王光耀，孟德宇，秦宏宇，戴春蓓

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，為了保證整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，降低汽車(chē)油耗勢(shì)在必行。

20世紀(jì)80年代初我國(guó)開(kāi)始制定汽車(chē)油耗標(biāo)準(zhǔn)，并于2003年7月制定出GB 19233—2003《輕型汽車(chē)燃油消耗量試驗(yàn)方法》[1]，2004年9月制定出GB 19578—2004《乘用車(chē)燃料消耗量限值》[2]，這是我國(guó)第一個(gè)控制汽車(chē)燃油消耗量的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。目前仍依據(jù)以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛測(cè)試循環(huán)）工況進(jìn)行輕型車(chē)油耗測(cè)試，但是汽車(chē)行業(yè)已著手制定第3階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，將以WLTC（World-wide Harmonized Light-duty Test Cycle，全球統(tǒng)一輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)）工況作為測(cè)試工況[3-4]。

目前針對(duì)認(rèn)證過(guò)程中輕型車(chē)在WLTC工況下油耗的影響因素研究較少，在GB 18352.6—2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》要求的范圍之內(nèi)，針對(duì)不同的浸車(chē)溫度對(duì)輕型車(chē)燃油消耗量的影響進(jìn)行研究，浸車(chē)區(qū)域溫度控制目標(biāo)為23℃，允許的實(shí)際偏差為±3℃[5]49。

1 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛及燃料參數(shù)

待測(cè)試車(chē)輛選用市場(chǎng)中在售的某款輕型車(chē)，其排放能力達(dá)到國(guó)六排放水平，除駕駛員外沒(méi)有其他載荷，車(chē)輛燃油加注量為50%，車(chē)輛和燃料相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 待測(cè)車(chē)輛及試驗(yàn)燃料參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示，設(shè)備型號(hào)見(jiàn)表2，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)分為待測(cè)試車(chē)輛、底盤(pán)測(cè)功機(jī)、定容取樣系統(tǒng)（Constant Volume Sa mpler，CVS）、排氣分析儀、控制臺(tái)5個(gè)部分。在試驗(yàn)過(guò)程中按照滑行法在轉(zhuǎn)鼓上加載阻力，然后按照WLTC工況進(jìn)行測(cè)試，在整個(gè)測(cè)試循環(huán)結(jié)束后，排氣分析系統(tǒng)對(duì)采樣袋中經(jīng)過(guò)稀釋的樣氣進(jìn)行分析，得到車(chē)輛排出的二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和總未燃碳?xì)洌═HC）的量，計(jì)算后得到WLTC工況下輕型車(chē)油耗的測(cè)量值。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)

1.3 油耗計(jì)算

油耗計(jì)算依據(jù)GB 19233—2003《輕型汽車(chē)燃油消耗量試驗(yàn)方法》進(jìn)行，利用測(cè)得WLTC工況下車(chē)輛的CO2、CO和THC的排放量，以碳平衡法計(jì)算燃料消耗量，對(duì)于裝備汽油機(jī)的車(chē)輛其公式為[1]5

式中：FC（Fuel Consumption）為燃料消耗量，L/100 km；HC為測(cè)得的總碳?xì)渑欧帕?，g/km；CO為測(cè)得的CO排放量，g/km；CO2為測(cè)得的CO2排放量，g/km；D為288K（15℃）下試驗(yàn)燃料的密度，kg/L。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

試驗(yàn)使用相同預(yù)處理方式，將預(yù)處理后的試驗(yàn)樣車(chē)分別置于23℃和26℃ 2種不同溫度的浸車(chē)環(huán)境中浸車(chē)24 h，待浸車(chē)結(jié)束后使用WLTC工況對(duì)其進(jìn)行油耗測(cè)試，為了減小誤差，每次預(yù)處理和試驗(yàn)均采用相同的駕駛員，并且在每個(gè)浸車(chē)溫度條件下進(jìn)行3次試驗(yàn)。油耗的測(cè)量結(jié)果主要由CO2、CO和THC共同決定（式1），表3為采用不同浸車(chē)溫度（23℃和26℃）浸車(chē)測(cè)得的WLTC工況條件下輕型車(chē)部分排放污染物和油耗數(shù)值。

表3 WLTC下采用不同浸車(chē)溫度浸車(chē)時(shí)車(chē)輛排氣污染物和油耗值

從表3中可以看出，相比于中速、高速和超高速階段，第1階段即低速段CO2、CO、THC排放量相差較為明顯，以整體排放量較大的CO2為例，其在第1階段最大相對(duì)偏差約為8%，后3個(gè)階段最大相對(duì)偏差不足5%；從表3中還可以看出，在低速階段CO和THC大量生成，但總體排放量比較低，使得后3個(gè)階段CO和THC排放量盡管相對(duì)偏差較大，但對(duì)油耗的影響較小[6-12]。

除此之外，當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行至低速段結(jié)束進(jìn)入中速段時(shí)，由于車(chē)輛已經(jīng)運(yùn)行了足夠長(zhǎng)的時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)的油溫、水溫逐漸升高并趨于相似，此時(shí)即使浸車(chē)溫度條件不同，車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)仍然相近，從而使進(jìn)入中速段以后車(chē)輛的排放和油耗水平差異不大，所以研究不同浸車(chē)溫度（23℃和26℃）對(duì)WLTC工況下待測(cè)車(chē)輛油耗的影響時(shí)，分析的重點(diǎn)在試驗(yàn)采取的2種浸車(chē)溫度對(duì)WLTC測(cè)試過(guò)程中低速段車(chē)輛排放和油耗的影響[13-14]。

2.1 浸車(chē)溫度對(duì)CO2排放量的影響

圖2為浸車(chē)溫度為23℃和26℃時(shí)低速行駛階段中車(chē)輛排氣污染物中CO2的平均體積隨著測(cè)試時(shí)間的變化。

圖2 WLTC中不同浸車(chē)溫度對(duì)低速段車(chē)輛CO2排放量的影響

總體上看，CO2在低速階段整個(gè)過(guò)程中持續(xù)大量生成，當(dāng)浸車(chē)溫度為23℃和26℃時(shí)，生成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2體積分別為0.01～0.13 L和0.01～0.11 L，即在較高浸車(chē)溫度條件下測(cè)得的待測(cè)車(chē)輛在低速階段CO2體積總體小于較低浸車(chē)溫度條件下測(cè)得的結(jié)果。結(jié)合表3中不同浸車(chē)溫度條件下待測(cè)車(chē)輛的百公里油耗可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用較高浸車(chē)溫度（26℃）時(shí)車(chē)輛在低速段的油耗比較低浸車(chē)溫度（23℃）時(shí)低0.082～0.246 L/100 km。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：WLTC工況為瞬態(tài)工況，不同浸車(chē)溫度條件下，隨著車(chē)輛速度的快速升高和降低，發(fā)動(dòng)機(jī)供油量隨之升高或降低，從而導(dǎo)致燃燒生成的CO2體積也快速增大或者減少，隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生相應(yīng)的峰值和谷值。從圖2中可以看出，盡管采用不同的浸車(chē)溫度，當(dāng)CO2體積隨著車(chē)輛速度變化而變化時(shí)，其生成速率相差不大，采用較低浸車(chē)溫度（23℃）浸車(chē)時(shí)CO2體積峰值會(huì)略微高于較高浸車(chē)溫度（26℃）值，使整個(gè)低速段CO2累計(jì)排放量較大。當(dāng)浸車(chē)溫度較高時(shí)，經(jīng)過(guò)12 h浸車(chē)，使待測(cè)車(chē)輛冷卻液、機(jī)油和燃油的溫度均處于較高水平，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)由于車(chē)輛燃油溫度較高，因而噴入氣缸內(nèi)的汽油霧化較好，與空氣混合更充分，其燃燒放熱更加充分，所以發(fā)動(dòng)機(jī)做功相同時(shí)所需要的燃油量更少，生成的CO2量也相對(duì)較小。

2.2 浸車(chē)溫度對(duì)CO和THC的影響

圖3和圖4分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下浸車(chē)溫度為23℃和26℃時(shí)低速行駛階段車(chē)輛排氣污染物中CO的平均體積和THC的平均體積隨著測(cè)試時(shí)間的變化。

圖3 WLTC中不同浸車(chē)溫度對(duì)低速段車(chē)輛CO排放量的影響

圖4 WLTC中不同浸車(chē)溫度對(duì)低速段車(chē)輛THC排放量的影響

從圖3、圖4中可以看出，與車(chē)輛CO2排放量隨著車(chē)速變化而變化不同的是，待測(cè)車(chē)輛在整個(gè)低速段排放出的CO和THC的生成呈單峰分布，峰值體積分別為1.24×10-2L和1.39×10-3L，并且測(cè)得的峰值排放量均出現(xiàn)在車(chē)輛冷啟動(dòng)以后試驗(yàn)開(kāi)始后20 s左右。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：車(chē)輛在法規(guī)規(guī)定的浸車(chē)環(huán)境下經(jīng)過(guò)24 h的浸車(chē)之后啟動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)溫度比較低，同時(shí)催化器的溫度也未達(dá)到起燃溫度，此時(shí)催化劑轉(zhuǎn)化效率低，噴入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)部的燃料由于處于溫度較低的環(huán)境中，其霧化水平較差，與較冷的氣缸壁接觸后液化，導(dǎo)致其不能充分燃燒，使排氣中存在大量的CO和THC[15]。經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)工作之后，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度升高，燃油霧化質(zhì)量得到改善，同時(shí)催化器溫度也達(dá)到起燃溫度，使CO和THC排放量顯著減少，所以待測(cè)車(chē)輛在冷啟動(dòng)階段CO和THC排放呈一個(gè)單峰分布。相比于較低浸車(chē)溫度（23℃），采用較高的浸車(chē)溫度（26℃）時(shí)，待測(cè)車(chē)輛在冷啟動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的溫度更有利于燃料的混合霧化以及燃燒火焰的擴(kuò)散，可燃混合氣燃燒更加充分，排出的CO和THC量也更少，這與Piotr[16]等的發(fā)現(xiàn)一致。

2.3 浸車(chē)溫度對(duì)燃油消耗量的影響

車(chē)輛的燃油消耗量主要由排放出的CO2、CO和THC確定（式（1）），采用較高浸車(chē)溫度（26℃）比采用較低浸車(chē)溫度（23℃）平均油耗減少0.142 L/100 km，并且在車(chē)輛冷啟動(dòng)進(jìn)行WLTC的低速階段3種污染物的排放量前者均比后者低。這是因?yàn)檐?chē)輛冷啟動(dòng)時(shí)為了得到較濃的可燃?xì)怏w，會(huì)噴入較多的燃油，溫度越低可燃混合氣霧化效果越差，燃燒放熱越不充分，需要提供更多的燃料來(lái)保證車(chē)輛的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以采用較高浸車(chē)溫度（26℃）比采用較低浸車(chē)溫度（23℃）在低溫冷啟動(dòng)階段燃油消耗量更低一些。

3 結(jié) 論

（1）在WLTC中，待測(cè)車(chē)輛油耗的差異主要體現(xiàn)在低速階段；

（2）不同于CO2排放，WLTC中低速段CO和THC的生成量呈單峰分布，主要是由低溫冷啟動(dòng)產(chǎn)生；

（3）采用較高浸車(chē)溫度（26℃）時(shí)待測(cè)車(chē)輛在WLTC低速段CO2、CO和THC排放量均低于采用較低浸車(chē)溫度（23℃）值；

（4）較高浸車(chē)溫度（26℃）時(shí)WLTC中油耗值相比于較低浸車(chē)溫度（23℃）更低。