商用车燃油经济性道路试验方法研究

吴天昊，马冬山

摘  要：在石油能源日益紧张和国家提出并规范节能降耗要求的时代背景下，商用车燃料经济性已经跃居用户关注度首位。因此，制定一项能够准确反映汽车燃料经济性水平并能够对汽车行驶工况进行分析的试验方法是非常必要的，尤其是能够为整车产品开发提供具有实际意义的试验数据，为提高企业商用车市场竞争力做出贡献。本论文阐述了通过确定试验道路与试验方法，采集行驶工况数据，分析行驶工况和验证试验方法等技术手段，制定了新的商用车燃油经济性道路试验方法。

关键词：燃油经济性;商用车;试验方法;行驶工况

中图分类号：U473     文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2021）04-0030-08

Research on Road Test Method of Commercial Vehicle

Fuel Economy

WU Tian-hao1， MA Dong-shan2

（ 1.National Automobile Quality Supervision and Inspection Center （Xiangyang）， Xiangyang 441004， China; 2.Dongfeng Commercial Vehicle Technology Center， Wuhan 430056， China ）

Abstract： Under the background of the increasing tension of petroleum energy and the requirement of energy saving and consumption reduction put forward by the state， the fuel economy of commercial vehicles has leaped to the top of the users'attention.Therefore， it is necessary to develop a test method that can characterize the level of fuel economy and analyze the driving conditions of automobiles， Especially， it can provide practical test data for vehicle product development， and contribute to improving the market competitiveness of commercial vehicles in enterprises. In this paper， a new road test method for fuel economy of commercial vehicles is formulated by means of determining test road and test method， collecting data of driving conditions， analyzing driving conditions and verifying test methods.

引    言

本文旨在对商用车燃油经济性评价方法以道路试验等形式加以改善，找出反映和评价商用车燃油经济性及未来市场竞争力和优化汽车燃油经济性的方法，为改善汽车燃油经济性提供研究方向。

1    传统燃油消耗量试验方法存在的问题

传统燃料消耗量试验方法《GBT 12545.2-2001 商用车辆燃料消耗量试验方法》中针对商用车主要进行等速行驶油耗测定和多工况油耗测定，在以往燃料消耗量试验方法中还包括限定工况和加速油耗测定。

这些方法普遍存在的问题是既不能准确说明汽车的实际油耗，也不能清晰指明燃料经济性改善的方向，这对于汽车燃料消耗量改善工作具有很大的困难。此外，对于多工况和限定工况油耗的测量存在很大的操作误差影响。

2    整车燃油经济性试验道路确定与试验方法制定

2.1   典型地区道路技术参数测量及道路比对分析

2.1.1 典型地区道路技术参数测量及分类

通过对典型地区道路参数的采集，并对采集到的数据进行处理分析，从中得到研究所需要的海拔变化、道路坡度、道路弯道半径等路况参数，将这些数据整理并绘制出各典型地区公路路谱，为试验提供技术支持。

通过对各种地形条件下道路的比较，我们初步把道路分为以下七种道路：平原高速公路，平原一般公路，丘陵高速公路，丘陵一般公路，一般山区公路，中度山区公路，重度山区公路。其中山区公路道路差异性主要体现在坡长和弯道数量及半径上。

2.1.2 道路坡度统计基本原理

1）坡度定義方法

道路统计中关于坡度的设置在各种文献中都没有严格的规定，有的按照行驶里程每间隔50米一段定义坡度，有的按照100米定义坡度。根据路况不同，对于高速公路和平原一般公路建议行驶里程每间隔100米计算一次坡度，而对于丘陵一般公路和山区一般公路为提高统计精度采用每间隔50米计算一次坡度。

2）路况采样所需的基本数据及坡度计算方法

计算坡度基本数据：采样点海拔高度;采样点所对应的里程数

计算方法：

如图1所示，A、B、C分别为路上的三点，且分别相距100米，AB路段所对应的坡度为：

（1）

（2）

从记录起点开始依次往前选取相隔100米的采样点计算坡度，便得到某路段的坡度数据。

3）坡度统计方法

道路坡度可分为上坡、下坡和平路，理论上来说，凡是采样序列上相隔100米的两点，后一点的海拔高度大于前一点的海拔高度都可以认为是上坡，小于则为下坡，等于则为平路。这样一来，所谓的平原高速实际上平路的比例是很少的，所以为了反映实际的路况，将坡度位于-0.5%与0.5%之间的路都认为是平路来统计，上坡从0.5%开始每增加1%作为一个区间来统计直至15.5%，下坡从-0.5%开始每减少1%作为一个区间来统计直至-15.5%。所以常见的任何一段路计算出的所有坡度都可以统计到这31个坡度区间里，最后形成代表该路段坡度特征的坡度统计矩阵。

4）坡度统计矩阵特征

坡度统计矩阵为31个坡度区间的统计数据，如果按坡度为横坐标，统计数据为纵坐标，可以画出图2。

统计结果符合正态分布，证明如下。

要符合正态分布，必须满足以下公式：

（3）

坡度以0为中心，因此

此时正态分布公式为：

（4）

由以上公式，当x=0时

，为正态分布标准差        （5）

Y为最大统计值，物理意义为平路所占的比例。

正态分布标准差的概率意义为：观察值落在

之间的概率分别为0.682，0.954，0.997，所以可以说，满足正态分布的数据必须具有以下特性：

测量数据两侧的一、二、三倍标准差区间包含该被测数据均值的概率分别是0.682，0.954，0.997。

举例说明：

汉十高速襄阳～谷城段最大统计比例（平路）为0.339，根据公式（5）计算得到

之间的统计概率分别为0.707，0.949，0.986。

汉十高速谷城～十堰段最大统计比例（平路）为0.161，根据公式（2-5）计算得到

之间的统计概率分别为0.669，0.941，0.984。

各坡度区间的统计数据和平路百分比计算出的正态分布图形见图3：

由图3所示，正态分布曲线与采样分布曲线基本重合，有相同的特征，所以可以认为非单一坡度路面坡度分布大致符合正态分布。这里所说的单一坡度路面是指从起点到终点单调上坡或单调下坡的特殊情况，从多次的统计数据分析来看，这种坡度分布是不符合正态分布的。

所以，在               的情况下，根据正态分布的唯一性，由公式（5）可以由平路所占百分比Y或正态分布标准差 σ 来对路况进行划分。

5）路况划分

根据统计数据经验和道路试验情况，可以根据平路所占的比例对路况做如下划分：

Y>0.4 为超级平原（高速）公路，如二广高速南阳～襄阳段。

0.3

0.1

通过Y来定义路段的道路坡度等级为将任意路段用襄阳周边路段来描述提供了可能。

3    任意路况描述

任意路况如果用襄阳周边的路况来描述，也就是说通过襄阳周边路段的道路试验能够等价地反映任意路段的动力性经济性情况或者通过加权来反映，为此，在道路等级一致的情况下（比如同为高速公路）必须满足各坡度段所占的百分比两者一致，或者加权以后是一致的。

1）路况坡度加权原理

根据以上对道路的坡度统计方法，任何一条道路都可以唯一统计出一个1×31坡度统计百分比矩阵，假设襄阳周边的三段标准同类别公路统计出的矩阵为A1，A2，A3，那么任何一段其他同级别路况统计出的Ax都可以描述成：

Ax=A1×a+A2×b+A3×c

那么a，b，c就是我们要求的权重系数，如果三段分别汉十高速枣阳～襄阳、襄阳～谷城、谷城～十堰，那么可以理解成a段枣阳～襄阳+b段襄阳～谷城+c段谷城～十堰可以组成一条路线，该路线与所求路况的坡度百分比是一致的，那么在这条模拟路线上的道路油耗与所求路况上的道路油耗也应该是一致的。

当然也可以是两段基准路段的加权组合，只要求出a、b就可以了，c=0。

权重系数的计算原理如下：

第一步：首先应该采样计算出基准路段的坡度统计矩阵。

第二步：根据路谱研究项目所采样的目标路段，计算出目标路段坡度统计矩阵。第三步：用matlab软件计算权重系数，计算流程框图如图5：

计算说明：

为计算方便，设置a、b、c分别为0到100之间的整数，经过101×101×101次计算后，找出一组a、b、c使得組合路线的坡度矩阵与目标路线坡度矩阵绝对值偏差最小。

假设组合路线坡度矩阵为       、     …

目标路线坡度矩阵为         、        …

则，绝对值偏差可由下式计算

（6）

特别的，如果目标路段的坡度矩阵与基准路段中的某一条的坡度矩阵相同，特别是平路比例Y相同的情况下，可以用该条基准路段道路试验代替目标路段的道路试验。

2）试验验证举例

样车基本情况见表1：

目标路段情况介绍：

试验路段所经高速公路情况介绍见表2，图6～图11。

GPS采样海拔高度图如图7：

图7为从广州至苏州的海拔高度图，横坐标为里程，纵坐标为海拔高度，按照每100米计算一次坡度对广州～苏州～广州往返3050km进行坡度统计，统计段数结果如图8：

对应的统计结果所占比例图如图9：

基准路段选取为汉十高速枣阳～襄阳高速往返、汉十高速襄阳～十堰高速往返，通过两者加权组合出具有与广州～苏州往返相同的坡度分布矩阵的路况。襄阳～枣阳往返、襄阳～十堰往返的坡度分布矩阵图如图10。

用matlab求出，当a=85，b=37时，Ax=A1×85+A2×37。

Ax与目标路段有最相近的坡度分布矩阵，组合路段的分布矩阵与目标路段的分布矩阵对比图如图11：

其绝对值偏差为0.149%。

汉十高速襄阳～枣阳、襄阳～十堰的道路试验油耗结果见表3：

根据公式（7）计算组合道路的百公里油耗：

Q=（Q1×a×L1+Q2×b×L2）/（a×L1+b×L2） （7）

Q1、Q2分别为在基准路上道路行驶试验的百公里油耗，L1、L2分别为基准路的往返里程。

根据表2-3的已知条件：

Q1=36.4，L1=114469.0;Q2=38.4，L2=291060.0

权重值 a=85，b=37，计算求得：

Q=37.5L/100km

根据路谱分析加权求出的组合路段的百公里油耗为37.5 L/100km。

组合路线的平均车速计算：

V=（L1×a+L2×b）×3.6/（T1×a+T2×b）=76.3km/h

DFL4181A1（T01B-500）样车用户使用油耗情况见表4：

全路段平均百公里油耗为37.3L/100km，平均车速74.5km/h。

两者的载荷情况对比见表5。

计算油耗与用户油耗之间存在的误差及原因分析：

本次计算在平均车速76.3km/h，总质量为50130 kg的条件下计算出的综合油耗为37.5L/100km。

用户在平均车速为74.5km/h，总质量为（往52798kg，返50897kg）的条件下的平均使用油耗为37.3L/100km。

油耗误差为：0.5%。

误差存在的原因分析：

A组合路线的坡度分布阵与真实路况的坡度分布矩阵存在着一定的误差，不是完全相同的。

B襄阳周边试验路段的平均车速和总质量与真实路况上运行时的车速和总质量存在着不一致性。平均车速误差：2.4%;总质量（往返平均）误差：3.4%。

C襄阳周边试验油耗数据和真实路况上运行时油耗数据都存在着测量误差。

3.1   试验道路确定与试验方法制定

3.1.1 试验道路确定

见表6、表7。

3.2.1 试验方法确定

1）试验道路行驶车速确定见表8：

2）试验样车总质量按照市场用户通用标准执行。

3）目标路段燃料消耗量评价方法

首先根据目标路段采样结果，给目标路段分配不同综合城际道路比例，然后参考不同典型路况的燃料消耗量，加权后得出样车目标路段燃料消耗量。

样车目标路段燃料消耗量按式8确定。

（8）

式中：

—目标路段燃料消耗量，L/100km;

—平原一般公路，km;

—平原高速公路，km;

—丘陵一般公路，km;

—丘陵高速公路，km;

—一般山区公路，km;

—中度山区公路，km;

—重度山区公路，km;

—平原一般公路油耗，L/100km;

—平原高速公路油耗，L/100km;

—丘陵一般公路油耗，L/100km;

—丘陵高速公路油耗，L/100km;

—一般山区公路油耗，L/100km;

—中度山区公路油耗，L/100km;

—重度山区公路油耗，L/100km;

4    整车燃油经济性道路试验方法验证

通过上述研究理论及试验方法的制定，在某车型整车经济性改善试验中采用上述方法进行验证试验。

下面节选部分试验数据进行说明，具体见表9：

注：汉十高速襄阳北～武当山往返路段中，含平原高速公路123.0km，丘陵高速公路116.4km;广州德邦物流～苏州货场往返路段中，含平原高速公路1509.2km，丘陵高速公路1545.2km。

通过表3-1可以看出，在襄阳汽车试验场周边根据用户行驶道路条件模拟出用户行驶工况进行整车燃油经济性试验，从试验结果看是比较满意的。两段道路百公里油耗僅存在0.8%的差异，即襄阳周边典型道路通过不同比例的组合可以代表商用车在全国各典型道路的行驶状况。

试验结果存在的主要差异在于用户的总质量是区间值，非固定值，此外长途运输气象条件也存在多变性。

总    结

本文从试验方法介绍和试验方法验证等方面阐述了在汽车节能与环保被视为新时代汽车工业发展重要要求及燃油经济性日益成为商用车用户关注的首要因素的时代背景下，针对改善商用车燃油经济性进行的多工况道路试验及其结果的有效性验证，为燃油消耗量提供相对可靠的评价方法和改进方向，评估商用车产品未来市场竞争力，以满足商用车用户对燃油经济性的需求和企业市场竞争的需要。不可否认，该试验方法研究仍有许多不足之处，尚待修正完善。

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吴天昊

毕业于湖北汽车工业学院，学士学位，现就职于国家汽车质量监督检验中心（襄阳）试验工程部，主要从事整车试验工作。