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• 2023年 第14卷 第1期
  刊出日期：2023-02-28 上一期    下一期
  综述与展望

  氩气闭循环氢气发动机的研发动向与展望

  陈之立

  2023, 14(1):  1-16.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.001

  摘要 ( 345 )   HTML ( 33)   PDF (3079KB) ( 92 )  

  内燃机为了顺应21世纪下半叶实现碳中和的趋势避免被淘汰，必须在运行时实现CO₂的零排放。另外，由于发动机的最高有效热效率明显低于电动车或燃料电池车，这会使消费者逐渐疏远发动机车。1948年，F. M. Lewis发明的氩气(Ar)闭循环氢气发动机重新回到了人们的视野中。这是因为此种发动机不排出CO₂，而且Ar的比热比高于空气，以Ar为工质的发动机的热效率可以有较大提升甚至匹敌电动车或燃料电池车。本文比较详细地介绍了这种发动机的原理、发展史、存在的优缺点以及研究动向和研发课题。同时也介绍了作者近年来的部分研究成果，探讨了Ar闭循环氢气发动机与氢气及燃料电池车的关系及其发展前景。

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  汽车安全

  保险杠刚度特性对行人头部及下肢的损伤影响

  刘天泉, 王丙雨, 吴贺, 邹俊, 毛明祥

  2023, 14(1):  17-22.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.002

  摘要 ( 241 )   HTML ( 12)   PDF (2170KB) ( 59 )  

  用(美国)高速公路安全管理局(NHTSA)的某车辆有限元(FE)数字模型，研究了车辆保险杠刚度特性对行人头部及下肢损伤的影响。获取了 20~60 km/h碰撞速度下的保险杠刚度特性曲线。用多刚体仿真方法，研究了刚度为0~1.27 MN/m的保险杠对行人头部和下肢损伤的影响。结果表明：保险杠刚度对行人的整体运动学响应几乎没有影响，但对行人头部及下肢损伤有影响，且对下肢损伤的影响尤为显著。轿车在20 km/h与60 km/h所对应的保险杠接触力—形变曲线的刚度下，对行人头部的最大接触力分别为4.28 kN和4.26 kN，与行人小腿的最大接触力分别为3.94 kN和9.36 kN。因而行人下肢损伤风险随着保险杠刚度的增加而升高。

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  交叉口车车碰撞事故车损程度的影响要素

  肖乐, 周华, 王朝健, 刘鑫

  2023, 14(1):  23-30.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.003

  摘要 ( 99 )   HTML ( 11)   PDF (2146KB) ( 57 )  

  以国家车辆事故深度调查体系(NAIS)中528例事故数据为样本，分析了城市交叉口车车事故严重性的影响因素、事故发生的时间段分布及车辆损失分布；以车辆损失状态、伤亡状态作为因变量，建立了双变量有序Probit模型。结果表明：人为因素、车辆类型、碰撞位置、路灯和交通信号灯状态，均显著影响事故严重性；超速驾驶导致事故的死亡率上升15.49%、酒后驾驶导致车辆报废的可能性达5.92% ；无交通信号灯使交叉口事故严重性升级；碰撞位置显著影响车辆损坏严重性，左侧面碰撞造成车辆局部明显变形的概率比右侧高2.92%。因此，考虑车辆损失状态可为事故因素分析提供新的视角。

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  基于无迹Kalman滤波的车辆速度和质心侧偏角的估计

  刘兆勇, 刘武东, 邵卫澍, 谭小强, 吴光强

  2023, 14(1):  31-37.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.004

  摘要 ( 96 )   HTML ( 7)   PDF (2167KB) ( 53 )  

  为满足车辆主动安全控制功能需求，需提升车辆在强非线性特性下的状态观测精度，提出一种基于无迹Kalman滤波(UKF)的模块化车辆横纵向速度状态观测器结构。该结构利用车载传感器信息，结合UKF观测纵向和横向速度，根据质心侧偏角的定义，计算车辆质心侧偏角。在干燥路面上，进行数字仿真以及实车实验。结果表明：在强非线性状态下，基于UKF的车辆质心侧偏角估计的仿真结果的均方根误差(RMSE)为0.425°，实车实验的RMSE为0.001°，而使用扩展Kalman滤波(EKF)估计的仿真结果RMSE为0.968°，实车实验的RMSE为0.009°。因此，UKF可以抑制车辆行驶中的干扰对观测的影响，使本观测器结构有较高的观测精度，可满足工程需要。

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  面向儿童约束系统的多点侵入侧碰方法及假人损伤

  徐哲, 高冠宇, 刘灿灿, 娄磊

  2023, 14(1):  38-45.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.005

  摘要 ( 64 )   HTML ( 5)   PDF (4629KB) ( 45 )  

  提出了一种面向儿童约束系统(CRS)的多点侵入台车侧面碰撞测试方法，以复现实车碰撞中车门不同部位的侵入情况。该方法与实车试验进行了对标验证。利用此测试方法进行多次台车侧碰试验，以研究儿童的头部损伤与儿童约束系统的安装方式、安装方向、以及不同大小的儿童假人的关系。结果表明：ISOFIX+支撑腿方式下的假人头部损伤低于ISOFIX+上拉带方式，这2种安装方式的头部性能指标和头部合成加速度的差异分别为25.8%和12.4%；后向安装比正向更有利于儿童头部的保护，2种安装方向的头部性能指标和头部合成加速度差异分别为47.8%和15.9%；头部损伤与假人的大小呈现负相关，假人越大，头部损伤减小。

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  考虑人车路因素纵向避撞人机协同控制策略

  汪选要, 程王峰, 马成程

  2023, 14(1):  46-54.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.006

  摘要 ( 61 )   HTML ( 5)   PDF (6169KB) ( 38 )  

  为了提高驾驶人对纵向避撞系统的接受度，改善驾乘舒适性，提出了一种人机协同纵向避撞控制策略。提出了一种综合考虑驾驶人、车辆及路面附着条件等因素的最小跟随距离计算方法；建立了改进SeungwukMoon安全距离模型，依据该模型和碰撞时间参数来确定动态安全边界。通过可拓理论实时分配驾驶人控制权重，并对期望减速度加权求和，获取了理想制动压力。对CarSim/Simulink/AMESim联合仿真结果，进行了验证。结果表明：所提出的控制策略驾驶人权重因数均大于0.5，实现了控制权的逐渐让渡；30、72 km/h车速的制动强度均低于0.4 g，车距低于8 m；因此，该策略能有效避撞，提升驾乘舒适性和跟车效率。

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  智能驾驶与智慧交通

  基于数字孪生的道路交叉口建模与应用

  张宏, 于海亮, 郑赞, 袁胜东, 熊国强

  2023, 14(1):  55-61.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.007

  摘要 ( 82 )   HTML ( 5)   PDF (2673KB) ( 93 )  

  为有效调控路网交通状态，建立了一种道路交叉口交通数字孪生管理系统。从理论方面和模型的构建、组装、融合、管理、验证及校正等6个方面，阐述了该模型的核心要素及模型构建理论体系；从交通要素管理和运行过程控制2个方面，分析了模型的运行机制和人、车、路、环境的实时交互关键技术；基于机器视觉，实时识别交叉口的交通要素及运行状态；分析“以虚控实”管理系统的构建技术。研究表明：该方法能对道路交叉口的交通要素及运行状态实现精确识别与仿真，可望为相关部门高效调节路网交通状态创建数字化窗口及为自动驾驶提供数据支持。

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  高级辅助驾驶系统主动安全性评价方法

  王银亭, 吴长水

  2023, 14(1):  62-68.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.008

  摘要 ( 120 )   HTML ( 5)   PDF (2574KB) ( 54 )  

  为满足高级辅助驾驶系统主动安全性的多方面评价需求，该文提出了一种基于裕度与不确定性量化(QMU)的高级辅助驾驶系统主动安全性评价方法。结合QMU基本工作原理制定了适用于高级辅助驾驶系统主动安全性的评价体系及评价流程，利用序关系分析法(G1)确定评价指标的权重系数，使用模糊综合评价方法得到综合评价结果；在封闭测试场地对高级辅助驾驶系统的自动紧急制动(AEB)功能进行测试评价。结果表明：测试车车速、加速度、与目标车的距离、方向盘转角速度的评价结果分别为3.660 1、2.670 4、1.767 8、1.819 2，综合结果为2.702；该评价方法弥补了单指标评价结果横向对比的缺失，客观地量化了高级辅助驾驶系统主动安全性的纵向评价结果。

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  面向智能车辆的EMB系统功能安全分析及应用设计

  程洁, 郑凯, 秦嘉, 吴晓东

  2023, 14(1):  69-79.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.009

  摘要 ( 86 )   HTML ( 5)   PDF (2500KB) ( 376 )  

  为提高电子机械制动（EMB）系统的可靠性，基于ISO 26262标准，开展EMB系统功能安全分析及设计。面向智能驾驶车辆，进行相关项定义；应用危害分析和风险评估（HARA）方法论，得到汽车安全完整性等级（ASIL）和系统安全目标，并建立系统安全机制，通过故障树（FTA）模型进行安全验证，实现安全目标的逐层分解；基于EMB系统安全机制搭建失效控制模块，设计制动力重构算法并利用联合仿真模型进行系统验证。结果表明：该系统设计方案同时满足应用于智能车辆的EMB系统的功能需求和安全需求。

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  面向无人驾驶车辆节能的迭代优化预测控制方法

  刘熠, 宫新乐, 唐云, 胡嫚, 马捷, 秦毅, 吴飞, 蒲华燕, 罗均

  2023, 14(1):  80-88.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.010

  摘要 ( 69 )   HTML ( 3)   PDF (2710KB) ( 40 )  

  该文提出一种数据驱动的无人驾驶重型车辆节能驾驶迭代优化预测控制（IOBPC）方法。基于历史数据构造并迭代更新终端状态约束集和终端油耗函数，并对约束集和终端油耗函数进行近似处理，提高算法计算效率；通过学习车辆状态轨迹和燃油消耗的关联机理，保证优化算法代价函数在迭代过程中单调递减并最终收敛，从而实现车辆燃油经济性的显著提升。结果表明：迭代优化预测控制器在多次迭代后使车辆轨迹收敛，燃油消耗减少了约10.2%，相比基于动态规划（DP）的节能驾驶策略，节能效果得到了进一步的提升，且调节参数较少，支持实时求解，更利于实际应用。

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  汽车节能与环保

  相对湿度对PEMFC加载过程中动态响应的影响分析

  刘永峰, 张璐, 裴普成, 刘鑫桐, 禹永帅

  2023, 14(1):  89-97.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.011

  摘要 ( 63 )   HTML ( 4)   PDF (3165KB) ( 31 )  

  为研究电流阶跃变化过程中相对湿度对质子交换膜燃料电池（PEMFC）动态性能的影响，提出动态传热（DHT）数值模型。该模型考虑了相对湿度和阶跃电流对输出电压的影响，揭示出电流阶跃变化条件下相对湿度对质子交换膜（PEM）内水含量和电流密度分布的响应规律。通过自定义函数（UDF）将DHT模型导入Fluent软件并应用有限体积法进行计算；对工作温度60 ℃、负载电流的加载幅值5 A、阴极相对湿度100%、阳极相对湿度50%和100%条件下的PEMFC动态响应性能进行了评价；并将通过DHT模型得到的极化曲线和输出电压响应结果与实验数据进行了比较。结果表明：当阴极相对湿度为100%，阳极相对湿度100%的输出电压及最大功率密度优于50%相对湿度；阳极相对湿度为100%时，DHT模型与实验所得极化曲线间误差为2.18%；电流密度的分布与PEM膜内水含量和阳极侧气体加湿程度有关，阳极侧相对湿度提高，跨膜的电流密度分布均匀性下降；当阳极侧相对湿度为50%、100%时，加载前后膜内水含量分布的极差值分别为2.9和3.1 kmol/m³、3和4.2 kmol/m³。

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  气体扩散层变形模量与脊槽转角半径优化设计

  史启通, 冯聪, 李冰, 张存满, 明平文

  2023, 14(1):  98-105.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.012

  摘要 ( 61 )   HTML ( 5)   PDF (3261KB) ( 46 )  

  提出了一种脊槽转角半径优化设计方法，以消除气体扩散层(GDL)应力集中现象，进而提高质子交换膜燃料电池 (PEMFC)性能和可靠性。基于梁弯曲理论和几何概率理论分析，获得气体扩散层应力—应变非线性解析解。对气体扩散层基材商品TGP-H-060和MGL1902进行了压缩测试，以验证解析解。结果表明：基材TGP-H-060和MGL190的变形模量分别为240 kPa和420 kPa；说明本解析解可很好地拟合实验数据；当脊槽转角半径为340 μm时，GDL上边缘最大接触压力最小，应力集中现象消失，应力分布的均匀性最好。变形模量影响了气体扩散层不均匀变形的程度，但不改变变形分布。因此，本优化设计改善了气体扩散层变形均匀性。

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  基于路况和驾驶习惯的自适应能量回收控制策略

  吴浩, 丁文敏, 魏广杰, 胡均, 游道亮

  2023, 14(1):  106-117.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.013

  摘要 ( 63 )   HTML ( 5)   PDF (3047KB) ( 44 )  

  为提升电动汽车节能水平，运用理论分析和实际道路测试标定相结合的方法，设计了能够根据外部环境工况和驾驶习惯调整的自适应能量回收控制策略，并通过实车在3种典型道路工况下进行能耗对比测试。结果表明：相比于固定强度的能量回收策略，自适应滑行能量回收系统能够有效识别当前行驶路况和驾驶习惯并自适应调整车辆滑行能量回收强度，在山区、市郊和高速工况下可分别降低能耗4.35%、3.55%和0.86%，证明该文提出的自适应能量回收控制策略可以显著提升电动汽车节能水平。

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  主动进气格栅电控系统故障诊断策略

  曹子健, 吴长水, 陈礼

  2023, 14(1):  118-124.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.014

  摘要 ( 129 )   HTML ( 3)   PDF (1890KB) ( 77 )  

  主动进气格栅（AGS）是当前提高汽车燃油经济性的一种重要技术手段，为提高其可靠性与稳定性，该文提出了一种应用于其电控系统的故障诊断策略。基于AGS电控系统软件架构，设计了4类故障诊断机制进行故障诊断，并提出相应的故障保护措施; 设计了格栅挡点位置自适应算法，消除因器件老化故障以及长期小角度、高频次状态下运转带来的误差累积，减少诊断过程中的故障误报；基于自主开发的台架进行故障注入试验与故障误报测试试验，验证了所设计的故障诊断策略。结果表明：该文所设计的故障诊断策略能够快速、准确识别故障并进行分级处理，保证正常运行过程中的格栅开度误差范围为限值5°，提高了整个系统运行的可靠度。

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  进排气压力对气门式二冲程柴油机扫气过程的影响

  付雪青, 张岩, 丁占铭, 庄安帮, 朱伟, 程江华, 张树勇

  2023, 14(1):  125-132.  doi:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.01.015

  摘要 ( 73 )   HTML ( 4)   PDF (3083KB) ( 38 )  

  为深入理解气门式二冲程发动机的扫气过程，以顶端入口进气道气门式二冲程柴油机为研究对象，在1 500 r/min转速下采用三维仿真研究了扫气过程中进排气压差和排气背压对缸内气体流动的影响机理。结果表明：由左侧进气道流入气缸的新鲜充量形成逆滚流，其前锋面抵达排气门之前经右侧进气道流入气缸的新鲜充量主要影响排气纯度，而在之后排气纯度明显增加；压差从30 kPa增加至210 kPa时左侧排气道排气纯度增加，在中低压差下右侧排气道排气纯度较高，扫气品质系数先从0.61降低至0.52，之后增加至0.56且保持不变；定压差和背压从100 kPa增加至190 kPa时排气纯度接近，而扫气效率增加较慢，扫气品质系数从0.55降低至0.53。

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