重型汽车测试工况研究的一种新方法

路边

重型汽车测试工况研究的一种新方法 发动机台架试验
当今只要开发一种新车型或者改进一项生产工艺，都有必要做燃油消耗和有害物排放试验来评估它们。但是现在并没有统一的测试标准，一些国外研究机构在实验室的试验结果与实际行驶中测量的结果有较大差异。因此，开发一种测试工况新方法势在必行。当同时使用汽车排放和能源消耗测试系统时，这种试验工况不仅用来评价重型车对环境的影响，而且也可以用于底盘测功机以及静态测试设备上的试验。
                                    
    现在大部分获得重型车试验工况的方法是基于时间的，也就是说必须让车辆在试验轨道或底盘测功机上描述速度-时间曲线；另外一种获得试验工况的方法是基于距离的，这种方法的基本特点是它使车辆在试验中用不同的操作通过固定的距离，而不是在固定的时间内。很明显，前者选择基于时间的试验工况是因为试验的高度可重复性，利用大量的统计参数从速度-时间数据中提取出典型工况。但这种工况有较大的缺陷，即它歪曲了车辆的实际行为。当考虑到运动学参数，譬如平均速度和加速、巡航、或者减速的时间时，就可清楚地看到这点。当不考虑被测试车辆的功率/质量比，速度一时间曲线决定了这些运动学参数固定的值。实际上，功率/质量比对这些运动学的参数有着重要的影响。
                                    
    本文首先比较了基于时间和基于距离的提取工况的方法，并选择了基于距离的提取工况的方法。为了能分析现实情形并能用基于距离的方法来描述的测试工况，引入了“段”的概念，这种概念开辟了研究测试工况的新方法。
   
    1、 基于距离的测试工况的描述性参数：“段”
                                    
    事实上，交通影响、司机影响以及车辆自身影响决定了车辆的行为。基于时间的方法一次性使用这三个方面，它完全固定了运动学参数。基于距离的方法是设法开发出仅利用交通影响这一方面的试验工况。由于车辆自身影响和车辆的性能联系紧密，测试过程中，不应该明确控制车辆自身影响。司机影响可看作试验的限制条件之一，以确保试验的重复性。
                                    
    根据上面的定义，每条曲线在从一局部最小到另一局部最小的区间里被分割为四部分：
                                    
①第一个局部最小[启动时的速度(VS)]；
                                    
②最大值[最大速度值(Vm)]；
                                    
③第二个局部最小[终了时的速度(Ve)]；
                                    
④两次局部最小之间的距离（S）。
                                    
    有两个例外，即当巡航操作不代表局部最小或局部最大时，而是加速或减速操作中有一段速度不变。这种情况下，区间不是从一局部最小到另一局部最小，而是巡航操作各自保有区间的终点和开始。
                                    
    于是上面定义的四个参数在后面被定义成“段”概念。每个已记录的速度曲线都可分成几个段。由四个参数所定义的段的次序并不能完全描述轨迹的运动学，仅能描述交通影响方面。换句话说，与所记录轨迹的车辆和负载条件无关，它可导致相同的段顺序。在电子表格格式中，一个测试工况被分作5列，各自代表开始速度VS,最大速度Vm,,终点速度Ve,距离s,以及Ve等于0时的怠速时间。每行代表一个段或者两个段（在Ve等于0(包括怠速)的情形下）。事实上，可以不要第一列来避免数据冗余，因为：VS一定等于前一段的Ve（并且第一个：Vs一定等于0 ）。这些数据的可视化将得到一个表示每个位置的最大速度水平的锯齿状图形。在巡航和加速段期间，这将为试验司机提供充足的信息。对于后者（加速段），在城市巴士上，司机只要简单地将油门踩到底。对于手动换挡的卡车，齿轮变换是由发动机转速完成的，然而减速过程，取决于司机的行为，还不能被利用。由于目的在于评价车辆，所以司机不应该影响试验。下面介绍一个额外参数：减速度，作为一个确切的限制条件。
                                    
    当有一个固定的减速度时，减速过程中，有如下的运动学方程：

    S=S0+V0t+at2/2（1）式中，S代表距离；V代表速度声代表减速度；t代表时间。
                                    
    当方程变换成速度-距离的形式如式（2），它就给出了位置Se之前的所有位置S下的确切的速度，这里使用的是速度Ve.
                                                   
（2）作为一个测试工况的一部分的例子，这额外信息的可视化可以用一个类似的表达式来指导司机进行道路试验或在底盘测功机上进行试验。在相同的图形坐标中表示出车辆的实际速度。只要车辆没达到最大速度水平，司机就可以全力加速。当达到最大巡航速度时，就要停止最小速度Ve，有必要开始减速。

    2 、从速度曲线中提取出段
2.1 段类型
                                    
    上面已经证实如何用段的概念来描述和执行一个基于距离的测试工况，然而还需要找出一种方法来获得具有代表性的段顺序。这六种类型，显示的是速度-距离曲线、实线表示段本身的速度，虚线表示领先于段或跟随段的操作类型。增加了一个段中典型的操作顺序（A代表加速，C代表巡航，D代表减速，I代表怠速）.最明显的段是速度线中从一个局部最小到另一个局部最小，而其中的巡航操作代表了一个局部最大（I类和II类）。
                                
    I类和Ⅲ类的唯一区别是Ⅲ类中朝着Ve的减速必须在获得最大巡航速度之前开始。这种情况下，合理利用的最大速度水平被视作Vm.代表局部最小（Ⅳ类和Ⅵ类）的巡航速度操作是自己本身的段。与I类和Ⅲ类的区别是两次局部最小之间没有最大值。最后，巡航操作不能代表局部最小或局部最大时，产生了Ⅱ类和Ⅴ类。

    2.2 段的识别
                                    
    既然定义了段的类型，就可以开发相应的软件将每一个速度-时间曲线分成段。第一步是将曲线分成标准的运动学操作（加速、巡航、怠速以及减速）。接着根据识别典型的操作顺序来划分段。基于瞬时速度（每秒）和加速度来区别标准的运动学操作。该项目中，区分巡航和加速的加速度阀值定为±0.15m/s2。这种选择是基于全速加速试验。5m/s2的值大约是被测巴士最高传动比，即最低加速度时齿轮传动比的平均加速度值。考虑到以全功率加速的假设，较低值的加速可视作巡航，这是个非常粗糙的标准，因为阀值是独立于速度的。

    3、 结果
                                    
    3.1 段的分组
                                    
    为了评价分组方法是否适当，国外研究机构收集了布鲁塞尔一定巴士路线所有的速度-距离曲线信息。记录的信息来自不同负荷条件下的各种巴士，共有88.4km的数据量（巴士线路长约11km），这些数据被随机分成两部分。对这三种数据进行分组（总和、第一部分、第二部分），得出结果见表1。

    可清楚看出，分组法引出了一种“短”的试验工况（±10km）。当仅考虑有效数据的一部分时，逻辑上，三种情况下不可能得到相同的试验工况。我们感兴趣的是三种情况的相关性。于是表格中给出了三种情况下每一段的加权系数。根据这些数据，可以计算出不同情况下加权系数的皮尔逊相关性系数。第一种情况和第二种情况的相关性为0.945；第一种情况和第三种情况的相关性为0.946。相关性值越高（＞0.9）表示分组方法越适用于所选择的数据。
                                   
    3.2 重复性
                                    
    从两个方面检查试验的重复性：一是运动学曲线，二是燃油消耗和废气排放。关于运动学曲线，比较了同一试验工况的两次试验中距离（每米）函数的速度值。一些曲线针对压缩天然气巴士（自动换挡）；另一些则针对卡车（手动换挡）。于是，运动学曲线的重复性是足够的，也可推广到手动换挡的关键情形。下一个要检查的可重复性是排放和燃油消耗结果。表3列出了一些全面结果，通过比较每段的结果，可计算出皮尔逊相关性系数。

    根据表3，可得出结论：大部分情况下的相关性非常好。在排放水平较低的情况下（比如，压缩天然气巴士），相关性较差。原因是段不同引起的方差，变得和由于测量误差（噪声）引起的方差处于同一数量级。相关性较低的事实并不意味着没有相关性。然而这意味着，对于低排放车辆，为了对试验的可重复性的进行最终检查，需要提高测量系统的测试精度。由于柴油卡车技术陈旧，排放较恶劣，故有最好的重复性。
                                    
    3.3 代表性
                                    
    正如所预料的那样，相关性比试验的重复性低。考虑到假设的驾驶行为（加速过程的全功率，以及减速度的平均值），以及没有将道路坡度考虑进内，试验结果还是相当理想的。对测试系统精度的注解是不正确的：只要噪声引起的方差与由于段不同引起的方差处于同一数量级，就得不出相关性方面正确的结论。

    4、 结论
                                    
    为了开发出新的试验工况，引入了一种有创意的方法。试验工况是为了评价重型车对环境的影响，选择了一种基于距离的方法，因为这与现实情况比较接近。为了描述车辆的交通影响而引进了段的概念，并且将其作为构建试验工况的基本部分。
                                    
    讨论了将段的概念运用于实际的必要技巧，最终，首次实验以布鲁塞尔城市巴士为例进行，试验检查的结果都非常理想。结果表明对于低排放车辆，要保证测试系统有较高的精度，必须要应用该理论。

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