任夢宇，鄭清平，張盼盼，黎 明

（河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院，天津 300401）

冷熱機NEDC循環(huán)工況的整車燃油經(jīng)濟性試驗研究

任夢宇，鄭清平，張盼盼，黎 明

（河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院，天津 300401）

選擇兩輛試驗車在轉鼓臺架上分別進行熱機和冷機 NEDC循環(huán)工況，測試其油耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)熱機循環(huán)燃油經(jīng)濟性明顯好于冷機循環(huán)．為了分析上述現(xiàn)象，在汽車上布置傳感器，采集車輛在冷、熱機 NEDC循環(huán)工況中的冷卻液溫度、機油溫度、發(fā)電機電流、用電器耗電等參數(shù)變化情況．試驗結果表明，熱機循環(huán)下有較高的冷卻液溫度、機油溫度和較低的機油壓力，并且轉速波動較小，發(fā)電機耗電量也較小，熱機循環(huán)下機械效率效率高于冷機，可以獲得好的經(jīng)濟性．

NEDC循環(huán)；燃油經(jīng)濟性；汽車；傳感器信號；測試

0 引言

汽車燃油經(jīng)濟性是衡量汽車性能的一項重要指標，隨著工信部發(fā)布新修訂的《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》，更加嚴格的油耗及排放法規(guī)即將實施[1-3]．為了降低車輛的油耗，基于整車的燃油經(jīng)濟性的測試與分析是非常有必要的[4-9]．

車輛在道路行駛工況多變復雜，熱機和冷機下行駛的經(jīng)濟性對比研究對改善車輛性能有一定的指導意義.本文選擇兩臺試驗車在轉鼓臺架上分別進行熱機和冷機NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲行駛工況）循環(huán)工況，測試并比較兩工況之間的經(jīng)濟性差異，通過傳感器采集汽車在NEDC循環(huán)工況運行過程中的各項發(fā)動機參數(shù)的變化情況，分析參數(shù)變化對NEDC循環(huán)中試驗車輛熱機和冷機油耗的影響．

1 整車基本參數(shù)及傳感器布置

1.1 整車基本參數(shù)

車輛主要參數(shù)見表1，兩款樣車的發(fā)動機在排量、額定功率、扭矩上差距較小,NEDC循環(huán)測試結果表明，A車的油耗偏高，而B車油耗屬于正常范圍．在兩輛試驗車的動力總成系統(tǒng)布置相同種類、數(shù)量的傳感器，利用轉鼓臺架，分別在冷、熱機工況下對進行整車NEDC循環(huán)測試，處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，就可以分析兩車分別在冷、熱機下油耗差異及原因．

表1 動力總成基本技術參數(shù)Tab.1 Basic parameters of powertrain system

1.2 監(jiān)測參數(shù)

在整車運行過程中，主要對動力總成的運行狀態(tài)參數(shù)進行測試，其中包括物理量有溫度、壓力、流量和空燃比值．具體物理量見表2．此外，還通過OBD（On Board Diagnostics，車載診斷系統(tǒng)）端口采集發(fā)動機的CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）信號，將傳感器的信號與CAN信號集成到采集設備中，同時進行采集和保存．

表2 樣車發(fā)動機監(jiān)測物理量Tab.2 Monitoring engine parameters

2 車輛測試

在傳感器布置完畢后，運用轉鼓試驗臺架，在不同的實驗條件下進行整車NEDC循環(huán)工況測試，根據(jù)臺架配備的碳平衡法油耗測試儀分析并計算其油耗[10]．需要根據(jù)冷、熱機的不同需求進行試驗條件的設置．

結合車輛的實際使用工況，實驗條件應滿足如下需求：

1）冷機NEDC之前，應保證蓄電池充滿電，被測車輛需要在293～303K（20～30℃）溫度下浸泡至少6 h以上，潤滑油和冷卻液溫度變化范圍小于室溫±2℃．

2）熱機NEDC應保證發(fā)動機工作在正常溫度，動力總成各部位溫度變化小于1℃/m in．

應用SPSS 19.0軟件進行計算，計數(shù)資料使用Fisher確切概率法檢驗，等級資料使用Mann-Whitney U檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

3）測試時禁止開啟空調(diào)、收音機等循環(huán)外用電設備，以免測試油耗出現(xiàn)誤差，影響試驗精度．

3 整車油耗測試及數(shù)據(jù)分析

A和B車的NEDC循環(huán)工況試驗數(shù)據(jù)如表3所示．通過表3可以分析出：A車冷機狀態(tài)下，市區(qū)循環(huán)、郊區(qū)循環(huán)和綜合循環(huán)分別比熱機狀態(tài)多消耗2.86 L、0.35 L和1.20L；B車冷機狀態(tài)下，市區(qū)循環(huán)、郊區(qū)循環(huán)和綜合循環(huán)分別比熱機狀態(tài)多消耗1.36L、0.04 L和0.60 L．可見冷機和熱機對汽車經(jīng)濟性影響很大，下面通過分析傳感器實測的一些參數(shù)進行解釋．

表3 NEDC循環(huán)工況油耗結果 L/100kmTab.3 Fuel consumption results of vehicle A and B

4 采集數(shù)據(jù)分析

4.1 機油溫度

機油溫度是衡量發(fā)動機溫度的重要指標，機油溫度迅速提升至正常工作溫度，有利于減小發(fā)動機的機械損失，提高機械效率，改善經(jīng)濟性．圖1和圖2分別為A、B車在冷、熱機時NEDC循環(huán)工況油液溫度變化，可以看出，在整個ECE循環(huán)中，A、B二車機油溫度都是逐步上升的，但是冷機下的機油溫度均低于熱機，特別是在市區(qū)循環(huán)工況冷、熱機下的機油溫度相差更明顯，這是造成冷機狀態(tài)與熱機狀態(tài)油耗差異的原因之一．在冷機狀態(tài)下，發(fā)動機機油溫度低，機油黏度大，機油流速慢，流量小，潤滑效果差．若想維持良好的潤滑環(huán)境，只能加大機油的循環(huán)壓力，使機油的流量增大．隨著發(fā)動機工作溫度的逐漸升高，機油黏度逐漸減小，機油流量增加，運動零件之間潤滑效果提升，機械阻力減小，從而提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性．

圖1 A車冷、熱機NEDC機油溫度對比Fig.1 NEDC oil temperature comparison of A

圖2 B車冷、熱機NEDC機油溫對比Fig.2 NEDC oil temperature comparison of B

4.2 機油壓力對比

A、B車在冷、熱機時的NEDC機油壓力對比分別如圖3和圖4所示．在冷機循環(huán)中，機油黏度大，為了保證缸體內(nèi)足夠的潤滑，A車的機油壓力在ECE1時達到峰值，達到了300 kPa，同期高出B車壓力峰值近一倍，隨后機油壓力緩慢下降，并在ECE市區(qū)循環(huán)后期降至和熱機機油壓力同一水平；B車機油壓力除了冷機ECE循環(huán)中少數(shù)點外，冷、熱機機油壓力基本保持一致，并沒有出現(xiàn)A車在冷、熱機循環(huán)中出現(xiàn)的機油壓力差異．

這說明在冷機工況下，由于A車發(fā)動機機油溫升慢，機油黏度大，導致內(nèi)阻很高，發(fā)動機摩擦損耗較大；隨著發(fā)動機溫度的提升，機油黏度下降，內(nèi)阻下降，機油壓力逐漸趨于平穩(wěn)，并和熱機時的壓力保持一致．而B車無論冷、熱循環(huán)，機油壓力變化幅度都非常小，這也直接體現(xiàn)在B車良好的冷機潤滑效果和冷機油耗上．

圖3 A車冷、熱機NEDC機油壓力對比Fig.3 NEDC oil-pressure comparison of A

圖4 B車冷、熱機NEDC機油壓力對比Fig.4 NEDC oil-pressure comparison of B

在熱機NEDC循環(huán)中，兩車的機油壓力都隨著車速的變化而合理調(diào)節(jié)，并沒有出現(xiàn)大幅度的不合理變化，二者產(chǎn)生的壓力差別主要是由于機油標號、發(fā)動機的設計油壓等，可見兩車在正常工作溫度下，潤滑都是正常的．

4.3 水溫

A、B車在冷、熱機時的NEDC水溫對比分別如圖5和圖6所示．可以看出，在整個ECE（Economic Commission for Europe）循環(huán)中，A、B二車水溫都是逐步上升的，但是冷機下的水溫均低于熱機，特別是在市區(qū)循環(huán)工況冷、熱機下的水溫相差更明顯，這是造成冷機狀態(tài)與熱機狀態(tài)油耗差異的原因之一，因為熱機循環(huán)下高的水溫通過傳熱使得機油溫度較高，有效減少了發(fā)動機冷啟動階段的機械阻力，從而能夠減小循環(huán)的油耗．

A、B車在冷、熱機時的NEDC水溫變化趨勢雖然相似，但在幅度上有一定差距．在整個ECE循環(huán)中，A車水溫上升緩慢，且一直存在波動，在EUDC（Extra-Urban Driving Cycle）的加速段，水溫才達到峰值．B車在ECE1循環(huán)中水溫上升迅速，并在ECE2循環(huán)中保持穩(wěn)步上升態(tài)勢，在ECE3循環(huán)的后半段出現(xiàn)迅速上升的情況，并迅速達到峰值并保持穩(wěn)定；這說明B車體現(xiàn)出了較好的發(fā)動機水路設計，在暖機過程中冷卻液通過小循環(huán)能夠迅速將熱量傳遞均勻地傳遞給發(fā)動機的缸體和油液，使發(fā)動機溫度迅速而穩(wěn)定地提升．

圖5 A車冷、熱機NEDC水溫對比Fig.5 NEDC coolant temperature of A

圖6 B車冷、熱機NEDC水溫對比Fig.6 NEDC coolant temperature of B

4.4 NEDC循環(huán)發(fā)動機轉速對比

A、B車在冷機時的NEDC發(fā)動機轉速對比分別如圖7和圖8所示．首先，A車的發(fā)動機轉速在冷機的波動峰值均大于熱機，這說明發(fā)動機燃燒在冷機下不穩(wěn)定，燃燒效率差，在一定程度上影響到燃油經(jīng)濟性．另外，在A、B車發(fā)動機轉速循環(huán)對比中，A車在ECE階段和EUDC階段都出現(xiàn)了峰值轉速，且ECE循環(huán)中發(fā)動機轉速的重復性較差，穩(wěn)定性較弱；B車不管是在ECE循環(huán)還是EUDC循環(huán)，都體現(xiàn)了良好的重復性和穩(wěn)定性，ECE循環(huán)中峰值轉速維持在1 700轉左右，在EUDC循環(huán)冷、熱機轉速則更加吻合．造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，不僅包括發(fā)動機自身的控制，更與車輛的換擋策略和傳動系統(tǒng)有關．

圖7 A車冷、熱機NEDC循環(huán)發(fā)動機轉速對比Fig.7 NEDC engine revolution comparison of A

圖8 B車冷、熱機NEDC循環(huán)發(fā)動機轉速對比Fig.8 NEDC engine revolution comparison of B

4.5 發(fā)電機電流及整車用電器耗電情況

A、B車在冷機時的NEDC發(fā)電機電流及整車用電器耗電如圖9、圖10所示．可以看出，車輛A和B在冷機時的發(fā)電機電流均大于熱機，且A車相差更大些，B車在整個NEDC過程中，冷機發(fā)電機電流略大于熱機，說明冷機時耗電量高于熱機，這主要是因為冷機時需要提高點火能量，以保證燃燒效果，加上電器效率較低，所以導致發(fā)電機電流較大，最終發(fā)動機消耗能量大，機械效率低，故冷機燃油經(jīng)濟性比熱機差．

圖9 A車冷、熱機NEDC發(fā)電機電流對比Fig.9 Generator current comparison of A

圖10 B車冷、熱機NEDC發(fā)電機電流對比Fig.10 Generator current comparison of B

5 結論

在整車實際運行狀態(tài)下，通過布置傳感器監(jiān)控和采集整車動力系統(tǒng)一些參數(shù)，對比分析A和B兩車在NEDC循環(huán)熱機和冷機工況下的這些參數(shù)變化情況，由此得出熱機循環(huán)燃油經(jīng)濟性明顯好于冷機循環(huán)的原因如下：

1）在整個ECE循環(huán)中，A、B二車機油溫度都是逐步上升的，但是冷機下的機油溫度均低于熱機，特別是在市區(qū)循環(huán)工況冷、熱機下的機油溫度相差更明顯．

2）冷機循環(huán)中，A車的機油壓力在冷機機油壓力明顯高于比熱機，B車機油壓力冷機局部高于熱機機油壓力．

3）在整個ECE循環(huán)中，A、B二車水溫都是逐步上升的，但是冷機下的水溫均低于熱機，特別是在市區(qū)循環(huán)工況冷、熱機下的水溫相差更明顯．

4）發(fā)動機轉速在冷機的轉速波動均大于熱機．

5）車輛A和B在冷機時的發(fā)電機電流均大于熱機，且A車相差更大些，B車在整個NEDC過程中，冷機發(fā)電機電流略大于熱機．

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[責任編輯 田 豐]

Test and research of vehicle fuel economy in state of heat NEDC cycle and cold NEDC cycle

REN Mengyu，ZHENG Qingping，ZHANG Panpan，LI Ming

(School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Two vehicle were selected to be tested on rolling drum experiment table to get data of fuel consumption.The result shows fuel consumption in heat state is obviously lower than cold state.In order to research the difference of fuel consumption between cold and hot engine state in NEDC cycle,several signals such as engine temperature,engine-oil temperature,generator current,power consumption of electrical appliances etc.were collected and recorded.The results show that thevehicle in heat state have higher coolant temperature,oil temperature,lower generator current and fluctuation of engine speed,less power consumption of electrical appliances as well.According to this consequence,we can get better mechanical efficiency and fuel consumption in state of heat engine than cold one.

NEDC cycle;fuel economy;vehicle;sensor signal;test

TK401

A

1007-2373(2016)05-0085-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.05.013

2016-08-30

任夢宇（1989-），男（漢族），碩士生．通訊作者：鄭清平（1965-），女（漢族），教授，qpzh163@163.com．