公交車輛節(jié)能減排駕駛技術(shù)研究

王 瑩 于 謙 李鐵柱 萬 濤

1.北京交通大學(xué)，交通運輸學(xué)院，北京 100044

2.東南大學(xué)，交通學(xué)院，南京 210096

3.北京首都國際機(jī)場股份有限公司，北京 100044

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，我國城市汽車保有量呈現(xiàn)較大幅度的增長，帶來汽車能源消耗和汽車尾氣排放環(huán)境污染方面的嚴(yán)重問題。在國家的“十二五”規(guī)劃中，交通也成為節(jié)能減排的重點領(lǐng)域[1]。

為了緩解交通壓力、節(jié)能減排，國家大力提倡“公交優(yōu)先”發(fā)展，因此各城市的公交車保有量大幅增加，公共交通得到迅速發(fā)展。道路環(huán)境、車輛技術(shù)狀態(tài)、駕駛員的操作都是影響公交車油耗及排放的因素。當(dāng)公交公司車輛選型完成，保養(yǎng)水平也確定之后，車輛的燃料經(jīng)濟(jì)性就取決于駕駛員的操作。由于公交車在城市里特殊的運行工況使得駕駛員的綜合素質(zhì)和安全駕駛技術(shù)水平成為公交車節(jié)油的根本保障。

很多國家重視汽車節(jié)能減排技術(shù)的研究和理念的推廣。日本推廣的生態(tài)駕駛及歐洲的經(jīng)濟(jì)駕駛（Eco-driving）計劃項目，從駕駛員的合理操作方面進(jìn)行油耗控制，也取得了節(jié)能減排的顯著效果[2]。

近年來，我國也開始重視機(jī)動車節(jié)能減排，進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)研究，宣傳節(jié)能減排意識。2010 年由中華人民共和國交通運輸部組織編寫的《汽車節(jié)能駕駛手冊》綜合了國內(nèi)外節(jié)能駕駛的成熟經(jīng)驗[3]，提供了一些節(jié)能駕駛常識和技巧。同時，公交公司也采取了一系列措施來節(jié)能減排，降低燃油消耗以降低成本，如選購燃油經(jīng)濟(jì)性好的柴油發(fā)動機(jī)，開展節(jié)油競賽，召開節(jié)油經(jīng)濟(jì)活動分析會議，組織駕駛員交流節(jié)油經(jīng)驗等。

研究顯示，不同駕駛員開車油耗相差十分大，有的達(dá)到15%，因此，汽車節(jié)能減排駕駛操作的研究和推廣有極大的經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)保意義[4]。

1 城市公交車運行工況分析

本文應(yīng)用 GPS 全球衛(wèi)星定位設(shè)備對南京市第30 路公交車進(jìn)行了行駛工況數(shù)據(jù)采集，收集數(shù)據(jù)主要包括時間、經(jīng)度、緯度和速度等屬性信息。

1.1 速度分析

速度是反映公交車運行狀況的一個很重要的參數(shù)。

將全程速度的分布進(jìn)行統(tǒng)計，全程平均速度為15.62km/h，平均運營速度為19.86km/h（不包括在站點的?？繒r間的平均速度）。

根據(jù)實測速度，將速度分為v=0、0＜v≤10、10＜v≤20、20＜v≤30、30＜v≤40、40＜v≤50 六個速度段，將各速度段的比例進(jìn)行計算，見表1。

表1 不同速度段所占比例Tab.1 Ratio of different speed range

在行駛中速度低于30km/h 的占63%，可見全程運行速度較低，行駛狀況較差，速度處于10～30km/h 的時間比例達(dá)到約50%。

1.2 加速度分析

加速度與車輛行駛的平穩(wěn)性以及油耗排放有較大關(guān)系。

根據(jù)計算出來的加速度，將各加速度段的比例進(jìn)行計算，見表2、3。加減速時加速度分布都較為分散，各個加速度段都占有較均衡的比例，因此對于后面排放量和油耗量的影響需要分段進(jìn)行統(tǒng)計分析。

表2 加速段不同加速度區(qū)間所占比例Tab.2 Proportion of different acceleration ranges during an acceleration period

表3 減速段不同加速度區(qū)間所占比例Tab.3 Proportion of different acceleration ranges during a deceleration period

1.3 工況比例分析

公交車行駛時，其運行工況是非常復(fù)雜的，但從各種特征綜合考慮，大致可分為四類，即怠速、加速、勻速和減速四種行駛模式[5]。在本研究中，各種工況的判別準(zhǔn)則如下：

（1）怠速工況：速度和加速度都為零時的行駛狀態(tài)；

（2）加速工況：加速度值為正，且大于0.1m/s2的行駛狀態(tài)；

（3）減速工況：加速度值為負(fù)，且小于-0.1m/s2的行駛狀態(tài)；

（4）勻速工況：加速度絕對值不大于 0.1m/s2且速度不為零的行駛狀態(tài)；

據(jù)此判別標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計計算，四個工況所占有的時間比例如表4 所列。

表4 工況比例Tab.4 Proportion of different driving modes

從表4 中可以看出，加速、減速工況的比例超過50%，說明公交車在運行過程中加減速頻繁，而勻速比例僅25%，比例較低，運行狀況較差。

綜合以上分析可以得出：本次30 路公交的隨車調(diào)查，全程共運行里程7.567km，總時間為1744s，全程平均速度為 15.62km/h，平均運行速度為19.86km/h，61%運行時間的速度低于 20km/h，可見全程運行速度較低，勻速比例較低，加減速操作頻繁。

2 公交車燃油消耗量分析

2.1 基于碳平衡法的油耗量計算

碳平衡法的原理，是指根據(jù)質(zhì)量守恒定律，汽（柴）油經(jīng)過發(fā)動機(jī)燃燒后，排氣中碳質(zhì)量總和與燃燒前的燃油中碳質(zhì)量總和相等[6]。

我國常常采用百公里油耗來表示燃油經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)在實驗中測得柴油密度為0.85kg/L，假定柴油中碳質(zhì)量比CWF 為0.865 8，而且排氣中的碳?xì)浠衔锏奶假|(zhì)量比率 CWFHC=0.866，本次研究中獲得車輛CO2、CO、HC 逐秒排放數(shù)據(jù)，單位為g/s。

計算得到油耗公式為：

式中：

F 為汽車百公里油耗，L/100 km；

ECO為尾氣中CO 排放因子，g/km；

EHC為尾氣中HC 排放因子，g/km。

根據(jù)上述公式求出各采樣點的百公里油耗值，便于進(jìn)行以下的分析。

2.2 不同參數(shù)對油耗量的影響

選取行駛工況、速度、加速度三個參數(shù)，依次分析其對公交車油耗量的影響。

2.2.1 行駛工況與油耗的關(guān)系

計算出四個工況各自的油耗量，以及三個工況的百公里油耗，如表5 所示。

表5 不同工況下油耗統(tǒng)計Tab.5 Fuel consumption of different driving modes

從表 5 中數(shù)據(jù)中可以得出：全程總油耗量為1.94L，平均百公里油耗為25.66 L/100km。加速工況在整個車輛運行工況中時間比例最高，為30.79%，其油耗比例也是最多，為58.91%。加速時，油門突然加大，進(jìn)氣量和供油量都隨之增大，加速過程中大量的燃料參加燃燒，其百公里油耗也遠(yuǎn)高于其他工況，達(dá)到了39.32 L/100km，高出整個行駛工況平均百公里油耗50%以上。其次油耗貢獻(xiàn)率較大的是勻速工況，時間比例為24.94%，油耗比例為23.93%，百公里油耗為18.11 L/100km。由于城市道路復(fù)雜的交通環(huán)境，公交車輛勻速行駛速度較低。研究結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，百公里油耗量隨著速度的增加會逐漸減小。正是由于較低的行駛速度導(dǎo)致了較高的油耗率，從而使得勻速工況下對總體油耗量貢獻(xiàn)率大?？梢?，在勻速工況下，需要選擇合理的速度行駛來控制油耗。相對而言，怠速和減速工況油耗量較低，怠速工況時間比例為21.33%，油耗比例僅為7.87%，但是由于怠速工況時車輛不行進(jìn)，因此這部分油耗量也應(yīng)該加以控制。減速工況時間比例為 22.94%，油耗比例為9.29%，接近于怠速工況的油耗，這是由于減速工況時進(jìn)氣量小，車輛接近滑行，百公里油耗為8.62 L/100km。

因此要控制公交車輛的油耗量，必須改善車輛的加速工況，并選擇合理的速度勻速行駛以控制勻速工況下的油耗量。

2.2.2 速度與油耗量的關(guān)系

公交車的行駛速度與燃油經(jīng)濟(jì)性有較大的影響，因此將采樣點數(shù)據(jù)根據(jù)工況不同分別研究在減速、勻速、加速三種工況下速度與油耗的關(guān)系。

當(dāng)a＜-0.1m/s2時，即減速工況下，速度與百公里油耗關(guān)系曲線如圖1 所示。從圖中可以看出，隨著速度的增加公交車的百公里油耗總體呈下降趨勢，但是有一些波動。特別當(dāng)速度處于0～25km/h 的時候波動頻繁并且油耗量較高，當(dāng)速度大于25km/h時，百公里油耗量基本不變，位于10L/km 以下。

圖1 減速工況下速度與百公里油耗關(guān)系Fig.1 Relationship between fuel consumption per 100 km and different speeds during a deceleration mode

當(dāng)-0.1 m/s2＜a＜0.1m/s2時（勻速工況），速度與百公里油耗關(guān)系曲線如圖2 所示。從圖中可以看出，在勻速工況下，隨著速度的增加油耗量總體呈下降的趨勢，但是分布不規(guī)律，較為分散，當(dāng)速度處于0～30km/h 的時候百公里油耗值較高，當(dāng)速度大于30km/h 時，油耗量顯著下降。

圖2 勻速工況下速度與百公里油耗關(guān)系Fig.2 Relationship between fuel consumption per 100 km and different speeds during a cruise mode

當(dāng)a＞0.1m/s2時（加速工況），速度與百公里油耗關(guān)系曲線如圖3 所示。從圖中可以看出，在勻速工況下，隨著速度的增加油耗量總體呈下降的趨勢，當(dāng)速度處于0～20km/h 的時候，油耗量隨著速度增加急劇下降，當(dāng)速度處于20～30km/h 的時候油耗量較穩(wěn)定,但數(shù)值仍在波動，當(dāng)速度大于 30km/h的時候百公里油耗比較穩(wěn)定且處于較低的值。

圖3 加速工況下速度與百公里油耗關(guān)系Fig.3 Relationship between fuel consumption per 100 km and different speeds during an acceleration mode

將速度分為九個速度區(qū)間，分別計算各個速度區(qū)間的平均百公里油耗，如表6 所示。隨著速度的增加，油耗值不斷下降，當(dāng)v＜15km/h 的時候，油耗量較高，均大于 40L/100km，但是當(dāng) v＞25km/h的時候，數(shù)值均在20L/100km 以下。

表6 各速度區(qū)間油耗比例及百公里油耗值Tab.6 Fuel consumption per 100 km under different speed ranges

綜合以上分析，可以發(fā)現(xiàn)公交車以大于25km/h的速度行駛時，油耗量較小，因此應(yīng)將速度控制在25km/h 以上，以實現(xiàn)公交車節(jié)能減排的目標(biāo)。但是根據(jù)實驗測得，全程平均速度為15.62km/h，平均運營速度為19.86km/h，公交車駕駛技術(shù)仍需要改善。

2.2.3 加速度與油耗量的關(guān)系

加速度也是公交車油耗的一個重要影響因素，但是相同加速度所對應(yīng)的油耗由于受到速度的影響而有較大差異，在不同工況下作加速度與百公里油耗曲線來考察其影響。

（1）減速工況下，統(tǒng)計一定的加速度范圍內(nèi)的平均百公里油耗，如圖4 所示。

圖4 減速工況下加速度與百公里油耗關(guān)系Fig.4 Relationship between fuel consumption per 100 km and different acceleration during a deceleration mode

減速度越大，百公里油耗值越大，特別是當(dāng)減速度超過-1m/s2的時候，油耗值上升幅度較大，當(dāng)減速度處于-0.1～-1m/s2的時候，數(shù)值變化較小，維持在7L/100km 左右。

因此加速度在-0.1～-1m/s2范圍內(nèi)，可以有效控制油耗量。從減速度分布比例看，加速度在-0.1～-1m/s2范圍的比例達(dá)到80%，說明減速工況油耗量不算高，屬于較合理狀況。

（2）加速工況下，統(tǒng)計一定的加速度范圍內(nèi)的平均百公里油耗，如圖5 所示。

加速工況下的油耗值都遠(yuǎn)高于減速工況，從圖中看當(dāng)加速度處于0.1～0.4m/s2的時候，百公里油耗在30L/100km 左右波動，比較穩(wěn)定，當(dāng)加速度大于 0.4m/s2的時候，油耗值迅速增長到 50 L/100km 左右。

圖5 加速工況下加速度與百公里油耗關(guān)系Fig.5 Relationship between fuel consumption per 100 km and different acceleration during an acceleration mode

因此加速度在 0.1～0.4m/s2范圍內(nèi)，即柔和加速，可以有效控制油耗量。從加速度分布比例看，加速度在0.1～0.4m/s2范圍的比例僅為40%，說明突然加速的狀況存在比例較大，有較大改進(jìn)空間。

因此公交車駕駛員應(yīng)將行車速度控制在25km/h 以上，加速度控制在0.1～0.4 m/s2左右，加速度控制在-0.1～-1 m/s2左右。

3 公交車節(jié)能減排駕駛技術(shù)分析

3.1 公交車車速控制方法

從以上分析中可以看出公交車輛的油耗量和排放量隨車速的不同而變化，因此車速控制是公交車節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。

從前面的速度對油耗量的影響中分析得：車輛的平均速度控制在25km/h 左右比較有利于車輛的節(jié)能減排。在實際測量中，30 路公交車瞬時車速一般在50km/h 以下，全程平均速度為15.62km/h，平均運營速度為 19.86km/h，還是有較大的提升空間的。另外，公交駕駛員選擇穩(wěn)定車速行駛后，應(yīng)控制好加速踏板，保持其位置不變，盡量維持車輛勻速行駛。

3.2 公交車加減速控制方法

公交車輛在行駛過程中，起步、超車和通過交叉路口，以及在固定的站點?？康锐{駛行為，都會涉及加減速操作，因此公交車加減速度的控制也是節(jié)能減排的一個重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)加速度對油耗量的影響分析，得到結(jié)論為：加速度控制在0.1～0.4m/s2范圍，加速度為-0.1～-1m/s2左右時，油耗量較小。

3.2.1 加速控制

加速工況在車輛行駛工況中占到約 30%的時間比例，而且加速工況的燃油消耗量和排放量都較大，排放總量的比例為58.8%，燃油消耗比例也達(dá)到58.91%。因此加速控制直接影響到公交車輛的節(jié)能減排。

公交車起步時，關(guān)鍵在于駕駛員正確掌握離合器踏板和加速踏板的配合操作要領(lǐng)，做好“油離配合”，起步應(yīng)緩慢，加速應(yīng)平穩(wěn)。公交車起步后提速時，應(yīng)當(dāng)緩慢均勻輕踩加速踏板，而不是采用急加速方式的猛踩踏板[7]。

總之，公交車駕駛員要柔和緩慢操作加速踏板，避免急加速行為，并盡量將加速度控制在0～0.4m/s2范圍內(nèi)，有利于公交車輛節(jié)能減排及安全平穩(wěn)運行。

3.2.2 減速控制

在前文對車輛減速度對公交車輛運行過程中的油耗量和排放量的研究中發(fā)現(xiàn)，減速度的變化對油耗量和排放量的影響并不顯著，減速工況的時間比例為22.94%，但是其排放總量比例僅為9.35%，燃油消耗比例也僅為 9.29%，而且實測公交車輛的減速度在-0.1～-1m/s2時油耗量和排放量波動較小。

公交駕駛員行車過程中需減速時，盡量采取滑行減速，保持加速度在-1m/s2～0 范圍內(nèi)，可帶檔滑行，利用慣性“以滑帶剎”進(jìn)行減速，節(jié)油效果顯著[8]，只有在緊急情況和進(jìn)站停車時才使用制動減速，有利于車輛安全平穩(wěn)減速及節(jié)能減排。

3.3 綠色駕駛理念

公交駕駛員除了需要掌握節(jié)能駕駛操作的技術(shù)之外，應(yīng)該提高節(jié)能意識，保持平和的心態(tài)進(jìn)行綠色駕駛，駕駛員應(yīng)善于進(jìn)行心態(tài)調(diào)節(jié)及預(yù)見性駕駛，才能保證車輛平穩(wěn)安全行駛，養(yǎng)成良好的節(jié)能駕駛習(xí)慣，以最少的燃油消耗和尾氣排放，實現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)、最高效的出行。

柔和駕駛要求公交駕駛員保持平和心態(tài)，溫和地控制行車速度，盡量減少急加或減速行為，不爭不搶，不亂變更車道，維持車輛勻速行駛。對于車速和加速度的柔和控制，在前面駕駛技術(shù)中已經(jīng)進(jìn)行了闡述，不再贅述。預(yù)見性駕駛要求公交駕駛員集中精力駕駛，盡可能的觀察到前方較遠(yuǎn)的路況及車輛前后左右的情況，準(zhǔn)確地預(yù)測即將發(fā)生的動態(tài)交通狀況，采取相應(yīng)的預(yù)備駕駛操作[9]。

4 結(jié) 論

本文通過對南京市第 30 路公交車實測的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以實測排放數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過碳平衡法計算油耗量，研究了行駛工況與油耗量的關(guān)系，并討論了速度、加速度對油耗量的影響，分析出控制油耗量的最佳速度范圍為25km/h以上，加速度范圍為0.1～ 0.4 m/s2，減速度范圍為-0.1～-1m/s2。最終提出公交車駕駛員車速、加速度控制方法、綠色駕駛理念下的節(jié)能減排駕駛操作要點。

[1]百度百科.“十二五”規(guī)劃[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/2192926.htm，2012-02-21.

[2]百度百科.生態(tài)駕駛[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/2979376.htm,2010-11-08.

[3]劉興增.交通運輸部派發(fā)《汽車節(jié)能駕駛手冊》倡導(dǎo)“綠色駕駛”[EB/OL].http://news.163.com/10/0613/02/691B9237000146BC.html,2010-0 6-13.

[4]殷明杰.汽車駕駛與維護(hù)對汽車油耗的影響[J].實用汽車技術(shù)，2007，（3）：37-38.

[5]潘姝月.城市公交車行駛工況的研究[D]：大連：大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，2009.

[6]艾國和.典型城市道路車輛燃油消耗研究[D]：武漢：武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院，2005.

[7]曾 誠，蔡鳳田，劉 莉，等.不同駕駛操作方法下的汽車運行燃料消耗量分析[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2010，（2）：23-26.

[8]邱繼武.城市公交汽車駕駛員如何節(jié)油淺析[J].科技傳播，2010，（11）：75.

[9]李春成.城市公交車節(jié)油駕駛操作技術(shù)[J].城市車輛，2002，(1)：53.