基于NEDC工況的發動機能量利用率分析方法

任平　王波

摘 要：發動機能量利用率是一種分析和評價燃油經濟性匹配水平的方法。首先計算出NEDC工況試驗時為克服行駛阻力所做的功，再通過NEDC工況試驗得出實際油耗，并將油耗轉化為完全燃燒所釋放的能量。將克服行駛阻力所做功除以完全燃燒釋放的能量便是該車型NEDC工況試驗時的能量利用率。能量利用率可用于判斷開發車型與競爭車型經濟性匹配水平的優劣，也可用于判斷不同級別車型經濟性匹配水平的優劣。

關鍵詞：能量利用率；NEDC工況；行駛阻力；油耗；經濟性匹配水平

中圖分類號：U461.2 文獻標志碼： A 文章編號：1005-2550（2014）02-0018-06

汽車工業發展至21世紀以來，受到越來越多的挑戰，隨著世界能源緊缺的加劇，油價的逐年上漲，車輛的燃油經濟性越來越成為消費者在購車時考慮的重要因素之一。而與此同時，為應對氣候變化危機，中國在國家層面上也提出了汽車行業的整體節能減排目標，即到2015年行業平均油耗達到6.9 L/100 km，到2020年則更降低到5 L/100 km；

受市場環境與國家政策的影響，國內的各家汽車企業，在新產品開發過程中，不得不將車輛的燃油經濟性放在首要位置加以重視，車輛的經濟性能匹配也朝著更精益、更全面和更符合市場需求的方向發展。

如今國內的汽車企業，在評價某款開發車型相對同級別其他競爭車型的燃油經濟性優劣時，通常采用NEDC循環工況油耗來進行對比分析。然而，由于不同車型其自身物理特性（如整備質量、輪胎型號、行駛阻力等）不同，油耗對比的結果并不能代表經濟性匹配水平的高低。本文介紹一種汽車發動機能量利用率的分析評價方法，可以一定程度上排除車輛自身物理特性對于對比分析結果的影響，從而解決上述問題。

1 采用發動機能量利用率的意義

汽車發動機能量利用率（后稱能量利用率）是指車輛在行駛某段距離時為克服行駛過程中的行駛阻力所做的功占實際消耗燃油完全燃燒所釋放的能量的比例，其公式如式（1）。能量利用率相對于發動機的熱效率，排除了傳動系內阻對于能量損失的影響，可以直接反映出車輛燃油經濟性匹配的水平，這個比例越高說明車輛燃油經濟性匹配的水平越高。

（1）

式中：ηe為能量利用率；Wr為車輛克服行駛阻力所做的功；Qin為車輛消耗燃油完全燃燒所釋放的能量。

車輛的燃油經濟性主要與以下方面有關：

（1）性能匹配水平：包括動力總成的選型、經濟性開發目標的設定、變速箱速比的匹配、整車各子系統對燃油經濟性影響因素的監控等方面，體現了整車經濟性系統開發的設計水平；

（2）發動機自身的節油水平：這個水平主要與發動機的類型，節油技術的應用情況，零部件加工工藝與精度，所帶負載的情況等有關，體現了發動機的設計水平；

（3）發動機電控系統設計：通過遍布整車各處的傳感器提供的信號判斷合理的噴油量，電控系統的匹配開發水平高低對車輛的燃油經濟性至關重要；

（4）發動機的工作環境：包括進氣溫度、進氣系統阻力、排氣系統背壓、冷卻系統冷卻能力、發動機艙熱流場管理、噴油壓力等，體現了發動機附件的設計水平；

（5）能量傳遞過程的效率：包括變速箱效率、驅動軸傳遞效率、制動殘余阻力造成的效率損失、前束阻力造成的效率損失等，體現了整車底盤系統的設計水平；

（6）整車物理特性：主要是產生行駛阻力的車輛特性，包括迎風面積、風阻系數、整備質量、輪胎阻力特性等。

以上六方面影響因素中，整車物理特性往往是不受性能匹配開發工程師控制的，它主要受到車型定位、車輛配置、汽車廠家的技術開發水平等影響。因此，如果將整車物理特性納入到經濟性匹配水平的評價范疇中，將不能真實體現經濟性匹配水平。

如果采用NEDC工況油耗作為經濟性匹配水平的評價標準，實際就是將整車物理特性考慮在內，因為油耗受到整車物理特性的影響。

如果采用NEDC工況能量利用率作為評價標準，其關系式中分子實際就是整車行駛阻力的表征，分母是油耗的表征，包含了由于行駛阻力產生的油耗。兩者相除就在一定程度上抵消了整車物理特性的影響，因此更能體現經濟性匹配的水平。

2 相關分析說明

2.1 整車行駛阻力

在進行整車燃油經濟性轉轂試驗時，一般采用道路滑行法來進行行駛阻力的加載，這個阻力對應著經濟性試驗的整車質量。

車輛在試驗場跑道上進行滑行試驗時，主要克服空氣阻力、滾動阻力、加速阻力和坡度阻力，其中加速阻力只有在車輛加速時會產生，坡度阻力只有在車輛爬坡時會產生。而車輛在進行NEDC工況試驗時，上述四種阻力中，由于沒有爬坡，因此坡度阻力是沒有的。

車輛的道路滑行阻力可以認為是與車速的一個二次函數關系，即：

Ff=Aν2+Bν+C （2）

式中：A，B，C為滑行阻力系數。

2.2 NEDC工況試驗時的能量分解路徑

車輛在進行NEDC工況試驗時，發動機燃油完全燃燒后釋放出的能量，其中很大一部分通過熱量散失掉，散失的途徑包括熱輻射、熱傳導與熱對流；另外一部分用于克服發動機自身內部零部件間的阻力，而較小的一部分最終通過傳動系傳遞到驅動輪，用于克服工況行駛時的行駛阻力，燃油燃燒能量的分解路徑如圖1。

圖1 汽車發動機燃油燃燒能量分解路徑

從圖1中可看出，能量利用率就是整車克服空氣阻力、滾動阻力和加速阻力所做功占燃燒能量的比例。

2.3 NEDC工況說明

NEDC工況中包含城區15工況與郊區13工況，一個NEDC工況由四個城區工況與一個郊區工況組成，工況曲線如圖2。

圖2 NEDC工況運行圖

NEDC工況中，按照行駛狀態不同，分為六種工況類型：加速工況、等速工況、怠速工況、減速且不斷開傳動系工況、減速且離合器脫開工況和換擋工況。endprint

3 NEDC工況的能量利用率計算分析

3.1 各類工況做功分析

3.1.1 加速工況

在NEDC工況中，對加速工況有明確的定義，要求在一個確定的時間段使車輛完成從一個車速到另一個更高車速的加速過程；比如在城區工況的工況2區間段，要求車輛在4s的時間內，車速由0提升到15 km/h，如圖3所示。

圖3 加速工況分析示意圖

車輛進入加速工況時，克服的主要阻力包括空氣阻力、滾動阻力與加速阻力，其中加速阻力為：

（3）

車輛在進行加速工況試驗時，受車輛及發動機狀態的動態變化，其加速度不是恒定的，但是在進行理論分析時，我們可以認為車輛是在進行勻加速運動；

把加速過程分解為若干區間，如按照車速每增加1 km/h為一個區間，每個區間車輛所做的功可根據單位時間所做的功與行駛時間之積來求得。

單位時間所做功就是某一個時刻對應的車輛克服行駛阻力所消耗的功率Pe（此功率為輪邊功率），由下式求得：

（4）

式中：v指某一個時刻對應的車速，km/h。

而汽車行駛速度每增加1 km/h所需的時間（s）為：

（5）

式中：ta為某個加速區間段要求的完成時間；va為該加速區間段起始車速；vb為該加速區間段終了車速。

則在某一個時間區間段，車輛克服阻力所做功（k·Wh）為：

（6）

從行駛初速v1加速至v1+1 km/h，車輛所做功（k·Wh）為：

（7）

式中：Pe0為行駛初速v1時，即t0時刻的功率，kW；Pe1為行駛初速v1+1 km/h時，即t1時刻的功率，kW。

由車速v1+1 km/h再增加1 km/h，車輛所做功（kW·h）為：

（8）

式中：Pe2為行駛初速v1+2 km/h時，即t2時刻的功率，kW。

依此，每個區間車輛所做功（kW·h）為：

（9）

式中：Pe（n-1），Pen為t（n-1），tn時刻的功率，kW。

該加速過程車輛所做的功（k·Wh）為：

（10）

3.1.2 等速工況

車輛在進入等速工況行駛時，克服的主要阻力包括空氣阻力和滾動阻力；這兩個阻力之和就是前述進行道路滑行試驗時整車所承受的阻力，由式（2）可以看出，這個阻力只與車速有關，車速一定時，阻力之和是恒定的。

那么某一個時刻對應的車輛克服行駛阻力所消耗的功率Pc（kW），由下式求得：

（11）

式中：v指某一個時刻對應的車速，km/h。

那么從某個時間點t1等速行駛到t2時，車輛克服阻力所做功（kW·h）為：

（12）

3.1.3 怠速工況

車輛在進入怠速工況時，發動機與傳動系斷開，發動機怠速噴油主要用于克服發動機自身內阻，并維持發動機的穩定運轉。

怠速工況小時怠速油耗Qie（L/h）可在試驗時直接測得，則發動機從某個時間點t1怠速運轉到t2時，其耗油量（L）為：

（13）

利用燃油密度與燃油燃燒熱值，可換算出這段時間發動機燃燒燃油所釋放出的能量（kW·h）為：

（14）

式中：ρ為燃油密度，理論分析時，推薦汽油取0.725 kg/L，柴油取0.84 kg/L；q為燃油燃燒熱值，理論分析時，推薦汽油取11.96 kWh/kg，柴油取11.82 kWh/kg。

從式（13）和式（14）可以看出，此工況發動機所做功與行駛阻力無關。

3.1.4 減速且不斷開傳動系工況

車輛在進入減速且不斷開傳動系工況時，電控系統發動機均增加了斷油的控制策略，在發動機轉速未降低到某一個較低轉速（這個轉速一般在1000 rpm-1400 rpm）之前，均不對發動機噴油，依靠行駛的車速反拖發動機運轉，以此達到省油的目的。

在NEDC工況中，由于發動機轉速降到重新噴油轉速后的時間很短，其燃油消耗量很小，基本可以忽略。因此，在進行理論分析時，可以認為減速且不斷開傳動系工況沒有油耗產生，即發動機不做功。

3.1.5 減速且離合器脫開工況

離合器脫開后，發動機與傳動系斷開，此時發動機的運行狀態與怠速工況相同，則車輛從某個時間點t1減速行駛到t2時，其耗油量（L）為：

（15）

利用燃油密度與燃油燃燒熱值，可換算出這段時間發動機燃燒燃油所釋放出的能量（kWh）為：

（16）

從式（15）和式（16）可以看出，此工況發動機所做功與行駛阻力無關。

3.1.6 換擋工況

車輛在換擋時，需要踩下離合器踏板，此時離合器脫開，發動機與傳動系斷開，理論分析時認為發動機的運行狀態與怠速工況相同，則車輛從某個時間點t1減速行駛到t2時，其耗油量（L）為：

（17）

利用燃油密度與燃油燃燒熱值，可換算出這段時間發動機燃燒燃油所釋放出的能量（kWh）為：

（18）

從式（17）和式（18）可以看出，此工況發動機所做功與行駛阻力無關。

3.2 NEDC工況運行統計分析

從以上每個工況的做功情況可以看出，在NEDC工況試驗時，克服行駛阻力做功主要是在加速工況和等速工況完成，其他工況或不做功或做功主要用于克服發動機內阻以維持發動機運轉。

下面對城區工況和郊區工況中各工況的做功用時情況及做功總和進行分析。endprint

3.2.1 城市工況

對城市工況進行詳細分解并統計分析，結果如表1。

表1 城區工況各工況用時

由表1可看出，城市工況試驗總計用時195 s，其中克服行駛阻力做功總計用時93 s，克服發動機自身阻力做功總計用時77 s，未做功的時間是25 s；

將城區工況中所有加速工況與所有等速工況所做功相加，便是城區工況克服行駛阻力所做功的總和WUDC（kW·h）。

3.2.2 郊區工況

對城市工況進行詳細分解并統計分析，結果如表2。

表2 郊區工況各工況用時

由上表可看出，郊區工況試驗總計用時400 s，其中克服行駛阻力做功總計用時312 s，克服發動機自身阻力做功總計用時56 s，未做功的時間是32 s。

將郊區工況中所有加速工況與所有等速工況所做功相加，便是郊區工況克服行駛阻力所做功的總和WEUDC（kW·h）。

3.3 NEDC工況能量利用率計算

NEDC工況克服行駛阻力做功之和（kW·h）：

（19）

NEDC工況中，每個城區工況行駛距離為1.013 km，郊區工況行駛距離為6.955 km，總計行駛距離為11.007 km。試驗時測得NEDC工況油耗為Qn（L/100km），則行駛完一個NEDC工況的耗油量（L）為：

（20）

則依據式（1）和式（14）可以計算出NEDC工況下的能量利用率：

（21）

4 能量利用率的分析應用

4.1 競爭車型對比分析

比如某公司要開發一款A級車，該車型匹配1.5 L汽油發動機，整備質量為1 205 kg，經過NEDC工況經濟性試驗，得到試驗結果是：城市工況油耗為9 L/100km，郊區工況油耗為6.1 L/100km，綜合工況油耗為7.2 L/100km；

該公司為評價該車型燃油經濟性匹配的優劣，對市場上同級別的八款競爭車型進行了NEDC工況燃油經濟性試驗，結果如表3。

從開發車型與競爭車型的對比結果來看，開發車型油耗在同級別競爭車型中，處于比較省油的位置。但是，由于開發車型發動機排量相對較小，整備質量相對較低，其油耗較低并不能代表該車型經濟性匹配水平就好。

為此，采用能量利用率方法進行對比和評價，結果如表4。

從上對比可看出，雖然開發車型的NEDC工況油耗較低燃油經濟性較好，但其能量利用率在同級別車型中偏低，說明開發車型的經濟性匹配的水平較差，仍需要進行優化。

4.2 不同級別車型的性能匹配水平對比

比如A公司開發了一款A級車，匹配1.5 L汽油發動機，整備質量1 205 kg，其NEDC工況綜合油耗為7.2 L/100 km。該公司希望與另一家汽車公司B公司比較其車型的經濟性匹配水平，但A公司只有B公司的一款C級車可供試驗分析，該車匹配3.0 L汽油發動機，整備質量1 700 kg，NEDC工況綜合油耗為10.3 L/100km。

由于兩款車型級別相差很大，在進行NEDC工況試驗時，為克服行駛阻力所做的功差別就很大，因此沒法直接用綜合油耗來進行比較。

這時，就可以用能量利用率來進行比較，能量利用率排除了車型物理特性的差別，可以進行直觀的對比。經過分析，A公司的A級車能量利用率為23.8%，B公司的C級車能量利用率為21.2%，可以說明A公司的車型經濟性匹配水平更高。

5 結論

（1）能量利用率的評價方法排除了車輛自身物理特性（重量、阻力等）對于整車油耗的影響，體現了整車經濟性能的匹配水平；

（2）通過對NEDC工況中各類工況的做功分析，可以得出在NEDC工況中克服行駛阻力做功之和，除以所消耗燃油（通過試驗得到）完全燃燒釋放的能量，便可求得在NEDC工況試驗中的能量利用率；

（3）汽車企業在進行競品分析時，采用能量利用率作為評價指標，可以排除車輛自身物理特性對于評價結果的影響；在進行不同級別車型性能匹配水平對比時，采用能量利用率可以排除不同級別車型的差異而進行直觀的對比。因此，其實際應用是比較廣泛的。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].第3版.北京：機械工業出版社，2000，10.

[2]彭莫，刁增祥.汽車動力系統計算匹配及評價[M].第1版，北京：北京理工大學出版社，2009，11.endprint

3.2.1 城市工況

對城市工況進行詳細分解并統計分析，結果如表1。

表1 城區工況各工況用時

由表1可看出，城市工況試驗總計用時195 s，其中克服行駛阻力做功總計用時93 s，克服發動機自身阻力做功總計用時77 s，未做功的時間是25 s；

將城區工況中所有加速工況與所有等速工況所做功相加，便是城區工況克服行駛阻力所做功的總和WUDC（kW·h）。

3.2.2 郊區工況

對城市工況進行詳細分解并統計分析，結果如表2。

表2 郊區工況各工況用時

由上表可看出，郊區工況試驗總計用時400 s，其中克服行駛阻力做功總計用時312 s，克服發動機自身阻力做功總計用時56 s，未做功的時間是32 s。

將郊區工況中所有加速工況與所有等速工況所做功相加，便是郊區工況克服行駛阻力所做功的總和WEUDC（kW·h）。

3.3 NEDC工況能量利用率計算

NEDC工況克服行駛阻力做功之和（kW·h）：

（19）

NEDC工況中，每個城區工況行駛距離為1.013 km，郊區工況行駛距離為6.955 km，總計行駛距離為11.007 km。試驗時測得NEDC工況油耗為Qn（L/100km），則行駛完一個NEDC工況的耗油量（L）為：

（20）

則依據式（1）和式（14）可以計算出NEDC工況下的能量利用率：

（21）

4 能量利用率的分析應用

4.1 競爭車型對比分析

比如某公司要開發一款A級車，該車型匹配1.5 L汽油發動機，整備質量為1 205 kg，經過NEDC工況經濟性試驗，得到試驗結果是：城市工況油耗為9 L/100km，郊區工況油耗為6.1 L/100km，綜合工況油耗為7.2 L/100km；

該公司為評價該車型燃油經濟性匹配的優劣，對市場上同級別的八款競爭車型進行了NEDC工況燃油經濟性試驗，結果如表3。

從開發車型與競爭車型的對比結果來看，開發車型油耗在同級別競爭車型中，處于比較省油的位置。但是，由于開發車型發動機排量相對較小，整備質量相對較低，其油耗較低并不能代表該車型經濟性匹配水平就好。

為此，采用能量利用率方法進行對比和評價，結果如表4。

從上對比可看出，雖然開發車型的NEDC工況油耗較低燃油經濟性較好，但其能量利用率在同級別車型中偏低，說明開發車型的經濟性匹配的水平較差，仍需要進行優化。

4.2 不同級別車型的性能匹配水平對比

比如A公司開發了一款A級車，匹配1.5 L汽油發動機，整備質量1 205 kg，其NEDC工況綜合油耗為7.2 L/100 km。該公司希望與另一家汽車公司B公司比較其車型的經濟性匹配水平，但A公司只有B公司的一款C級車可供試驗分析，該車匹配3.0 L汽油發動機，整備質量1 700 kg，NEDC工況綜合油耗為10.3 L/100km。

由于兩款車型級別相差很大，在進行NEDC工況試驗時，為克服行駛阻力所做的功差別就很大，因此沒法直接用綜合油耗來進行比較。

這時，就可以用能量利用率來進行比較，能量利用率排除了車型物理特性的差別，可以進行直觀的對比。經過分析，A公司的A級車能量利用率為23.8%，B公司的C級車能量利用率為21.2%，可以說明A公司的車型經濟性匹配水平更高。

5 結論

（1）能量利用率的評價方法排除了車輛自身物理特性（重量、阻力等）對于整車油耗的影響，體現了整車經濟性能的匹配水平；

（2）通過對NEDC工況中各類工況的做功分析，可以得出在NEDC工況中克服行駛阻力做功之和，除以所消耗燃油（通過試驗得到）完全燃燒釋放的能量，便可求得在NEDC工況試驗中的能量利用率；

（3）汽車企業在進行競品分析時，采用能量利用率作為評價指標，可以排除車輛自身物理特性對于評價結果的影響；在進行不同級別車型性能匹配水平對比時，采用能量利用率可以排除不同級別車型的差異而進行直觀的對比。因此，其實際應用是比較廣泛的。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].第3版.北京：機械工業出版社，2000，10.

[2]彭莫，刁增祥.汽車動力系統計算匹配及評價[M].第1版，北京：北京理工大學出版社，2009，11.endprint

3.2.1 城市工況

對城市工況進行詳細分解并統計分析，結果如表1。

表1 城區工況各工況用時

由表1可看出，城市工況試驗總計用時195 s，其中克服行駛阻力做功總計用時93 s，克服發動機自身阻力做功總計用時77 s，未做功的時間是25 s；

將城區工況中所有加速工況與所有等速工況所做功相加，便是城區工況克服行駛阻力所做功的總和WUDC（kW·h）。

3.2.2 郊區工況

對城市工況進行詳細分解并統計分析，結果如表2。

表2 郊區工況各工況用時

由上表可看出，郊區工況試驗總計用時400 s，其中克服行駛阻力做功總計用時312 s，克服發動機自身阻力做功總計用時56 s，未做功的時間是32 s。

將郊區工況中所有加速工況與所有等速工況所做功相加，便是郊區工況克服行駛阻力所做功的總和WEUDC（kW·h）。

3.3 NEDC工況能量利用率計算

NEDC工況克服行駛阻力做功之和（kW·h）：

（19）

NEDC工況中，每個城區工況行駛距離為1.013 km，郊區工況行駛距離為6.955 km，總計行駛距離為11.007 km。試驗時測得NEDC工況油耗為Qn（L/100km），則行駛完一個NEDC工況的耗油量（L）為：

（20）

則依據式（1）和式（14）可以計算出NEDC工況下的能量利用率：

（21）

4 能量利用率的分析應用

4.1 競爭車型對比分析

比如某公司要開發一款A級車，該車型匹配1.5 L汽油發動機，整備質量為1 205 kg，經過NEDC工況經濟性試驗，得到試驗結果是：城市工況油耗為9 L/100km，郊區工況油耗為6.1 L/100km，綜合工況油耗為7.2 L/100km；

該公司為評價該車型燃油經濟性匹配的優劣，對市場上同級別的八款競爭車型進行了NEDC工況燃油經濟性試驗，結果如表3。

從開發車型與競爭車型的對比結果來看，開發車型油耗在同級別競爭車型中，處于比較省油的位置。但是，由于開發車型發動機排量相對較小，整備質量相對較低，其油耗較低并不能代表該車型經濟性匹配水平就好。

為此，采用能量利用率方法進行對比和評價，結果如表4。

從上對比可看出，雖然開發車型的NEDC工況油耗較低燃油經濟性較好，但其能量利用率在同級別車型中偏低，說明開發車型的經濟性匹配的水平較差，仍需要進行優化。

4.2 不同級別車型的性能匹配水平對比

比如A公司開發了一款A級車，匹配1.5 L汽油發動機，整備質量1 205 kg，其NEDC工況綜合油耗為7.2 L/100 km。該公司希望與另一家汽車公司B公司比較其車型的經濟性匹配水平，但A公司只有B公司的一款C級車可供試驗分析，該車匹配3.0 L汽油發動機，整備質量1 700 kg，NEDC工況綜合油耗為10.3 L/100km。

由于兩款車型級別相差很大，在進行NEDC工況試驗時，為克服行駛阻力所做的功差別就很大，因此沒法直接用綜合油耗來進行比較。

這時，就可以用能量利用率來進行比較，能量利用率排除了車型物理特性的差別，可以進行直觀的對比。經過分析，A公司的A級車能量利用率為23.8%，B公司的C級車能量利用率為21.2%，可以說明A公司的車型經濟性匹配水平更高。

5 結論

（1）能量利用率的評價方法排除了車輛自身物理特性（重量、阻力等）對于整車油耗的影響，體現了整車經濟性能的匹配水平；

（2）通過對NEDC工況中各類工況的做功分析，可以得出在NEDC工況中克服行駛阻力做功之和，除以所消耗燃油（通過試驗得到）完全燃燒釋放的能量，便可求得在NEDC工況試驗中的能量利用率；

（3）汽車企業在進行競品分析時，采用能量利用率作為評價指標，可以排除車輛自身物理特性對于評價結果的影響；在進行不同級別車型性能匹配水平對比時，采用能量利用率可以排除不同級別車型的差異而進行直觀的對比。因此，其實際應用是比較廣泛的。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].第3版.北京：機械工業出版社，2000，10.

[2]彭莫，刁增祥.汽車動力系統計算匹配及評價[M].第1版，北京：北京理工大學出版社，2009，11.endprint