某乘用車的冷機油耗分析

蔡海濤，賀子龍，解小超

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230000)

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某乘用車的冷機油耗分析

蔡海濤，賀子龍，解小超

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230000)

梳理了冷機油耗的預測方法，重點分析了導入簡單冷卻、潤滑系統后的燃油修正。以某乘用車為例，實現了冷機的油耗分析，并對比了冷/熱機的發動機工作狀態。

冷起動； 油耗分析； 燃油經濟性

0　前言

按照GB18352.4-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》要求，輕型汽車在整車轉轂上進行Ⅰ型試驗(即常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗)測量油耗和排放污染物時，發動機的初始狀態為冷機[1]。

按照GB/T18297-2001《汽車發動機性能試驗方法》要求：汽車發動機在發動機臺架上進行性能試驗測量發動機轉速、扭矩、功率和燃油消耗量等時，發動機的初始狀態為熱機[2]。

目前使用Cruise模擬整車動力性、經濟性時，使用的發動機MAP是通過臺架獲取的，發動的工作狀態為熱機，其邊界條件與整車油耗試驗時發動機的工作狀態是不符的。文中以某乘用車為例，對冷機油耗進行分析和探討。

1　冷機油耗預測方法簡介

目前，預測整車冷機油耗的方法有以下幾種：

第一種方法是根據大量的試驗數據統計，冷機油耗可在熱機基礎上按某一常數(一般在7%～10%之間)修正。此法可粗略地預測冷機油耗，但因匹配車型不同，油耗修正結果各不相同，存在較大差異，且無瞬時油耗的差異體現。

第二種方法是通過采集和對比同一車型冷/熱機狀態的瞬時油耗量，將修正因子擬合成曲線(線性/曲線形式)[3-5]。此法與第一種方法類似，可較精確地顯示發動機的瞬時油耗變化，但未考慮發動機轉速、扭矩的變化。

第三種方法是導入簡單冷卻、潤滑等系統的性能，根據公式模擬發動機的溫升特性和摩擦功的變化來預測整車油耗。此法能顯示發動機的轉速、扭矩和瞬時油耗的變化，相比方法一,方法二精度更高，但實時性較差。

第四種方法是集成發動機瞬態模型，冷卻、潤滑系統模型及固體結構的熱網絡模型，ECU控制策略等[6]。此法相比方法三實時性好，但模型復雜度高，搭建難度大。

從精度和難度的綜合角度考慮，第三種方法能滿足當前的使用要求。

2　基于方法三的冷機修正原理

不同冷卻液溫度下，發動機潤滑油黏度不同，機械摩擦損失不同。通常情況下，冷卻溫度越高，機油黏度越低，機械摩擦損失越小，燃油經濟性越好[7]。

發動機冷起動過程中，為了克服發動機各部件之間的摩擦損失，需參考發動機冷卻液溫度供給較濃的混合氣，此時為空燃比開環控制。暖機過程中，為了使發動機維持運轉而不停機，并迅速提高排氣溫度，使催化轉化器和氧傳感器盡快達到工作溫度，從而改善排放及燃油特性，仍需要提供較濃的混合氣，發動機此時的噴油量相比熱機狀態會增加。待發動機水溫接近或達到正常工作溫度后，不再對溫度修正來修正燃油[8]。

AVLCRUISE內置一種“溫度模型+油耗模型”的方式來考慮冷機對油耗的影響[9-10]。

2.1溫度模型

發動機的熱平衡關系可按下式(1)表示：

QT=QE+QS+QR+QB+QL

(1)

即發動機所消耗燃油具有的熱量QT最終轉化為有效功QE、傳遞給冷卻介質的熱量QS、不完全燃燒熱損失QB和其他熱量損失QL這5個部分。通常，不完全燃燒熱損失QB和其他熱量損失QL所占份比均較小，而前3項是最主要的部分[11]。發動機的熱平衡關系如圖1所示。

進入冷卻系的能量，一部分通過冷卻液溫度升高的形式實現能量的存儲，一部分則散失到周圍環境中。冷卻系處于小循環時，散失的熱量較少；冷卻系處于大循環時，散失的熱量較大。根據冷卻系統的冷卻能力，結合發動機工作溫度與環境溫度的差值，發動機的溫度變化可按式(2)求解：

(2)

式中：cρ,H2O為水的比熱容，為一常數；mE,eq為等效水質量；?A

為熱容量系數，與冷卻特性有關。

2.2油耗模型

相同轉速下，冷/熱機的機械損失[以摩擦功(FMEP)來衡量]是不同的。從原理上說，FMEP受潤滑油的黏度影響，一般而言，油黏度隨水溫的升高而降低，對應的FMEP減小。發動機在相同轉速相同輸出扭矩時，通過計算不同溫度下的FMEP，即可計算發動機相比熱機狀態增加或減少的FMEP[見公式(3)]。在熱機油耗特性的基礎上，實現對燃油的修正。

(3)

式中：PE,fric,add為額外FMEP；PE,fric,ref為參考FMEP；ηE,act為實際油黏度；ηE,ref為參考油黏度；cE,fric,exp為FMEP變化的曲率因子。

3　模型搭建

3.1熱機模型搭建

以某乘用車為例，在模型中添加整車動力系統包含車輛、發動機、離合器、變速器、主減速器、輪胎等模塊。針對DCT車型，增加GBControl(變速箱控制)、GBProgram(變速箱程序)和DCTController(DCT控制器)3個部件。針對NEDC工況，考慮車輛的負載損失，這里只需增加冷卻機械風扇的功率消耗。按要求設置正確的總線連接，建立如圖2所示的前置前驅(FF)模型。

對各部件輸入相關的性能參數，通過調整減速斷油控制策略、轉動慣量等實現對熱機模型的校核。

3.2發動機屬性修改

相比熱機，冷機的整車模型架構是相同的，只需要更改發動機的特性，其他部件參數不變，發動機的屬性設置見圖3。其中，“溫度模型”選擇“其他”，“溫度”選擇“計算獲得”，“燃油消耗模型”選擇“有效壓力因子”。同時，發動機的怠速轉速由“固定值”更改為“怠速特性曲線”。

3.3FMEP模型參數輸入

FMEP模型參數見表1。

表1　FMEP輸入參數

3.4冷卻特性參數輸入

冷卻特性由冷卻系統的能力決定。對水冷式的發動機而言，冷卻能力主要受節溫器開啟程度的影響。冷卻系統的冷卻特性見圖4， 冷卻系統輸入參數見表2。

3.5怠速特性參數輸入

為保證發動機正常工作，冷機時的發動機怠速轉速是高于熱機狀態的。隨著水溫上升，怠速轉速逐漸降低。待水溫上升至一定值后，怠速轉速基本穩定。怠速特性在計算冷機油耗時也是必不可少的輸入。不同水溫下的怠速特性見圖5。

4　整車經濟性分析

圖6為冷機NEDC工況下的發動機水溫的上升過程，從結果上看:試驗與計算結果還是比較吻合的。圖7—9分別對比了冷/熱機狀態的發動機轉速、扭矩和瞬時油耗，在發動機水溫上升的過程中(前400s左右)，發動機的怠速轉速逐漸降低，輸出扭矩基本不變，額外的噴油逐漸減少;至水溫達到75 ℃左右，發動機已基本處于熱機狀態時，發動機的怠速轉速和瞬時油耗不再進行修正。此車型的NEDC油耗冷機相比熱機高9.7%,見表3。

5　結束語

通過修改發動機的屬性，輸入簡單冷卻、潤滑系統的性能，可實現冷機下的油耗分析，此時發動機轉速、扭矩等的工作狀況與實際也是比較接近的。此方法可以為開關式水泵、電子節溫器等的節油效果分析提供依據，也可以為發動機臺架上模擬整車提供支持。

【1】國家環境保護總局.GB18352.4-2013輕型汽車排放污染物限值及試驗方法[S].北京:中國環境出版有限責任公司,2013.

【2】全國汽車標準化技術委員會.GB/T18297-2001汽車發動機性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社，2001.

【3】王琪,康飛.基于CRUISE軟件的起停系統仿真分析[C]//2013AVL先進模擬技術中國用戶大會論文,2013:31-37.

【4】賀子龍,劉閃閃.基于CRUISE的冷起動條件下的燃油經濟性仿真分析[J].汽車制造業,2014(3/4):44-45.

【5】解小超,賀子龍.基于Cruise的車輛起停性能分析[J].汽車制造業,2014(9)：60-61.

【6】蔡志強,張功暉.仿真技術在發動機降油耗工作中的應用[C]//2013AVL先進模擬技術中國用戶大會論文,2013:203-208.

【7】朱翔宇，童榮輝.電子水溫控制系統冷啟動節油效果仿真[C]//2013AVL先進模擬技術中國用戶大會論文,2013:38-42.

【8】司利增.汽車計算機控制[M].北京:電子工業出版社,2007:71-74.

【9】李敏,牛大旭.車輛冷起動模式下速比優化對比分析[C]//2012AVL先進模擬技術中國用戶大會論文,2012:108-112.

【10】AVLCruiseUser’sGuide[M].

【11】常思勤.汽車動力裝置[M].北京：機械工業出版社,2006:31-32.

AnalysisofaPassengerCar’sEconomyunderCold-start

CAIHaitao,HEZilong,XIEXiaochao

(AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230000,China)

Thepredictionmethodsforfuelconsumptionundercold-startconditionwerereviewed.Theanalysisonfuelcorrectionwithsimplecoolingandlubricatingsystemwasfocusedon.Takingapassengercarasanexample,thefuelanalysiswasachieved,andthecold/heatengineworkingstateswerecompared.

Coldstart；Fuelconsumptionanalysis；Fueleconomy

2015-03-17

蔡海濤，男，本科，從事發動機研發管理工作。E-mail：jaccht@jac.com.cn。