9 0 8 6 万辆，比上年末增长1 9 3 ，私人汽车保有量6 5 3 9 万辆， 增长2 5 3 【2 j ，使我国承受巨大的能源压力，另外原油价格的疯涨给传统汽车 产业也带来了严重的威胁。 由于我国的汽车技术水平相对比较落后，单车的燃油消耗量明显高于发达 国家。汽车每年约消耗我国汽油总产量的8 5 ，柴油总产量的2 0 。据海关统 计，2 0 1 0 年前七个月，我国进口原油已达1 3 9 6 亿吨，成品油进口3 6 3 8 万吨， 预测到2 0 2 0 年，我国石油需求量将超过4 亿吨，对外依存度将超过6 0 ，能源 短缺问题同益加重。如何摆脱对化石等传统资源的严重依赖，成为世界各主要 经济体深思的话题【3 】。2 0 0 9 年的哥本哈根会议对汽车节能减排提出了严厉的目 标，同时，作为人类生活工作环节中最普遍最重要的交通工具，汽车节能减排 也到了刻不容缓的地步。目前，全球汽车的二氧化碳排放量占据人类二氧化碳 整体排放量的1 7 以上。 因此，如何使汽车排放减少，油耗降低，从总体上控制汽车燃油消耗已经 成为我国政府和汽车行业所面临的重要课题【4 】。2 0 0 4 年1 0 月2 9 日我国正式出 台了首个汽车油耗强制性国家标准一乘用车燃料消耗量限值 ( g b l 9 5 7 8 2 0 0 4 ) ，规定了汽车每百公里消耗燃油的最高指标，填补了我国汽 车节能标准的空白i 引。2 0 1 0 年工业和信息化部在其网站上公布了近6 0 0 0 辆车 型油耗数据，标志着我国政府已开始重视汽车油耗对国家能源战略的影响【6 】。 随着我国汽车行业逐步发展壮大，能源问题日益突出，在今后相当长的一 段时间内会严重影响汽车产业的发展。因此，如何研究与解决能源和汽车产业 发展之间深层次的关系至关重要。在新能源的技术尚未实现产业化、商业化之 际，对车辆燃油消耗的研究是解决这一难题的关键与基础。影响车辆燃油消耗 的因素有3 0 几种，主要分为四大类：车辆自身特性、道路交通状况、自然环 境与驾驶水平及习惯【7 】。到目前为止，国内外的燃油消耗研究主要针对车辆自 身特性，并且相应的节油技术已广泛应用于汽车设计、车辆制造以及使用等方 面i s j 。相比之下，针对其它三类因素的研究较少，特别是道路交通状况对车辆 燃油消耗的影响，因此，研究车辆在实际道路交通状况下的燃油消耗规律、对 车辆燃油消耗进行分析与评估、建立油耗模型既可以为改善车辆燃油消耗系统 提供参考，又可以为城市道路设计与规划提供理论依据，同时，可以作为有效 预测车辆在城市道路上的燃油消耗的手段。 1 2国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 2 0 世纪早期，国外已经开始进行油耗相关的研究，这时期的研究主要是针 对发动机进行的。通过分析燃油燃烧的过程，改善发动机的结构，从而提高燃 烧效率，以实现节能【9 】。之后，受到全球石油危机影响，车辆的燃油消耗问题 越来越被人们所重视，欧美发达国家率先进行了这方面的探索。着重研究车辆 自身的结构，开发车辆的节能技术，例如采用增压装置、雾化装置、稀薄燃烧 技术、磁化节油技术、电子化油器技术等等i l 叭。随着认识水平和技术水平的不 断提高，人们逐渐意识到对车辆油耗的研究不仅要改进车辆自身的性能，还需 要研究在实际道路上的行驶工况变化等因素对车辆燃油消耗的影响，例如交 通流运行特征和道路设施与燃油消耗之间的关系等等。 j n k 、 。一 l i 自 f i li 瞳判 ： ln i l l l i l - 0 1 i v1j ji 02 c 04 0 06 0 08 0 010 12 c 01 4 0 0 t i m e ： 厂弋 厂- 、7 l 1 | 八 f? l b ) e c e1 5c y c l e 图卜1 美国f t p - 7 2 和欧洲e c e 工况 2 如 叫 0 r工弓2五 上世纪7 0 年代初，美国等发达国家对车辆燃油消耗的研究逐步转向影响 交通运输系统燃油消耗的各个要素【1 1 1 ，对运输系统油耗模型和节能策略等进行 了大量研究，并结合实际交通状况进行燃油消耗规律的分析。美国、欧洲和日 本都先后建立了f t p 7 行驶工况、e c e 十e u d c 代表工况和j a p a n l 0 1 5 代表工 况等，如图1 - 1 所示【l 引。以这些模拟行驶工况作为基础，进行相关的燃油消 耗研究，这些研究为交通运输系统的节能策略提供了坚实的理论基础，并且在 实际中得到了广泛的应用。目前汽车工业发达的国家仍在不断地对车辆行驶工 况修正和补充，世界各国所采用的模拟行驶工况也主要来自于这些国家【b 16 1 。 在上世纪八十年代初，美国率先开始在试验室利用碳平衡原理，通过测量模拟 循环工况的排放数据来推导油耗值，随后欧洲和日本也开始采用此原理结合模 拟循环工况来测量油耗，目前国内也在进行利用碳平衡原理推导油耗值的研究 【1 7 ，1 8 l o 1 2 2国内研究现状 我国对车辆燃油消耗的研究起步比较晚，和欧美发达国家相比存在很大的 差距。在上世纪9 0 年代前我国主要是进行车辆节能技术方面的研究，直到近 几年才逐步开始研究道路交通运输系统的燃油消耗规律。主要的研究成果有： 1 ) 在“九五 期间，交通部公路科学研究所对国内公路上的燃油消耗的 规律进行了广泛的调查研究，建立了适合于我国公路燃油消耗的预测模型。 2 ) 河北公路规划设计院进行了大量的油耗调查，分别建立了山区和平原 地带的单车油耗、交通流油耗与运行速度的回归模型 3 ) 东南大学在自然基金委的支持下对城市交通系统燃油消耗进行了深入 研究，建立了城市道路交通系统燃油消耗的宏观预测模型和微观模型，并分析 了不同道路行驶、不同的行驶工况对汽车燃料消耗的影响。 4 ) 天津内燃机研究所以华利微型面包车和桑塔纳轿车为研究对象，在天 津市不同道路上对油耗进行了详细的测试，获得了大量的实际燃油消耗数据， 通过这些数据研究了车速、加速度等行驶特征参数对实际道路燃油消耗的影响 关系。 5 ) 山东理工大学应用实证对比分析的方法，以济青高速公路和国道10 2 线的实际交通情况为范例，应用统计方法建立了高速公路与普通公路的车速 油耗模型 6 ) 武汉理工大学通过在试验场、试验室以及城市道路进行实车试验，模 拟欧洲e c e 1 5 + e u d c 工况、典型城市综合工况、典型城市高速工况等，通过油 耗仪法与碳平衡法测定油耗并对油耗数据进行比较，进而分析了不同环境对油 耗的影响 1 9 - 2 2 j 。 我国目前的车辆燃油消耗研究主要依赖于车辆发动机的设计和在试验场、 试验室内模拟工况，而在实际道路下的车辆燃油消耗规律中，多是研究速度与 3 油耗关系，很少研究加速度和油耗的关系。本文通过获取的实际城市道路车辆 的油耗实验数据为基础，综合分析了速度、加速度等影响车辆燃油消耗因素， 采用s p s s 数学统计软件进行数据处理，建立回归油耗模型。 1 3 我国城市道路交通特征 城市道路交通由城市道路网、城市道路网辅助设施( 如停车场、加油站的 等) ，以及以城市道路网为基础的公共汽车、客运车、货运车、非机动车、轻 铁、有轨电车、步行等道路交通方式组成1 2 3 1 。城市道路与公路等其他类型道路 不同，具有自身的特点： 1 ) 种类繁多的车辆：在城市交通中车辆种类繁多。在各类机动车中，以 客运车辆所占比例最大。依次为轻型客车( 包括轿车) 、大客车( 包括公交车) 和摩托车，以货运车辆只占很小部分。 2 ) 城市道路的不同等级：城市道路主要包括城市快速路、主干路、次干路 和支路。主干路有一定数量立体和环形交叉口以及信号交叉口；次干路和支路 上少部分没有信号交叉口。各不同等级的道路相互交错组成城市道路系统。 3 ) 交通流的运行规律：在城市道路交通中，交通流的运行规律影响了车 辆运行的整个过程。交通流的运行规律主要受城市道路条件、交通控制和交通 管理方式等因素的制约，交通控制与交通管理方式的不同，就会产生不同的交 通流的运行规律。例如车辆在接近信号交叉口时，基本上都会经历减速、怠速 和加速三个行驶工况；车辆在环形交叉口时，部分车辆会经历减速穿插和加速 等过程；遇到较大车流量时，车辆的行驶速度受交通流的影响最为明显，车速 也会大大降低；另外在机动车、非机动车和行人不分离道路时，则交通流没有 明显的规律。 4 ) 不同的驾驶习惯：驾驶员的驾驶的过程中，都保持着各自的行为习惯， 车辆在相同的交通环境下采用的驾驶行为也各不相同。如在接近及穿过信号交 叉口时，就可以有不同的选择：匀速一减速一停车等待、减速一滑行一停车等 待等等，这些都会受到驾驶员驾驶行为习惯的影响。 因此研究符合我国城市道路特征的车辆燃油消耗规律，对于城市道路的规 划设计和我国城市交通运输系统的节能有着现实意义。 1 4s p s s 软件简介 s p s s 全称为s t a r i s t i c a lp r o d u c ta n ds e r v i c es o l u t i o n s ，是在s p s s p c + 的基础上发展起来的统计分析软件包，它是一种集成化的计算机处理和统计分 析通用软件，被广泛应用于自然科学、技术科学、社会科学的各个领域。同时， 它也是世界上晟早的统计分析软件【2 4 1 。 1 4 1s p s sf o rw i n d o w s 主要功能 s p s s 是一个组合式软件包，它集数据整理、分析功能于一身。用户可以根 4 据实际需要和计算机的功能选择模块。s p s s 的基本功能包括数据管理、统计分 析、图表分析、输出管理等等。s p s s 统计分析过程包括描述性统计、均值比较、 一般线性模型、相关分析、回归分析、对数线性模型、聚类分析、数据简化、 生存分析、时间序列分析、多重响应等几大类，每类中又分好几个统计过程， 比如回归分析中又分线性回归分析、曲线估计、l o g is t ic 回归、p r o b i t 回归、 加权估计、两阶段最小二乘法、非线性回归等多个统计过程，而且每个过程中 又允许用户选择不同的方法及参数。另外s p s s 也有专门的绘图系统，可以根 据数据绘制各种图形。 圜t u n t i t l e 烈弧t a s e 诩一s p s s 孙3e d i t 。r 爱亘围 塾：竺：坐：；! ：! 至兰竺! 坚璺：! 至竺：! ：望竺兰! 塑：! 墨! 塑鱼堕竺竺兰叟竺茎垦望坐堕! ! ! l 旷琢蕊厂f 一i s i b l e ： 速度k 如l 单位油耗l h lv a rv a rlv a rv aa l 2 1i 8 2 一 2 ”o p e n l n te x c e ld a t as o u r c o 1 翟 誊 3 4c ：协o e l 瓣鳅。a n ds 跌峨对冲小囊面嘲建m b o s o f ie i c e i 5 工作表出 6 7 团| r e a dv a i a b l en a 嗽f r o mt h ef 妇t 0 9 o fd a l 8 w o r k m e t ls h e e t li a i ：q 12 1 | v 9 1 0 r a n g e ： 1 l 1 2 m 锄面硼撕d i h f 饼s 喃gc c 删 ；3 2 7 6 7 1 3 1 4 lo k j c a n c e th e l p 1 5 d a t av i e v _ ， v a r i a b i ev i e v l l 堋j1 l 图1 - 2s p s s 操作界面 1 4 2 s p s s 的数据分析 利用s p s s 进行数据统计分时，应遵守数据分析的一般步骤。主要的工作 集中在以下四个阶段： 1 ) 数据准备：在收集相关数据之后，按照s p s s 的要求，根据s p s s 提供 的功能准备s p s s 数据文件。在根据所收集的数据资料定义变量属性之后，进 行数据的录入和修改。 2 ) 数据加工整理：主要针对数据中出现的缺失值等情况进行数据的预处 理。 3 ) 分析阶段：选择正确的统计分析方法，对数据编辑窗口的数据进行分 析建模。这个阶段s p s s 能够自动完成建模中的数学计算并给出计算结果。 4 ) 输出结果：主要是解读s p s s 结果输出窗口的分析结果，明确具体的统 5 计含义，结合应用背景知识做出切合实际的合理解释。 1 4 主要研究内容 本文选取合肥市实际城市道路，采用车辆城市道路燃油消耗测试系统，对 单车进行燃油消耗试验，分析在实际道路上影响车辆燃油消耗的各行驶参数， 建立符合合肥市城市道路特征的油耗模型。 主要研究内容有： 1 ) 收集、分析国内外车辆燃油消耗资料，了解国内外的研究方法和取得 的研究成果。 2 ) 了解国内城市道路交通特征以及城市道路交通流的运行规律。 3 ) 利用汽车城市道路燃油消耗测试系统，进行单车城市道路燃油消耗试 验，获取所需数据； 4 ) 通过试验数据的分析，研究速度、加速度等因素对车辆燃油消耗的影 响； 5 ) 利用s p s s 数学统计软件对相关数据进行处理，建立燃油消耗模型，并 对所得的模型进行验证。 6 第二章燃油消耗试验的研究 2 1 燃油消耗试验简介 2 1 1 燃油消耗的测定方法 目前油耗的测量方法主要由直接测量与间接测量两大类2 5 。2 7 1 。直接测量有 以下几种： 1 ) 燃料流量测定法：在车辆燃料管上接流量计，可以直接获取精度较高 的油耗数据。但需要对车辆的燃油系统进行专业改装，并要严格防止由漏油造 成的事故。 2 ) 满油箱法：每次行驶时将油箱加满，然后测定燃油的消耗量。虽然不 需要车辆改装和特殊仪器，但油箱内的残余空气会造成较大的加油量差异，测 量的精度不高。 3 ) 油耗仪法：利用串联在供油管上的汽油机流量传感器对车辆燃油消耗 进行实时测量。 间接测量分为以下几种： 1 ) 燃料喷射量累计法：测定发动机e c u 的喷射驱动信号，由驱动的时间 计算出喷射量，累计得出燃油消耗量。 2 ) 空燃比测定法：测定发动机吸入的空气量和空燃比，计算出每个测量 周期的燃油消耗量，累计得出燃油消耗量。 3 ) 碳平衡法：通过对尾气中c 0 2 、c o 和h c 体积排放测量的计算分析，得 到排气中单位里程内的c 元素含量，再与所用汽油中c 元素含量相比而间接得 出燃油消耗量的方法。 本文采用串联在供油管上的a m 一4 0 0 电喷式汽油机流量传感器测量车辆的 燃油消耗量。 2 1 2 燃油消耗的试验方案 车辆燃油消耗试验有很多种，等速行驶是车辆在道路运行的一种基本工 况，得到广泛采用，如法国、德国规定以9 0 k m h 和1 2 0 k m h 的等速油耗为燃 油经济性的主要指标。但是在实际道路中，汽车的加速、减速、怠速等工况非 常频繁，等速油耗并不能反映实际行驶中出现的多种工况，会导致结果与实际 油耗有较大的差异，所以国内外开始日益广泛的采用循环工况法测定油耗。许 多国家也制定了循环工况来规定速度一时间规范，例如美国的城市循环工况 ( u d d s ) 、公路循环工况( h w f e t ) ，我国也制定了货车的路上行驶循环工况( 6 工况) 等。一般采用以下几类方法：道路循环试验，底盘测功机一转鼓试验台 上的循环试验，控制的道路试验，不加以控制的道路试验【2 引。 循环道路试验是指在良好路面上，汽车按规定的车速时间规范行驶，在 实验规范中对换挡时间、制动时间、速度、加速度、制动减速度等数值作了严 7 格的规定。为了使油耗接近各种典型行驶条件下的汽车实际油耗，规定了城市 循环、市郊循环、州际循环等。其中等速油耗试验是这类试验中的最简单的循 环试验方法。 底盘测功机上的循环试验是在汽车底盘测功机一转鼓试验台上模拟规范的 实际汽车运行状况进行车辆燃油消耗的测量。这种方法有良好的重复性，能较 为准确的反应实际行驶时的交通状况，还能同时对排车辆的排放进行测量。如 e c e e c 测试循环中，城市循环包括怠速、加速、匀速、减速工况，三个循环， 2 0 0 秒，循环四次，每次循环里程1 0 1 3 k m ；郊区工况再加一次变速行驶4 0 0 秒。 控制道路试验是在道路中进行试验时，维持车辆燃油经济性的一个或者几 个因素不变，对试验条件，例如试验道路等因素进行规定。目前一般都是在汽 车试验场中的专用试验道路上进行车辆燃油消耗试验。 不加控制的道路试验指的是对试验道路、交通状况和环境条件等因素都不 加以控制的燃油消耗试验。对实验车辆的维护、调整规范以及使用的燃料与润 滑油的规格有明确的规定。此类试验能够全面反映车辆类型、道路条件、交通 流量和环境等因素对车辆油耗的影响，可用于全面的评价汽车的燃油经济性， 并且所得的实验结果也是非常接近实际情况。但是试验周期较长，消耗费用巨 大，因此很少采用。 本文采用昌河爱迪尔c h 7 1 1 1 a 在规定的道路、规定的时间进行单车燃油消 耗试验。 图2 - 1 试验流程 8 2 2 试验方案设计 车辆燃油消耗试验的意义在于为考察某一类车辆在某一地区的燃油消耗 量或排放水平提供检测依据。通过汽车道路燃油消耗实验获得汽车实际运行工 况的瞬态燃油消耗量以及平均百公里油耗，为具体分析汽车各种运行模式下的 燃油消耗提供数据来源。本次试验的具体流程如图2 一l 所示。 2 2 1 试验车辆 在实际的道路实验过程中，采用跟车法，该方法的实现首先需要定位一个 被跟踪的目标车辆。在设定有限的区域范围作为跟踪的界限，一旦被跟踪车辆 越界，则立即改为跟踪该区域内邻近的另一车辆。跟踪过程中保持一定的车距， 不强行超车，不脱档滑行，正常驾驶进行数据采集。该方法需要驾驶员具有娴 熟的驾驶技巧。 本次试验中，由丰富驾驶经验的驾驶员在选定的道路上自主行驶( 不强行 超车) ，可选择的车辆类型较多。根据试验需要( 车辆搭载的记录人员数量等) 以及现有的试验条件，选择昌河爱迪尔c h 7 1 1 1 a 作为本次试验车辆，如图2 2 所示。其主要的技术参数见表2 - 1 图2 2 爱迪尔c h 7 1 1 1 a 表2 一l 试验车基本参数 车型名称 发动机 引擎排量 最大功率( k w r p m ) 最大扭矩( n m r p m ) 整车尺寸( 跃x 宽高) ( 衄) 昌河爱迪尔c h 7 1 1 i a 发动机型号( d a 4 6 5 ) 双顶置凸轮轴直列四缸电控多点燃油喷射顺序点火 1 0 7 5 c c 变速箱5 档手动 4 8 5 7 0 0座位数5 8 8 3 0 0 0百公里油耗油耗( l l o o k m ) 4 5 3 5 6 0 x1 6 0 0 1 6 7 0 2 2 2 试验道路 试验道路既要能代表合肥市交通的特点，也要能反映车辆在道路上的空间 和时间规律。在对合肥市主要道路的交通流量进行了调查后，以交通流量调查 的结果和城市道路级别划分为主要依据，综合考虑道路类型比例和交通流运行 状况，选定五里墩一屯溪路一屯溪路桥一明光路一胜利路一站前路一火车站这一行车 9 线路作为本次试验道路，如图2 3 所示。 图2 3 试验道路 2 2 3 实验仪器及设备 如何采集较为准确的实验数据，是进行车辆燃油消耗分析和建模的重要基 础。在实际的道路实验过程中，采用跟车法，道路颠簸以及急刹车等不可避免 的因素必然会对试验数据的采集造成影响，因此，对设备的性能有较高的要求。 另外，对车辆的改装也必须符合交通管理规则的要求和我国汽车改装的相关规 定。 8 ) a m 一2 6 0 0 s 机动车道路试验数据处理系统b ) h 1 4 - 4 0 0 汽油机流量传感器 图2 4 实验仪器 本实验的数据采集系统是由测试轿车，a m 一2 6 0 0 s 机动车道路实验数据处理 系统( 图2 - 4a ) 和a m 一4 0 0 电喷式汽油机流量传感器( 图2 4b ) 组成。实 1 0 验车辆的行驶速度由安装在车头的o e s i i 光电车速传感器测得，燃油消耗量则 由串联在供油管上的a m 一4 0 0 电喷式汽油机流量传感器测得。整个测试系统每 1 s 采样一次。所有设备与仪器集装成一体，安装在实验车辆内。 a m 一2 6 0 0 s 机动车道路试验数据处理系统选用笔记本电脑为核心部件，配以 专用的数据采集器及各种相应的传感器，可进行机动车的速度、加速特性、滑 行、制动、油耗等性能试验，并可根据用户需要采集和处理其它模拟及数字量 信号。它的特点有：系统软件基于w i n d o w s 平台，图文界面，简单易用，主界 面同时显示时间、距离、速度、加速度、油耗等试验数据；采用a c c e s s 数据 库格式，可海量存储试验数据，并可以随时查询、打印；系统可选配微型打印 机，可按速度、时间、距离三种模式打印测试结果和各种曲线；系统硬件部分 具有可扩充性，为用户预留了部分信号( 模拟、数字) 通道，方便系统后续扩 展，通过系统配置的u s b 口，系统能够与其它计算机进行信息交换【2 9 1 。其主要 的技术参数见表2 2 所示。 表2 2a m 一2 6 0 0 s 技术参数 a m 一4 0 0 电喷式汽油机流量传感器的主要特点有：增加燃油泵，终始能保持 发动机供油压力正常；冷却系统能有效消除发动机回油热量对测试精度的影 响；采用高精度压力控制阀，能有效消除系统燃油压力对测试精度的影响：采 用独特的两路编码技术，极大降低了实际测量中小流量以及油路中的脉动等因 素对测试精度的影响；配有油温传感器，可测试燃油温度【2 9 1 。其主要技术参数 如表2 3 所示。 表2 - 3a m 一4 0 0 技术参数 辅助实验仪器有雷达枪、数码摄像机、温湿计、秒表、卷尺、气压计和电 瓶等。各种辅助设备的作用如下： 1 ) 雷达枪用于测试所选择路段上的车辆行车速度调查： 2 ) 数码摄像机用于记录行驶路线上的路况： 3 ) 录音机用于辅助记录卡记录，以提高记录的准确性； 4 ) 温湿计，记录当天的环境温度和湿度。每条路线每次实验记录两次， 路线开始时和路线结束时，然后取其平均值； 5 ) 秒表用于记录到达路段起始时刻、堵车时刻和结束时刻； 6 ) 卷尺用来测量实验道路特征以及交通调查； 6 ) 气压计，记录当天的大气气压，每条路线上每次实验时记录两次：路 线开始时和路线结束时，然后取其平均值。 2 2 4 数据采集 道路试验的主要部分就是采集数据，试验数据的有效性对实验结果的置信 度有着很大的关系。一般来讲，实验数据采样频率越长，采集的越多，数据波 动越小，实验结果越准确。但相关研究表明，当采集的数据达到一定值n 之后， 结果的准确性也不会随着数据数量的增加而提高。为了统计的方便，以及在具 体理论研究的实际要求，将采样间隔定位为1 h z ，即每个点样本点相隔l s 。本 次试验的数据主要有车辆的速度、运行时间、行驶距离、油耗值等，并自动存 储到设备的存储体中。每次试验以t x t 文档格式保存，即为采集的原始数据。 在所有数据采集完毕后，首先需要对数据进行检查，对失真的数据进行剔 除。然后再进行初步的计算处理，如平均速度、加速度、平均加速度、百公里 油耗等。由于数据采样频率为1 h z ，大大简化了计算过程。 2 3 小结 本章主要概述了国内外车辆燃油消耗研究的现状，试验理论与方法以及取 得的成果。通过对合肥市城市路网的调查分析，确定了本次试验的试验时间、 与行车路线，并根据现有的实验条件确定试验车辆和设计可行的试验方案。采 集到大量有效地实验数据，为后续的分析提供了坚实的基础。 第三章车辆燃油经济性的研究 汽车燃油经济性是指在保证汽车动力性的前提下，消耗尽可能少的燃油 量，或者汽车以最少的燃油消耗完成单位行驶的能力【3 们。通常常用一定运行工 况下车辆行驶百公里的燃油消耗量( l 1 0 0 k m ) 或一定的燃油使车辆行驶的公 里数来评价。在我国及欧洲大部分国家，使用百公里油耗作为车辆燃油经济性 的指标，数值越大，其燃油经济性越差。但是等速行驶工况并不能反映车辆的 实际行驶过程，特别是在城市道路中，车辆行驶通常都会出现频繁的加、减速 以及怠速停车。因此各国都采用典型的循环行驶工况模拟车辆实际运行状况， 并以其百公里燃油消耗量或m p g 作为评价燃油经济性的标准。本章主要介绍汽 车燃油经济性评价指标和计算方法。从汽车的结构和使用两方面探讨影响汽车 燃油经济性的各个因素，并提出改善燃油经济性的一些方法和措施。 3 1 燃油经济性评价指标 汽车燃油经济性的评价指标主要有： 1 ) 单位行驶里程的燃油消耗量，该指标只能用于比较同类型汽车或同一 辆汽车的燃料经济性。 2 ) 单位运输工作量的燃油消耗量，该指标可用以比较不同类型、不同载 质量的汽车的燃料经济性。 3 ) 消耗单位量的燃油所行驶的里程( m i l e u s g a l ) ，即消耗1 加仑燃料所 能行驶的英里数，该指标主要在欧美等少数国家使用。 单位行驶里程的燃油消耗量越少或者单位燃油量所行驶的里程越长则表 示汽车燃料经济性越好【3 l j 。 3 2 汽车燃油经济性的影响因素及改善方法 影响汽车燃油经济性的因素有很多。其中很重要的两个直接因素是汽车的 行驶阻力和与发动机有效燃油消耗率，本节主要结合这两个因素，通过汽车的 结构和使用两方面进行汽车燃油消耗影响的分析及相应的改善方法。 3 2 1 汽车结构因素的影响 发动机的燃油消耗率直接影响到汽车在行驶过程中的燃料消耗量，而发动 机燃油消耗率取决于发动机的热效率。发动机的种类、设计制造水平、负荷率 的大小等都会影响到发动机的热效率。由发动机的负荷特性图可知，当发动机 转速一定，负荷率较高时，发动机的燃油消耗率较低，当发动机在中等转速、 较高负荷率条件下工作时，燃料经济性相对较好。一般情况下，只利用到发动 机相应转速下最大功率的5 0 - 6 0 左右，相当于发动机的最大功率2 0 ，可见， 在汽车行驶过程中，发动机的负荷率通常都是保持在较低的水平，因此，在保 证动力性的条件下，为提高发动机功率的利用率，汽车搭载的发动机功率不宜 过大，以降低汽车的燃油消耗量。 传动系的档位数、传动比以及传动效率对汽车燃油经济性都有很大影响。 车辆的行驶阻力之间的匹配的主要因素就是传动系的传动比，因此，希望获得 发动机在经济工况下工作的传动系的传动比，要尽可能降低发动机的燃油消耗 率之外，还要尽可能使发动机在特性曲线的最佳比油耗区工作，以降低车辆的 燃油消耗。 一般情况下，在车辆的实际行驶过程中，应尽量使用较高的档位，即在一 定的道路水平和车辆行驶速度下，往往既可以使用高档行驶，也可使用低一等 级的档位行驶，这时，一般采用高档行驶，可以降低相应的燃油消耗。这主要 是由于车辆在相同车速和阻力功率下采用高速档行驶时，发动机负荷率较大， 使得发动机的燃油有效消耗率较小。现在的变速器档位越来来多，这就有利于 根据不同的行驶阻力来选择最经济行驶的变速器档位。因此，乘用车基本采用 的是五档变速器，也有部分采用的是六个档位；一些重型汽车的变速器采用多 达1 0 1 2 档位数，以改善车辆的燃油经济性。当然，变速器的档位数越多，会 造成其结构非常复杂，也不易于操作。虽然无级变速器可以使发动机基本