汽车工况

2024-10-10

汽车工况（精选8篇）

汽车工况篇1

1 数据采集

1.1 测试系统

本研究的行驶工况测试系统由测试车辆、AM-2600S机动车道路实验数据处理系统和AM-400电喷式汽油机流量传感器组成。车速由安装在车头的OS-Ⅱ光电车速传感器测得, 燃油消耗量由串联在供油管上的AM-400电喷式汽油机流量传感器测得。测试系统每1 s采样一次。所有设备与仪器集装成一体, 安装在车内, 如图1所示。

试验车辆为昌河爱迪尔CH7111A微型面包车, 车况良好。该车为5座, 手动换挡。

1.2测试路线及时间

以交通流量调查结果和城市道路级别划分为主要依据, 并结合交通研究领域的“路段频率和覆盖率”概念来确定路段, 在查阅大量的资料后拟订了本课题研究的实验路线如下:

实验路线1:屯溪路与马鞍山路交叉口―工大北门口―屯徽立交, 屯桐交叉口―金屯立交―五里屯立交。

实验路线2:五里墩-屯溪路-屯溪路桥-明光路-胜利路-站前路-火车站。

实验路线3:火车站-南二环砀山路-环湖东路-东流路-徽州大道-四牌楼。

实验路线4:四牌楼-徽州大道-芜湖路-马鞍山路-工大东门。

4条测试路线基本包括了合肥市的各类道路并满足基于此行驶工况下汽车排放数据的采集和处理。

每条测试路段连续采样14 d, 包括星期六和星期日。采样时间为每天上午07∶30～11∶30, 下午13∶00～18∶00。驾驶员采用固定路线跟车法, 跟随测试路段上的平均车流行驶, 保持一定车距, 不强行超车, 不脱档滑行, 正常驾驶进行数据采集。在所选择道路上每天往返行驶12次。对4条测试线路上的不同道路进行数据采集并归类。测试车辆紧跟车流, 从而能够代表被测道路的真实行驶特征。

1.3数据采集

实验数据的采集工作, 主要通过一套安装在测试车辆上的车载数据采集装置 (主要由记录仪、速度传感器、储存记忆卡等部分组成) 来完成。当车辆行驶时, 速度传感器将路面上的各种信号传递给记录仪, 然后与记录仪所记下的行驶时间和行驶距离一并转存到记录仪内的储存记忆卡上。

采集的数据是构建车辆行驶工况所需要的原始数据。在发动机点火时开始采集, 熄火时停止采集 (见图2) 。

2 行驶模式和行驶段的定义

为了分析行驶特性, 并生成有代表性的形式循环, 有必要使用一些统计学的方法处理在真实路段行驶而得到的大量原始数据。

行驶数据被分成下面4种典型的行驶模式。

1) 怠速工况。发动机工作但车速为零的连续过程。

2) 加速工况。汽车的加速度大于0.1 m/s2的连续过程。

3) 减速工况。汽车的加速度小于-0.1 m/s2的连续过程。

4) 匀速工况。汽车的加速度的绝对值小于0.1 m/s2且车速不为零的连续过程。

行驶段定义为从一个怠速工况开始, 结束于下一个怠速工况开始的过程。

3 行驶数据的评价准则数

为了具体的描述行驶工况, 本文选取了10个特征参数:平均路面功率, kW;平均行驶速度, km/h;平均速度, km/h, 怠速比例, %, 加速比例, %;减速比例, %;匀速比例, %;平均加速度, m/s2;最大减速度, m/s2;最大加速度, m/s2。

表1给出了合肥市道路实际行驶特征参数的统计分析结果。

4 合肥市道路行驶工况的分布规律

图3和图4分别给出了市区和市郊的数据点分布。可以看出市区图中工况点主要集中在10～20 km/h的低速范围内, 其余速度范围内的工况点很少;而市郊图中在高速区成山脊状隆起。在高速条件下市郊的匀速工况比例比市区高, 而且市郊加减速度的幅值和比例都比较高。相反, 市区的怠速比例比市郊高很多, 绝大多数工况点的加减速度都不大, 即多数工况都处于小加减速状态。说明了市区道路的拥挤, 车流的不畅通, 红绿灯多, 难有高速度和高加速度的情况;而市郊正相反, 高速匀速工况很多, 同时较大的加减速工况也很多。

5 合肥市道路代表性行驶工况

1) 对实验所得的大量统计数据进行加工处理, 得到每一行驶段的特征参数。

2) 对各个行驶段的参数进行统计分析, 得到基于全部采样数据和全部测试段的准则数平均值。

3) 按照行驶段的平均行驶距离或平均行驶时间以及测试距离或时间的目标要求, 确定合成循环所需的行驶段数目。

4) 从全部行驶数据中, 随机抽取给定数目的行驶段。若这些行驶段准则数的平均值与全部测试数据准则数的平均值相对误差小于所给定的误差范围, 则选中;若不满足要求, 则放弃, 继续抽取新的行驶段, 直到满足要求为止。由这些行驶段所构成的行驶状况即为所合成的代表性行驶工况。

根据以上原则, 我们从由实测数据划分的行驶段中, 先按市区行驶段和市郊行驶段分别合成合肥市市区道路代表性行驶工况和合肥市市郊道路代表性行驶工况, 再用所有的行驶段合成合肥市道路代表性行驶工况, 如图5、图6、图7所示。

6 合肥市道路行驶工况与标准测试循环工况比较

用前面定义的10个特征参数来分析这些行驶工况, 表2给出了合成的市区道路代表性行驶工况和市郊道路代表性行驶工况的分析结果, 并将其与标准的美国FTP75, 欧洲的ECE15及日本的10-15工况进行对比。

从表2可以看出合肥市的行驶工况有它自己的特征。例如, 在市区平均速度和平均行驶速度, 都比美国的FTP75低得多, 但比较接近于欧洲的ECE15和日本的10工况模式。怠速比例和匀速比例都明显低于ECE15、FTP75和日本的10工况模式, 但加速比例和减速比例却明显高于这三者。这些特征主要是因为中国道路交通条件要比其他国家复杂, 市区道路中影响汽车行驶的因素太多。

而在市郊平均行驶速度比欧洲的ECE15的高速公路和美国的EPA高速公路低, 但比较接近与日本的15工况模式。

7 合肥市道路行驶工况与部分城市道路行驶工况的比较

表3列出了合肥市城市道路行驶工况与北京市、天津市、大连市、上海市、广州市等城市综合工况的比较。

从表3可看出, 合肥市各工况与北京市、天津市工况比较相近, 与大连市、上海市、广州市综合工况相差较大。比较可以看出, 由于国内城市交通中混合交通流较为严重, 普遍存在较高的加、减速时间比率及较低的匀速时间比例, 反映出国内城市道路汽车行驶工况的一般规律和特点。

8 结束语

以跟车法采集车辆行驶数据, 以加速度时间曲线所定义的行驶运动学片段代表行驶状况, 并用一些特征参数对其进行描述, 通过随机组合、误差比较的方法得到的行驶工况, 可以真实的反应车辆的实际操作状态。通过合肥市道路行驶工况与标准测试循环工况的比较, 可以看出国内的道路行驶状况与标准测试循环工况有很大差距, 直接运用欧洲的行驶工况ECE15作为中国的测试循环工况并不合适;通过合肥市道路行驶工况与部分城市道路行驶工况的比较, 可以看出国内各个地区的道路汽车行驶工况比较接近, 完全可以研究出适合我国道路状况的行驶工况。

参考文献

[1]朱西产, 李孟良, 马志雄, 等.车辆行驶工况开发方法[J].江苏大学学报, 2005, 26 (2) :110-112.

[2]李孟良, 朱西产, 张建伟, 等.典型城市车辆行驶工况构成的研究[J].汽车工程, 2005, 27 (5) :558-560.

[3]刘希玲, 丁焰.我国城市汽车行驶工况调查研究[J].环境科学研究, 2000, 13 (1) :23-28.

[4]赵慧, 张镇顺, 熊永达.香港城区汽车行驶工况的研究[J].环境科学学报, 2000, 20 (3) :12-16.

[5]王海鲲, 陈长虹, 黄成, 等.上海市城区典型道路行驶特征研究[J].交通环保, 2005, 26 (3) :35-39.

[6]张志涌, 杨祖樱等.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

[7]蔡士源.Excel VBA语法字典[M].北京:中国青年出版社, 2005 (9) :106-112.

[8]谭浩强, 袁玫, 薛淑斌.Visual Basic程序设计[M].北京:清华大学出版社, 2005.

汽车工况篇2

【关键词】变工况操作；制氩系统；氮塞

0.前言

钢铁企业配套建设的空气分离设备要在其设计范围内，按铁、钢等产品的产量实时的变负荷操作调整工况。变工况操作是一项比较复杂的空分工况调节，操作不当，极易造成产品纯度、供气压力波动。带制氩系统的空分设备，稍有不慎，就会引起制氩系统工况波动，轻者减产，严重时还会发生氮塞。

1.变负荷操作及其对氩系统的影响

1.1变负荷操作

空分设备的变负荷操作，主要指加工空气量的变化(加负荷操作和减负荷操作)。在实施过程中，都应该缓慢进行，稳中求变，不可操之过急，否则会使工况产生波动，影响产品质量和供气压力。

调整过程中为保持系统工况的相对稳定，负荷的调整是通过若干次加、减量来完成的。究竟每次加减量以多少为宜，要根据装置不同，灵活掌握。一般每次加减量控制在设备加工空气量的0.5%～1%范围内，以主塔物料纯度不发生较大的波动为原则。必须满足在下一次加量前，空分设备已充分消化了上一次加量，从空压机、增压机、膨胀机、主塔液体节流阀、制氩系统到气液态产品取出、输出值已经达到设定值要求，且气氧、液氧、压力氮、低压氮、氩馏分和精氩等主要分析指标不产生较大波动。为确保产品纯度不产生较大波动，加量时一般采取从空压机到制氩系统由前向后的顺序，减量时则相反。

在调整中，可以充分利用DCS 系统提供的产品纯度分析趋势记录。由于纯度检测本身滞后比较严重，操作员可以根据变化的趋势，对操作幅度做相应的调整。使各流量趋势图是一条平滑的上升或下降的直线。

1.2变负荷操作对氩系统的影响

在变负荷操作过程中，上塔液氮、液空回流量，气氧、气氮取出量和氩馏分抽取量都会发生变化，对制氩系统的影响十分明显。氩在上塔分布是有规律的。在上塔提馏段（液空进料口以下）形成一个富氩区，最高氩含量可达到15%。但由于此处氮含量较高，一般将氩馏分抽口设在富氩区偏下一点。在氩馏分氧、氮、氩三元混合物中，设计值一般为：氧90%～91%、氩9%～10%、氮小于0.06%。但是富氩区在上塔的位置不是固定的，当进行变负荷操作时，富氩区在上塔是不断变化的，而氩馏分抽口位置是固定不变的，氩馏分抽口的物料组分也在不断发生变化。

以加负荷操作为例，随着进塔空气流量的增加，进入压力塔（下塔）顶部的冷凝蒸发器的氮气流量和压力都会增加，冷凝蒸发器热负荷增大，冷凝液氮量增加；同时，冷凝蒸发器氧侧液氧蒸发量增大，气氧推动富氩区上移，氩馏分抽口处回流比变小，氩馏分氧含量增加，氩含量降低。为维持氩馏分抽口氧含量不变，一种方法是将下塔冷凝的液氮导入上塔，增加回流液氮量，以维持氩馏分抽口回流比不变。这种调节方法会导致液氧、液氮生产比例发生改变，将产生更多的液氧产品。另外一种方法是增加上塔底部气氧取出量，控制富氩区不上移。当然，增加的气氧量和进塔的空气量应该匹配，否则，富氩区位置将会发生变化。在对主塔进行负荷调整时，难免会对液空纯度产生影响，由于有一部分液空（约3/5）被引到粗氩、精氩冷凝器作冷源，液空纯度直接影响粗氩、精氩冷凝器的热负荷。当液空氧含量增加时，其饱和温度升高，缩小了粗氩、精氩冷凝器的换热温差，热负荷缩小，从而导致粗氩氧含量和精氩塔压力升高，粗氩取出量减少，精氩塔氮排放流量增加，降低氩的提取率。

2.变比例操作及其对氩系统的影响

空分设备的变比例操作，要严格遵守物料平衡原则和能量守恒定律。在膨胀机的效率和膨胀空气量一定的情况下，制冷量（焓降）基本确定下来，设备所能产生的液体总量是一定的。根据物料平衡的原则，所能生产的气氧和液氧总和是不变的。通过对上塔回流的液氮量和上升的氧气量进行同步的增加和减少，完成液氧和液氮产品的相互转移。以氩馏分氧含量为基准，回流比是不变的，只是回流液氮和上升气氧之间量的变化。当向氧工况转移时，减少气氧取出量，增加上塔液氮回流量，进入上塔的液氮将上升的气氧冷凝成液氧，液氧回流至低压塔（上塔）底部，作为液氧产品引出；同时，液氮被汽化成气态，以气态氮产品引出塔外，完成冷量的转移。向氮工况转移时与上述步骤相反。一般称主要生产液氧的工况为液氧工况，主要生产液氮的工况为液氮工况。在液氧工况时，上塔回流的液氮充分，冷量充足，氩馏分在同等氧含量的情况下，氩含量升高，氮含量减少。因此，在液氧工况时，氩的提取率最高。在液氮工况时，由于上塔顶部回流的液氮量较少，上塔精馏段气氧、气氩冷凝不充分，部分氧、氩从污氮通道流失。在液氧工况时，污氮中氧含量可以控制在0.3%～3%之间；而液氧工况时，污氮中氧含量要在3%～6%之间，由于氧、氩的沸点比较接近，液氮工况的污氮中流失的氩更多一些。

氩馏分作为氧、氮、氩三元混合物，在相同的氧含量的情况下，液氧工况时氩馏分中氩含量高，氮含量低；液氮工况时氩馏分中氩含量低，氮含量高。因此，在实际操作中，液氧工况时可以将氩馏分氧含量控制低一些，液氮工况时则要控制高一些，以避免过多的氮进入精氩塔，引起粗氩塔工况波动，甚至发生氮塞。在由液氧工况向液氮工况转移时，制氩系统则要适当减量操作。

3.变工况时氩塔负荷的确定

变工况液体空分流程，设计时已给出几种典型的操作参数，但不是从最小空气负荷到最大空气负荷的所有参数都已给出。在实际操作中通过标准工况的工艺参数，可估算出非标准工况氩塔操作负荷的运行参数。

在实际操作中还要根据实际情况有针对性的进行调整。粗氩塔热负荷，通过粗氩冷凝器液空蒸发量的多少来控制粗氩塔的氩馏分流量。如果粗氩冷凝器热负荷不足进粗氩塔氩馏分量少，氩产量和氩提取率都会降低。而粗氩塔热负荷过大，进入粗氩塔的氩馏分量增加，导致富氩区上升气量不足，富氩区下移，氩馏分回流比增大，氩馏分中氮含量增加。当氩馏分中氮含量大于1%以上，就会对氩塔产生影响，超过精氩塔的排氮能力，就会出现不同程度的氮塞现象。

4.变工况时氮塞的预防和处理

氮塞的发生，除去设计制造缺陷外，多数是由操作不当引起的。一方面是由于主塔氩馏分控制失常，另一方面是由于粗氩塔冷凝器热负荷过大。一般的空分流程对氩馏分的监测都设有氩馏分氧含量在线分析。氧含量一般控制在88%～92% 之间。当发生偏差时，通常改变气氧取出量和上塔液氮回流量来调整。而对氩馏分中的氮组分做在线分析的流程并不多见。氩馏分是三元组分，氩馏分中氧含量符合工艺指标，并不能代表氮含量不超标。在实际操作中，有时会发生在氧含量不低的情况下却发生了不同程度的氮塞现象。另外，氩馏分中氧含量监测相对比较滞后，不能及时反映氩馏分中氧含量的真实情况，当制氩系统出现氮塞迹象时再调整工况，为时已晚。因此，同时监测氩馏分中的氮组分非常重要。

汽车工况篇3

处理汽车排放污染物的控制问题, 首先要对汽车排放污染物的形成机理有足够的认识, 只有明确了汽车排放污染物的形成机理, 才能够系统地分析造成不同的汽车污染物排放情况的原因。

不同的行驶状况下, 汽车的污染物排放情况也不一样。而根据汽车排放污染物的形成机理, 结合实际行驶工况分析汽车在不同行驶状态下的排放状况, 有助于有的放矢地控制其排放污染物的含量。

综上所述, 认识排放污染物的形成机理和与汽车行驶工况的关系, 有着重要的意义。本文以采用汽油机、加装三元催化器的小型乘用车为例, 分析汽车尾气中的三种主要污染物:一氧化碳 (CO) 、碳氢化合物 (CH) 与氮氧化合物 (NOX) 的生成机理及它们随着汽车工况发生的排放量变化。

2一氧化碳 (CO) 的生成原因和其排放量与汽车行驶工况的关系

2.1一氧化碳 (CO) 的生成原因

汽车排放污染物中的碳氧化物主要都是来自于以烃化物为主要有效成分的燃油在燃烧过程中的氧化反应。其中, CO主要来自于烃化物中的含C成分的不完全氧化反应, 较完全氧化反应产物CO2来说要少上许多。

CO形成的主要反应过程为:

之后, 在三元催化器中, 生成的CO污染物能够在催化剂作用下与尾气中的另一种污染物NO发生氧化还原反应:

该反应的有效进行需要三元催化器内部达到足够的温度 (与三元催化器的转化特性, 如起燃温度等属性有关) , 它可以大幅减少尾气中的CO含量。

2.2一氧化碳 (CO) 的排放量与汽车行驶工况的关系

下面根据实际汽车行驶 (按照标准GB18352.30-2013中的I型试验用运转循环[1]进行) 过程中CO生成量的变化情况来进行实际分析。

图表1是某小型乘用车 (使用汽油机及三元催化器) 按照GB18352.5-2005标准中的I型试验用运转循环行驶过程中CO排放量随车速变化情况。

从上图可以看出, 汽车刚刚启动时的一段时间之内, 尾气中的CO含量大大高于其它行驶工况。同时, 在高速状态下, CO的排放量较低速行驶 (而催化器温度足够) 时大幅提高了。此外, 在所有情况下, 汽车加减速时——尤其是加速时尾气中CO增量明显。

结合2.1中所述, 可以分析出造成这些现象的原因:当汽车刚刚发动的一段时间内CO排放量极高是因为催化器温度较低, 因而导致CO在其中的反应效率很低。车速较高时, 由于发动机功率需求变高, 喷油量加大, 空燃比变低, 导致尾气中的CO含量显著提高;此外, 在汽车需要较强动力性完成加速, 或是发动机节气门开度很小的汽车减速过程中, 由于燃烧混合气中的O2不足, 即空燃比较低的情况下, CO的生成量也会明显提高。

3氮氧化合物 (HC) 的生成原因和其排放量与汽车行驶工况的关系

3.1碳氢化合物 (HC) 的生成原因

HC在排放污染物中被大致分为CH4 (甲烷) 和非甲烷HC物质两种类型, 它们被统称为HC污染物。在发动机燃烧过程中生成的HC污染物主要可以分为两类:没有被燃烧或燃烧不完全的燃料 (汽油) 本身;燃料在高温状态下的裂解产物。

汽油中的烃类物质自身便属于HC物质, 因此, 尾气中的燃料残余可以被归类为HC污染物。而这种燃料残余之所以会出现, 除了有汽车急加速或减速时进入缸体的混合气过浓或过稀造成的不完全燃烧这一原因之外, 气缸壁上的壁面淬熄效应也是重要原因之一。

所谓壁面淬熄效应, 指的是发动机气缸壁的温度远低于燃气的温度的情况下, 高温燃气遇到相对温度极低的缸体后, 火焰中的能量被低温缸体迅速吸收, 造成燃烧反应中断, 导致大量未燃烧燃料直接被排出, 从而造成汽车尾气中HC含量大幅升高的情况。实际行驶过程中, 壁面淬熄效应对于尾气中HC污染物含量的影响巨大。

气缸表面在活塞运动时产生的润滑用油膜和发动机进气排气节门、气缸燃烧室缸壁表面在燃烧过程中产生的积碳, 也会吸收部分未燃烧的燃料。这些被吸收的燃料在发动机运转过程中会逐渐地脱离吸附它们的物质, 作为燃料残余随尾气排出, 提高尾气中HC污染物的含量。这被认为是壁面淬熄效应之外的最大HC污染物产生原因。

此外, 燃料在高温状态下的裂解也是HC生成的重要原因之一。高温裂解产物中被归类为HC污染物的主要是单环的苯类物质和多环的芳香烃类物质。对于其中多环芳香烃类物质的来源, 业内尚没有明确而统一的说法, 而对于单环苯类物质的生成, 一般认为是有两个丙炔基的二聚反应、或C4Hx与乙炔的反应, 其中前者在一般情况下为主要生成原因, 而后者在贫氧条件下扮演主要角色[2]。

另外, 同2.1中所述的CO一样, 三元催化器的也在HC尾气含量的削减上扮演了重要角色。对于HC来说, 其在三元催化器中的主要反应是与另一种尾气污染物NO发生氧化还原反应:

上述反应也需要在一定的温度条件下才能达到有效反应量, 这与三元催化器本身的转化特性有关。

3.2碳氢化合物 (CH) 的排放量与汽车行驶工况的关系

下面根据实际汽车行驶 (按照标准18352.3中的I型试验用运转循环进行) 过程中CH生成量的变化情况来进行实际分析。

图表2是某小型乘用车 (使用汽油机及三元催化器) 按照GB18352.5-2005标准中的I型试验用运转循环进行汽车行驶过程中的HC排放量随车速变化情况。

从上图可以看到, 汽车在刚刚启动的一段时间里尾气中的CH含量极高, 之后逐渐下降;另外, 汽车在加速至最高速状态时 (根据引用的运转循环, 此时汽车进行的是100km/h至120km/h的加速) 尾气中HC含量也有一段比较明显的升高;而在其它工况下, 只有在各个加速阶段 (15km/h以上) 时HC含量有一定程度的升高。

结合3.1中所述, 可以分析出造成这些现象的原因:在汽车刚启动的一段时间里, 气缸壁的温度往往只有数百度, 大大低于高达上千度的燃气温度, 满足了3.1中所述的缸壁淬熄效应的条件, 此时尾气中HC的含量会非常高, 之后随着缸壁温度在发动机运转过程中逐渐升高, CH的排放量开始显著下降, 同时, 在汽车刚启动的一段时间内, 催化器的温度较低, HC的转化量低下, 同前述的缸壁淬熄效应一并造成了HC含量的大幅升高。

如前文所说, 可以发现在缸壁温度升高之后的每个速度大于15km/h的加速过程中, 尾气中HC含量都有可见的升高。此时, 发动机内喷油量增大造成空燃比较低, 会引起混合气燃烧不完全, 燃烧不完全的混合气被润滑油膜和缸壁积碳吸收后又在其后逐渐脱离, 这一现象导致了尾气中HC的含量升高。

4氮氧化合物 (NOx) 的生成原因和其排放量与汽车行驶工况的关系

4.1氮氧化合物 (NOx) 的生成原因

高温环境下, 原本惰性的N2在会进入激发状态, 与空气中的未参与其它反应的富余O2结合生成NO, 即:

生成的NO还会与空气中的富余O2进一步发生氧化反应生成其余类型的NOx, 比如NO2:

以上的反应是汽车行驶过程中尾气里NOx的最主要来源。

4.2氮氧化合物 (NOX) 的排放量与汽车行驶工况的关系

从4.1中可以看出, NOx的生成与发动机内部环境中的温度和空燃比情况有着重要关系:在高温和空燃比较高 (即氧气含量大, 富余O2也会增多) 的状况下, NOx的生成量也较高。而在实际情况下, 高温是NOx生成的最主要因素, 车速较高时, 由于燃气温度也较高, NOx的生成量也会相对低速状态下多。

同时, 如2.1和3.1所述的, 在三元催化器中NOX同时参与了CO与HC两种物质的氧化还原反应从而被消减;自然地, 与CO和HC的消减要求一样, 若要达到有效的转换效率, 需要催化器内部达到一定温度。

下面根据实际汽车行驶 (按照标准18352.3中的I型试验用运转循环进行) 过程中NOx生成量的变化情况来进行实际分析。

图表3是某小型乘用车 (使用汽油机及三元催化器) 按照GB18352.5-2005标准中的I型试验用运转循环进行汽车行驶过程中的NOX排放量随车速变化情况。

从图表3中可以看到, 汽车刚启动的一段时间内, NOX在尾气中的含量较高;同时, 在每个15km/h以上的加速阶段尾气中NOX的含量都有可见程度的升高;最后, 在行驶末尾过程的120km/h高速阶段尾气中NOX的含量达到了高峰。

结合4.1中的内容, 可以分析出尾气中NOX在汽车开始一段时间的含量升高是因为催化器的温度不够, 而在最后的高速阶段, 由于此时发动机内温度达到峰值, 大量的N2发生氧化, NOX含量也随之大幅提高了。

5结论

结合各章第二节可以看出, 尽管三种排气污染物随工况的生成情况各有特点, 但还是有以下的共同之处:首先, 在汽车刚刚发动的一段时间内, 三种排气污染物的生成量都很高。其次, 三种排气污染物的生成量都会随车辆加速而呈现一定程度的增加态势。同时, 在汽车处于100-120km/h的高速行驶状态下, 排气污染物的生成量会有明显增长。

于是可以进一步得到以下结论:

1.降低汽车刚发动时的排气污染物生成量对于控制排气污染物的生成量有着重要意义——减少整个燃烧系的预热时间、以及使催化器可以更快达到起燃温度能够有效达到这一目的。

2.司机在车辆行驶中对油门的控制, 亦即加速时的缓急状况对汽车排气污染物的生成状况是有一定的影响的, 车辆加速/减速工况中对于发动机空燃比的控制也会影响此时的排气污染物含量。

3.汽车高速状态下, 控制发动机中的燃料燃烧温度和保持合适的空燃比对于汽车排气污染物生成量的控制也很重要。

参考文献

[1]国家环境保护总局, 国家质量监督检验检疫总局.GB18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法 (中国Ⅲ、Ⅳ阶段) [S].北京:中国环境科学出版社, 2005:35-39

汽车工况篇4

1.1 概述

车辆运行工况也叫作汽车运行工况, 主要为某个类型车辆制指定用来代表特定环境的车辆行驶速度—时间历程。具体来说, 主要是调查车辆行驶的实际状况, 同时分析试验数据, 采取统计学方法, 是一种重要的汽车工业技术。通过建立与实际相符的车辆运行工况, 并将基础数据提供给交通控制风险测定、新车型技术开发与评估、燃油消耗量与污染物排放量的确定等工作。

1.2 国外研究现状

对汽车运行工况标准而言, 国际上主要有三种运行工况具备代表性, 分别是欧洲运行工况、美国运行工况、日本运行工况。比如瞬态工况是美国FTP工况的代表、模态工况是ECE工况的代表, 这些汽车运行工况是联系汽车油耗与交通系统行为的重要桥梁。交通系统是一种非线性系统, 非常复杂, 人、车、路是主要组成部分, 并且有着自适应性、动态性、随机性等特点。国内外很多学者对不同城市运行工况进行了深入分析, 在研究欧洲ECE工况、美国FTP工况之后, 从各地区实际特点出发, 开发了爱丁堡运行工况、悉尼运行工况、法国运行工况、墨尔本运行工况等。

2 模糊判断

车辆在运行情况下一般分为四种运行工况状态的转换。即:稳态工况, 加速工况, 减速工况和怠速工况。在设计汽车运行工况之初, 对汽车运行工况的判断是必要的。汽车运行工况的判断是一种时变性和非线性的系统, 容易受到很多因素的影响, 建立起来的数学模型精确度不高, 选择常用汽车工况判断方法, 则很难保证判断的准确性, 同时也无法将运行工况变化情况确定下来。而模糊控制方法对研究对象数学模型依赖程度不大, 不会受到模型参数不精确性质的影响, 有着较强的可调节性与可操作性。所以, 通过采取模糊控制方法, 对汽车运行工况实行模糊判断, 在判断的过程中, 利用负荷与转速两个变量进行模糊判断。在模糊逻辑工具箱中能够实现Mamdani型模糊推理系统、Sugrno型模糊推理系统这两种类型的模糊推理系统。模糊推理主要分为五个重要部分, 分别是输入变量的模糊化、前提中模糊算子、从前提到结果的蕴涵关系、模糊规则结果的聚类和反模糊化。

最后得出:当汽车在良好的路况下运行, 也就是每10 转, 转速在 ±1r/min范围内变化, 表示工况稳定, 反之则表示工况不稳定。如果汽车运行的路面比较复杂, 将 (σμ) ≥ 88.0A, 每10 转, 转速在 ±1r/min范围内波动, 则很难判断工况处于稳定状态, 若是通过多次的试验, 每10 转, 控制转速在±1.5r/min范围内变化, 则表示合理, 能够有效控制汽车。并与稳定域 (σμ) ≥ 88.0A结合起来, 得到1K =0.005。所以, 1K的范围是0.005 ~ 0.01。

3 车辆不同状态下运行工况设计

3.1 数据的采集

在汽车运行工况设计方法中, 常使用的评价指标主要为VA概率的分布, 以微行程的方式划分与组合时间序列, 并选择模糊逻辑、算法等方式来优化。在针对不同状态下行驶的汽车, 我们在设计其汽车运行工况之初时, 把设计工况与参考工况的VA相关度, 制定工况历经时间、平均速度、急速时间比例以及稳态时间比例, 当成平均指标来进行比对。通过具体的对比来建造汽车工况数学模型。在设计运行工况组合时, 采取了程序实现方法、算法相关理论知识及满意准则模型。

3.1.1 满意度准则模型

作为一种新的数学模型, 满意准则模式能够将工程实际问题与需要反映出来。这种模型没有采取寻找多目标问题最优解的思维方式, 准则是决策者满意, 寻找多目标问题的满意解。

3.1.2 数据预处理

根据满意准则模型, 将模型里面设计变量X确定下来, X为运行工况的速度—时间函数, 通过在实际路面上的所观察记录的数据作出与之对应的曲线图。国内外常采用速度与加速度 (VA) 的二维分布分析方法, 以此分析和设计车辆运行工况。在对VA二维分布图进行分析以后, 车辆行驶速度与加速度分布状况能够直观清楚的呈现出来, 让组合与设计车辆运行工况时有了行之有效的方法, 因此在具体的数据记录过程中重点采集VA相关度。设计与实验具体运行工况时, 在进行反复试验以后, 要将试验数据准确记录下来, 如工况与参考工况的VA相关度、工况历经时间、平均速度、油耗、汽车行驶速度、加速度和经纬度等。在记录数据时, 由于会平滑掉较大的正加速度因此不能使采集频率过低。在现实环境里行车时, 由于内外部环境变化速度很快, 会对信号的采集与传输带来严重的影响, 造成信号采集后出现失真的问题, 对之后信号分析结果带来不利影响, 造成最终满意度估计结构出现错误。内外部环境在变化过程中会出现干扰信号, 叫做伪迹或噪音。所以对信号进行分析之前, 必须要先做好信号的预处理, 避免信号受到伪迹或噪音的影响。

3.1.3 原始数据库

在数据记录后, 通过上文所述的模糊判断对具体的运行工况进行状态的判断, 同时对记录下的具体的数据进行计算, 如怠速时间比例和稳态时间比例等。建立原始数据库多次计算以减小汽车工况设计中的误差值。建立原始数据库方法:将挡位信息提取出来, 选择基于平面二维信息的挡位检测仪, 在试验时对挡位信息进行采集, 并将原始试验数据库生成出来。产生的所有试验数据都要先转换格式, 将挡位信息加进去, 消除异常点, 并完成数据点平滑、怠速数据点速度置零等处理后, 将试验原始数据库生成出来。

3.2 算法的设计

在设计运行工况时, 为让相邻微行程有更加准确的速度, 并确保函数曲线的完整性和清晰度, 将以满意准则模型为基础, 重新对算法适应度函数进行设计, 同时分析处理推广定义微行程原始数据库中的相关信息为参考工况信息, 把推广定义微行程聚类数据库当做搜索数据库, 选择一种算法实现对模型的求解。可以选择估计算法, 也就是借助回归模型, 将满意度相关参数和满意值变化的映射关系建立起来, 以此将主流算法估计出来, 比如支持向量机回归模型、线性回归模型等。这里面前者对于警觉度的估计, 精度通常很高, 不过有很多的参数需要调整, 并且模型训练速度也不快, 而后者虽然训练过程简单, 可以得到稳定的结果, 不过估计精度却一般。

3.3 数据仿真

建立的动态模型的仿真, 主要采用两种典型的信号, 分别为正弦信号与随机信号, 其中前者属于较为理想的转速波动形式, 在实际使用过程中, 需要注意的参数是周期与幅值。周期表示信号变化的频率, 从正弦信号波形来看, 周期在达到某个值以后, 汽车转速会根据这个波形发生变化。为确保判断的准确性, 要结合实际运行状况, 并且只能对加速工况、减速工况进行判断。幅值表示两次波动转速差值的变化, 并且这种变化对所有工况的阈值有着极大的影响。所以, 正弦信号表示了实现道路路面陡度变化最理想的状况, 用作仿真信号可以得到最理想的试验值。与实际道路陡度变化最接近的是随机信号, 用作仿真, 可以保证更加精确的判断。根据设计者满意值的差异, 借助估计算法工具箱求解了问题, 将不同状态下的汽车工况设计出来。将各状态下两个函数微行程平均距离、速度、时间等计算出来, 将每种微行程的前两个指标及三个指标分别绘图, 几种微行程所显示的特征较为相似, 不能对其类别加以明显区分。

3.4 数据的编码、解码

计算出基于满意度状态下的函数后, 为将状态间关系更好的说明出来, 应制定序列号编码规则, 编码所有的状态。数据分离要由状态编码取代, 以极大似然估计的方法, 首先把速度一维信息分段, 然后根据分段速度与加速度特征分成六类。分类有着一定的主观性, 各类运行工况的特征有着明显差异。实行状态编码, 根据速度、加速度二维信息做好二维编码, 同时把二维编码以一维编码的方式来压缩, 如此可以更加全面客观的将汽车运行信息反映出来。将上文中的编码进行估计, 利用速度和加速度状态表达汽车运行工况的状态转移关系, 建立状态转移矩阵。利用状态转移速度- 时间规则, 运行工况状态时间序列里的状态转移概率, 形成状态转移矩阵。之后将得到的状态序列数据进行解码。

4 总结

总之, 在设计运行工况时, 为让相邻微行程速度更好过渡与对接, 以满意准则模型为基础, 重新对算法适应度函数进行设计, 同时分析处理推广定义微行程原始数据库中的相关信息为参考工况信息, 把推广定义微行程聚类数据库当做搜索数据库, 根据设计者满意值的差异, 借助遗传算法工具箱求解了问题, 将与北京市交通特征相符的乘用车瞬态运行工况设计了出来。对车辆运行工况而言, 先是调查了汽车行驶的实际状况, 分析试验数据以后, 以统计学方法为基础建立而成, 是一种重要的汽车工业技术。对于车辆运行工况的设计, 世界范围内很多高校、研究所都进行了深入研究, 然而不足的地方依然存在。

参考文献

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[7]刘丽.乘用车城区瞬态运行工况的组合设计方法研究.[硕士学位论文], 吉林大学, 2007.

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汽车工况篇5

轮毂电机技术也称为车轮内装电机技术,其最大特点是将动力装置、传动装置和制动装置整合到轮毂内,从而使电动车的机械部分大为简化。然而,轮毂电机由于自身系统的紧凑性带来了一系列的散热问题,尤其是电机仅靠来流风冷散热时,其散热问题更加突出。电机温升过高时,其整体性能会受到很大的影响,主要体现在[1,2]:①永磁体退磁较为严重,电机的负载转矩减小;②加速绝缘材料氧化,导致其失去绝缘性能;③润滑油黏度降低,油膜厚度减小,导致润滑效果恶化;④电机各部件热膨胀,产生较大的热应力,导致几何变形。因此,电机的温升应被控制在相应的绝缘等级范围内,这样才能保证电机具备良好的负载性能,从而使得电动车稳定安全地运行。

文献[3]应用集中参数的热网络法对全封闭风扇冷却的感应电机进行了单电机的热分析研究,研究结果显示,在全负荷加载过程中,定子绕组具有最大的温升,热网络模型和实验值最大误差为13℃,并通过参数敏感性研究发现:定子绕组的温升对电机外表面的对流系数和电机轴的热导率最敏感。文献[4]利用CFD对某内转子单电机进行了热分析,所得结果与试验值误差在±5℃之内,说明采用CFD分析电机散热性能具有一定的准确性。文献[5]利用CFD对无刷直流内转子单电机进行了散热分析,结果表明,在电机外壳加散热翅片可使电机的最高温升下降15%。文献[6]利用CFD对某款内转子电机进行了单电机的热性能分析,分析结果显示,电机外壳增加散热槽可使电机外壳的温度极值减小4.8℃。综合文献调研,CFD计算可对电机的温升做出比较准确的预测,并且能够有效改善电机的散热性能,减少电机散热性能前期设计和后期优化的研发时间和成本。

目前国内外利用CFD研究外转子轮毂电机散热问题的文献较少,而且也仅停留在单电机的研究平台上,并没有结合电动车整车的环境和工况进行相应的分析和研究。一方面是由于目前国内外对轮毂电机电动车还处于前期的研究和测试阶段,很难有公开的样车实物模型或整车数值模型供试验或计算参考;另一方面由于轮毂电机本身结构复杂,加上整车的底盘系统后,其CFD的数值模型将更加精细和繁杂,这将给CFD建模的几何处理、网格划分、计算时间以及计算的不确定性等带来挑战。单电机散热性能的研究并不能准确有效地再现电机周围复杂的热流场结构,尤其是复杂流场中电机表面的对流散热系数、重复制动工况下高温制动盘的热辐射对电机温升的影响等问题都无法在单电机的试验或计算中取得前瞻性的预测。

基于上述原因,本文从电动车前期设计的角度利用CFD计算分析整车条件下电机的散热性能,预测电机温升限值的临界工况,同时分析汽车来流速度和电机轴的热导率对电机温升的影响,为整车环境下轮毂电机散热性能的改进以及电动车的前期设计提供数据支持和方向指导。

1 CFD数值计算方法

1.1 数值方法

利用基于MRF(multiple reference frame)[7,8]和Moving Wall方法的CFD计算模拟轮毂电机电动车在流场中的运行状态,该方法一般应用于固定坐标系的Navier-Stokes方程[9,10]中。根据文献[9]可得

式中,u、v、w为速度矢量u在x、y和z方向的分量,ui、uj为速度分量;xi、xj为坐标分量;i和j指标取值范围是1,2,3;p为流体微元体上的压力;ρ为流体密度;μ为流体的动力黏度;gi为重力加速度在第i方向的分量;β为热膨胀系数;T为热力学温度;T0为初始热力学温度;t为时间;Cp为流体比热;q为热流密度;“-”表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反;λ为热导率;dT/dx为温度在x方向上的导数。

考虑到计算机计算能力的限制,NavierStokes湍流方程很难被直接求解,因此CFD计算引入了相应的湍流模型。式(1)和式(2)中引入速度随着时间产生的脉动变化量u′,因此方程中的速度将由两部分组成,即平均速度和脉动速度部分,于是产生了雷诺应力项,其与平均速度梯度的关系如下:

式中,u′、v′和w′为速度分量u、v和w的脉动量;μt为湍动黏度,是空间坐标的函数,取决于流动状态,而不是物性参数;δij为Kronecker delta符号(当i=j时,δij=1;当i≠j时,δij=0);k为湍动能。

为加强计算收敛的速度及稳定性,本文所用的涡黏模型为Realizable k-ε模型,壁面区采用标准壁面函数[10,11];由于制动工况下制动盘的温度较高,故采用DO辐射模型[10,11]计算制动盘热辐射对电机的影响,制动盘和电机表面的热辐射系数设为0.8[12],计算软件为FLUENT 12.0。

1.2 计算模型

本文研究的电动车模型如图1所示,整备质量1300kg,最高设计车速120km/h。每个车轮上装有绝缘等级为H级的轮毂电机,额定功率5.5kW,电机结构如图2所示。计算模型的网格由HyperMesh和T-grid软件生成,以整车的长宽高(14lv×10wv×5hv,lv、wv、hv分别为车的长度、宽度、高度)确定计算域,如图3所示,体网格数量为1600万。

1.3 计算工况与边界条件

整车计算工况包括:匀速工况、重复制动-再生制动工况和匀速爬坡工况。其中匀速工况代表电动车常见的高速和低速的巡航工况;重复制动-再生制动工况过程中由于制动盘温度较高,其热辐射可能对电机温升产生较大的影响,同时再生制动过程中,电机本身作为发电机也将产生相应的热损耗,此时电机在内外热源的共同作用下,其温升特性有待考察;匀速爬坡工况电机的负载较大,来流速度较低,因此电机的散热条件比较苛刻,其温升程度有待确定。

边界条件根据电动车的最高设计车速制定。参考GB 21670-2008《乘用车制动系统技术要求及试验方法》,制定出电动车的重复制动工况,如图4所示,共进行20个制动周期(900s),其边界条件通过自定义函数(UDF)[10,11]的二次开发进行编辑和定义。匀速爬坡(10%坡度)的设计车速为10km/h。地面的移动以及部件(散热器风扇、电机转子、车轮)的转动分别通过Moving Wall和MRF的功能实现[7,8,9],环境温度设为45℃。电机各工况下的热损耗均来自973计划项目平台的轮毂电机台架实验数据,材料的物性参数由电机厂家提供,此处略去具体数值。

2 不同工况的计算结果与分析

2.1 匀速工况电机的热分析

图5所示为100km/h匀速工况下电机中心横截面上的温度分布,电机的温度极值位于内部的定子绕组上,最高可达156.1℃,并且绕组的温度分布比较均匀,这是由于定子绕组的热导率较大,热阻较小,因此绕组内部的温度梯度较小。

图6为电机传热路径示意图,可以看出电机由铜损、铁损产生的热量通过相应的热阻引起一定的温度梯度,并最终通过电机的端盖、外壳以及电机轴传出,因此电机的温升可为

式中,Tmax为电机的温度极值;PFe为铁损;PCu为铜损;Rcp为电机各部件的热阻;Rcv为电机表面对流传热热阻。

图7所示为100km/h匀速工况下电机的传热分布,可以看出90%的热量是从电机表面(端盖1、端盖2、外壳)传出,剩余10%左右的热量从电机的轴传出,由此可以预见电机外表面的对流传热对电机的散热性能影响较大,电机轴自身的导热性能也将对电机温升产生一定的影响,其具体的影响程度将在第3部分中详细说明。

图8所示为不同巡航工况与电机温度极值的关系,可以看出电机的温度随着车速的增大而增大,在95km/h左右,电机的最高温度接近其性能参考温度145℃(表1)。在来流风冷散热条件下,电动车长时间以95km/h及以上的速度匀速行驶时,电机的温升将过大,这表明高速巡航工况是电机的一种高负荷工况,电机仅靠前端来流的风冷散热难以满足其冷却需求,一方面说明电动车的设计车速需考虑轮毂电机温升的制约,另一方面说明轮毂电机的散热优化设计是整车开发前期必不可少的环节。

2.2 重复制动工况电机的热分析

重复制动工况过程中,制动盘的温度较高,通常可达400℃以上[13,14,15,16],因此需要考虑制动盘的热辐射对电机温升的影响。

分别对重复制动-无再生制动和重复制动-50%再生制动这两种瞬态工况进行计算,得到在900s过程中轮毂电机和制动盘的温度随时间的变化情况,如图9所示。

由图9可知,在前300s制动盘的温度增长较快,随后温度增长速率开始逐渐下降直至盘面温度趋于稳定。轮毂电机的温升趋势基本与制动盘一致,其温度幅值远小于制动盘温度幅值。相对于无再生制动工况,50%再生制动工况制动盘的最高温度由405℃下降至247℃,而轮毂电机的最高温度由118℃上升至160℃。

1.无再生制动工况下制动盘最高温度2.50%再生制动工况下制动盘最高温度3.50%再生制动工况下电机最高温度4.无再生制动工况下电机最高温度

这是因为在50%的再生制动过程中,制动器50%的制动能量被转移到电机上,因此制动盘温升下降了近40%,而此时轮毂电机处于发电模式,发电时产生的铁损、铜损等热损耗将使电机的温度上升至160℃,这已超过了H级电机绕组的性能参考温度(表1)。因此,作为电机的另一种高负荷工况,再生制动策略在轮毂电机电动车上的运用,除了要考虑电机本身的制动效率以及整车制动性能等因素的影响外,还必须兼顾电机的温升特性。

图9的计算结果同时表明:重复制动-无再生制动工况下,制动盘的高温热辐射并没有使电机绕组的温度有较大的提升,这是由于整个过程中电机外表面吸收的热辐射能有限。如图10所示,在前400s,电机表面吸收的热辐射能较小,平均值为63W,后500s的平均值为107W,即整个重复制动过程电机吸收的辐射能较小,且时间较短。

2.3 匀速爬坡工况电机的热分析

本文设计的电动车其额定爬坡坡度为10%,爬坡车速为10km/h。通过瞬态的热流场计算,得到轮毂电机的瞬态峰值温度随时间的变化曲线如图11所示。

由图11可知,当时间t=352s时,电机的温度上升至H级电机的性能参考温度145℃(表1),此时汽车行驶的距离为978 m。根据JTG B01-2003《公路工程技术标准》,道路坡度为10%的纵坡坡长应不大于200m,由此说明电动车的爬坡性能满足大部分的道路条件,即电动车低速爬坡(10%)工况下,轮毂电机依靠来流风冷散热基本满足其散热冷却要求。本文电机的功率较小,因此前期定位的最大爬坡坡度较小,未来可对大功率电机高速爬坡工况的温升性能进行探索,以建立更完善的汽车爬坡坡度、爬坡速度与电机温升之间的关系。

综上可知,在高速行驶和重复制动-再生制动这两种高负荷运行工况下,电机仅依靠前端来流风冷散热是比较困难的,因此可通过研究给电机加装散热翅片,设计冷却风道、冷却水道或水套和优化电机结构尺寸等方式来达到对电机的散热冷却效果,使其满足高负荷的运行工况。

3 来流速度和电机轴热导率对电机温升的影响

3.1 电机散热性能与来流速度的关系

图12所示为电机周围的流场分布,可以看出部分前方来流由进气格栅进入汽车前舱,绕过制动钳、悬架和制动盘等部件后,冲向电机的端盖和外壳,以强制对流的方式带走电机的热量,因此从车轮外侧只有少量气流进入轮辋吹向电机。因此电机对流散热的性能基本决定于汽车前舱下方电机周围的流场分布,尤其是车轮内侧吹向电机的空气质量流。由图12可知,大部分气流由于受到制动钳和悬架的阻挡作用而产生分离,并形成旋涡,从而导致电机周围气流减弱,因此轮边气流的诱导是未来优化电机来流风冷散热一个非常重要的研究方向。

图13为电机热源固定时,不同来流速度与电机外表面平均对流传热系数以及电机温升的关系曲线,可以看出随着来流速度的增加,电机外表面的平均对流传热系数呈指数趋势增加,电机的温度极值呈指数趋势逐渐下降。

结合传热学中对流传热系数(h)的定义[12]分析如下:

式中,Re为雷诺数;Nu为努塞尔特数;L为传热面的几何特征长度,是垂直于传热面方向的尺度;Pr为普朗特数;λf为流体的热导率;C为比例系数;m和n分别为Re和Pr对应的指数;u为汽车前方来流速度;l为雷诺数的特征长度;ν为运动黏度。

由式(8)~式(10)可得

结合式(11)及图13拟合出电机外表面的平均对流传热系数haver与来流速度u的关系式:

由式(12)和式(11)可知电机表面对流传热的指数m=0.7;而文献[12]中圆柱体表面的指数m值满足0.618≤m≤0.805。由此表明电机在复杂的整车轮边热流场中,其表面的对流散热特征与圆柱体较为接近,从而间接说明本文电机的CFD计算结果在传热规律上的合理性。

从数据敏感角度分析,如图13所示,当来流速度u从50km/h增至120km/h时,传热系数h由39.60W/(m2·K)增至72.93W/(m2·K),即h增大了33.33W/(m2·K)(84.2%),电机的温度极值下降了24.9℃,由此表明来流速度对电机的温升影响较大。究其原因,一方面随着来流速度的增大,电机周围的气流速度逐渐增大(图14),即逐渐增强的空气质量流加速带走了电机外表面的热量;另一方面,来流速度的增大使得电机周围的湍动能逐渐增强(图15),其强烈的“混合搅拌”作用促进了电机表面与周围空气的能量交换。上述因素的综合作用直接减小了电机与空气之间的对流传热热阻,因此电机的散热性能得到了大幅的提升。

3.2 电机散热性能与电机轴热导率的关系

电机轴通常由钢材制造而成,其热导率在46.5W/(m·K)[12]左右,而其他金属材料,例如铝、铜等,其热导率远大于钢的热导率[12];另据文献[17,18],热管可在5K的温差条件下,传导20W的热量。据此,将电机轴设计加工成集成式热管轴或其他高导热材料轴,其等效热导率可达700W/(m·K)[12]以上。据此本文将电机轴的热导率λ设置成8个等级,计算得到不同λ对应的电机轴的导热量和电机的温升,如图16所示。

由图16可知,电机轴的传热量随着λ的增大而增加,电机的温度极值随λ的增大呈指数趋势减小。当λ由46.5 W/(m·K)增至700W/(m·K),即λ增大了653.5W/(m·K)时,电机的温度极值下降了27.3℃。当来流速度u从50km/h增至120km/h,即来流速度增加幅度为原车速的1.4倍时,电机的温度极值下降24.9℃;而当电机轴的热导率λ由46.5W/(m·K)增至700W/(m·K),即λ的增幅为原热导率的14.1倍,电机的温度极值仅下降27.3℃。另外在常温下一般金属材料的热导率λ很难达到700W/(m·K),查表[19]可知大多数金属的热导率在250W/(m·K)以下,而电动车车速很容易达到120km/h,因此,从数据敏感性的角度来看,相对于3.1节中来流速度对电机温升的影响,电机轴的热导率对电机温升的敏感性较差,然而当电机轴的结构材料得到较大的改善时,即λ的增幅较大时,电机的温升性能仍能有所改善。

4 结论

(1)在高速行驶、重复制动-再生制动等高负荷工况下,轮毂电机仅靠前端来流风冷散热比较困难,为此可通过给电机加装散热翅片,设计冷却风道、冷却水道或水套和优化电机结构尺寸等方式来达到对电机散热冷却的效果,使其满足高负荷的运行工况。

(2)重复制动-再生制动工况下制动能量的分配需要着重考虑其对电机温升的影响;重复制动过程中高温制动盘的热辐射对电机温升的影响较小;低速爬坡(10%)工况满足电机的散热需求。

汽车工况篇6

香港主要有山地、丘陵、台地和平原四种地貌类型, 其中山地是香港的主要地貌类型, 花岗岩山地分布面积最广, 约占全港陆地面积的70%。 (《中学地理教学参考》1996年第9期) 香港作为国际大都市, 车流量巨大, 同时路网密集、道路狭窄, 地面起伏波动较大的山区道路是香港最典型道路, 典型山区道路行驶的汽车在怠速、匀速、减速和加速运行状态直接影响油耗和排放状况。本文选取香港港岛典型山区道路, 采用车载便携式尾气检测系统, 对汽车排放污染物进行研究, 检验国际大都市典型山区道路汽车行驶工况的油耗和污染排放水平具有重要意义。

1 研究方法

1.1 测试系统设计

汽车排放的检测可以在转鼓试验台上按事先给定的行驶模式模拟在实际道路行驶中的状况, 通过定容取样系统 (CVS) 测定各种排放物的质量, 其中的行驶模式就称为行驶工况 (driving cycle) 代表了车辆在被检测地区的道路行驶中典型的车速变化规律[3]。

本测试系统由油耗测试系统、速度测试系统和尾气排放系统等三个系统组成 (如图1) 。

油耗测试系统是由发动机连接油耗测量装置, 油耗测量装置通过数据收集装置, 将油耗数据传送到电脑。汽车速度是通过微波测速传感器连接数据收集装置, 将速度数据传送到电脑。尾气排放分析系统是通过尾气分析装置, 将汽车行驶过程中每秒排出的CO、HC、NOx、CO2、O2等五种气体和空燃比 (A/F) 记录下来传送到电脑当中。电脑按照预先设定的计算程序, 将收集得到的数据进行计算, 得出汽车行驶过程中的油耗情况, 以及尾气排放情况。

1.2 测试车辆与仪器

本研究测试车辆是日本尼桑Tiida型双排5座自动挡轿车。该车2005年生产, 1.5升排量, 直列4缸汽油发动机, 欧IV排放标准, 最大转速功率为6 000。测试车辆是目前香港普遍使用的车型, 低油耗、低排放。

装载在测试车辆上的尾气自动分析仪 (Auto Gas Emissions Analyzer) 是由Autologic生产, 可测量CO、CO2、HC、O2, 、NOx等五种气体浓度以及空燃比, 本研究只关注尾气中CO、HC和NOx等三种污染气体及空燃比。尾气自动分析仪由采样软管与汽车排气管连接。其中, CO、CO2和HC是采用非色散红外分析法测出;O2和NOx是由电化学传感器测出, 燃油消耗是由燃料流量计测量, 车速由Corrsys-Datron微波速度传感器测量。

2 测试过程

本次的测试路线选择在香港港岛典型山区道路区域进行, 按照坐标点A-B-C-D顺序行驶, 以蒲飞路为起点先后经过士美非路、科士街、金钟道、红棉路、罗便臣道、般咸道最后回到起点士美非路 (如图2) 。这条路线属香港典型的山区道路, 测试线路全长10.11 km, 平均速度21.80 km/hr, 全程耗时23分钟。选择的这条路线与Lee, C.P对香港典型山区路段工况特征分析高度吻合, 具有香港典型山区道路工况的特征[4]。

本线路的测试在2010年10月12日至15日进行, 均选择了每天上午8∶00-9∶00的繁忙时间段进行。对本路线进行了5次测试, 最后选择了正常行驶条件下的3组代表性数据进入分析。

Tong研究了汽车运行四种阶段模式:[5]加速阶段Accelerating mode (a>0.1 m/s2) , 车辆加速度大于0.1 m/s2;减速阶段Decelerating mode (a<-0.1m/s2) , 车辆加速度为负且绝对值大于0.1 m/s2;匀速阶段Cruise mode (-0.1 m/s2≤a≤0.1 m/s2) , 车辆速度变化的绝对值小于或等于0.1 m/s2;怠速阶段Idle mode (V=0;a=0 m/s2) 加速度和车速为零。一个完整的行驶周期是指在速度时间变化曲线上, 以怠速模式开始, 又以怠速模式结束的任何一段, 但不含怠速段。

3 油耗与排放结果分析

3.1 单位油耗与排放分析

在测试中获得了行驶时间、行驶距离、消耗燃料重量、尾气中各项污染物百分比浓度等数据, 将这些数据采用具体方法进行计算和转化[6]。通过计算获得汽车在香港港岛典型山区道路单位时间、单位距离和单位油耗的排放数据 (表1) 。

根据汽油机排放欧IV排放标准, 单位距离CO、NOx和HC排放分别应当是1.0 g/km、0.08 g/km和0.10 g/km。从本路段测试结果来看, 香港港岛典型山区道路汽车的NOx和HC排放都低于欧IV标准;由于本路段是山区道路, 坡度较大、坡路多, 因而CO单位距离排放高出欧IV标准的2倍。

3.2 分阶段油耗与排放分析

本次测试的路段多次平均耗时23分钟, 其中有37.09%的时间为加速状态, 30.09%的时间是减速状态, 21.75%时间是怠速状态, 11.08%的时间是匀速状态。经过分析得出香港港岛典型山区道路汽车油耗和三种尾气的排放水平 (表2) 。

加速运行工况下污染物的排放量远高于其他运行工况[7]。本研究分析来看, 加速阶段时间只占总耗时的37.09%而油耗和三种气体排放分别占总油耗的57.3%和64.34%、73.75%、56.56%。加速和减速两个阶段占总时间的67.18%, 而油耗是总油耗79%, CO、NOx和HC排放分别是各自总排放的85.03%、87.93%和78.46%。可见香港港岛典型山区道路的坡度设计、地形地貌、交通流量、交通信号配时对汽车油耗和污染气体排放有直接影响。

3.3 车辆瞬时排放分析

测试结果如图3所示, 从中可以发现, CO排放一般出现在车辆从怠速到加速的时间点, 测试中有4次CO排放超过0.5 g/s, 4次都出现在车辆速度瞬时变化最快的时间点, 其中CO排放峰值在687秒的时候, 车辆瞬时速度变化最为剧烈。

从道路坡度变化与CO排放之间关系来看 (如图4) , 二者之间并不存在规律性关系, CO排放与瞬时坡度变化即坡的长短有关, 其中前两次CO排放最多出现在短坡加速时点。

空燃比 (A/F) 与NOx的排放关系最为密切, 从瞬时空燃比与NOx排放之间的关系来看 (如图5) , 测试过程中NOx排放均小于0.008 g/s。当燃空比超过60的时候NOx排放也达到峰值, 说明发动机燃料不充足时NOx排放最多, 发动机工作性能与NOx排放多少有关。

4 结论

从汽车运行分阶段来看, 香港典型山区道路汽车在瞬时加速和减速阶段的油耗和三种气体排放量均远远大于匀速和怠速阶段。车辆从怠速到加速的时间点瞬时速度变化最为剧烈, CO排放最多;道路坡度变化与CO排放之间并不存在规律性关系, CO排放与瞬时坡度变化即坡的长短有关;山区道路行驶过程中发动机燃料不充足时NOx排放最多。

在山区道路设计、地形地貌和驾驶习惯对车辆油耗以及CO、NOx和HC排放有直接关系, 可以通过坡道加宽、坡道延长、减少坡道红绿灯等措施以及学会缓和的驾驶操作使得车辆在山区道路行驶过程中减少速度变化频率, 从而减少油耗以及CO、NOx和HC排放。

参考文献

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汽车工况篇7

1 简易瞬态工况法的主要设备

简易瞬态工况法的设备主要包括:底盘测功机、排气取样系统、五气分析仪、气体流量分析仪和自动检测控制系统。

1.1 底盘测功机

主要用于模拟车辆道路行驶的各种工况, 要求能够模拟车辆在道路上行驶的加速惯量, 即底盘测控机通过控制功率吸收单元模拟车辆在道路上匀速和加速工况, 减速工况只通过基本飞轮部分模拟, 或者能够模拟车辆在道路行驶的全惯量。

1.2 排放取样系统

包括水气分离系统、颗粒过滤装置、取样泵和流量控制单元。应保证其可靠耐用, 无泄漏且易于维护, 与取样气体接触的制造材料不能与取样气体反应且不污染取样气体或改变被分析气体的特性。

1.3 五气分析仪

直接对排放气体进行采样分析。其中一氧化碳 (CO) 、二氧化碳 (C02) 、碳氢化物 (HC) 采用不分光红外法 (NDIR) ;氮氧化物 (NOx) 采用电化学法或其他等效方法。五气分析仪应能满足至少5Hz的排放浓度测试能力, 并且每次开始测试前, 应对环境温度、湿度进行测量, 至少每秒测量一次。

1.4 气体流量分析仪

主要用来即时地测量排放气体的流量, 由气室、蜗旋流量传感器、氧气传感器、抽气机、温度和压力传感器等组成。气体流量分析仪将测量稀释后的气体的氧含量与原排放气体中的氧含量相比较, 求得质量稀释的比例, 通过稀释比和气体流量分析仪测得的流量, 计算出每一秒的排放体积。然后根据排放体积和五气分析仪测量出来的排放浓度来计算汽车每秒排放的污染质量。

1.5 自动检测控制系统

根据输入的车辆参数自动设置加载载荷和选择排放标准。检测程序、数据采集和分析判断检测结果都由自动检测控制系统自动完成。

2 简易瞬态工况法检测流程

2.1 车辆预检

待检车辆完成车辆检测登记后, 引车员应将车辆驾驶到底盘测功机前等待检测, 并进行车辆的预先检查。预先检查的目的是核实受检车辆是否和行驶证相符, 并评价车辆的实际状况是否能够进行简易瞬态工况法检测。在进行预先检查时, 如果发现受检车辆的车况太差, 不适合进行简易瞬态工况法检测, 必须进行修理后才能进行检测。

2.2 实验设备准备和标定

(1) 取样系统进行至少15min的连续清洗, 若为反吹清洗则不少于5min。将取样探头插入汽车排气管250mm, 若深度不能保证应加长排气管。 (2) 对五气分析仪和气体流量分析仪进行预热, 使其在通电后30min达到稳定。在每次开始实验前, 分析仪器完成自动调零, 测定环境污染水平和HC残留量。采集的环境背景样气应满足以下条件HC<7×10-6, CO<0.02%、NO<25×10-6且取样系统中HC残留量浓度高出环境背景氧气浓度不超过7×10-6时, 仪器可以使用。 (3) 在对测功机进行预热之后, 进行滑行试验, 在滑行试验合格后方可进行简易瞬态工况法的排放检测。计算机系统根据车辆参数自动设定测功机载荷或根据基准值来设定试验工况的吸收功率值。

2.3 检测

启动发动机, 使发动机保持怠速运转40s, 然后进行进行试验。在试验过程中应注意: (1) 怠速运行工况。对于手动或半自动变速器, 怠速期间, 离合器接合, 变速器置于空档;为了按正常循环进行加速, 车辆应在循环的每个怠速后期, 加速开始前5s离合器脱开。对于自动变速器, 在试验开始时放好档位选择器后, 在试验期间任何时候不再操作档位选择器。 (2) 加速运行工况。在整个工况过程中进行加速时, 尽可能使加速度恒定。若加速度未能在规定时间内完成, 如有可能, 超出的时间应从工况改变的复合公差的时间中扣除;对于自动变速器若加速不能再规定时间内完成, 应按照手动变速器的要求, 操作档位选择器。 (3) 减速运行工况。在减速工况时, 应使加速踏板完全松开, 离合器接合, 当车速降至10km/h时, 离合器脱开, 但不操作变速杆。如果减速时间比响应工况规定的时间长, 则应使用车辆的制动器, 以使循环按照规定的时间进行。如果减速时间比响应时间规定的时间短, 则应在下一个等速或怠速工况时间中恢复到理论循环规定的时间。 (4) 等速运行工况。从加速过渡到下一等速工况时, 应避免猛踏加速踏板或关闭节气们。等速工况应采用保持加速踏板位置不变的方法实现。

2.4 检测完毕

循环终了时, 车辆停止在转鼓上, 变速器置于空档, 离合器接合。同时停止取样。

3 结果计算及判定

在简易瞬态工况法中, 计算排放气体质量全部由系统自行进行。计算过程如下:

气体流量分析仪将测量稀释后的排放气体的氧气含量与原来为稀释排气的氧气含量进行比较, 得出稀释比例K;通过稀释比例K与其体流量分析仪测得的稀释后的流量V0, 得出实际每一秒的车辆的排放气体体积V1, 再根据五气分析仪测得P的浓度得到每一秒排放气体的质量M。如下列公式所示:

(式中:K—稀释比例;Co2—环境O2浓度;C’o 2—稀释后排放气体中O2浓度;Co2—原始O2浓度)

(式中:p—气体的密度)

将计算所得到的每秒排放气体的质量M转换成单位里程下的排放质量即排放因子M1。

排放因子 (g/km) M1= (M/S) (4)

(式中:M—单位时间排放质量g/s;S—车辆单位时间当量行驶距离km/s)

结果判定。将测量所得的排放因子与简易瞬态工况法的排放限值相比较, 获得车辆最终的检测结果。排放限值应根据各地的实际情况, 结合车辆的基准质量、车龄、车辆类型等来制定。

摘要：汽车尾气排放的治理和监管是我国城市大气环境改善的重要任务。简易工况法在汽车排放检测中具有很大的优越性。本文重点介绍了简易瞬态工况法的检测、计算方法和具体运用。

关键词：汽车排放检测,简易工况法,大气环境

参考文献

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[2]江宇红.汽车排放检测新技术研究[J].中国环境监测.2004, 2.

汽车工况篇8

车辆行驶工况的开发具有很重大的意义, 其主要作用可以体现在以下三个方面。首先可以为考察某一区域的车辆排放以及能源消耗, 进而考察该地区车辆排放对环境污染造成的影响有多大;其次可以为当地车辆的动力匹配提供数据支持, 例如该地区普遍行驶规律如何, 选多大马力和功率的发动机最适合;此外, 也为车辆性能检测和维护提供依据。

上世纪我国大量引进德国汽车技术和成品, 因而我国所采用的是欧洲车辆工况, 并根据我国实际情况经过一部分完善形成我国的国家标准。但由于我国每个地区之间的环境气候、城市结构、交通法规、交通状况、经济发展状况等有很大的不同, 用单一的国标来给所有地区实行统一标准化很明显是不准确的, 因此单独来研究构建适合某一地区的车辆行驶工况就显得十分有意义。

根据定义不同种类的车辆, 其行驶工况都是不尽相同的。本文主要是要构建一套适合长春市冬季公共汽车的行驶工况, 公共汽车相对于一般乘用车辆具有平均速度低、起停频繁、怠速状态多、加速度小等特点, 因此我国所采用的不论是国标还是欧标都不能满足该使用需求。选取长春市典型路段进行多车次的实车试验, 最终构建出适合长春市冬季的主干道公共汽车行驶工况, 为长春市的公共汽车动力选配以及排放检测提供了数据支持。

1 试验方案

1.1 工况构建方法

本文所采用的公共汽车行驶工况方法是基于运动片段拟合构建的[1,2]。根据试验结果, 本文提取出整条线路完整的速度-时间数据, 进而依怠速阶段将所有的数据划分为若干独立的行程片段, 即将某怠速阶段到下一怠速阶段的一整段速度不为0的数据划分为一个行程片段[3,4], 之后将分别求出各个行程片段的所以27个特征值指标, 其中15个特征值指标用于拟合工况, 12个指标用于拟合工况的有效性检验。之后, 将各片段特征值构建特征值矩阵, 并利用Matlab软件和SPSS数理统计软件对这些矩阵进行主成分分析和聚类分析, 分别完成数据片段的降维和聚类处理, 之后进行有效性验证[5];并最终拟合成一条能代表实车数据的速度-时间联合分布曲线, 完成工况构建。

构建流程图如图1所示。

1.2 数据采集方法以及路线确定

平均车流法又被称为代表性工况法, 这种方法要求驾驶员在规划的试验时间和试验道路上依据交通情况, 随平均车流稳定行驶, 驾驶员在行车过程当中不刻意的去加速或者减速。此方法受驾驶员主观影响性较小, 而较大的受到交通情况和道路情况等客观环境的影响, 因此采用平均车流法需要事先规划好试验道路和试验时间段, 才能良好的体现出该道路行驶的真实情况。

由于本文要测试特定线路的公共汽车行驶信息, 只需要根据需要来确定选择哪几条线路作为测试线路即可, 因此选择平均车流法作为此次的数据采集方法。本文选取了长春市主干道306路为调查样本进行取样试验。

1.3 试验数据采集

现行的无论是车辆自带的速度传感器还是外部高精度传感器, 其速度的信号脉冲一般是车轮每转一周发射6个、24个和48个脉冲信号。试验表明, 当脉冲信号数量较低时, 会使测量到的加速度平滑性下降, 也会低估匀速阶段所占的比例, 因此本文采集数据时选择车轮每转一周传感器发射48个脉冲信号, 以获得良好的试验数据。

现行较主流的数据记录仪的采样频率包括5Hz、2Hz和1Hz三种, 频率越大则采样间隔相对越小, 这样采集到的数据越平滑, 但是过高的采样频率会过分平滑加速和减速阶段, 而且同时需要考虑后期数据采集的方便性。本文所选取的采样频率为1 Hz, 即采样间隔为1 s。

经过研究表明, 试验数据量和试验结果的准确性具有如图2的关系曲线[6,7]。由图2可以看出, 当采样数据量达到临界值n之前, 结果准确性和数据采集量呈正相关, 但是当达到临界值n后, 递增效果就不明显了。

本文所做试验路段为经过筛选的典型路段, 可以很好地代表长春市的公共汽车行驶工况, 并且数据量均在6 000~8 000 s之间, 经验证已经满足该数据量大于或等于该临界值。因此, 可以认为试验数据可以较准确地描述典型路段的实际状况。

1.4 试验车辆选择

公共汽车参数主要包括公共汽车型号、车身外形尺寸、动力类型、轴距、核定载客量等方面内容。表1为本次试验所选公共汽车技术参数。

2 试验数据计算及预处理

本文采用平均车流法分别对长春主干道306路公共汽车试验数据进行了数据采集, 通过主成分分析方法和聚类分析方法对长春市公共汽车行驶工况进行分析, 并最终拟合出900~1 200 s的行驶工况曲线。具体路线图如图3。

2.1 实验数据整理及修正

本试验数据通过FUGAWI软件进行采集输入, 采集时间间隔为1 s, 根据不同次数的试验结果发现, 采集的数据一般为6 000~8 000 s, 并经转换生成一系列TXT文件输出保存。由于GPS对于低速车辆的速度测定存在误差, 所以本文必须把录入的数据中存在问题的进行一定的矫正。

例如, 当公共汽车在怠速状态时, 电脑上会显示目标不规律的位置偏移和跳动, 而软件中记录的速度也会存在0 m/s~2 m/s范围内的偏差, 这时需要记下来误差出现的地方, 以便后续数据处理时把波动速度修改为0 m/s。

2.2 试验数据行程片段划分

本文通过对公交运行的状态划分为若干个行程片段, 再通过主成分分析和聚类分析, 对其进行处理后得出结果准确而且精简的模态工况。根据上文中定义, 每个行程片段的始末速度为0 m/s, 因此, 根据加速度的大小每一个行程片段都将包含四种典型的行驶状态, 即加速状态、匀速状态、减速状态和怠速状态。具体分类如下[8]。

(1) 加速状态:汽车加速度≥0.15 m/s2, 同时汽车速度≠0 m/s。

(2) 匀速状态:汽车加速度绝对值≤0.15 m/s2, 同时汽车速度≠0 m/s。

(3) 减速状态:汽车加速度≤—0.15 m/s2, 同时汽车速度≠0 m/s。

(4) 怠速状态:汽车发动机运转, 但是汽车速度=0 m/s。

2.3 行程片段特征值计算

本文选取了15个片段特征值来描述公共汽车行驶工况, 并作为评价标准以及此后主成分分析和聚类分析的数据基础[9], 如表2所示。

除此之外, 还另外选取了17个片段特征值用于判断特征值有效性, 这些特征值可以为之后的工况构建时片段提取提供有效性验证依据, 主要包括各阈值的速度和加速度所占整体比例等[10], 如表3所示。

经过对文中所提15个特征值的调整, 选取更加符合调查情况的指标, 最终所选取的15个特征值分别为运行时间t、加速比例ta/t、减速比例td/t、匀速比例tc/t、怠速比例ti/t、运行距离S、最大速度Vmax、平均速度Vm、平均速度 (不包含怠速状态) Vmr、速度标准偏差Vsd、最大加速度amax、加速段平均加速度aa、最大减速度amin、减速度平均减速度ad和加速度标准偏差asd。

本文所做线路试验均分两次 (上下行) 记录, 因此, 在处理数据前应该先把数据合并, 方便进一步处理。根据上文论述, 将合并数据中的误差记录点导入Excel表格修正后, 用Matlab软件进行特征值计算, 结果为:主干线306路共包含数据点5 698个, 经分段后所得行程片段317个。

3 长春市主干道公共汽车行驶工况构建

3.1 主成分分析

所谓主成分分析法是指将初始的多个统计分析变量经过降维后得到少个变量, 而且可以较精确的表达原有分析结果的分析方法。数学表达式如下:

本节内容将根据长春市典型路段的处理数据, 利用Matlab软件和SPSS统计分析软件对线路进行主成分分析, 最终得到线路的主成分个数、主成分得分、因子载荷图等相关信息。

1) 因子变量解释贡献率

由上述内容可知, 主成分解释方差, 即所求协方差矩阵的特征值表征了各主成分包含的信息量的大小, 由表4数据可得, 选取前三个总贡献率达到88.815%的主成分, 可认为这三个主成分可以良好的表征初始的15个数据片段特征值。

2) 因子载荷矩阵

得到各成分的解释贡献率之后, 可以计算出各成分的因子载荷矩阵, 在该矩阵当中可以清楚地看到初始的15个特征值因子在各主成分中所占载荷大小, 这样可以观察每一种主成分所包含的因子包含哪些, 进而明白各主成分所表示的片段特征值含义有哪些, 306路分析结果见表5。

通过旋转后的因子载荷矩阵结果, 可以知道:

第一主成分主要表征的因子包括运行时间t、减速比例td/t、运行距离S、最大速度Vmax、平均速度Vm、平均速度 (不包含怠速状态) Vmr、速度标准偏差Vsd、最大加速度amax、加速段平均加速度aa、最大减速度amin、减速度平均减速度ad和加速度标准偏差asd。

第二主成分包括加速比例ta/t。

第三主成分包括匀速比例tc/t、怠速比例ti/t。

3.2 聚类分析

本文所采用的聚类方法是快速聚类法, 快速聚类法是指依据样本中个体之间某类性质的亲属程度, 将相类似的个体快速的逐次聚类而进行快速归类的方法。

利用第一节中306路主成分分析的结果, 将观察数据分为317个数据片段, 进行主成分分析后得到了主成分分析的一个317×3的数字矩阵, 利用SPSS18.0软件对该矩阵进行聚类分析。通过实车试验分析, 本文确定306路主要行驶特征主要分为三类, 主要得到以下结果:

1) 最终聚类中心之间的距离

本次处理过程将迭代次数上限设置为10, 经过系统的反复迭代, 得到最终聚类结果的聚类中心距离如表6所示。

2) 每一类中样本点数

在SPSS18.0软件中可以设置每一样本点所属类别, 这样可以清楚地观察到每一类中包含的数据片段有哪些, 进而为后续确定每一类中片段的行驶规律提供了研究基础。

3) 聚类成员表

由表8可以看出所有317个数据片段都是有效片段, 这里给出每一样本点所属类别, 之后根据该表在Matlab中找到各片段原始数据。

3.3 工况构建

在进行主成分分析和聚类分析之后, 利用有效性检验特征值和预拟合数据的相关系数来分析处理后的数据, 在保证各片段的15个行驶工况特征值和整体特征值的相关性系数在0.95以上的情况下, 提取900~1 200 s的预拟合数据, 之后依据片段有效性验证特征值验证预拟合数据, 保证各阈值段的速度、加速度等时间比例不超过原始数据误差的10%, 则可以认为拟合数据通过验证, 最终将选取的数据拟合成为工况曲线。

306路实车试验包含5 695个样本点, 为了考察长春市的交通状况, 试验时间选择在早上7点30分开始, 为早高峰阶段。306路试验数据整体的特征值如表9所示。

通过Matlab各片段特征值和整体特征值的相关性检验所选取的预拟合数据如表10所示。从表10可以看到, 每一类中所有片段的特征值和该类整体特征值的相关性系数都在0.95以上, 这样就保证了每一片段对于该类的代表性。

表11给出了经过相关性检验的预拟合数据的有效性检验, 包括预拟合数据各阈值速度、加速度所占比例以及加速比例、减速比例、怠速比例和匀速比例和原始数据整体的相对误差。

经过有效性检验, 发现各特征值和整体误差都没超过10%, 可以认为数据是有效的, 所选数据包括第一类16个片段, 第二类3个片段和第三类4个片段共计1 161 s数据;将所选片段数据按类拟合后, 用Matla将所选取数据拟合成典型的行驶工况如图4所示。

4 结论与展望

(1) 在研究国内外现状的基础上, 分析了长春市城市经济发展、城市规划以及交通流量等方面的内容, 并依据特点选取主干道作为研究路线;依据国家相关标准确定冬季试验时间为2013年1月。然后搭建试验系统, 通过两个时段的实车试验得到约300 00 s的试验数据, 提出了运动学片段的提取方法并定义了合适的运动学片段特征值, 得到特征值矩阵。

(2) 通过主成分分析法将特征值矩阵降维, 比较后得到一个可以准确描述和表征原来矩阵的主成分矩阵。然后通过实车试验分析和聚类分析确定合适的分类数为3, 分析数据后确定这三个分类的意义:持续较久的低速运行、持续较久的中高速运行以及短时间内频繁启停。

(3) 在主成分分析和聚类分析之后, 进行了数据的相关性检验, 确保所选择数据片段正确归为某一对应分类;进行了所选择拟合片段的有效性检验, 以确保所拟合曲线和试验中实际工况的运行特征一致;构建了简化后的1 200 s长春市主干道公共汽车行驶工况。

(4) 目前国际上的车辆行驶工况绝大部分时乘用车, 对于公共汽车的行驶工况仍然没有一个统一的标准, 因此如若可以将本文研究内容受到其他国家和组织的认可, 从而构建国际性的标准, 那么对于公共汽车行驶工况的发展和应用必然有很大的推动作用。

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