怠速轉速對整車燃油經濟性的影響

吳瓊， 李衛兵， 袁子紅， 閆瑞琦， 曹敬堂， 和龍

(1. 安徽江淮汽車股份有限公司技術中心， 安徽 合肥 230601； 2. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

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怠速轉速對整車燃油經濟性的影響

吳瓊1， 李衛兵1， 袁子紅1， 閆瑞琦2， 曹敬堂2， 和龍3

(1. 安徽江淮汽車股份有限公司技術中心， 安徽 合肥 230601； 2. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

用理論與試驗相結合的方法對整車降低怠速轉速后的節油效果進行了研究，結果表明怠速轉速降低50 r/min，怠速油耗降低6%左右。在城市道路行駛怠速工況較多，降低怠速轉速后整車節油效果較好，但是NEDC測試循環怠速工況時間短且怠速油耗量小，加之測試與設備誤差等原因，很難直接測試出降低怠速的節油效果，為此提出了采用NEDC工況拆解法來計算降低怠速轉速后的油耗與節油效果。

燃油消耗量； 怠速； 節油； NEDC循環

隨著全球車輛燃油消耗法規日益嚴格，汽車設計人員在發動機、車身和使用環節等方面采用新技術與新方法來降低汽車油耗[1-2]。當前城市交通變得越來越擁堵，更多時間與燃油都消耗在怠速工況上，從整車角度來說，該部分燃油被發動機消耗掉，但車輛沒有行駛任何距離，做的全是無用功。

混合動力與怠速啟停系統等技術可使車輛在怠速時熄滅發動機，徹底解決發動機怠速燃油消耗問題[3]，但是這些技術復雜、成本高，當前不適合大批量應用。為此，本研究通過降低怠速轉速的方法來降低怠速油耗。為了準確計算降低怠速后NEDC循環的節油效果，提出了一種工況拆解法來計算降低怠速后的節油量與節油效果，并驗證了該方法的可性行。

1 怠速工況燃油消耗影響因素

1.1 理論分析

發動機設計完成后，其循環熱效率與機械熱效率都已經確定，提高發動機熱效率的唯一途徑是提高燃燒熱效率[4]。汽油機的燃燒效率與點火角、空燃比、負荷和轉速有關，提高燃燒熱效率需要實現上述參數的優化組合[5-6]。

發動機怠速時整車負載和發動機附件狀態見圖1。發動機附件主要有空調壓縮機、動力轉向泵、自動變速箱負載和發電機負載。ECU通過怠速策略使發動機轉速保持在目標轉速附近，由于怠速時發動機及其附件功率基本不變，發動機單缸單次燃燒釋放的能量只要能夠克服自身阻力即可[7-9]。

汽油機采用三元催化器降低尾氣排放，它要求ECU控制空燃比在理論空燃比(14.7)附近很小的范圍內波動，使催化器的轉化效率達到最高，將95%以上的尾氣轉化CO2，H2O和N2[7]。所以，怠速工況下混合氣空燃比對燃燒熱效率基本沒有影響。

怠速工況下發動機的負荷為發動機和附件的自身阻力，怠速工況穩定運行時，這部分負荷基本不變。ECU控制點火角在很小范圍內波動，所以怠速工況下負荷與點火角對燃燒熱效率影響很小。

綜上所述，怠速工況下燃燒熱效率受空燃比、點火提前角和負荷的影響非常小，怠速工況的油耗主要受怠速轉速影響。設定發動機怠速工況下每個噴油器的噴油時間為t，噴油率為A，汽油密度為ρ，發動機轉速為n[4,7]，那么怠速工況燃油消耗量可以表示為

由于負荷基本不變，空燃比采用閉環控制，每個噴油器單缸噴油時間t基本一致，所以，理論上節油率與怠速轉速降低比例一致。

1.2 試驗研究

以某1.3 L VVT 4缸發動機為研究對象，在環境倉中研究環境溫度、怠速轉速、噴油脈寬和點火提前角等運行參數對怠速油耗的影響[10-12]。

利用環境倉將環境溫度分別控制在0 ℃，10 ℃和20 ℃，利用ECU將怠速目標轉速控制在600，650，700，750和800 r/min，待穩定運行后記錄節氣門開度(表示負荷的參數)和點火提前角參數，同時用油耗儀測量怠速燃油消耗量。試驗結果見圖2至圖4。

從圖2可看出，熱機狀態下(發動機水溫80 ℃以上)隨著怠速轉速的降低，發動機怠速油耗與轉速成正比例下降，發動機目標怠速轉速由750 r/min降低至700 r/min，節油率為6%，與理論分析相吻合。不同環境溫度下，怠速轉速與油耗的線性關系基本一致，由此可以說明熱機狀態下環境溫度對怠速油耗沒有影響。

圖3和圖4示出在20 ℃時，發動機不同怠速目標轉速下節氣門開度、點火提前角和噴油脈寬隨怠速時間的變化。由圖3可知，穩態怠速轉速下噴油器的單次噴油時間基本不變，怠速油耗主要與發動機單位時間做功次數直接相關。由圖4可知，整個試驗過程中點火角變化很小，它對發動機的燃燒及熱效率影響很小。隨著怠速轉速上升，發動機旋轉部件消耗的功率變大，相應的節氣門開度略微增加但是變化很小。

由以上試驗可知，熱機怠速工況下，不同怠速轉速下氣缸的單次噴油量基本一致，怠速油耗只與發動機轉速成正比例關系；通過降低怠速轉速、減少發動機單位時間做功次數可以降低怠速油耗，這與理論分析結論是一致的。

2 降低怠速后NEDC循環節油效果評價

GB 27999—2011《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》要求采用NEDC循環進行試驗，該循環工況見圖5。試驗總時間為1 180 s，總怠速時間為280 s，總里程為11.8 km[13-14]。由于怠速時間在總時間中占比小，怠速消耗燃油少，再考慮到進行整車油耗測試時的試驗誤差、駕駛員操作誤差等，降低怠速的節油效果在實際的測試中很難直接體現出來。

利用INCA標定軟件讀取發動機控制參數，將城市怠速工況和NEDC循環工況中ECU控制參數進行對比(見表1)。可以看出，兩種工況下發動機轉速、節氣門開度、噴油脈寬、點火角和空燃比相差很小[11]，可以認為NEDC工況與整車行駛怠速工況發動機運行參數一致，二者的燃油消耗量是一致的。基于以上分析，本研究提出了一種NEDC工況拆解折合計算方法，將降低怠速后燃油消耗通過計算折合至NEDC循環，從而評價降低怠速后NEDC循環節油效果。

表1 兩種怠速工況發動機工作參數對比表

NEDC拆解折合計算方法如下：

1) 首先按照Q/JQ 13004.1《動力性經濟性試驗》中的怠速油耗測試方法，分別在650，700和750 r/min 3個怠速轉速時測試10次怠速油耗并取平均值(見表2)。

表2 不同怠速目標轉速下油耗試驗結果 L/h

2) 利用怠速工況下油耗試驗值計算NEDC循環中280 s怠速工況的總油耗，由此得到NEDC循環中的非怠速工況油耗量。

匹配該發動機的整車在NEDC循環中基礎怠速轉速(750 r/min)下的總油耗為697.693 mL，那么非怠速工況的油耗為649.278 mL。

3) 計算700 r/min和650 r/min油耗在NEDC循環的折算值。

4) NEDC循環總的試驗里程為11.8 km，由此計算不同轉速在NEDC循環的100 km油耗和節油率。計算結果見表3。

表3 工況拆解法計算降低怠速后油耗記錄表

3 結束語

怠速工況的理論研究和試驗表明，降低怠速轉速可以降低怠速油耗，當怠速轉速降低50 r/min時，怠速工況節油率為6%，折合至NEDC循環節油率為0.47%。在車輛使用過程中，怠速時間越長這種節油優勢體現越明顯。

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[編輯： 袁曉燕]

Effects of Idle Speed on Vehicle Fuel Economy

WU Qiong1, LI Weibing1, YUAN Zihong1, YAN Ruiqi2, CAO Jingtang2, HE Long2

(1. Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei 230601, China;2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

With the theoretical and experimental combined methods, the fuel efficiency of reducing the idle speed was researched. The results showed that the 50 r/min reduction of idle speed could improve about 6% fuel consumption. In city driving cycle, fuel saving effect became obvious due to more idle operations, but became worse in NEDC driving cycle due to little idle operations, low idle fuel consumption and test error. In order to analyze the fuel saving effect in NEDC, a method of calculating idle fuel consumption by dismantling NEDC conditions was proposed.

fuel consumption; Idle; fuel saving; NEDC cycle

2014-09-28；

2015-05-15

吳瓊(1983—)，男，工程師，碩士，研究方向為動力總成匹配與標定技術；wqsh662@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.013

TK421.7

B

1001-2222(2015)04-0067-03