劉興華，楊 鵬，于洪濤，宮慶偉，白 洋，岳廣照

Liu Xinghua，Yang Peng，Yu Hongtao，Gong Qingwei，Bai Yang，Yue Guangzhao

（1. 北京理工大學(xué)，北京 100081；2. 北京汽車(chē)動(dòng)力總成有限公司，北京 101113；3. 北京汽車(chē)股份研究院，北京 101300）

NEDC工況下主動(dòng)進(jìn)氣格柵對(duì)某車(chē)型油耗及關(guān)鍵排放物的影響

劉興華1，楊 鵬1，于洪濤2，宮慶偉3，白 洋2，岳廣照1

Liu Xinghua，Yang Peng，Yu Hongtao，Gong Qingwei，Bai Yang，Yue Guangzhao

（1. 北京理工大學(xué)，北京 100081；2. 北京汽車(chē)動(dòng)力總成有限公司，北京 101113；3. 北京汽車(chē)股份研究院，北京 101300）

為改善某國(guó)Ⅴ車(chē)型的油耗和排放特性，采用主動(dòng)進(jìn)氣格柵（Active Grille Shutter，AGS）技術(shù)，研究AGS開(kāi)啟角度對(duì)整車(chē)阻力、整車(chē)油耗及關(guān)鍵排放物的影響。通過(guò)整車(chē)滑行試驗(yàn)（AGS、NO_AGS）確定整車(chē)滑行阻力曲線；利用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)加載滑行阻力曲線，開(kāi)展NEDC工況下整車(chē)油耗及關(guān)鍵排放物測(cè)試。結(jié)果表明：安裝AGS后油耗平均降低1.47%，CO2排放平均減少1.23%，THC排放減少13.5%，NMHC（非甲烷烴）排放降低15%，CO和NOx排放有所升高，但均處于國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

主動(dòng)進(jìn)氣格柵；NEDC；整車(chē)滑行阻力；油耗；排放

0 引 言

日益嚴(yán)峻的環(huán)境和能源問(wèn)題使得節(jié)能型汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化刻不容緩。2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確要求到2015年乘用車(chē)平均油耗降至6.9 L/100 km，2020年達(dá)到

5.0 L/100 km[1]。由于乘用車(chē)平均油耗的降低，車(chē)企紛紛尋找降低油耗的新技術(shù)，主動(dòng)進(jìn)氣格柵技術(shù)就是其中之一。

傳統(tǒng)的汽車(chē)前進(jìn)氣格柵的設(shè)計(jì)主要考慮散熱方面的功能，使其能滿(mǎn)足最?lèi)毫庸r下散熱風(fēng)量需求。在實(shí)際工況下，該設(shè)計(jì)不但造成熱量損失，也會(huì)導(dǎo)致整車(chē)阻力上升，進(jìn)而限制了進(jìn)一步提升汽車(chē)的風(fēng)阻性能。以普通乘用車(chē)為例，車(chē)速為90 km/h時(shí)，克服行駛阻力所消耗的油耗約占總油耗的25%。車(chē)速?gòu)?0 km/h加速到110 km/h 時(shí)，行駛阻力增加約40%，油耗增加約10%～15%[2]。基于減少整車(chē)空氣阻力的需求，AGS通過(guò)優(yōu)化控制調(diào)整前進(jìn)氣格柵的開(kāi)度來(lái)改變其開(kāi)口面積（Grille Opening Area，GOA），減少發(fā)動(dòng)機(jī)前艙進(jìn)風(fēng)量，從而減少整車(chē)的內(nèi)循環(huán)阻力，進(jìn)而減少整車(chē)滑行阻力及CO2排放。除此之外，AGS能夠使整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在合適的溫度下工作運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，降低油耗；在整車(chē)?yán)鋯?dòng)的情況下，AGS能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度急劇上升到最佳溫度，降低該時(shí)期的排放值。對(duì)于輕型車(chē)輛，AGS能夠使CO2排放量降低0.5～3 g/km，風(fēng)阻系數(shù)減少0.03[3]。

王文璽[4]等人加載AGS降低油耗0.13 L/100 km。Julien Bouilly[5]等人分別在-7℃和 25℃室溫下進(jìn)行NEDC工況油耗試驗(yàn)；25℃室溫下NEDC工況節(jié)約油耗1.7%，-7℃室溫下NEDC工況節(jié)約油耗2.4%。

AGS對(duì)整車(chē)油耗及排放的最大影響因素為整車(chē)阻力的大小，整車(chē)阻力越大，整車(chē)油耗越高，排放越差。整車(chē)滑行阻力是依據(jù)GB18352.5—2013中道路滑行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車(chē)滑行試驗(yàn)得到，整車(chē)油耗及排放結(jié)果是依據(jù)GB18352.5—2013中整車(chē)Ⅰ型試驗(yàn)（常溫下冷啟動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排放試驗(yàn)得到。因此，分別對(duì)AGS、NO_AGS整車(chē)進(jìn)行道路滑行試驗(yàn)，得出對(duì)應(yīng)整車(chē)的滑行阻力曲線；在 NEDC工況下，加載對(duì)應(yīng)的整車(chē)滑行阻力并進(jìn)行對(duì)比整車(chē)Ⅰ型試驗(yàn)，得出對(duì)應(yīng)的油耗及排放值；對(duì)比并分析兩者的油耗及排放值，得出該工況下AGS對(duì)整車(chē)油耗及排放的影響。

1 AGS滑行試驗(yàn)及結(jié)果

試驗(yàn)采用某款SUV，整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表 1，AGS裝配圖如圖1所示。

表1 試驗(yàn)車(chē)型參數(shù)

圖1 AGS裝配圖

圖2 AGS與散熱器位置及結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

AGS置于散熱器與原進(jìn)氣格柵之間，控制進(jìn)入散熱器的進(jìn)氣量。如圖 2所示，散熱器尺寸為600 mm×40 mm，AGS共14個(gè)柵葉，每個(gè)柵葉尺寸為285 mm×37.5 mm，厚度為6 mm，圖中陰影部分為全關(guān)閉時(shí)的柵葉；依據(jù)散熱器的尺寸將AGS分為7行格柵，每行有2個(gè)柵葉，上方4行格柵，下方3行格柵。0°（0%）為AGS關(guān)閉狀態(tài)，90°（100%）為AGS全開(kāi)狀態(tài)。

采取空擋方式使整車(chē)車(chē)速?gòu)?25 km/h滑行到15 km/h，并進(jìn)行多組重復(fù)試驗(yàn)，其中平均滑行時(shí)間與車(chē)速、平均AGS開(kāi)度關(guān)系如圖3所示。根據(jù)GB18352.5—2013，計(jì)算車(chē)速和滑行時(shí)間并用最小二乘法擬合，得出AGS整車(chē)滑行阻力多項(xiàng)式為

滑行阻力收益多項(xiàng)式

由上可得，加載AGS后平均減阻4.4%，當(dāng)車(chē)速在90 km/h以上時(shí)減阻不低于5.8%，如圖4所示。

圖4 滑行阻力對(duì)比及阻力收益圖

2 AGS整車(chē)Ⅰ型試驗(yàn)及試驗(yàn)分析

2.1 整車(chē)Ⅰ型試驗(yàn)

轉(zhuǎn)鼓上車(chē)輛損失（Vehicle Loss）阻力和轉(zhuǎn)鼓設(shè)定（Dyno set）阻力之和模擬了實(shí)際道路阻力[6]；測(cè)功機(jī)前方的鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著整車(chē)車(chē)速的變化而變化，從而為整車(chē)提供不同的進(jìn)風(fēng)氣流，使整車(chē)的散熱狀態(tài)與實(shí)際道路相似，實(shí)際運(yùn)行裝置如圖5所示。

圖5 整車(chē)I型試驗(yàn)實(shí)際運(yùn)行裝置圖

依據(jù)GB 18352.5—2013（輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法中國(guó)第五階段）和GB/T 19233—2008（輕型汽車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法）對(duì)整車(chē)進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)（常溫下冷啟動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)），收集整車(chē)尾氣排放物，運(yùn)用碳平衡法計(jì)算整車(chē)油耗。Ⅰ型試驗(yàn)采用NEDC工況進(jìn)行試驗(yàn)，NEDC含有4個(gè)市區(qū)工況和1個(gè)市郊工況[7]；1個(gè)市區(qū)工況運(yùn)行時(shí)間為195 s，1個(gè)市郊工況運(yùn)行時(shí)間為400 s。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中，AGS和NO_AGS 2次試驗(yàn)中車(chē)速與NEDC標(biāo)準(zhǔn)車(chē)速基本一致，滿(mǎn)足整車(chē)Ⅰ型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示。

圖6 整車(chē)I型試驗(yàn)與NEDC工況對(duì)比圖

1）油耗及CO2排放結(jié)果

2輛待測(cè)車(chē)輛Ⅰ型試驗(yàn)油耗及 CO2結(jié)果見(jiàn)表2～4，其中，P1階段為市區(qū)工況，P2階段為市郊工況，WEIGHTED階段為整個(gè)NEDC工況。

表2 NO_AGS整車(chē)油耗及CO2排放值

表3 AGS整車(chē)油耗及CO2排放值

表4 加載AGS整車(chē)降低油耗及CO2排放值

在P1階段加載AGS后，市區(qū)工況油耗降低0.84%，約0.11 L/100km；CO2排放量降低0.78%，約2.46 g/km。

在P2階段加載AGS后，市郊工況油耗降低1.89%，約0.16 L/100 km；CO2排放量降低1.93%，約3.92 g/km。

在WEIGHTED階段加載AGS后，降低油耗1.47%，約0.15 L/100 km；CO2排放量降低1.23%，約3g/km。

2）污染物排放結(jié)果

該試驗(yàn)車(chē)型為M1類(lèi)車(chē)；在GB 18352.5—2013Ⅰ型試驗(yàn)中，M1類(lèi)車(chē)限制排放物有 CO、THC、NMHC和NOx，具體限值見(jiàn)表5。

表5 I型試驗(yàn)排放物限值g/km

如圖7～10所示，加載AGS后，排放物中THC在整個(gè)工況減少13.5%，P1階段減少13.3%；排放物中NMHC在整個(gè)工況減少15%，P1階段減少14.2%；NOx、CO排放較原車(chē)有所提高，但都處在國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)。

圖7 THC排放對(duì)比

圖10 NMHC排放對(duì)比

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合試驗(yàn)中排放物秒采結(jié)果，并分析AGS對(duì)整車(chē)的影響因素，得出以下幾點(diǎn)。

1）整車(chē)阻力減少，導(dǎo)致油耗及CO2排放降低。

依據(jù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，加載AGS后P1階段平均減阻5 N，P2階段平均減阻20 N。此外，如圖11所示，整個(gè)NEDC中加載AGS后CO2瞬態(tài)排放量都比原車(chē)少，P2階段排放量減少更多。因此，AGS降低油耗，減少CO2排放，在P2階段更明顯。

2）減少暖機(jī)時(shí)間，提高冷啟動(dòng)能力，降低冷啟動(dòng)排放物。

加載AGS后，整車(chē)?yán)鋮s水溫比原車(chē)進(jìn)入第1個(gè)溫度峰值的時(shí)間提早約10 s；在工況中后期，整車(chē)?yán)鋮s水溫比原車(chē)更高，平均溫度高5 ℃左右，如圖12所示。因此，AGS縮短動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入最佳工作溫度范圍的時(shí)間，提高了整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)前艙的熱管理能力，從而降低油耗和CO2排放值。

圖11 I型試驗(yàn)CO2排放秒采結(jié)果對(duì)比

圖12 NEDC工況下整車(chē)?yán)鋮s水溫及AGS開(kāi)度圖

在試驗(yàn)初期，發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷啟動(dòng)階段，排放值是通常狀態(tài)下的若干倍，其中 THC、NOx排放突出。如圖13和圖14所示，加載AGS后，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度升高更快，故冷啟動(dòng)階段THC排放降低明顯，但是也造成了冷啟動(dòng)階段NOx排放升高。

圖13 I型試驗(yàn)THC排放物秒采結(jié)果對(duì)比

圖14 I型試驗(yàn)NOx排放物秒采結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

1）AGS能夠降低整車(chē)阻力，隨著車(chē)速增加效果越來(lái)越明顯。與未加AGS相比，加載AGS后整車(chē)滑行阻力平均減少4.4%，高速時(shí)減阻達(dá)到5.8%。

2）AGS能夠有效降低油耗，市郊工況降低油耗更明顯，隨著車(chē)速增加效果越來(lái)越明顯。與未加AGS相比，加載AGS后降低油耗1.47%；市區(qū)工況降低油耗0.84%，市郊工況降低油耗1.89%。

3）AGS能夠有效降低排放，尤其是CO2、THC和NMHC排放減少幅度較大；其中，市區(qū)工況THC和NMHC排放減少更明顯；市郊工況CO2排放減少更明顯；其他排放物排放雖有所增加，但也處于國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。與未加 AGS相比，加載AGS后 CO2排放減少 1.23%，THC排放減少13.5%，NMHC排放減少15%。

[1]肖利英，王文璽，李趁前.基于中心組合設(shè)計(jì)的主動(dòng)進(jìn)氣格柵控制標(biāo)定[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2015，44（3）：38-43.

[2]Xu B, Leffert M, Belanger B. Fuel Economy Impact of Grille Opening and Engine Cooling Fan Power on a Mid-size Sedan [J]. Bumpers Fascias & Grilles, 2013.

[3]Pfeifer C. Evolution of Active Grille Shutters[R]. SAE Technical Paper, 2014.

[4]王文璽，吳存學(xué)，干能強(qiáng)，等. 基于中心組合設(shè)計(jì)的主動(dòng)進(jìn)氣格柵多開(kāi)度控制模型設(shè)計(jì)[C]//“現(xiàn)代汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)技術(shù)及能力突破”高級(jí)研修班論文集. 重慶市人力資源和社會(huì)保障局，重慶汽車(chē)工程學(xué)會(huì)，2014.

[5] Bouilly J, Lafossas F, Mohammadi A, et al. Evaluation of Fuel Economy Potential of an Active Grille Shutter by the Means of Model Based Development Including Vehicle Heat Management [J].SAE International Journal of Engines, 2015,8 (5).

[6]馬杰，周華，陸紅雨，等. 底盤(pán)測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定對(duì)汽車(chē)尾氣排放的影響[J]. 汽車(chē)工程，2006，28（9）：873-876.

[7]輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó) V 階段）：GB18352.5—2013 [S].

U467.4

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.002

1002-4581（2017）01-0005-05

2016? 08? 08