汽车环境适应性标定立体试验场研究范文

《内燃机工程杂志》2016年第二期

摘要：

针对传统道路整车标定试验场开展三高标定试验的不足之处，分析了在云南地区开展道路整车三高标定试验的气候、地形、海拔和交通等环境条件，并重点考察了云南省元江、香格里拉两个地域满足三高标定的环境条件优势。通过多个车型的三高标定试验和市场验证研究表明：云南地区是一个适合中国国情的完整的三高标定立体试验场，其复杂极端环境条件能够更好地考核整车的环境适应性能，以云南为整车标定试验场开展标定试验，能够比传统的三高标定试验场节省2／5的时间，节约1／3的路程，降低了人力与运输成本。

关键词：

内燃机；整车道路标定；试验场；环境适应性；三高标定

在新车型的开发定型过程中，汽车发动机的整车标定是一个非常重要的环节。整车标定与环境适应性标定密切相关［1］，为了使汽车发动机能够适应各种各样的行车环境，通常选择在恶劣的道路环境下考核发动机的可靠性，因此标定工程师需要针对特殊的环境对整车发动机电控系统进行大量且系统的控制参数优化试验［2］，以保证车辆在特殊环境下能够达到最佳的工作状况，满足客户在各种环境下的使用需要和排放法规要求［3－4］。我国地域广阔，地形、海拔、湿度和温度情况复杂多样，涵盖了各种极端严酷环境。发动机管理系统（enginemanagementsystem，EMS）的使用环境在全球范围内也是最为苛刻的［5］，但目前我国对整车定型标定试验环境尚未有完整统一的标准。在发动机的整车标定试验中，夏季试验、冬季试验和高原试验是被普遍实施的标定试验，这三类标定试验构成了整车标定环节中环境适应性标定的主要内容，被称之为三高标定，即高温、高寒和高原标定。

多年来，国内整车和发动机厂家在三高标定试验中对室外道路的选择均集中在国内最极端严酷环境地域，如：高温试验在新疆吐鲁番或海南；高寒试验在黑龙江黑河或内蒙古加格达齐等地；高原试验在青海等地。经过长期的建设，海南、吐鲁番、黑河和加格达齐等地均建有较完备的试车场地和相关设施。这些场地和设施为我国汽车及发动机产业的发展发挥了重大作用。然而，随着国内汽车工业的高速发展，每年有大量新车型急需试验定型并投放市场，众多厂家在有限的试验季节窗口期集中开展三高标定试验，导致这几个试验场所道路拥挤不堪。传统三高标定地域的不足主要体现在三个方面：（1）由于上述地域的分散且遥远，完成一个车型的三高标定的成本较高，完成全部三高试验的交通运输距离长达一万多公里，标定人员的工作环境和工作条件非常艰苦，道路交通、燃油补给和维修服务非常不便；（2）受气候与地理环境因素制约及交通运输条件的影响，标定周期长达18个月，使标定车的车况易发生变化，对标定构成不利影响；（3）传统三高标定地域中某些环境极端条件虽然最为严酷，但是环境条件相对单一，不利于检验复杂极端环境条件下的整车性能。针对以上问题，本文中通过试验等方法研究探索更好的解决思路和试验场地，对推进我国汽车及发动机产业的科学发展具有重要意义。

1云南自然概貌与交通

1．1云南区位云南地处我国西南部，全省东西横跨864．9km，南北纵跨990km，总面积约为39万km2，占全国总面积的4．11％，在全国各省级行政区中面积排名第八。北回归线穿过省境南部，云南省的东面是广西和贵州，北面是四川，西北面是西藏，西面是缅甸，南面是老挝，东南方是越南。

1．2云南地貌云南属山地高原地形，山地高原约占全省国土总面积的94％。全省地势呈现西北高、东南低，自北向南呈阶梯状逐级下降，从北到南的每公里距离海拔平均降低6m。云南省地貌如图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，有高黎贡山、怒山、云岭等巨大山系和怒江、澜沧江、金沙江等大河自北向南相间排列，三江并流，高山峡谷相间，地势险峻。山岭和峡谷相对高差超过1000m。5000m以上的高山顶部常年积雪，形成奇异、雄伟的山岳冰川地貌。云南南部为横断山脉，山地海拔不到3000m，主要有哀牢山、无量山、邦马山等，地势向南和西南缓降，河谷逐渐宽广；在南部、西南部边境，地势渐趋和缓，山势较矮，宽谷盆地较多，海拔在800～1000m左右，个别地区下降至500m以下，主要是热带、亚热带地区。云南省海拔高低相差很大，最高点海拔6740m，在滇藏交界处德钦县境内怒山山脉的梅里雪山主峰卡瓦格博峰；最低点海拔76．4m，在河口县境内南溪河与红河交汇的中越界河处，两地直线距离约900km，海拔相差大于6000m。

1．3云南气候云南立体气候特点显著，类型众多、干湿季节分明、气温随着地势高低垂直变化且异常明显。滇西北属寒带型气候，长冬无夏，春秋较短；滇东、滇中属温带型气候，四季如春，遇雨成冬；滇南、滇西南属低热河谷区，有一部分在北回归线以南，进入热带范围，长夏无冬。全国其他省份具有的气候云南省一应俱全，热带、温带、寒带三带气候均可在云南一省范围内见到。

1．4公路建设云南省公路总里程已增至2．229×105km，2014年高速公路通车总里程达3200km，公路密度为每百平方千米56．58km。云南省公路通车总里程已位居全国第一。高速公路基本覆盖全省中各市、县、乡重要区域，形成以昆明市为中心（枢纽）辐射全省，边接四川、贵州、广西、西藏和周边国家缅甸、老挝、越南和泰国公路的公路交通网。云南省公路交通网如图2所示。

2云南开展整车标定试验的环境优势分析

2．1高温整车标定试验环境在云南开展高温标定的最佳地点是位于南部红河河谷的元江县，元江县距玉溪市130km，距昆明市210km，均为高速公路通达，交通非常方便。该地区旅游资源丰富，有著名景点元阳梯田、红河梯田，旅游配套资源（如酒店等）比较齐全，生活条件好。元江为哈尼族彝族自治县，民风纯朴，治安条件好。元江境内最高点海拔（阿波列山）为2580m，最低点海拔（小河垤）为327m，相对高差达2253m。山区面积2766．54km2，占总面积的96．8％，坝区面积91．46km2，占总面积的3．2％。元江具有独特的立体气候特点：热量垂直变化大，山区温凉，坝区炎热；最高气温44．5℃；年平均气温23．8℃，最热月平均气温（6月）28．8℃；年日照时数2076．8h；年平均相对湿度71％，最大月平均相对湿度为85％，最小月平均相对湿度为51％。近年来，元江的高温日数记录创新高，2005—2014年间，元江的年平均高温日数已经达到了114．8天，而吐鲁番的平均高温日数是102．5天。图3为元江与吐鲁番、海南的全年极端高温对比。由图3可见，元江的极端高温与吐鲁番接近，明显高于海南。与吐鲁番相比，元江的全年极端高温月份要多，有利于灵活安排标定周期，可避免高峰出行。基于以上分析可知，元江地区道路环境是一种独特的立体环境，具有较高的极端夏季气温、湿热的气候、较低的平均海拔和较大的海拔落差。在元江进行高温标定试验的优势十分明显。首先，由于中国境内绝大多数地点夏季的气候特点为湿热，相比吐鲁番的干热，元江湿热的气候环境更符合开展夏季高温标定试验。其次，元江境内的省道、国道公路具有坡道长、落差大的特点，可以在0．5h内从海拔382m爬升至1692m，如图4所示。高温、湿热、高负荷的路况特点，非常有利于及时地检验整车的热平衡性能及爬坡能力，对前期标定数据进行及时修正。

2．2高原与高寒整车标定试验环境在云南开展高原与高寒标定的最佳地点是位于西北部迪庆藏族自治州的香格里拉214国道白马雪山垭口区域。香格里拉是滇、川及西藏三省区交汇处，是大藏区最富裕的地区，治安条件好；有举世闻名的“三江并流”，普达措国家公园，梅里雪山，松赞林寺等风景区；有滇藏公路、川藏公路、康藏公路为干道的公路交通网络；旅游配套资源（如酒店等）比较齐全，还有民航机场。香格里拉所在的迪庆藏族自治州地处青藏高原东南缘，最高海拔为梅里雪山主峰卡瓦格博峰6740m，同时也是云南省最高海拔，最低海拔为澜沧江河谷，海拔1486m，绝对高差达5254m。较小范围内的巨大高差使得境内出现了垂直气候和立体生态环境特征。有河谷亚热带、山地暖温带、山地温带、山地寒温带、高山亚寒带和高山寒带六个气候带。香格里拉县城海拔3284m，历年平均最低温度－20．1℃，极端最低气温－27．4℃。图5为香格里拉县城与黑河的极端最低气温对比。由图5可见，香格里拉县城与黑河最低气温相比尚有一定差距，然而就在香格里拉县城西北沿214国道（滇藏公路）前行仅110km的白马雪山垭口，海拔陡然升为4292m，高于香格里拉县城约1000m，平均气温降低了5℃；气压仅为58．77kPa，相对空气密度仅为0．63，空气含氧量大幅度下降。所以，香格里拉白马雪山是香格里拉高原与高寒标定试验的最佳地点。表1为白马雪山区域与黑河、格尔木的海拔、气压和空气含氧量范围比较。香格里拉白马雪山垭口与传统的黑河、青海格尔木等地相比，具有独特的环境适应性标定优势。首先，香格里拉兼具高原与高寒试验条件，能够缩短标定周期；其次，格尔木也兼具高原与高寒条件，但是香格里拉的自然环境与生活条件要好很多；再次，香格里拉白马雪山适于－25℃低温标定的持续时间较长，每年11月至次年3月均能进行高原与高寒的试验标定。

2．3云南三高标定试验环境分析图6为云南元江至香格里拉公路概况。这段公路覆盖了高温标定和高原、高寒标定的全部地域。从元江到香格里拉，整个运输行程约1000km，海拔变化从元江的382m逐渐上升，在金沙江奔子栏位置有所下降，公路的最高海拔点在香格里拉白马雪山垭口。在这段公路中，从元江到丽江全程为高速公路，行程为705km；从丽江到白马雪山为二级公路，行程为253km。从地理及气候环境来看，在云南进行三高标定具有以下优势：（1）云南（元江－香格里拉）“三高”立体整车标定试验场可以大幅度缩短标定周期，一年内即可完成；（2）云南（元江－香格里拉）“三高”立体整车标定试验场可以大幅度降低标定成本，节省运输和人力；（3）香格里拉兼具高寒和高原的特点，即同时具备黑河的高寒和格尔木的高原特征，完全满足汽车高寒和高原标定及其他性能试验；（4）标定路线上众多的长坡道，可以及时检验整车的热平衡性能及爬坡能力；（5）在长度为976km的试验道路上，海拔从382m连续变化到4292m，可以完成不同海拔的精细标定。这是黑河－吐鲁番－格尔木无法具备的优势。

3整车三高标定试验

为适应高压共轨柴油机的开发，2006年云内动力与德国博世、FEV联合成立了发动机与整车标定公司。公司先后完成了30余款车型的标定，包括燃烧开发、台架标定、驾驶性、整车排放、液力、电器、车载诊断系统及三高环境适应性标定。整车标定合作厂家品牌包括北汽福田、东风、一汽红塔、成都王牌、成都资阳南郡、跃进、江淮、万达、少林、山东凯马、山东五征、济南重汽、江淮瑞鹰等。通过多年实践，构建了电控柴油机与整车匹配的标定能力。近年来，云内动力在全国开展整车标定的同时，也在云南地区进行了整车标定的试验研究与探索。云内动力在不同地域进行了大量的三高标定试验探索研究，完成了福迪迷迪、东风风行、MG6、福迪、长丰皮卡、五菱等车型的标定。

在元江开展的高温标定试验的时间在每年4月至9月开展，试验内容包括过热保护、OBD验证、烟度检查、系统降级、热起动、电控单元温度、驾驶性能检查测量轨压控制和监控功能验证、怠速控制、液压部件高温验证、驾驶性能检查、低压回路测量、空调控制验证、空油箱试验、诊断系统管理验证等。在香格里拉开展高原试验的时间不限，开展高寒试验的时间在每年11月至次年3月。试验内容包括增压器保护、DSM验证、过热保护检查、OBD验证、烟度检查、油泵保护、高原高寒起动、低压回路测量、怠速控制、起动机转速、驾驶性能检查等。云内动力YN27系列发动机匹配某轻卡车型，该车型销售至全国范围，其中云南地区的用户普遍反映该车水温偏高。分析后发现，该车型是在吐鲁番完成的高温标定试验，吐鲁番地区道路坡度较小、车速较快、整车迎风好，而云南坡路很多、载货车辆车速较低、发动机转速高，发动机工作区域与吐鲁番有较大差异。在云南地区重新进行了高温标定试验，优化了数据，后续销售到云南的车型没有出现水温偏高的现象。云内D19TCID1发动机匹配福迪F128项目在吐鲁番－格尔木昆仑山口－唐古拉山口－黑河和元江－香格里拉进行了两次三高标定试验。试验对比发现：元江－香格里拉的三高试验组合比吐鲁番－格尔木的组合节省了2／5的时间，节约了1／3的路程，节约大量的人力和运输成本。图7为福迪F128项目的高温过热保护脉谱。

由于吐鲁番路况的坡度较小，只能验证图中虚线包围的灰色区域，无法验证；而车速低于50km／h的低速高负荷的发动机工况，其数据是根据经验修正得到的。通过在云南元江的高温试验，完成了整个脉谱图的真实标定。由此可见，元江的坡道对整车散热系统的考核大于吐鲁番的条件。对主喷提前角、预喷油量、预喷提前角的修正都是基于大气压力、水温和气温三方面来调整的。按照传统的高寒和高原标定，黑河只是基于水温和气温的标定，如果遇到高原加高寒的复合环境条件，则无法完成验证。目前，该车型在香格里拉完成了这种极限环境条件的验证。青海格尔木地区虽然可以验证高原加高寒的复合环境条件，但其标定也有明显不足。图8为在青海格尔木地区得到的基于大气压力的主喷提前角修正脉谱。限于海拔，一般70kPa以上的数据是根据经验插值得到的，但是在云南地区，通过在香格里拉－元江的标定试验，很快得到了70kPa以上的大气环境压力下真实的优化标定值。由图8可见，两者具有明显的区别。昆明云内动力经过多年实践，已将云南（元江－香格里拉）确定为公司整车标定基地。

4结论

（1）在元江－香格里拉进行的道路整车三高试验完全能够满足三高标定的试验环境条件，且比传统的三高标定地域节省了2／5的时间，节约了1／3的路程，降低了人力和运输等成本，是适应我国汽车环境适应性标定的立体试验场。（2）元江的坡道对整车散热系统的考核大于国内其他高温标定地点，是非常理想的高温标定环境。（3）香格里拉高寒高原的极限条件比黑河的单一低温环境更适合对发动机进行考核，是非常理想的高原高寒标定环境。（4）元江到香格里拉沿途海拔的较大落差，可以完成不同海拔的精细标定。

作者：杨波 王贵勇 宋国富 姚国仲 范会军 申立中 单位：昆明理工大学 云南省内燃机重点试验室 昆明云内动力股份有限公司