汽車環境適應性標定立體試驗場研究范文

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《內燃機工程雜志》2016年第二期

摘要：

針對傳統道路整車標定試驗場開展三高標定試驗的不足之處，分析了在云南地區開展道路整車三高標定試驗的氣候、地形、海拔和交通等環境條件，并重點考察了云南省元江、香格里拉兩個地域滿足三高標定的環境條件優勢。通過多個車型的三高標定試驗和市場驗證研究表明：云南地區是一個適合中國國情的完整的三高標定立體試驗場，其復雜極端環境條件能夠更好地考核整車的環境適應性能，以云南為整車標定試驗場開展標定試驗，能夠比傳統的三高標定試驗場節省2／5的時間，節約1／3的路程，降低了人力與運輸成本。

關鍵詞：

內燃機；整車道路標定；試驗場；環境適應性；三高標定

在新車型的開發定型過程中，汽車發動機的整車標定是一個非常重要的環節。整車標定與環境適應性標定密切相關［1］，為了使汽車發動機能夠適應各種各樣的行車環境，通常選擇在惡劣的道路環境下考核發動機的可靠性，因此標定工程師需要針對特殊的環境對整車發動機電控系統進行大量且系統的控制參數優化試驗［2］，以保證車輛在特殊環境下能夠達到最佳的工作狀況，滿足客戶在各種環境下的使用需要和排放法規要求［3－4］。我國地域廣闊，地形、海拔、濕度和溫度情況復雜多樣，涵蓋了各種極端嚴酷環境。發動機管理系統（enginemanagementsystem，EMS）的使用環境在全球范圍內也是最為苛刻的［5］，但目前我國對整車定型標定試驗環境尚未有完整統一的標準。在發動機的整車標定試驗中，夏季試驗、冬季試驗和高原試驗是被普遍實施的標定試驗，這三類標定試驗構成了整車標定環節中環境適應性標定的主要內容，被稱之為三高標定，即高溫、高寒和高原標定。

多年來，國內整車和發動機廠家在三高標定試驗中對室外道路的選擇均集中在國內最極端嚴酷環境地域，如：高溫試驗在新疆吐魯番或海南；高寒試驗在黑龍江黑河或內蒙古加格達齊等地；高原試驗在青海等地。經過長期的建設，海南、吐魯番、黑河和加格達齊等地均建有較完備的試車場地和相關設施。這些場地和設施為我國汽車及發動機產業的發展發揮了重大作用。然而，隨著國內汽車工業的高速發展，每年有大量新車型急需試驗定型并投放市場，眾多廠家在有限的試驗季節窗口期集中開展三高標定試驗，導致這幾個試驗場所道路擁擠不堪。傳統三高標定地域的不足主要體現在三個方面：（1）由于上述地域的分散且遙遠，完成一個車型的三高標定的成本較高，完成全部三高試驗的交通運輸距離長達一萬多公里，標定人員的工作環境和工作條件非常艱苦，道路交通、燃油補給和維修服務非常不便；（2）受氣候與地理環境因素制約及交通運輸條件的影響，標定周期長達18個月，使標定車的車況易發生變化，對標定構成不利影響；（3）傳統三高標定地域中某些環境極端條件雖然最為嚴酷，但是環境條件相對單一，不利于檢驗復雜極端環境條件下的整車性能。針對以上問題，本文中通過試驗等方法研究探索更好的解決思路和試驗場地，對推進我國汽車及發動機產業的科學發展具有重要意義。

1云南自然概貌與交通

1．1云南區位云南地處我國西南部，全省東西橫跨864．9km，南北縱跨990km，總面積約為39萬km2，占全國總面積的4．11％，在全國各省級行政區中面積排名第八。北回歸線穿過省境南部，云南省的東面是廣西和貴州，北面是四川，西北面是西藏，西面是緬甸，南面是老撾，東南方是越南。

1．2云南地貌云南屬山地高原地形，山地高原約占全省國土總面積的94％。全省地勢呈現西北高、東南低，自北向南呈階梯狀逐級下降，從北到南的每公里距離海拔平均降低6m。云南省地貌如圖1所示。云南北部是青藏高原南延部分，海拔一般在3000～4000m左右，有高黎貢山、怒山、云嶺等巨大山系和怒江、瀾滄江、金沙江等大河自北向南相間排列，三江并流，高山峽谷相間，地勢險峻。山嶺和峽谷相對高差超過1000m。5000m以上的高山頂部常年積雪，形成奇異、雄偉的山岳冰川地貌。云南南部為橫斷山脈，山地海拔不到3000m，主要有哀牢山、無量山、邦馬山等，地勢向南和西南緩降，河谷逐漸寬廣；在南部、西南部邊境，地勢漸趨和緩，山勢較矮，寬谷盆地較多，海拔在800～1000m左右，個別地區下降至500m以下，主要是熱帶、亞熱帶地區。云南省海拔高低相差很大，最高點海拔6740m，在滇藏交界處德欽縣境內怒山山脈的梅里雪山主峰卡瓦格博峰；最低點海拔76．4m，在河口縣境內南溪河與紅河交匯的中越界河處，兩地直線距離約900km，海拔相差大于6000m。

1．3云南氣候云南立體氣候特點顯著，類型眾多、干濕季節分明、氣溫隨著地勢高低垂直變化且異常明顯。滇西北屬寒帶型氣候，長冬無夏，春秋較短；滇東、滇中屬溫帶型氣候，四季如春，遇雨成冬；滇南、滇西南屬低熱河谷區，有一部分在北回歸線以南，進入熱帶范圍，長夏無冬。全國其他省份具有的氣候云南省一應俱全，熱帶、溫帶、寒帶三帶氣候均可在云南一省范圍內見到。

1．4公路建設云南省公路總里程已增至2．229×105km，2014年高速公路通車總里程達3200km，公路密度為每百平方千米56．58km。云南省公路通車總里程已位居全國第一。高速公路基本覆蓋全省中各市、縣、鄉重要區域，形成以昆明市為中心（樞紐）輻射全省，邊接四川、貴州、廣西、西藏和周邊國家緬甸、老撾、越南和泰國公路的公路交通網。云南省公路交通網如圖2所示。

2云南開展整車標定試驗的環境優勢分析

2．1高溫整車標定試驗環境在云南開展高溫標定的最佳地點是位于南部紅河河谷的元江縣，元江縣距玉溪市130km，距昆明市210km，均為高速公路通達，交通非常方便。該地區旅游資源豐富，有著名景點元陽梯田、紅河梯田，旅游配套資源（如酒店等）比較齊全，生活條件好。元江為哈尼族彝族自治縣，民風純樸，治安條件好。元江境內最高點海拔（阿波列山）為2580m，最低點海拔（小河垤）為327m，相對高差達2253m。山區面積2766．54km2，占總面積的96．8％，壩區面積91．46km2，占總面積的3．2％。元江具有獨特的立體氣候特點：熱量垂直變化大，山區溫涼，壩區炎熱；最高氣溫44．5℃；年平均氣溫23．8℃，最熱月平均氣溫（6月）28．8℃；年日照時數2076．8h；年平均相對濕度71％，最大月平均相對濕度為85％，最小月平均相對濕度為51％。近年來，元江的高溫日數記錄創新高，2005—2014年間，元江的年平均高溫日數已經達到了114．8天，而吐魯番的平均高溫日數是102．5天。圖3為元江與吐魯番、海南的全年極端高溫對比。由圖3可見，元江的極端高溫與吐魯番接近，明顯高于海南。與吐魯番相比，元江的全年極端高溫月份要多，有利于靈活安排標定周期，可避免高峰出行。基于以上分析可知，元江地區道路環境是一種獨特的立體環境，具有較高的極端夏季氣溫、濕熱的氣候、較低的平均海拔和較大的海拔落差。在元江進行高溫標定試驗的優勢十分明顯。首先，由于中國境內絕大多數地點夏季的氣候特點為濕熱，相比吐魯番的干熱，元江濕熱的氣候環境更符合開展夏季高溫標定試驗。其次，元江境內的省道、國道公路具有坡道長、落差大的特點，可以在0．5h內從海拔382m爬升至1692m，如圖4所示。高溫、濕熱、高負荷的路況特點，非常有利于及時地檢驗整車的熱平衡性能及爬坡能力，對前期標定數據進行及時修正。

2．2高原與高寒整車標定試驗環境在云南開展高原與高寒標定的最佳地點是位于西北部迪慶藏族自治州的香格里拉214國道白馬雪山埡口區域。香格里拉是滇、川及西藏三省區交匯處，是大藏區最富裕的地區，治安條件好；有舉世聞名的“三江并流”，普達措國家公園，梅里雪山，松贊林寺等風景區；有滇藏公路、川藏公路、康藏公路為干道的公路交通網絡；旅游配套資源（如酒店等）比較齊全，還有民航機場。香格里拉所在的迪慶藏族自治州地處青藏高原東南緣，最高海拔為梅里雪山主峰卡瓦格博峰6740m，同時也是云南省最高海拔，最低海拔為瀾滄江河谷，海拔1486m，絕對高差達5254m。較小范圍內的巨大高差使得境內出現了垂直氣候和立體生態環境特征。有河谷亞熱帶、山地暖溫帶、山地溫帶、山地寒溫帶、高山亞寒帶和高山寒帶六個氣候帶。香格里拉縣城海拔3284m，歷年平均最低溫度－20．1℃，極端最低氣溫－27．4℃。圖5為香格里拉縣城與黑河的極端最低氣溫對比。由圖5可見，香格里拉縣城與黑河最低氣溫相比尚有一定差距，然而就在香格里拉縣城西北沿214國道（滇藏公路）前行僅110km的白馬雪山埡口，海拔陡然升為4292m，高于香格里拉縣城約1000m，平均氣溫降低了5℃；氣壓僅為58．77kPa，相對空氣密度僅為0．63，空氣含氧量大幅度下降。所以，香格里拉白馬雪山是香格里拉高原與高寒標定試驗的最佳地點。表1為白馬雪山區域與黑河、格爾木的海拔、氣壓和空氣含氧量范圍比較。香格里拉白馬雪山埡口與傳統的黑河、青海格爾木等地相比，具有獨特的環境適應性標定優勢。首先，香格里拉兼具高原與高寒試驗條件，能夠縮短標定周期；其次，格爾木也兼具高原與高寒條件，但是香格里拉的自然環境與生活條件要好很多；再次，香格里拉白馬雪山適于－25℃低溫標定的持續時間較長，每年11月至次年3月均能進行高原與高寒的試驗標定。

2．3云南三高標定試驗環境分析圖6為云南元江至香格里拉公路概況。這段公路覆蓋了高溫標定和高原、高寒標定的全部地域。從元江到香格里拉，整個運輸行程約1000km，海拔變化從元江的382m逐漸上升，在金沙江奔子欄位置有所下降，公路的最高海拔點在香格里拉白馬雪山埡口。在這段公路中，從元江到麗江全程為高速公路，行程為705km；從麗江到白馬雪山為二級公路，行程為253km。從地理及氣候環境來看，在云南進行三高標定具有以下優勢：（1）云南（元江－香格里拉）“三高”立體整車標定試驗場可以大幅度縮短標定周期，一年內即可完成；（2）云南（元江－香格里拉）“三高”立體整車標定試驗場可以大幅度降低標定成本，節省運輸和人力；（3）香格里拉兼具高寒和高原的特點，即同時具備黑河的高寒和格爾木的高原特征，完全滿足汽車高寒和高原標定及其他性能試驗；（4）標定路線上眾多的長坡道，可以及時檢驗整車的熱平衡性能及爬坡能力；（5）在長度為976km的試驗道路上，海拔從382m連續變化到4292m，可以完成不同海拔的精細標定。這是黑河－吐魯番－格爾木無法具備的優勢。

3整車三高標定試驗

為適應高壓共軌柴油機的開發，2006年云內動力與德國博世、FEV聯合成立了發動機與整車標定公司。公司先后完成了30余款車型的標定，包括燃燒開發、臺架標定、駕駛性、整車排放、液力、電器、車載診斷系統及三高環境適應性標定。整車標定合作廠家品牌包括北汽福田、東風、一汽紅塔、成都王牌、成都資陽南郡、躍進、江淮、萬達、少林、山東凱馬、山東五征、濟南重汽、江淮瑞鷹等。通過多年實踐，構建了電控柴油機與整車匹配的標定能力。近年來，云內動力在全國開展整車標定的同時，也在云南地區進行了整車標定的試驗研究與探索。云內動力在不同地域進行了大量的三高標定試驗探索研究，完成了福迪迷迪、東風風行、MG6、福迪、長豐皮卡、五菱等車型的標定。

在元江開展的高溫標定試驗的時間在每年4月至9月開展，試驗內容包括過熱保護、OBD驗證、煙度檢查、系統降級、熱起動、電控單元溫度、駕駛性能檢查測量軌壓控制和監控功能驗證、怠速控制、液壓部件高溫驗證、駕駛性能檢查、低壓回路測量、空調控制驗證、空油箱試驗、診斷系統管理驗證等。在香格里拉開展高原試驗的時間不限，開展高寒試驗的時間在每年11月至次年3月。試驗內容包括增壓器保護、DSM驗證、過熱保護檢查、OBD驗證、煙度檢查、油泵保護、高原高寒起動、低壓回路測量、怠速控制、起動機轉速、駕駛性能檢查等。云內動力YN27系列發動機匹配某輕卡車型，該車型銷售至全國范圍，其中云南地區的用戶普遍反映該車水溫偏高。分析后發現，該車型是在吐魯番完成的高溫標定試驗，吐魯番地區道路坡度較小、車速較快、整車迎風好，而云南坡路很多、載貨車輛車速較低、發動機轉速高，發動機工作區域與吐魯番有較大差異。在云南地區重新進行了高溫標定試驗，優化了數據，后續銷售到云南的車型沒有出現水溫偏高的現象。云內D19TCID1發動機匹配福迪F128項目在吐魯番－格爾木昆侖山口－唐古拉山口－黑河和元江－香格里拉進行了兩次三高標定試驗。試驗對比發現：元江－香格里拉的三高試驗組合比吐魯番－格爾木的組合節省了2／5的時間，節約了1／3的路程，節約大量的人力和運輸成本。圖7為福迪F128項目的高溫過熱保護脈譜。

由于吐魯番路況的坡度較小，只能驗證圖中虛線包圍的灰色區域，無法驗證；而車速低于50km／h的低速高負荷的發動機工況，其數據是根據經驗修正得到的。通過在云南元江的高溫試驗，完成了整個脈譜圖的真實標定。由此可見，元江的坡道對整車散熱系統的考核大于吐魯番的條件。對主噴提前角、預噴油量、預噴提前角的修正都是基于大氣壓力、水溫和氣溫三方面來調整的。按照傳統的高寒和高原標定，黑河只是基于水溫和氣溫的標定，如果遇到高原加高寒的復合環境條件，則無法完成驗證。目前，該車型在香格里拉完成了這種極限環境條件的驗證。青海格爾木地區雖然可以驗證高原加高寒的復合環境條件，但其標定也有明顯不足。圖8為在青海格爾木地區得到的基于大氣壓力的主噴提前角修正脈譜。限于海拔，一般70kPa以上的數據是根據經驗插值得到的，但是在云南地區，通過在香格里拉－元江的標定試驗，很快得到了70kPa以上的大氣環境壓力下真實的優化標定值。由圖8可見，兩者具有明顯的區別。昆明云內動力經過多年實踐，已將云南（元江－香格里拉）確定為公司整車標定基地。

4結論

（1）在元江－香格里拉進行的道路整車三高試驗完全能夠滿足三高標定的試驗環境條件，且比傳統的三高標定地域節省了2／5的時間，節約了1／3的路程，降低了人力和運輸等成本，是適應我國汽車環境適應性標定的立體試驗場。（2）元江的坡道對整車散熱系統的考核大于國內其他高溫標定地點，是非常理想的高溫標定環境。（3）香格里拉高寒高原的極限條件比黑河的單一低溫環境更適合對發動機進行考核，是非常理想的高原高寒標定環境。（4）元江到香格里拉沿途海拔的較大落差，可以完成不同海拔的精細標定。

作者：楊波 王貴勇 宋國富 姚國仲 范會軍 申立中 單位：昆明理工大學 云南省內燃機重點試驗室 昆明云內動力股份有限公司