换挡提示功能的匹配与标定技术研究

吴 琼,李卫兵,韩 俊

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，合肥 230601)

2016215

换挡提示功能的匹配与标定技术研究

吴 琼,李卫兵,韩 俊

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，合肥 230601)

首先对换挡提示功能的节油原理和控制策略进行研究，然后在试验车辆上实现换挡提示功能并进行节油效果测试。结果表明，在NEDC和FTP循环中采用换挡提示功能后分别节油4.8%和4.4%，相当于熟练驾驶员的水平，说明换挡提示功能匹配合理。为达到量产的要求，还进行换挡提示功能对排放和车载诊断影响的研究，结果表明换挡提示功能对整车排放几乎没有影响，重新标定车载诊断条件后各项诊断均符合法规要求。

换挡提示；OBD诊断；节油；NEDC循环；FTP循环

前言

为推动我国乘用车节能技术革新，进一步降低乘用车的燃料消耗水平，缩小与国外先进水平的差距，我国2014年颁布了GB 27999—2014《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》[1]，从整体上要求乘用车燃料消耗量到2015年下降至7L/100km，2020年下降至5L/100km。各研究机构和主机厂深入开展与发动机、整车和使用环节相关的各种节油措施，降低整车综合油耗。

研究发现合适的换挡时机可以带来燃油经济性的显著提高，过早或过迟换挡都会导致整车燃油经济性变差。换挡提示功能通过发动机控制单元(engine control unit, ECU)对发动机和车辆运行状态进行分析，由ECU计算当前经济挡位，如果当前实际挡位与经济性挡位不一致，通过CAN总线将升挡(或者降挡)信息发送给仪表提示驾驶员在经济性挡位驾驶车辆，降低油耗并且培养驾驶员良好的驾驶习惯[2-3]。手动挡车型增加换挡提示功能具有以下好处：

(1) 改善燃油经济性，降低整车油耗；

(2) 降低CO2排放，节能环保；

(3) 培养驾驶员良好的驾驶习惯；

(4) 符合法规要求及发展趋势。

欧盟EC-65法规要求2012年11月1日以后M1类基准质量不超过2 610kg并匹配手动变速器的车辆，必须装配换挡提示器，要求2014年11月1日所有车辆进行装配[4]。我国发布的GB 27999—2014《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》中规定如果采用换挡提醒装置，在计算企业平均油耗时可按照相关测试方法降低油耗测试结果[1]，巴西相关法规也规定如果车型采用换挡提醒装置可把百公里油耗测试结果减去0.1L。

1 换挡提示节油的基本原理

当车辆设计完成后，车辆在相同工况下行驶阻力是恒定不变的，影响车辆燃油消耗主要因素是发动机燃油消耗率。发动机燃油消耗率b特性曲线如图1所示，发动机发出相同功率Pe驱动汽车等速行驶，不同发动机转速下有不同的燃油消耗率[5-7]。换挡提示功能就是通过ECU检测发动机是否工作在经济区域，如果不在经济区域通过换挡提示功能提示驾驶员合理换挡，使发动机在经济区域工作，从而达到动力性与经济性的平衡。

图1 发动机燃油消耗率曲线

2 换挡提示控制逻辑

本研究采用的换挡提示控制逻辑如图2所示[3]。

步骤S1 首先由ECU获取当前车速、油门踏板开度和发动机转速，并通过发动机转速与车速比值确定当前手动变速器的挡位情况。

步骤S2 通过发动机的燃油消耗万有特性参数、变速器各挡速比、主减速比和轮胎尺寸理论计算出整车各挡位的经济性车速范围，推算出各挡位的升挡与降挡车速，并将其填写在反映油门踏板开度和挡位与经济性车速之间对应关系的升挡/降挡速度表格中，如表1和表2所示。ECU通过当前的车速与油门踏板开度查取这两个表格计算当前的经济性挡位，并与实际挡位进行比较。

表1 升挡标定车速表 km/h

表2 降挡标定车速表 km/h

步骤S3 如果当前挡位与经济性挡位一致，说明不需要提示驾驶员进行换挡，否则就需要进行降挡或升挡提示。

步骤S4 如果当前挡位低于经济性挡位就需要提示升挡否则就进行降挡提示。

步骤S5 ECU发送经济性挡位和升挡提示给仪表，如果此时有其他传感器出现故障或巡航功能开启时，ECU将会停止向仪表发送挡位提示。

步骤S6 与步骤S5过程类似，ECU发送目标挡位与降挡提示给仪表，如有降挡禁止条件出现ECU停止向仪表发送挡位提示。

图2 换挡提示控制逻辑框图

3 换挡提示功能节油效果验证

在1.3VVT发动机匹配6MT变速器某A0级车型上开发完成换挡提示功能，升挡与降挡功能合理满足量产化要求，采用4种试验工况验证换挡提示功能的节油效果。

工况1 GB 18352.5—2013法规规定NEDC排放与油耗测试循环[8-9]如图3所示。由图可见，NEDC循环对速度曲线与换挡时刻都有严格要求，节油效果对比试验首先严格按照法规规定换挡点运行NEDC循环，然后再按照换挡提示的挡位运行整个循环，记录与计算油耗值，结果表明在NEDC循环使用换挡提示功能节油率为4.8%。

图3 GB 18352.5—2013 NEDC循环工况

图4 FTP-75循环工况

工况2 图4为美国EPA规定的FTP-75测试循环，采用法规规定的换挡时刻与换挡提示换挡时刻进行试验，试验结果表明换挡提示功能节油率4.4%。

工况3 欧盟EC-65法规规定了换挡提示功能节油效果测试工况，如图5所示[2]。它规定各挡位标准换挡车速、加速时间与加速度。节油效果试验分别使用标准换挡点与换挡提示换挡点分别进行，结果表明换挡提示功能节油率3.25%。

图5 EC-65测试工况

工况4 熟练驾驶人员驾驶工况(下简称市场工况)，采集一位有20年驾驶经验的驾驶行为，提取出速度、挡位关键点组成市场工况，如图6所示。分别按照熟练驾驶员行为和换挡提示换挡点进行试验，结果表明二者油耗水平相当。说明换挡提示功能计算出的经济性挡位与熟练驾驶员相当，并能培养驾驶人员良好的驾驶习惯。

图6 市场工况

由以上4种对比试验和表3分析结果说明，换挡提示功能节油效果明显，且换挡提示功能合理，满足终端客户使用要求。

表3 换挡提示功能节油效果验证统计

注：工况3为10km油耗，其他工况为100km油耗。

4 换挡提示相关性影响研究

GB 18352.5—2013规定手动挡车辆在NEDC循环中必须按照规定挡位和车速进行试验，所以在NEDC循环中发动机的运行工况的各控制参数(发动机转速、负荷、节气门开度和空气流量等)基本固定，而使用换挡提示功能后车辆在NEDC循环过程中不再按照法规规定的挡位进行，所以发动机的各控制参数会发生改变。这些改变对运行NEDC循环的整车排放与OBD都会产生影响[11-13]。为此研究使用换挡提示功能对整车排放与OBD的影响及应对措施。

4.1 换挡提示对排放的影响

汽油机排放控制的基本方法是使用三元催化转化器将HC，CO和NOx转化成CO2和H2O，当三元催化转化器达到工作温度，混合气空燃比在14.7时转换效率达到98%。ECU控制是通过氧传感器闭环控制使空燃比在14.7附近，使三元催化转化器达到最高的转化效率。

由于冷机起动和暖机过程中混合气不完全燃烧致使很容易产生HC，使用换挡提示功能后冷机起动与怠速暖机过程完全一样，NEDC循环的前50s污染物与不使用换挡提示功能相比基本没有变化。

混合气中氧气不足导致部分燃料不能完全燃烧而生成CO，所以当发动机实际空燃比小于14.7时，发动机原始排放会产生较多CO。但是使用换挡提示功能后ECU的控制空燃比没有发生变化，所以当催化器完全工作后CO的排放量基本一致，暖机过程中发动机转速降低会导致总的CO排放量减少，发动机起动阶段则没有发生变化。

混合气过稀、燃烧温度过高、闭环控制过程中空燃比控制大于14.7时都会导致NOx产生。发动机起动与暖机过程中燃烧温度较低，发动机产生的NOx较少，使用换挡提示功能后燃烧过程没有发生变化，NOx的产生也不会发生变化。当发动机充分暖机后进入闭环控制，使用换挡提示功能也不会改变NOx排放量。

基于以上分析对试验车辆分别按照法规换挡点与换挡提示功能换挡点进行排放试验，排放结果记录在表4中。图7～图9为3种污染物在NEDC常温循环工况中两种换挡方法车辆尾气排放对比曲线。由表4可知，两种方法进行NEDC循环产生的4种污染物都符合排放限值要求而且排放量基本相当，使用换挡提示功能后CO2和油耗均有降低。

表4 常温排放结果对比

由图7可见，两种换挡方法试验测得HC基本一致，因为HC和NMHC主要是在起动与暖机过程产生，而两种换挡方法起动与暖机阶段控制基本一样，催化转化器起燃后HC基本都被转化掉(NMHC是通过HC计算得到)。

图7 NEDC循环两种换挡方法HC对比

由图8可见，两种换挡方法试验测得的NOx基本一致，带换挡提示在第一个城市工况时由于驾驶员的不正确操作导致NOx曲线有一次冒尖外，其他的过程中两种换挡方法NOx排放基本一致。

图8 NEDC循环中两种换挡方法NOx对比

图9 NEDC循环中两种换挡方法CO对比

由图9可见，NEDC循环中两种换挡方法试验测得的CO结果都满足要求，热机阶段的两种试验方法CO产生一致，冷机阶段催化转化器起燃使用换挡提示的发动机转速较低，CO生成量较少。

由以上试验对比可知，只要整车标定控制数据合理，使用换挡提示功能后对整车常温排放基本没有影响。

下面研究换挡提示功能对低温排放性能的影响。法规要求环境温度-7℃时进行低温排放试验，试验循环为NEDC循环的前面4个城市工况。分别按照法规提示和换挡提示进行试验，试验结果如表5所示。由表5可知，换挡提示功能对低温排放基本没有影响。

4.2 换挡提示对OBD诊断的影响

与排放试验一样，由于使用换挡提示功能导致发动机在NEDC循环中的部分控制参数发生变化，这就需要根据换挡提示功能在NEDC循环中的具体情况重新标定OBD的诊断参数，使故障码能够在NEDC循环中报出[14-15]。OBD诊断循环中的尾气排放基本不发生变化，主要原因是使用换挡提示功能后在起动阶段和暖机阶段污染物变化很小。

表5 低温排放结果对比记录

针对以上分析重新标定OBD诊断条件和诊断参数进行OBD的演示试验，试验结果分别如表6～表8所示。

表6 两种换挡方法氧传感器诊断试验结果

表7 两种换挡方法3%丢火诊断试验结果

表8 两种换挡方法催化转化器诊断试验结果

用氧信号模拟器模拟氧传感器失效后进行两种换挡方法的NEDC循环中试验，结果排放都满足法规要求，并且能够在诊断循环中报出故障码点亮故障灯。

利用丢火发生器导入3%的丢火率，进行NEDC循环两种换挡方法对比试验，排放结果均满足法规要求，均能够在诊断循环中报出故障码点亮故障灯。

使用极限催化器进行两种换挡方法的NEDC循环试验，排放结果都小于法规限值120%，均能够在NEDC循环报出故障码点亮故障灯。

综上分析与试验研究可知，换挡提示功能对常温与低温排放影响很小，只要更改OBD诊断条件让诊断逻辑在NEDC循环中及时做动，氧传感器诊断、丢火诊断和催化器诊断都能按照法规要求完成诊断，并及时报出故障码点亮故障灯。

5 结论

(1) 设计的换挡提示功能工作正常，在标定的换挡时刻能及时提醒驾驶员换挡。换挡时刻与一个成熟驾驶员的驾驶习惯接近，说明该功能设计合理。

(2) 换挡提示功能满足相关法规要求，NEDC循环节油率4.8%，FTP循环节油率4.4%，与一个成熟驾驶员的驾驶换挡习惯接近。

(3) 使用换挡提示功能后整车常温排放与低温排放不受影响，都能够满足法规要求。

(4) 更改OBD诊断条件后，法规规定的诊断项目都能够完成诊断，符合法规要求。

所设计与匹配的换挡提示功能完全达到了量产化要求，并已成功移植至两款畅销的SUV车型上，倍受客户好评。

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[3] 王梓,邓华,何茜.一种汽车换挡提醒装置:2014201093988[P].2014-07-16.

[4] Commission Regulation (EU) No 65/2012, Implementing Regulation (EC) No 661/2009 of the European Parliament and of the Council as Regards Gear Shift Indicators and Amending Directive 2007/46/EC of the European Parliament and of the Council[S]. EN: Official Journal of the European Union,2012.

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A Research on the Matching and Calibration Techniques of Shifting Prompts

Wu Qiong, Li Weibing & Han Jun

TechnicalCenter,AnhuiJiangHuaiAutomobileCo.,Ltd.,Hefei230601

The fuel saving principle and control strategies of shifting prompt function are studied first. Then shift prompts are implemented on test vehicle with their fuel saving effects measured. The results show that after shift prompts are adopted, fuel consumptions are reduced by 4.8% and 4.4% in NEDC cycle and FTP cycle respectively, equivalent to the level the skilled driver can achieve, demonstrating the reasonable matching of shifting prompt function. For meeting the requirements of mass production, the effects of shifting prompts on emissions and on-board diagnosis are also studied, with a result indicating that shifting prompts hardly affect the emissions of vehicle and all items of diagnosis accord with the requirements of regulation after diagnosis conditions are calibrated anew.

shifting prompts; on-board diagnosis; fuel saving; NEDC cycle; FTP cycle

原稿收到日期为2015年9月25日，修改稿收到日期为2015年12月24日。