冷熱機NEDC循環工況的整車燃油經濟性試驗研究

任夢宇，鄭清平，張盼盼，黎 明

（河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

冷熱機NEDC循環工況的整車燃油經濟性試驗研究

任夢宇，鄭清平，張盼盼，黎 明

（河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

選擇兩輛試驗車在轉鼓臺架上分別進行熱機和冷機 NEDC循環工況，測試其油耗數據，發現熱機循環燃油經濟性明顯好于冷機循環．為了分析上述現象，在汽車上布置傳感器，采集車輛在冷、熱機 NEDC循環工況中的冷卻液溫度、機油溫度、發電機電流、用電器耗電等參數變化情況．試驗結果表明，熱機循環下有較高的冷卻液溫度、機油溫度和較低的機油壓力，并且轉速波動較小，發電機耗電量也較小，熱機循環下機械效率效率高于冷機，可以獲得好的經濟性．

NEDC循環；燃油經濟性；汽車；傳感器信號；測試

0 引言

汽車燃油經濟性是衡量汽車性能的一項重要指標，隨著工信部發布新修訂的《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》，更加嚴格的油耗及排放法規即將實施[1-3]．為了降低車輛的油耗，基于整車的燃油經濟性的測試與分析是非常有必要的[4-9]．

車輛在道路行駛工況多變復雜，熱機和冷機下行駛的經濟性對比研究對改善車輛性能有一定的指導意義.本文選擇兩臺試驗車在轉鼓臺架上分別進行熱機和冷機NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲行駛工況）循環工況，測試并比較兩工況之間的經濟性差異，通過傳感器采集汽車在NEDC循環工況運行過程中的各項發動機參數的變化情況，分析參數變化對NEDC循環中試驗車輛熱機和冷機油耗的影響．

1 整車基本參數及傳感器布置

1.1 整車基本參數

車輛主要參數見表1，兩款樣車的發動機在排量、額定功率、扭矩上差距較小,NEDC循環測試結果表明，A車的油耗偏高，而B車油耗屬于正常范圍．在兩輛試驗車的動力總成系統布置相同種類、數量的傳感器，利用轉鼓臺架，分別在冷、熱機工況下對進行整車NEDC循環測試，處理傳感器采集的數據，就可以分析兩車分別在冷、熱機下油耗差異及原因．

表1 動力總成基本技術參數Tab.1 Basic parameters of powertrain system

1.2 監測參數

在整車運行過程中，主要對動力總成的運行狀態參數進行測試，其中包括物理量有溫度、壓力、流量和空燃比值．具體物理量見表2．此外，還通過OBD（On Board Diagnostics，車載診斷系統）端口采集發動機的CAN（Controller Area Network，控制器局域網）信號，將傳感器的信號與CAN信號集成到采集設備中，同時進行采集和保存．

表2 樣車發動機監測物理量Tab.2 Monitoring engine parameters

2 車輛測試

在傳感器布置完畢后，運用轉鼓試驗臺架，在不同的實驗條件下進行整車NEDC循環工況測試，根據臺架配備的碳平衡法油耗測試儀分析并計算其油耗[10]．需要根據冷、熱機的不同需求進行試驗條件的設置．

結合車輛的實際使用工況，實驗條件應滿足如下需求：

1）冷機NEDC之前，應保證蓄電池充滿電，被測車輛需要在293～303K（20～30℃）溫度下浸泡至少6 h以上，潤滑油和冷卻液溫度變化范圍小于室溫±2℃．

2）熱機NEDC應保證發動機工作在正常溫度，動力總成各部位溫度變化小于1℃/m in．

應用SPSS 19.0軟件進行計算，計數資料使用Fisher確切概率法檢驗，等級資料使用Mann-Whitney U檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

3）測試時禁止開啟空調、收音機等循環外用電設備，以免測試油耗出現誤差，影響試驗精度．

3 整車油耗測試及數據分析

A和B車的NEDC循環工況試驗數據如表3所示．通過表3可以分析出：A車冷機狀態下，市區循環、郊區循環和綜合循環分別比熱機狀態多消耗2.86 L、0.35 L和1.20L；B車冷機狀態下，市區循環、郊區循環和綜合循環分別比熱機狀態多消耗1.36L、0.04 L和0.60 L．可見冷機和熱機對汽車經濟性影響很大，下面通過分析傳感器實測的一些參數進行解釋．

表3 NEDC循環工況油耗結果 L/100kmTab.3 Fuel consumption results of vehicle A and B

4 采集數據分析

4.1 機油溫度

機油溫度是衡量發動機溫度的重要指標，機油溫度迅速提升至正常工作溫度，有利于減小發動機的機械損失，提高機械效率，改善經濟性．圖1和圖2分別為A、B車在冷、熱機時NEDC循環工況油液溫度變化，可以看出，在整個ECE循環中，A、B二車機油溫度都是逐步上升的，但是冷機下的機油溫度均低于熱機，特別是在市區循環工況冷、熱機下的機油溫度相差更明顯，這是造成冷機狀態與熱機狀態油耗差異的原因之一．在冷機狀態下，發動機機油溫度低，機油黏度大，機油流速慢，流量小，潤滑效果差．若想維持良好的潤滑環境，只能加大機油的循環壓力，使機油的流量增大．隨著發動機工作溫度的逐漸升高，機油黏度逐漸減小，機油流量增加，運動零件之間潤滑效果提升，機械阻力減小，從而提高了發動機的燃油經濟性．

圖1 A車冷、熱機NEDC機油溫度對比Fig.1 NEDC oil temperature comparison of A

圖2 B車冷、熱機NEDC機油溫對比Fig.2 NEDC oil temperature comparison of B

4.2 機油壓力對比

A、B車在冷、熱機時的NEDC機油壓力對比分別如圖3和圖4所示．在冷機循環中，機油黏度大，為了保證缸體內足夠的潤滑，A車的機油壓力在ECE1時達到峰值，達到了300 kPa，同期高出B車壓力峰值近一倍，隨后機油壓力緩慢下降，并在ECE市區循環后期降至和熱機機油壓力同一水平；B車機油壓力除了冷機ECE循環中少數點外，冷、熱機機油壓力基本保持一致，并沒有出現A車在冷、熱機循環中出現的機油壓力差異．

這說明在冷機工況下，由于A車發動機機油溫升慢，機油黏度大，導致內阻很高，發動機摩擦損耗較大；隨著發動機溫度的提升，機油黏度下降，內阻下降，機油壓力逐漸趨于平穩，并和熱機時的壓力保持一致．而B車無論冷、熱循環，機油壓力變化幅度都非常小，這也直接體現在B車良好的冷機潤滑效果和冷機油耗上．

圖3 A車冷、熱機NEDC機油壓力對比Fig.3 NEDC oil-pressure comparison of A

圖4 B車冷、熱機NEDC機油壓力對比Fig.4 NEDC oil-pressure comparison of B

在熱機NEDC循環中，兩車的機油壓力都隨著車速的變化而合理調節，并沒有出現大幅度的不合理變化，二者產生的壓力差別主要是由于機油標號、發動機的設計油壓等，可見兩車在正常工作溫度下，潤滑都是正常的．

4.3 水溫

A、B車在冷、熱機時的NEDC水溫對比分別如圖5和圖6所示．可以看出，在整個ECE（Economic Commission for Europe）循環中，A、B二車水溫都是逐步上升的，但是冷機下的水溫均低于熱機，特別是在市區循環工況冷、熱機下的水溫相差更明顯，這是造成冷機狀態與熱機狀態油耗差異的原因之一，因為熱機循環下高的水溫通過傳熱使得機油溫度較高，有效減少了發動機冷啟動階段的機械阻力，從而能夠減小循環的油耗．

A、B車在冷、熱機時的NEDC水溫變化趨勢雖然相似，但在幅度上有一定差距．在整個ECE循環中，A車水溫上升緩慢，且一直存在波動，在EUDC（Extra-Urban Driving Cycle）的加速段，水溫才達到峰值．B車在ECE1循環中水溫上升迅速，并在ECE2循環中保持穩步上升態勢，在ECE3循環的后半段出現迅速上升的情況，并迅速達到峰值并保持穩定；這說明B車體現出了較好的發動機水路設計，在暖機過程中冷卻液通過小循環能夠迅速將熱量傳遞均勻地傳遞給發動機的缸體和油液，使發動機溫度迅速而穩定地提升．

圖5 A車冷、熱機NEDC水溫對比Fig.5 NEDC coolant temperature of A

圖6 B車冷、熱機NEDC水溫對比Fig.6 NEDC coolant temperature of B

4.4 NEDC循環發動機轉速對比

A、B車在冷機時的NEDC發動機轉速對比分別如圖7和圖8所示．首先，A車的發動機轉速在冷機的波動峰值均大于熱機，這說明發動機燃燒在冷機下不穩定，燃燒效率差，在一定程度上影響到燃油經濟性．另外，在A、B車發動機轉速循環對比中，A車在ECE階段和EUDC階段都出現了峰值轉速，且ECE循環中發動機轉速的重復性較差，穩定性較弱；B車不管是在ECE循環還是EUDC循環，都體現了良好的重復性和穩定性，ECE循環中峰值轉速維持在1 700轉左右，在EUDC循環冷、熱機轉速則更加吻合．造成這種現象的原因是多方面的，不僅包括發動機自身的控制，更與車輛的換擋策略和傳動系統有關．

圖7 A車冷、熱機NEDC循環發動機轉速對比Fig.7 NEDC engine revolution comparison of A

圖8 B車冷、熱機NEDC循環發動機轉速對比Fig.8 NEDC engine revolution comparison of B

4.5 發電機電流及整車用電器耗電情況

A、B車在冷機時的NEDC發電機電流及整車用電器耗電如圖9、圖10所示．可以看出，車輛A和B在冷機時的發電機電流均大于熱機，且A車相差更大些，B車在整個NEDC過程中，冷機發電機電流略大于熱機，說明冷機時耗電量高于熱機，這主要是因為冷機時需要提高點火能量，以保證燃燒效果，加上電器效率較低，所以導致發電機電流較大，最終發動機消耗能量大，機械效率低，故冷機燃油經濟性比熱機差．

圖9 A車冷、熱機NEDC發電機電流對比Fig.9 Generator current comparison of A

圖10 B車冷、熱機NEDC發電機電流對比Fig.10 Generator current comparison of B

5 結論

在整車實際運行狀態下，通過布置傳感器監控和采集整車動力系統一些參數，對比分析A和B兩車在NEDC循環熱機和冷機工況下的這些參數變化情況，由此得出熱機循環燃油經濟性明顯好于冷機循環的原因如下：

1）在整個ECE循環中，A、B二車機油溫度都是逐步上升的，但是冷機下的機油溫度均低于熱機，特別是在市區循環工況冷、熱機下的機油溫度相差更明顯．

2）冷機循環中，A車的機油壓力在冷機機油壓力明顯高于比熱機，B車機油壓力冷機局部高于熱機機油壓力．

3）在整個ECE循環中，A、B二車水溫都是逐步上升的，但是冷機下的水溫均低于熱機，特別是在市區循環工況冷、熱機下的水溫相差更明顯．

4）發動機轉速在冷機的轉速波動均大于熱機．

5）車輛A和B在冷機時的發電機電流均大于熱機，且A車相差更大些，B車在整個NEDC過程中，冷機發電機電流略大于熱機．

[1]余志生．汽車理論 [M]．第3版．北京：機械工業出版社，2005．

[2]GBT12545.1-2008，乘用車燃料消耗量試驗方法 [S]．

[3]孔春花．在用乘用車燃油經濟性分析研究 [D]．長春：吉林大學，2007．

[4]樂智，盛俏，陳龍，等．整車能量流分析在燃油經濟性開發中的應用[C]//中國汽車工程學會．中國汽車工程學會年會論文集：第4卷，2015．

[5]張子慶，平銀生，錢承炬，等．基于NEDC循環油耗敏感性的發動機關鍵工況研究 [J]．上海汽車，2013（11）：19-24．

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[責任編輯 田 豐]

Test and research of vehicle fuel economy in state of heat NEDC cycle and cold NEDC cycle

REN Mengyu，ZHENG Qingping，ZHANG Panpan，LI Ming

(School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Two vehicle were selected to be tested on rolling drum experiment table to get data of fuel consumption.The result shows fuel consumption in heat state is obviously lower than cold state.In order to research the difference of fuel consumption between cold and hot engine state in NEDC cycle,several signals such as engine temperature,engine-oil temperature,generator current,power consumption of electrical appliances etc.were collected and recorded.The results show that thevehicle in heat state have higher coolant temperature,oil temperature,lower generator current and fluctuation of engine speed,less power consumption of electrical appliances as well.According to this consequence,we can get better mechanical efficiency and fuel consumption in state of heat engine than cold one.

NEDC cycle;fuel economy;vehicle;sensor signal;test

TK401

A

1007-2373(2016)05-0085-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.05.013

2016-08-30

任夢宇（1989-），男（漢族），碩士生．通訊作者：鄭清平（1965-），女（漢族），教授，qpzh163@163.com．