（轮机工程专业论文）武汉市公交车行驶工况及发动机循环工况的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 车辆行驶工况以及发动机循环工况主要用于车辆及发动机性能的评价，其 能否反映车辆及发动机在特定交通条件下的真实工况直接关系到能否对车辆和 发动机的经济性能和排放性能进行合理的评价。而能否对车辆及发动机的经济 性和排放性进行准确测试和合理评价，又直接影响到能否对车辆及发动机的经 济性和排放性进行合理有效的优化。 本文以武汉市公交车为研究对象，在进行道路试验的基础上，利用多元统 计理论建立了能够反映武汉市公交车实际运行特征的行驶工况，并利用理论模 型和道路试验相结合的方法，对行驶工况的有效性进行了验证。然后对武汉市 公交车的车速分布、转速分布以及扭矩分布规律进行了分析。最后，结合试验 结果建立了城市公交车发动机台架试验循环。本文主要研究工作包括： ( 1 ) 武汉市公交车道路试验方案的确定。该部分主要包括试验线路的选择， 测试系统的组建以及传感器的标定等内容。 ( 2 ) 武汉市公交车行驶工况的建立。该部分主要包括国内外车辆行驶工况 解析方法的对比分析，用于建立武汉市公交车行驶工况的方法的确立和行驶工 况解析程序的开发，公交车车速、发动机转速以及发动机扭矩概率分布模型的 建立以及影响公交车平均车速因素的探讨。 ( 3 ) 武汉市公交车行驶工况有效性验证。该部分主要介绍了利用a 、几 c r u i s e 建立整车仿真模型的基本流程，并通过整车的加速性能试验和等速油 耗试验对整车模型的精度进行了标定，最后通过对比模拟计算结果和试验统计 结果对建立的公交车行驶工况的有效性进行了验证。 ( 4 ) 发动机试验循环工况的建立。该部分主要通过对道路试验中发动机工 况测试的结果进行统计分析，建立了更接近城市公交车发动机实际工况分布的 发动机台架试验循环( 1 5 工况) ，并通过台架试验对建立的发动机循环工况的 有效性进行了试验验证。 关键词：发动机，城市公交车，行驶工况，循环工况，道路试验 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d r i v 吨c y c l ea n dd u t yc y c l ea r en l a i m ya p p l i e do nm ce v a l u a t i o no fm e v e h i c l e 柚de n g i i l ep e r f o m a n c e s oi no r d c rt om a k ea na c c u r a t ee v a l u a t i o no nm e 矗l e le c o n o m y 鼬de m i s s i o nl e v e lo f 也ev e l l i c l ea i l de n g m ，也e 埘v i n gc y c l ea n d d u t yc y c l et l a v et or 印忧s e mt h er e a lc o n d m o no fm ev e l l i c l e a i l de n g i n e t h e n w h e t h e rt l l ee v a l u 砒i o no nt h e 如e le c o n o m y 弧de m i s s i o n o fm ev e h i c l ci s r e a s o n a b l eo rn o tw i l ld i r e c t l y 缸f b c tt h em e lc c o i l o m y 趾de 血s s i o no 脚i 删o no f t l l ev e l l i c l ea n de n g 妯e n e ，血a i lc 时b u s 、懈c h o s e na sm es t u d y t a r g e t b a s e d0 丑血ev e m c l e f i e l d 懈；t ，t l l em 矾- s t a t i s t i cm e 廿l o dw a su s e dt 0d e v e l o p1 1 l e “、r i n gc y c l em a tc 孤 姊r e s e n tm er e a lc o 棚t i o no fm ew i l h 距c 埘b u s a n d 恤龇o r ym o d e l 趾df i e l d t e s tw e r el l s e dt o g e t h e rt ov a l i d a t e 也ed e v d o p e d 越也gc y c l e t h e nm e 锄【a l y s i so n t h ec 蚵v e l o c i t yd i s t r i b m i o no f 也ec 时b u s ，m es p e e dd i s 订i b u t i o na n dt o r q u e d i s 仃曲砸o no f t i l ee n g i n e 、r em a d e a tl a s t ，n l e 幽哆c y c l eo f e n 萄n e 、船d e v e l o p c d d 印e n d e do nt h et e s tr e s u l t s t h em a i nt a s k sc o v e r e db yt h i sp a p e r 嬲f o l l o w ： ( 1 ) d e c i s i o no nt h et e s tp m c e d l 聃o ft h ew u h a nc 时b u s t h i sp 矾i n c l u d i n g t h ec h o i c eo f 也et e s tr o a d ，t h ee s t a b l i s h n to fm ef i e l dt e s te q l l i p m e ma n dt h e c a l i b 洲o no f 协es e n s o r ( 2 ) d e v e l 叩m e n to f 龇w u h a n 嘶b u sd 巾i n gc y c l e i n t h i s p a r t ，也em e d s t h a ta r e 印p l i e dt 0d e v e l o pm ed r i v i n gc y c l eo f 也ev e t l i c l ew e r ea n a l y z e d t h e n ，n l e m e m o du s e dt od e v e l o pt l l ed r i 、r i n gc y c l eo ft h ec i t yb u s 、a sc 0 i m m e da n d 也e p r o g r a n lo fs y n n l e s i z i n g 血ed r i v m gc ”l ew 鹊d e v e l o p e d a tl a s t ，m ed i s t r i b u t i o n p r o b a b i l 蚵m o d e lo ft 1 1 ev d o c 咄s p e e d 雅dt o r q u ew 船d e v e l 叩e d 姐d 也ef k t o r s m a t 疆b c tm ea v e m g ev e l o c i t yo f m eb u sw e r ed i s c u s s e d ( 3 ) t h cv a l i d a t i o no n 也ev a l i d i t yo f m ed r i v i n gc y c l ew 鼬m a d e i nt l l i sp 吼t l l e 、o r kn o wo fe s t a b l i s h 也ev d l i c l es i 眦l 撕o nm o d e lb ya 、，lc r u i s e 、a s i n 臼o d u c e da n db a s e do n 协ea c c e l e r a t i o nt e s t 她df l l e le c d n o i n yt e 咄m ev e l l i c l e s i r n m a t i o nm o d e lw 硒c a l i b 船t e d a “勰t ，m es i m i l l a 廿o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i 恤 m et e s ts t a t r e s u l t st oc o 蚯衄也ev a l i d n yo f m ec 时b u sd 巾i n gc y c l e i i 武汉理工大学硕士学位论文 一。一_ - _ _ - _ - - _ _ _ - _ 一 ( 4 ) d e v e l o p m e n to ft h ee n g i i l ed u t yc y c l e i nt h j sp a r t ，t h ef i e l dt e s tr e s l i l t s r e la _ t c dt om ee 1 l g i i l ed u t yc y c l ew 淞a m d y z e da i l db 鲴e do n 也es t a t r e s u n s 也ed u t v c y c l e ( 1 5m o d ec y c l e ) t h c nc a r e p t e s c n tm er e a lw o 岫l gc o n d i t i o no ft 1 1 ee n 西e i n s t a l l e do nt i l ec n yb u sw 鹤d e v e l o p e d a n d 也ev a l i d 时o ft l l e d u t yc ”l ew 船 c o n | h m e db ye n g i n eb e n c ht e s t 1 ( e ) rw o r d s ：e n g 岫，c 毋b u s ，d r i v i f 培c y c l e ，d u 移c y c j e ，f i e l dt e s t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 当前，世界面临最严峻的挑战是能源和环境问题，“节约能源，保护环境” 已成为各个国家的重要发展战略之一。近年来随着经济的快速发展，汽车保有 量与日俱增，使我国面临汽车能源需求和环境保护的双重压力【l i 【2 】。 内燃机是目前热效率最高的热力发动机，广泛应用于国民经济的各个领域 和部门，它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的9 0 左右口】，预计在 今后相当长的时期内内燃枫因其特有的优势仍将处于不可替代的迹位。 随着内燃机技术的发展，人们对其经济性和排放性能指标的要求越来越高， 要求其在使用过程中既具有良好的经济性，又能够达到目前日益严格的排放法 规对污染物排放限值的要求。这就对内燃机性自优化与排放控制等相关研究领 域提出了更高的要求。 能源短缺和对人类生存环境加强保护的呼声愈来愈高，内燃机正面临严峻 的挑战。这些挑战促使国内许多发动机、整车生产厂家以及相关科研单位越来 越重视车用发动机节能技术和排放控制技术的研究，正因为如此，使得内燃机 的各秭基础研究和应用技术在近些年来得到显著的进步，使内燃机性能优化及 排放控制等技术的发展达到了一个新的水平。例如高性能、低油耗、低污染的 机型不断开发投向市场：稀燃技术，快速燃烧系统，分层进气系统，隔热发动 机，新型增压技术的研究步伐明显加快，并取得了引人瞩目的成绩。新的设计 思想、新的制造技术以及先进试验手段的产生和应用，使内燃机面目焕然一新 瞄】。尽管如此，改善内燃机的经济性、控制有害排放，实现工作过程及燃烧过 程的优化控制减少摩擦、磨损，提高工作可靠性及使用寿命。仍是国内外内 燃机及汽车行业亟待解决的核心问题【l j 。然而，在提高车用发动机的能源利用 率和控制车用发动机的排放污染的研究过程中。准确、合理的车辆及发动机测 试试验方法，是对车辆及发动机排放污染物和燃料消耗量进行正确评价的前提。 而能否对车辆及发动机排放污染物和燃料消耗量进行正确的评价，又在很大程 度上决定了车辆和发动机性能优化及排放控制方案的制订，在整车性能优化及 排放控制研究过程中起着至关重要的作用。 武汉理工大学硕士学位论文 总之，车辆及发动机的开发应用都离不开车辆行驶工况( d r i v i n gc y c l e ) 和发动机试验循环的研究。符合实际使用状况的车辆行驶工况和发动机试验循 环为车辆及发动机的性能优化方案的制订提供基础数据。 1 2 建立车辆行驶工况的意义h 1 车辆行驶工况又称为汽车运转循环，是针对某一类型车辆( 如乘用车、公 交车、长途客车、重型车辆等) 指定用来代表特定交通环境下( 如城区，高速 公路) 车辆行驶特征的速度一档位一时闻历程。行驶工况是对车辆的实际行驶 状况进行调查，并对试验数据进行分析，运用多元统计理论方法建立起来的典 型工况。 开发能够反映车辆实际行驶特征的行驶工况盼意义在于：为考察某类车辆 在某一地区的排放或能量消耗量提供评价标准和检测依据：为车辆设计的动力 匹配、经济性能优化提供参考。 目前，世界上实行的排放标准主要有美国、欧洲和日本三大体系。因此许 多国家和地区的车用污染物排放标准以及燃料消耗量测试标准都直接采用上述 三个地区的标准。但事实上，由于各个国家城市道路的状况、汽车的生产水平 和保养水平、驾驶员的习惯等存在差异，一辆汽车在当地的行驶状况可能与在 美国、欧洲和日本的行驶状况有很大差别。从理论上讲，采用其它国家的测试 循环难以真实地反映出本国汽车道路行驶过程中的实际排放特性和燃料消耗特 性，从而不利于国家准确地制订控制汽车排放的法规和控制能源消耗的燃料消 耗量限值。 目前我国汽车污染物排放量和燃料消耗量的试验方法均等效采用联合国欧 洲经济委员会( e c e ) 所颁布的一系列标准和法规，而这些标准和法规中规定 的试验循环工况是由欧盟在大量机动车实际道路测试的基础上制订的，反映的 是欧洲各个国家的道路条件、交通状况、汽车的生产和保养水平、驾驶员的习 惯等。其制订的目的是为欧洲国家提供满足其实际行驶状况的车辆行驶工况。 近年来的相关研究初步表明，我国交通状况、城市结构以及交通规则等与欧洲 国家均有很大差异，因此e c e l 5 工况并不能完全反映我国车辆的实际行驶状 况。由此可见，研究开发基于我国城市交通特征的车辆行驶工况，制订适合我 国国情的车辆设计、试验评价方法在我国汽车工业发展过程中有重要的意义。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外车辆行驶工况研究现状分析 1 3 1 国外车辆行驶工况研究现状 当前世界的车辆行驶工况主要分为三组：美国行驶工况、欧洲行驶工况和 日本行驶工况，并且以美国f 1 甲( f e d e r a lt c s tp m 群粕) 为代表的瞬态工况 ( t r a n s i e n td r i v i n gc y c l e ) 和以e c e ( e c o n o l i l i cc o 删! 1 1 i s s i o nf o re u r o p e ) 为代 表的行驶工况广为采用。 1 3 1 1 欧洲车辆行驶工况研究现状” 欧洲各国之间经济、交通等联系密切，欧洲国家排放控制法规起始于1 9 7 0 年，1 9 7 2 年开始实行欧洲统一的工况试验法，1 9 7 4 年出现了欧洲的综合法规， 即联合国欧洲经济委员会的e c e r l 5 ，此时的欧洲汽车排放标准规定的测试循 环主要是针对城市交通用车制订的，只有图1 1 中的第一部分( e c e ) 。从1 9 9 2 年起，在欧洲联盟各国法规里规定的欧洲标准测试循环分为两个部分，在早期 的欧洲标准测试循环后面加上了汽车在郊外公路的运转状态( e u d c ) 。 碍i l to _ ，h ) ：n 八n 。nn n n n 。几n一 图l l欧洲轻型车排放标准测试循环( e c e + e u d c ) 从图1 1 中不难看出，第一部分( e c e ) 为传统的城市市区道路行驶工况， 是城市行驶过程的一个简化代表。该部分由1 5 种行驶方式组成，通常称为“十 五工况法”。共进行4 个十五循环工况，测试时间为7 8 0 s ，总行驶里程为4 。0 2 5 k m ， 平均车速为1 8 7 虹l h 。第二部分为附加的市郊行驶工况( e u d c ) ，代表城市郊 区车辆运行过程，测试时间为4 0 0 s ，行驶里程6 9 5 5 虹l ，平均车速为6 2 2 l c i r 洫。 该部分最高车速为1 2 0 j 以。 在欧洲，过去所称的汽车百公里油耗值是城市交通( 欧洲标准测试循环的 第一部分) 、9 0k i i l h 等速和1 2 0k n l l l 等速三种状况百公里油耗的平均。1 9 9 6 年以后，直接采用新的欧洲标准测试循环中的平均油耗。在新的油耗计算方法 3 武汉理工大学硕士学位论文 中，城市工况的比例提高，同一辆车按照新的标准测量，油耗会增加1 5 左右。 欧洲由于开发新型动力车辆的需要，许多国家和相关科研机构对关于如何 建立反映实际交通状况的行驶工况进行了大量的研究。其中主要包括： ( 1 ) w p 2 9 ( 联合国经济及社会理事会欧洲经济委员会中内陆运输委员会道 路交通分委会下属的车辆结构工作组) 下属的污染与能源工作组( 碰冲e ) 于1 9 9 7 年提出建立全球统一的重型发动机认证规程( w h d c ) 【6 l 。在该项目研究过程 中，为了能够建立反映重型车发动机实际使用状况的发动机循环工况，首先通 过统计分析，建立了重型车w t v c ( w o r d 、i d et r a n s i e n tv e l l i c l ec y c l e ) 行驶循 环工况，见图1 2 。 i 一一：? 品譬”。i ； ， i ：o ， i 挥“7 i ：l |j ；、 mil 1l_ ：他6 !n 一、一以”i i ： ii 霜“1qj! ij ! i kc n i l lv 2世) 川 j l l l ，i !一越“ti ! !i 一 删儿蠢、n ，1t ：? 吲；一：f ：i j 1 ：一- ；i “疆- k jr 口i j l- | ! ：i 眉1li - 甬：i vi i ；l 砧ii! 脚：强l 嘲耵i矗 i - ：il nu ”州：= ： 】l i ! ：l a l 卅mt inii 啊蛐撇t 址疆i ：_ ：”量1 iir 掣i r i j ：f ：l oj ：蛳l 儿眦- 阳! ；i f h 舯121 u ： 一：ij lr ：i ”i： u ! l i - i q 1v ”oi 7 ：r i ! p 7 y l - ： h 5 f e 0 证t h 。 t l m i 图l 一2 全球统一重型车行驶循环工况 ( 2 ) 欧盟为了研究轻型车的排放因子，在大量试验的基础上，建立了轻型 车c a d c ( c o n m o na r t e m l sd r i v i n gc y c l e s ) 行驶工况，见图1 3 。试验数 据是通过8 0 多辆乘用车，在欧洲6 个国家，累计行程大于1 0 0 ，0 0 0 k m 的基础 上统计形成的。最终建立了分别能够反映轻型车在市区、郊区以及高速公路行 驶特征的轻型车行驶工况【7 1 。 m t h i ( a ) a k 陋m i s 轻型车市区循环工况 4 武汉理工大学硕士学位论文 h t “- i ， ( b ) 轻型车a r t e m i s 市郊行驶工况 ，、1 ，_ 一 川胪 w y 11 p 、t l t 1 “ i ： h i ，i l l l l 图1 3 q 0口i ln oi o 0】口 t i “o ( c ) 轻型车a r t e m i s 高速公路行驶工况 欧盟轻型车排放因子排放测试循环工况( c a d c ) 除此之外，比利时佛兰德大区政府( f l 锄i s hg o v e n n t ) 委托相关科研机 构对建立重型车辆行驶工况进行了研究。该项目通过试验研究和理论分析指出 基于里程- 速度分布的试验循环比目前普遍采用的时间速度分布的试验循环更 加合理，最终提出了一种建立行驶工况的新方法。美国俄亥俄州州立大学提出 了建立行驶工况的具体方法，并通过试验分析和研究确定了用于评价行驶循环 速度特征的1 6 个准则数。国际能源机构( 口b a 耻旧) 组织相关科研机构研究 了车辆行驶循环对城市公交车燃油消耗和排放的影响，研究过程中进行对比分 析的行驶循环有：c n a lb l l s i n e s sd i s t r i c tc y c l e ( c b d c ) 、d u t c hu r b 蛆b u s d r i v i n gc y c l e ( d u b d c 荷兰公交车测试循环) ，见图1 4 。相关研究结果表明， 行驶循环的不同对公交车的污染物排放量和燃料消耗量有很大的影响，建议针 对不同国家的城市建立相应的城市公交车试验循环圜( 9 】f l o 【。 5 州 ” ” 卅 “ ， t 1 i i 武汉理工大学硕士学位论文 嘶啪u 嘲呐o 啪_ c 蚶 图1 4 荷兰公交车行驶工况 1 3 1 2 美国车辆行驶工况分析1 5 j 2 0 世纪6 0 年代，研究人员发现美国加州洛杉矶的空气质量很差，其主要 污染物是汽车排出的污染物。经过调查，选择了一条具有代表性的上下班路线 ( 简称l a 4 ) ，这条线路上车辆的速度一时问的解析结果，在1 9 7 2 年被美国环 保局用作认证车辆排放的测试程序( 简称f t p 7 2 ) ，即l a - 4 c 工况。1 9 7 5 年又 在f t p 7 2 基础上，增加了6 0 0 s 热浸后和热态过渡工况( 重复冷态过渡工况) 三个阶段构成f t p 7 5 ( 如图1 5 所示) ，该工况持续时间2 4 7 5 s ，最高速度 9 1 3 h 油，平均速度3 4 0 7 k n 沛。 7 0 鳓 耄柏 董 o a 翻树枷棚嘲t l 叠州哺囊叫k 咐晡卅w 时一躺 “釉5 。 一。与毡笔气 毫蠢i 一一一扛毒0 5 霉 一 ，i i | i挑 | 1 t 一1 | 幽： 自 、 “l 掣翱 i 慨k 姐1 一 f 呼 l 氩r 。 | 二f l j 器莎jfi t 一附y犷 o枷瑚湖湖1 呻1 糊1 枷1 枷1 啪2 a 1 1 m 图l 一5 美国轻型车标准测试循环工况f t p 一7 5 由于交通网络的发展，道路出现许多主干线和高速公路。基于f t p 修订事 项，洛杉矶地区的相关研究人员开发了许多更加反映真实交通状况的循环，而 6 武汉理工大学硕士学位论文 且一些主要成果作为补充的f t p 应用于2 0 0 1 年度后生产车型的排放测试。 在2 0 0 2 年以后，美国轻型汽车排放标准中引入了s f t p ( s u p p l e i n e m f e d e m l - t e s t p r o c e d u 他) 标准测试循环。s f t p 标准测试循环是由f t p 7 5 ，s c 0 3 r 图 l 一6 ) 和u s 0 6 ( 图1 - 7 ) 三个循环组成。它将增加对速度变化较频繁以及带空调的运 行状态的检验。其中，s c 0 3 测试循环用于车辆满负荷开空调运行的排放，s c 0 6 主要用于高速公路上频繁加速的运行状态。 霍 善 jrl a f f l 飞 l k 。|，l ffv ” ，y vvlifl 九 量f 1 lji。j iji o 2 0 03 a 0 t - _ 图1 6 美国轻型车标准补充测试循环s f t p s c 0 3 ，、 ， 上一，v v 、。 ，、 -i)， t nflf tf l l l fl ji 量l il ll iy l 翻i ii ji i l l l l li a o o 2 0 03 0 0 6 0 0 i - 图l 一7 美国轻型车标准补充测试循环s f t p s c 0 6 在美国，除了s f t p 标准测试循环以外，还有高速公路标准测试循环( 图1 8 ) ，它主要用于城市间的交通，并用以汽车油耗的计算。美国排放标准还为 每一年度投入市场的轻型汽车规定燃油消耗限制标准值，评价标准为公司平均 燃油经济性( c a f e ，即c o r i o r a t ea _ v e r a g ef l l e le c o n o m y ) 。它考核的是汽车制造 厂商当年投放市场车辆的车队平均油耗，而不是单种车型的油耗。 7 o 0 口 口 o o o n 躯 孙 仉 o - - - 墨牙 瓣m柚如伯。 武汉理工大学硕士学位论文 各制造厂商的c a f e 是将当年出厂的各种汽车的燃油经济性取平均值求得 的。每种汽车的燃油经济性是由城市标准测试循环( f t p 7 5 ) 和高速公路标准 测试循环这两个循环中的燃油消耗量加权平均而计算出的。 7 0 0 0 5 0 童柏 薹，。 2 a 1 0 o h 竹婀 l r d 一、 门， n ，弋叫p v1 ， 一 1 u fi ， l l l o 口a2 叩a口口q口5口d墨口o7 q o目咖 t l 图1 8 美国高速公路标准测试循环 1 3 1 3 日本车辆行驶工况【5 j 日本1 9 9 1 年前使用的车辆行驶工况是j 印a l l l 0 工况。j a p 趾l o 工况相当于 车辆在城市中心的行驶状况。但是随着城市结构、交通流量发生变化，日本开 始对j a p a n l o 工况加以修正。目前日本使用的就是经j 印a n l 0 改进后的j a n p a r i l 0 一1 5 工况。j a n p a n l o 1 5 工况运行时间是6 6 0 s ，最高速度为7 0 虹汕，平均速 度为2 2 7 k l i 儿，由三个l o 工况循环和一个1 5 工况循环构成( 如图1 9 所示) 。 t i f n c l c ) 图1 9 日本车辆行驶工况 1 3 2 国内车辆行驶工况研究现状“【2 1 】 为了建立符合我国汽车实际使用情况的行驶循环，从1 9 9 8 年开始，我国许 多科研机构和高校主要以我国典型城市的轻型车为研究对象，对建立汽车行驶 8 冒椎量善墨_ 武汉理工大学硕士学位论文 循环的试验方法和理论方法进行了研究。 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室和天津内燃机研究所在研究天津市 汽车道路行驶工况的过程中，通过大量试验研究和理论分析，构造了1 3 个用于 分析道路特征和速度构成特性的准则数，并按照各种参数对机动车辆污染物排 放量影响程度的大小，对各个准刚数给予不同的相对误差阈值，同时提出了合 成代表性行驶工况的方法和步骤，最终建立了天津市轻型车行驶工况，见图1 一l o 。 孺 ( a ) 天津市市区车辆行驶工况 ( b ) 天津市郊区车辆行驶工况 图l l o 天津市轻型车行驶工况 北京交通大学交通运输学院和北京科学技术委员会社会发展处对建立北京 市区机动车行驶周期的方法进行了研究，通过g p s 和0 e m 技术的结合，提出 了基于实际行驶工况测量的北京市行驶周期的建立方法，同时提出了1 9 个用于 评价行驶工况的评价指标，并通过小样本分析得出了一个初步的北京轻型车行 驶工况，见图l 一1 l 。通过比较分析( 见图1 一1 2 ) ，发现北京市的车辆行驶工 况与欧洲、美国以及日本都存在较大的差异。因此建立反映我国城市车辆实际 运行特征的行驶工况可以为车辆性能优化和排放控制提供可靠的保障。 时问1 图l 一1 1 北京市车辆行驶工况 9 武汉理工大学硕士学位论文 e s cf o 屺 ， c 队c y c i 耐 “。 咖”l | e l r l 置 l 图1 1 3 欧洲重型发动机测试循环 f t pe n 口i n s p da n dt o n l u 二i 匠二= 二三画口 t l 憎t 8 啊d 时 图l 1 4 美国重型车用发动机瞬态测试循环 目前初步研究成果表明，采用何种排放测试循环，会对发动机的设计带来 很大的影响。图1 - 1 5 比较了在美国瞬态循环和欧洲e c er 4 9 标准测试循环中， 各运行工况区柴油机主要排气污染物n 0 x 和微粒排放的比例。在美国瞬态工况 循环中，高转速和高负荷区的排放比例较大。而在欧洲e c e r 4 9 循环中，排放 翼隹星 武汉理工大学硕士学位论文 则以最大扭矩转速下的高负荷区为主。 图1 - 1 5 美国f t p 瞬态工况和欧洲e c e r 4 9 循环的排放特性比较 图l 一1 6 比较了在美国f t p 瞬态循环和欧洲e t c 及e s c 标准测试循环的 工况点在发动机m a p 上的分布，以及美国f t p 瞬态循环和欧洲e t c 循环的瞬 间升功率变化率的比较。从图中可以看出，在美国f t p 瞬态工况循环中，工况 点大多落在高转速区。而在欧洲e t c 瞬态循环中，工况点大多落在中转速区。 欧洲e t c 瞬态循环的动态变化率远远大于美国f t p 瞬态工况循环。 图l - 1 6 美国f t p 瞬态循环和欧洲e t c 瞬态循环的比较 因此，发动机排放测试循环应尽可能接近车辆的实际运行状况，使按照排 放标准设计的发动机符合市场的实际需求。对此，、p 2 9 ( 联合国经济及社会理 事会欧洲经济委员会中内陆运输委员会道路交通分委会下属的车辆结构工作组) 下属的污染与能源工作组( 饼心e ) 通过大量的道路试验，建立了全球统一的重型 发动机测试循环工况啪c ( w o r d h e a v y d u t yc y c l e ) 【6 】。图1 1 7 比较了w h d c 测试循环工况与欧洲e s c 测试循环工况在发动机m a p 上的分布。从中不难看 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 出，w h d c 测试循环中发动机工况主要分布在中转速和中负荷，而e s c 测试 循环中，发动机工况主要分布在中高转速。 l 2 n m t 弭q t 雄m 1 ，! ! ! 一k i翩 盗麟均 ， 潮 l麟1 o i i( d l ； n ：一： j 国 l 勰 s 墨? | 1伊 剽。 霉 m g m p h n m l 图1 1 7w h d c 测试循环工况与e s c 测试循环工况比较 从上述分析不难看出，随着排放法规的日益严格，欧洲( 欧) 和美国的 排放法规均要求重型车用发动机排放测试须按照发动机瞬态排放测试循环工况 进行。然而由于发动机瞬态测试对试验设备要求较高( 瞬态测功机) ，试验成本 高，过程复杂，很多企业和科研机构不具备相关试验条件，进而制约了发动机 性能优化与排放控制策略的制订。对此，a v l 公司在大量试验分析和理论研究 的基础上，成功的将美国重型车用发动机瞬态测试循环转化为发动机8 工况稳 态试验循环1 2 2 1 ，见图1 - 1 8 。 1 0 0 8 0 ，、 岜6 0 至 d o 2 0 o l k 飘 内 l戮 蒜 丫 纛侧俐 隅妙 黼囊擞y8 酱：篙嚣茗：鬻掘 o 2 04 06 08 0 1 0 0 s p e e d ( ) 图1 1 8a v l8 一m o d e l 发动机测试循环 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 国内发动机循环工况研究现状 我国目前关于重型车用发动机排放测试的循环工况均等同于欧洲e c e r 4 9 ( 欧i i ) 。e s c ( 欧i i i ) ，以及e t c ( 欧) 中规定的测试循环。 关于如何将汽车行驶循环合理转化为发动机台架试验循环，从而利用发动 机台架试验循环来研究整车的油耗和排放，国内在这方面的研究很少。吉林大 学汽车工业学院对用发动机台架试验研究轻型车排放的可行性进行了初步试验 研究和理论分析，得出可在发动机台架试验台上用1 2 工况法( 见图1 1 9 ) 模拟 轻型车的污染物排放测试循环田l 。清华大学汽车安全与节能国家重点试验室的 科研人员在进行轻型排放满足欧i i i 排放的研究过程中，用发动机试验台模拟整 车在底盘测功机上进行欧冷启动排放测试，并用流量积分得到各排放物累积 排放量的试验方法，研究结果表明该方法可以获得与国家排放法规测试结果具 有相同表示方法的排放结果，且该试验台与低温底盘测功机试验台相比，更便于 发动机设计方案的灵活调整，周期短，效率高；并指出如果能够通过进一步改进， 使其结果与法规规定的试验结果具有良好的可比性，有可能使它成为排放特性 研究和产品开发的理想平台瞄j 。 图1 - 1 91 2 稳态工况模拟轻型车测试循环 1 4 3 国内外研究现状分析 通过上述分析不难看出。目前国内研究主要集中在如何将g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 规定的运转循环( 市区循环+ 市郊循环) 转化为发动机台架试验循环，进而研究 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 轻型车的整车排放：但是不少文献研究结果表明，我国大部分城市的轻型车行 驶工况与国标中规定的运转循环差别较大，因此将其转化得到的发动机台架试 验循环不能很好的反映汽车实际运行中的工况分布，有可能导致在对发动机进 行性能优化和排放控制的研究过程中偏离优化的工况点，从而很难达到预期的 优化目标。同时，国内研究现状与国外相比，存在明显的不足： ( 1 ) 国内的科研机构和高校主要集中在城市轻型车行驶循环工况的建立， 而对建立城市公交车和重型载货汽车行驶循环的研究比较少。而这一点恰恰是 国外目前的研究重点。从国外的研究结果可以看出，行驶循环对公交车和重型 载货汽车的污染物排放量和燃料消耗量有显著的影响瞄卜 3 1 1 。 ( 2 ) 国内在研究行驶工况建立的过程中，主要测试的参数为车速、转速、 加速度、油耗、。档位等参数，而国外在采集道路试验数据时除了采集上述参数 外还采集了汽车行驶过程发动机输出的扭矩，增压器涡轮转速，增压压力等参 数。国外研究表明该参数对传动系模型的建立、车辆行驶循环的建立以及发动 机台架循环的建立非常重要【3 l 】。 ( 3 ) 车辆行驶循环工况解析与合成的理论方法不够完善和统一。国内许多 科研机构虽然都提出了用于评价车辆行驶工况的准则数，但由于研究对象不同， 提出的准则数也各有差异，建立的工况统计模型也不尽相同。 ( 4 ) 将汽车行驶循环或发动机瞬态循环转化为发动机台架稳态循环工况的 研究起步晚，且在转化过程中没有考虑到因发动机特性曲线或整车底盘结构参 数的不同而引起的误差。 从上述分析不难看出，为了尽快弥补我国与国外在该研究领域的差距，进 行本项目的研究是非常有必要的。 1 5 本课题研究的现实意义 3 2 卜 3 7 各种车辆或发动机，按照能再现车辆和发动机实际运行状况的标准测试循 环在标准试验台上运行，在循环过程中测得的排气污染物排放量，就是该车辆 或发动机排气污染物的排放指标。各种车辆发动机的排气污染物排放性能，只 有在这种基本统一的条件下测得才有可比性。循环越接近车辆的实际运行状况， 测试的结果就越有实际意义。这样，根据标准要求设计的车辆，就越接近市场 的需求。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 从国内外关于车辆行驶循环工况及重型车用发动机循环工况的研究现状分 析中发现，重型车用发动机欧洲e c er 4 9 标准测试循环( 欧i i ) 以及欧洲e s c 标准测试循环( i ) 比较适合主要运行在高速公路上的载重汽车柴油机，忽视 了我国城市交通状况与欧洲交通状况的差异，不能准确反映我国公交车用柴油 机的典型运行特征。 另一方面，为了对城市公交车的燃料消耗量进行合理评价，进而寻求降低 商用车燃料消耗量的技术措施，我匿于2 0 0 1 年7 月3 匿颁布了g b 压1 2 5 4 5 2 - 2 0 0 1 商用车辆燃料消耗量试验方法，并于2 0 0 2 年3 月1 日开始实施。按照国标规定， 城市客车的燃料消耗量须在道路上或底盘测功机上按照四工况( 见图1 2 0 ) 进 行测试。该规定一方面使得在发动机参数匹配、结构改进及总体设计过程中存 在着盲目性。无法明确该发动机是否在经济性方面适合特定的车型；另一方面 随着我国城市人口及汽车保有量的增加，该四循环工况已不能够准确反映城市 公交车的实际运行工况。 、 一 一 一 、 厂 、 。 、_ d5 61 4 42 5 23 ，65 4 日7 2 51 d 2 删恫， 图1 2 0 城市公交车四循环工况 总之，目前针对我国城市公交车及公交车用柴油机的相关测试循环主要存 在以下几个方面的缺陷： 没有检验城市公交车常用的起步加速性能的内容： 仅仅是柴油机的测试，没有对整车匹配的考核。 忽视了我国城市交通状况与欧洲各国交通状况，车辆技术水平，司机驾 驶习惯等因素之间的差异，不能准确反映我国城市公交车及其配套柴油 机的典型运行特征。 正是这些缺陷造成了我国城市公交车市场达标产品和实际市场需求的差 距，以及柴油机生产部门和环保部门的矛盾。同时，由于在底盘测功机或道路 1 6 加驰加12 m 5 o 一；童邑删悱 武汉理工大学硕士学位论文 上进行整车测试以及进行发动机瞬态测试的试验成本高，试验过程复杂且周期 长，许多从事相关研究领域的单位不具备该试验条件，因此在进行发动机性能 优化、参数设计、与整车匹配以及排气后处理技术等研究过程中，不能及时的 通过在底盘测功机或道路上进行整车测试对所采用的优化方法和技术措施的效 果进行评价，从而造成研究过程存在一定的盲目性，最终很难确定优化后的车 辆在道路或测功机上行测试时污染物排放量和燃料消耗量是否有所改善。最终， 在某种程度上制约了我国城市公交车用柴油机的性能优化与排放控制研究，从 整体上影响了柴油汽车在城市公交中的地位。 鉴于此，本课题选择“武汉市公交车行驶工况及其发动机试验循环的建立” 作为研究方向，拟实现的目标是通过城市道路试验，首先建立能够反映武汉市 城市公交车真实行驶特征的行驶工况，然后结合试验统计分析和发动机台架试 验，最终建立能够反映城市公交车用发动机典型使用状况的发动机试验循环。 1 6 本文研究对象及主要研究内容 1 6 1 研究对象 本文研究对象为配装玉柴y c 6 g 2 3 0 2 0 型发动机的武汉w g 6 1 0 1 c h 城市公 交客车和上海申沃s w b 6 1 0 5 城市公交客车，发动机及车辆的基本参数如下。 1 6 1 1y e 6 g 2 3 0 一2 0 发动机基本参数 y c 6 g 2 3 0 2 0 发动机外特性曲线见图1 2 l ，该功率段的发动机在目前国内 城市公交车占主导地位。 ”1 。1 “1 “1 “1 。1 ”1 弓_ l 髋，i 嚣“ 图l 一2 ly c 6 g 2 3 0 2 0 发动机外特性曲线 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 ，6 1 2 整车结构参数 w g 6 1 0 l c h 客车是由武汉扬予江客车厂制造，其底盘型号为 c a 6 l o l d 9 2 8 ，外观如图l 一2 2 ( a ) 所示。s w b 6 i l s 客车是由上海申沃客车厂 制造，其底盘型号为s w b 6 1 0 2 c h 2 ，外观如图1 2 2 ( b ) 所示。两车基本结构 参数对比见表l l 。 ( a ) w c 拓1 0 1 c h 客车( b ) s 、v b 6 1 0 2 c h 客车 图1 2 2 试验用公交车外型图 表i 一1 车型结构参数对比表 车型w g 6 1 0 1 c hs w b 6 1 0 5 离合器型式中3 2 5 膜片弹簧 心3 2 5 膜片弹簧 型式d c 5 j 9 0 t 3 2d c 5 j 9 0 t 3 2 档位及速 五档五档 6 5 6 7 4 0 0 2 2 4 5 8 1 5 5 0 1 6 5 6 7 ，4 0 0 2 2 4 5 8 1 5 5 0 1 比 变速器 倒6 5 6 0倒6 5 6 0 主减速器 4 4 4 4 8 7 5 速比 额定轴荷 ( k g ) u 0 0 0 k g1 l 0 0 0 k g 朝阳轮胎厂9 5 1 型朝阳轮胎厂9 5 l 型 轮胎型号 1 0 o o 之o ( 1 6 层) 1 0 0 0 - 2 0 ( 1 6 层) 长宽商 l0 5 0 0 2 4 8 0 31 1 0 1 0 4 2 0 ，2 4 8 0 ，3 3 0 0 轮距( 衄) 5 0 0 0 5 1 0 0 前悬后悬( m m )2 3 2 5 ，3 1 7 5 2 3 2 5 3 1 7 5 轴距( m m )前2 0 2 0 ，后1 8 4 7前2 0 2 0 ，后1 8 6 0 汽车整各质量( k g ) 9 7 7 01 0 7 0 0 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 2 本文主要研究内容 武汉市公交车行驶工况的建立及试验验证。在公交车城市道路试验的基 础上，利用多元统计理论解析出了反映武汉公交车实际运行特征的行驶 工况。同时，利用理论建模和试验相结合的方法对行驶工况的有效性进 行了验证。 结合武汉市道路交通特征，对影响武汉市公交车行驶工况的主要因素进 行了分析，在此基础上对武汉市公交车车速分布、发