周文駿,李師凡

(1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；2.武昌實驗中學(xué)，湖北 武漢 430061)

汽車燃油經(jīng)濟性試驗影響因素研究

周文駿1,李師凡2

(1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；2.武昌實驗中學(xué)，湖北 武漢 430061)

該實驗基于新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)工況，以一輛點燃式輕型汽油汽車為試驗對象，對影響車輛燃油經(jīng)濟性主要因素進行了測試。實驗表明：發(fā)動機起始溫度、蓄電池電壓對市區(qū)循環(huán)結(jié)果影響較大；駕駛員狀態(tài)對郊區(qū)工況油耗影響很大。研究表明：維持發(fā)動機起始溫度、保持駕駛員駕駛狀態(tài)和車輛狀態(tài)的穩(wěn)定性是提高試驗精度、使2-3次試驗的相對標(biāo)準(zhǔn)差維持在5%以內(nèi)的有效措施。

新歐洲行駛循環(huán)；燃油經(jīng)濟性；發(fā)動機；潤滑油

隨著全球環(huán)境的日益惡化，各國對汽車的排放法規(guī)提出了更加嚴格的要求，燃油經(jīng)濟性已然成為人們關(guān)注的焦點。其中燃料消耗量受諸多因素影響，按照國標(biāo)規(guī)定進行試驗會導(dǎo)致很大的誤差。目前國內(nèi)基于NEDC工況的燃油經(jīng)濟性試驗誤差很大，國內(nèi)某研究所的試驗結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)差高達20%。德國ISP測試機構(gòu)測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)差可以低至0.3%，國內(nèi)外差距很大。國內(nèi)許多試驗研究都是基于NEDC工況，缺少對燃油經(jīng)濟性試驗影響因素的研究,試驗精度偏差較大，可信度值得商榷[1-3]。基于NEDC工況的燃油經(jīng)濟性試驗需要占用大量的資源，少量的試驗達不到既定要求，大量的試驗時間成本和資金成本太高[4-6]。因此，研究試驗過程中的主要影響因素可以有效提高燃油經(jīng)濟性試驗的精度、減少重復(fù)試驗次數(shù)、提高試驗可靠性。本實驗對試驗過程中的變量進行了相應(yīng)控制，旨在分析提高燃油經(jīng)濟性試驗精度的相關(guān)措施。

一、油耗法規(guī)和NEDC工況

我國第三階段油耗法規(guī)2015年全面實行，輕型汽車的平均油耗規(guī)定為6.9L/100km。2014年12月22日發(fā)布的GB 19578-2014《乘用車燃料消耗量限值》和GB 27999-2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》，根據(jù)中國國情制定了2016年到2020年的油耗法規(guī)，油耗的要求日益嚴格，至2020年中國汽車油耗需要低于5L/100km[6-8]。中國各大汽車公司和油耗檢測部門迅速建立了各自的燃油經(jīng)濟性試驗基地，但是面對的共同問題是試驗的再現(xiàn)性較低，試驗數(shù)據(jù)會隨著試驗環(huán)境條件的變化發(fā)生巨大的波動。

依據(jù)國標(biāo)GB 18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國V階段)》I型試驗，NEDC循環(huán)總共包括1 180s，兩個大型循環(huán)市區(qū)行駛循環(huán)UDC和郊區(qū)行駛循環(huán)EUDC，如圖1所示，可以將NEDC工況分為五部分，分別為：四個市區(qū)循環(huán)(UDCI、UDCII、UDCIII、UDCIV)和一個郊區(qū)循環(huán)(EUDC)。市區(qū)循環(huán)(UDC)試驗期間平均車速19 km/h，每個小循環(huán)行駛時間為195s行駛距離為1.013km。郊區(qū)循環(huán)(EUDC)平均車速62.6km/h，行駛所需時間為400s，行駛距離6.955km。

二、試驗設(shè)備及方法

1.試驗設(shè)備與儀器

試驗車輛采用B15型直列四缸發(fā)動機，采用了雙DVVT進排氣氣門連續(xù)可變正時技術(shù),VGIS可變進氣歧管技術(shù), ETC電子節(jié)氣門技術(shù)，總排量1.485L。

基于NEDC測試循環(huán)在底盤測功機上進行試驗，并且采用碳平衡法計算汽車的油耗所需的硬件主要由四部分組成：AVL 48″緊湊型底盤測功機，AVL四五組份排放分析儀,WEISS環(huán)境倉和HORIB 排放分析儀。環(huán)境倉可以調(diào)節(jié)試驗環(huán)境條件，維持試驗過程中試驗環(huán)境中溫度，絕對濕度和相對濕度穩(wěn)定，試驗室的條件及設(shè)備設(shè)定符合國標(biāo)要求。

2.試驗流程與注意事項

試驗過程中研究某一因素與燃油經(jīng)濟性的影響就必須保證其他因素不改變，但是，燃油經(jīng)濟性試驗的因素控制非常困難，并且試驗的影響因素非常多，僅僅控制某一狀態(tài)的變化非常困難。試驗在某些情況下忽略了因素耦合產(chǎn)生的影響。流程分以下七步：

(1)試驗準(zhǔn)備階段：測試車輛預(yù)處理。預(yù)處理的目的在于使車輛內(nèi)部摩擦機構(gòu)表面覆蓋油膜，防止車輛摩擦機構(gòu)因為干摩擦造成額外能量損失。預(yù)處理完畢后應(yīng)在30小時內(nèi)進行試驗，防止車輛因為久置不運行導(dǎo)致油膜被破壞。

(2)浸車：車輛將放置在環(huán)境倉中浸車至少應(yīng)該超過6小時，使汽車溫度達到環(huán)境倉設(shè)定的溫度。其目的在于控制汽車內(nèi)部冷卻液、潤滑油和其他結(jié)果的溫度。

(3)車輛初始狀態(tài)檢查：保證車輛的初始狀態(tài)穩(wěn)定，檢查項目應(yīng)包括車輛的胎壓、車輛的蓄電池電壓、車載電子狀態(tài)。

(4)試驗儀器檢查：保證底盤測功機狀態(tài)穩(wěn)定、溫度監(jiān)測裝置等儀器設(shè)備正確連接、尾氣收集裝置與車輛緊密連接無泄漏現(xiàn)象產(chǎn)生。

(5)油耗試驗：試驗過程中需實時監(jiān)測發(fā)動機油溫，變速箱油溫，后橋油溫在NEDC循環(huán)中的實時變化情況。

(6)熱態(tài)滑行試驗：當(dāng)潤滑油溫度處于一定數(shù)值時，測量車輛由速度50km/h自由下降至速度為0km/h所滑行的距離。

(7)反拖阻力試驗：當(dāng)潤滑油溫度維持處于一定數(shù)值時，測量車輛從10km/h至150km/h每隔10km/h時的反拖測功機的阻力。

三、市區(qū)影響因素分析

1.溫度對市區(qū)油耗的影響

如圖1所示，控制試驗前車輛的起始溫度，使發(fā)動機油初始的溫度差異為2℃，檢測試驗過程中溫度的變化情況。通過試驗監(jiān)測，溫度差異在市區(qū)循環(huán)一直保持，在UDCI和UDCII循環(huán)階段的溫差較大。進入郊區(qū)工況之后，溫度之間的差距隨時間的增長逐漸減小。溫度差異主要存在于城市工況階段，試驗開始前300s差異較大。

圖1 NEDC循環(huán)試驗溫度變化曲線

圖2 NEDC各工況油耗

在不改變其他條件的情況，在不同初始溫度的情況進行燃油經(jīng)濟性試驗，市區(qū)油耗結(jié)果如圖2所示：不同溫度下的油耗差距主要表現(xiàn)在市區(qū)工況下，27℃時的市區(qū)油耗為9.16L/100km，25℃時的市區(qū)油耗為9.42L/100km，溫度提升了2℃度油耗增加了2.83%。這說明初始溫度變化對NEDC試驗市區(qū)工況UDCI和UDCII階段油耗的影響較大，維持起始溫度穩(wěn)定可以使其相對標(biāo)準(zhǔn)差縮小到5%以內(nèi)。車輛在起始溫度為90℃進行NEDC循環(huán)試驗[5]比在25℃進行試驗然后經(jīng)濟性提高了10%，其中主要油耗差距出現(xiàn)在試驗起始階段200s的冷啟動階段。

主要原因如下：

1. 低溫時的燃燒室和缸體等部件之間具有較高溫差，差距較大的溫度差會導(dǎo)致能量的流失。

2. 潤滑油在低溫時具有更高的黏度，黏度較高的時候潤滑油內(nèi)部摩擦力較大，導(dǎo)致消耗更多的能量。

溫度對燃油經(jīng)濟性的影響主要體現(xiàn)在冷啟動階段和溫升階段，在溫升階段汽油燃燒產(chǎn)生的能量53%傳遞給了汽缸壁。傳遞的熱量52%白白流失到了周圍的環(huán)境中，沒有傳遞給發(fā)動機缸體，潤滑油和冷卻水，傳遞給潤滑油的能量只占4%[8]。因此，在NEDC循環(huán)測試中，冷啟動階段發(fā)動機機構(gòu)之間較大的溫差使發(fā)動機產(chǎn)生的大量能量傳遞給了缸體、冷卻水和周圍的環(huán)境[9-12]。只有非常少的一部能量傳遞給了潤滑油，使?jié)櫥蜏囟壬摺?/p>

2.電壓對油耗的影響

圖3 油耗與電壓之間的關(guān)系

在不改變其他條件的情況，在不同初始蓄電池電壓的情況進行燃油經(jīng)濟性試驗，市區(qū)油耗結(jié)果與電壓之間的關(guān)系如圖3所示，蓄電池電壓與油耗之間的影響呈明顯的負相關(guān)關(guān)系。因此，試驗過程中應(yīng)保證蓄電池電壓穩(wěn)定。

四、郊區(qū)影響因素分析

1.溫度對郊區(qū)油耗的影響

圖4 郊區(qū)油耗與溫度之間的關(guān)系

在郊區(qū)工況，27℃時，油耗為5.93L/100km，而在25℃時的郊區(qū)油耗為5.89L/100km。27℃比25℃油耗增加了0.68%。這說明溫度不是影響郊區(qū)油耗的主要因素，進入郊區(qū)工況后初始溫度影響可以忽略不計，主要原因如下：

高溫時造成能耗因素的主要因素變?yōu)榱四Σ翙C構(gòu)的潤滑性能，而影響摩擦機構(gòu)的潤滑性能主要是潤滑油中摩擦改進劑配比。

2.司機駕駛水平對郊區(qū)油耗的影響

司機的駕駛水平是制約著NEDC測試油耗的又一重大因素，可以通過試驗過程中車輛與標(biāo)準(zhǔn)路徑的偏差值判斷駕駛?cè)藛T的水平，主要由以下幾個值判斷: 偏離允許速度范圍的次數(shù)與時間，相對行駛距離，絕對行駛距離，前兩個值是關(guān)鍵。

市區(qū)工況和郊區(qū)工況下車輛的實際行駛距離。在多次NEDC試驗中，駕駛員均保持良好的駕駛狀態(tài)，偏離允許速度范圍的次數(shù)與時間都為0。圖5展示了在駕駛員不出現(xiàn)駕駛錯誤的情況下實際行駛距離的偏移量與油耗之間的關(guān)系。如圖5(a)所示，市區(qū)油耗與市區(qū)實際行駛距離之間的關(guān)系不明顯，實際行駛距離對油耗的影響因子不大。在市區(qū)工況下溫度是影響油耗的主要原因。然而，圖5(b)中展示了郊區(qū)實際行駛距離與郊區(qū)油耗之間非常良好的線性關(guān)系。郊區(qū)實際行駛距離每增加1m,郊區(qū)油耗增加0.001L/100km。在郊區(qū)工況中，實際行駛距離是影響車輛郊區(qū)油耗的主要因素。

圖5(a)

圖5(b)

五、提高試驗精度措施

燃油經(jīng)濟性測試階段，如果僅僅只是依據(jù)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進行試驗，試驗結(jié)果誤差較大，曾在國內(nèi)某著名車輛試驗基地進行燃油經(jīng)濟性試驗，其相對標(biāo)準(zhǔn)差達到9%-20%。如果對主要影響因素進行控制，2-3次試驗之間的相對標(biāo)準(zhǔn)差可以穩(wěn)定至5%以內(nèi)。措施如下：

一是試驗預(yù)處理與燃油經(jīng)濟性試驗之間時間間隔最好在8～10h，期間車輛需放在恒溫倉中浸車，恒溫倉溫度根據(jù)試驗地溫度調(diào)節(jié)，在25±2℃之間。目的是使車輛冷卻液和潤滑油溫度達到設(shè)定室溫，并且車輛發(fā)動機、變速箱、后橋摩擦機構(gòu)表面油膜狀態(tài)良好。

二是試驗車輛的輪胎和蓄電池盡量使用新的，輪胎盡量使用硬度大的，保證車載儀器都處于關(guān)閉狀態(tài)。

三是每次安排相同的駕駛員進行試驗，駕駛習(xí)慣和水平有差異，好的駕駛員可以大幅度提高試驗精度。

結(jié)語

通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)影響車輛燃油經(jīng)濟性精度的影響主要有：車輛潤滑油起始溫度、駕駛水平、傳動系阻力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、儀器設(shè)備精度等。其中車輛起始溫度、蓄電池電壓是主要影響市區(qū)油耗的因素，將起始溫度從25℃提升至27℃油耗增加了2.83%，蓄電池電壓數(shù)值在一定范圍內(nèi)與市區(qū)油耗呈明顯的負相關(guān)關(guān)系。郊區(qū)油耗的主要影響因素是駕駛水平，參考油的郊區(qū)油耗與駕駛水平呈線性關(guān)系，郊區(qū)實際行駛距離每增加1m,郊區(qū)油耗增加0.001L/100km。

試驗起始溫度對油耗的影響主要在試驗開始前200s的溫升階段，在進入郊區(qū)工況后起始溫度差異可以忽略。駕駛員技術(shù)水平在整個試驗過程中都有較大影響，采取措施可以使2-3試驗的相對標(biāo)準(zhǔn)差將至5%以內(nèi)，降低試驗次數(shù)，節(jié)約成本。

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2015-07-20

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