美國傳統汽車5工況城市燃油經濟性公式淺析

郭千里，劉 勇

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

美國5工況燃油經濟性計算公式服務于輕型汽車燃油經濟性標識[1-3]，操作上是把在實驗室5種不同工況下測得的單一完整工況或其細分階段的燃油經濟性數據，根據統計得到的實際道路行駛規律，按照最佳符合性原則確定相關權重，再按公式計算出一個更加貼近于實際道路行駛的全年平均結果[4]。

對該系列計算公式的剖析，有助于增強對不同工況下實際道路行駛能耗差異的認識，有助于相關方法論的學習與借鑒，有助于我國有可能開展的建立多種工況汽車能耗評價體系的研究工作。

目前，通過百度等搜索引擎，可以方便地搜索到《EPA燃油經濟性評價方法》（V1.0版，草稿）[5]，成果單位為中國第一汽車股份有限公司技術中心。該草稿言簡意賅，表述清晰，有很高的參考價值。在未與成果方交流的情況下，僅就網上看到的版本，在計算城市燃油經濟性公式中，對于附加啟動油耗比例系數0.330，以及附加空調油耗與工況平均車速呈反比例關系的原因解釋等方面有待進一步明確。此外，該評價方法以類似于標準的形式展現，省略了部分推導和剖析內容。

本文采用論文形式，增加了較多分析和評論的內容，還包括一些總結和思考。

本文僅對整套系列公式中的傳統能源汽車的城市燃油經濟性公式進行分析。

1 5工況燃油經濟性相關知識

1.1 5工況基本特征

1975年，美國開始實施企業平均燃油經濟性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）標準，美國國家環境保護局（U.S. Environmental Protection Agency，EPA）進行2工況測試：FTP城市工況和HFET高速工況。目前，在實驗室進行的2工況燃油經濟性測試數據仍直接作為CAFE標準的評判依據。

表1 美國5工況基本特征[2]

隨著時間的推移，道路交通狀況在發生改變，車輛技術和測試設備也在不斷進步，致使2工況燃油經濟性數據與實際道路行駛數據的偏差越來越大。

為減小汽車燃油經濟性標識的偏差，1986年，EPA將FTP的試驗值向下調整了10%，HFET試驗值向下調整了22%。2006年，EPA發布了具有質變性質的完整的基于5工況的燃油經濟性標識計算公式。

1.2 FTP工況階段劃分與取樣袋

由圖1可知，FTP城市工況曲線由3部分構成，即3個階段，對應3個尾氣取樣袋，分別是：（1）取樣袋1對應505 s時長的冷啟動階段。（2）取樣袋2對應864 s時長的冷啟動后的穩定行駛階段。（3）取樣袋3，對應505 s時長的熱啟動階段，該階段工況曲線與取樣袋1完全相同。在取樣袋2和3之間，有10 min的停止靜候時間，以模擬進行了一次加油或是便捷購物后，發動機尚處于熱態，再次啟動后的取樣袋3為熱啟動階段。

圖1 FTP工況階段劃分

1.3 US06工況階段劃分——城市與高速

根據參考文獻[4]和[6]，以72.4 km/h（45 mi/h）為界，平均車速低于72.4 km/h（45 mi/h）的屬于城市工況，高于72.4 km/h（45 mi/h）的為高速工況[4]。

由圖2可知，US06野蠻駕駛工況曲線包括5個短行程，劃分成5個片段，其構成見表2。

圖2 US06工況曲線

表2 美國US06工況構成[4]

1.4 基于實際道路行駛統計信息的FTP、HFET和US06回歸系數

表3為基于實際道路行駛統計信息，即反映實際道路行駛統計特征的3工況組合的時間和里程回歸系數，該比例系數不等同于在實驗室里完全按照3工況曲線測試得到的時間和里程比例。

表3 美國FTP、HFET和US06工況回歸系數[4] %

Bag 3 FTP、Bag2 FTP和US06 City的燃油經濟性分別按照各自的里程回歸系數0.41、0.48和0.11進行加權求和后，即為常規和野蠻駕駛模式下的城市單位里程油耗，這將在下文中做進一步闡述。

2 5工況城市燃油經濟性公式分析

2.1 公式全貌與整體架構

2.1.1 公式全貌

對于傳統能源輕型汽車，5工況城市燃油經濟性公式[1]為：

式中：City FE為5工況城市燃油經濟性，100 km/L；Start FC為附加啟動單位里程油耗，L/100 km；Running FC為行駛單位里程油耗，L/100 km。

Start FC的計算公式為：

式中：BagyFEx為x環境溫度下，第y個取樣袋的燃油經濟性，100 km/L，x取值75 ℉（24 ℃）或20 ℉（-7 ℃），y取值 1或 3。

Running FC的計算公式[1]為：

式中：US06 City FE為野蠻駕駛工況城市階段燃油經濟性，100 km/L；SC03 FE為空調工況燃油經濟性，100 km/L。

2.1.2 公式整體架構

由式（1）可知，5工況城市燃油經濟性等于附加啟動單位里程油耗與行駛單位里程油耗之和的倒數，再乘以0.905。有關0.905的解釋：5工況之外的因素導致燃油經濟性下降9.5%。這些因素包括：道路坡度、風、胎壓、載荷、冰雪和汽油中的乙醇等，0.905即為扣除5工況之外因素影響的結果。

由式（4）可知，行駛單位油耗又由3部分構成：（1）“常規和野蠻駕駛”行駛單位里程油耗，與第1組方括號數據相關。（2）附加低溫單位里程油耗，與第2組和第1組方括號數據均相關。（3）附加空調單位里程油耗與第3組方括號數據相關。

下面分別對附加啟動單位里程油耗以及行駛單位里程油耗中的3部分內容進行具體介紹和分析。

2.2 附加啟動單位里程油耗

附加啟動單位里程油耗Start FC涉及式（1）～（3）。

式（3）中，5.8 km（3.6 mi）代表Bag1 FTP和Bag3 FTP的行駛里程。

式（2）中，6.6 km（4.1 mi）代表通過大量實際道路行駛統計信息得到的城市平均行駛里程。

式（2）中，0.76和0.24分別為75 ℉（24 ℃）和20 ℉（-7 ℃）的權重系數。

式（2）中，有關0.330的解釋：FTP試驗條件是車輛啟動前熱浸12 h，而在實際行駛中車輛熱浸時間有長有短，統一向標準試驗條件即經過12 h熱浸狀態進行折合，整體折合系數為0.330。

分析式（3），取樣袋1受冷啟動的影響大，Bag1 FEx數值較小，取樣袋3受冷啟動的影響忽略不計，Bag3 FEx數值較大，兩者倒數之差再乘以實驗室測試行駛里程即為某一環境溫度下FTP試驗所產生的附加啟動多消耗的油耗量。

再經過式（2）加權等處理，最終得到反映大量實際道路行駛特征的附加啟動單位里程油耗數值。

2.3 “常規和野蠻駕駛”行駛單位里程油耗

式（4）中，0.48、0.41和0.11代表的含義見表3，分別代表FTP取樣袋2、FTP取樣袋3和野蠻駕駛工況城市部分等3部分的代表性回歸系數，將該方括號中的內容乘以1倍即為“常規和野蠻駕駛”行駛單位里程油耗。

2.4 附加低溫單位里程油耗

低溫下只進行Cold FTP工況試驗，工況曲線同FTP，同樣包括3個取樣袋階段，取樣袋2和取樣袋3合計的代表符合性也已超過全部城市行駛工況的80%，因此，選取取樣袋2和取樣袋3兩個階段的燃油經濟性組合構成低溫城市工況行駛的單位里程油耗。該兩個階段的回歸系數均為0.5，該部分的城市工況行駛單位里程油耗可表示為式（4）中第2組方括號中的內容。

0.18為低溫行駛的權重系數。因此，附加低溫單位里程油耗公式為：

2.5 附加空調單位里程油耗

附加空調單位里程油耗即為式（4）中，第3組方括號中的內容乘以0.133和1.083后的結果。

首先，圓括號中的內容本應為不含空調的“常規和野蠻駕駛”行駛單位里程油耗，即2.3節的相關內容，但是US06 City參與進來后的回歸誤差遠比僅有FTP中的取樣袋3和取樣袋2進行回歸的誤差大，為保持更好的代表性，僅選取FTP取樣袋3和取樣袋2進行組合，回歸系數分別為0.61和0.39。

其次，方括號中的內容為空調開啟和關閉產生的單位里程油耗差值。

再次，系數1.083為SC03工況平均車速34.6 km/h（21.5 mi/h）與統計信息得到的城市工況平均車速32.0 km/h（19.9 mi/h）的比值[4]。

假設空調處于100%開啟狀態，且環境溫度為95 ℉（35 ℃），空調增加的油耗與行駛時間成正比，與車速成反比，現采用了速度比例系數。

最后，系數0.133為空調開啟并折合到95 ℉（35℃）的比例系數。

總之，2.3節、2.4節和2.5節三部分之和即為式（4）。

3 對美國相關測試工況和公式的思考

3.1 附加啟動單位里程油耗與行駛里程之間的關系

附加啟動單位里程油耗與FTP取樣袋1和取樣袋3的行駛里程5.8 km（3.6 mi）無關（在該里程大于某一限值后），但與統計平均行駛里程6.6 km（4.1 mi）成反比。

式（3）中雖然出現了FTP取樣袋1和取樣袋3的行駛里程5.8 km（3.6 mi）的字樣，但其實式（3）整體上就是取樣袋1和取樣袋3之間的油耗差值。在行駛超過一定時間和距離，發動機工作溫度達到穩定狀態后，該差值是恒定的，里程再增加多少數值都沒有影響，因為之后再增加的油耗差始終為0。因此，實驗室工況只要滿足該臨界值即可。FTP工況測試行駛距離為5.8 km（3.6 mi）。一般情況下，傳統能源車輛啟動后行駛不到5.8 km，發動機溫度就已達到穩定工作狀態了。

再分析式（2），6.6 km（4.1 mi）為統計城市平均行駛里程，該值越大，Start FC的數值越小，即里程越長，冷啟動的影響程度越低。

3.2 附加啟動中熱浸時間系數的引入更切合實際

附加啟動油耗計算中的熱浸時間比例系數的引入比NEDC等工況更加細致客觀。

NEDC等工況試驗，相當于式（2）中熱浸時間比例系數為1，即全部熱浸12 h后再啟動，而美國5工況計算式（2）中系數0.330的引入更加符合實際。

3.3 權重系數多為模擬實際道路行駛的回歸系數

公式中絕大多數權重系數不是5工況實驗室實測數據之間的比例系數，而是實驗室數據通過權重加權后，其特征分布能夠更好地反映實際道路行駛統計規律。

3.4 5工況公式值得揚棄

5工況中的常規行駛、低溫、空調，以及多種形式的拆分和組合等都有非常高的科學性，值得深入學習和借鑒，但同時要努力避免比較多的工況組合和復雜的表達形式。

FTP和Cold FTP是很好的組合形式，空調工況為什么不能與FTP采用相同的工況曲線呢？野蠻駕駛工況為什么要完全獨立而不是全部或部分融入已有工況呢？若如此，工況和公式豈不是可以大大簡化？

3.5 FTP和HFET急需替換更新

美國是世界上公認的創新能力最強的國家，5工況燃油經濟性體系也屬于很好的創新。但FTP和HFET的工況曲線從1975年使用至今一直未變，FTP工況中的加速度和HFET工況中的最大速度，都已嚴重背離了當今的實際，嚴重阻礙了汽車產業的進步和發展，需要盡早予以替換更新，卻因受多方面掣肘，仍在超齡服役，并擔任著重要角色，從中也暴露出美國傳統的汽車工業中因循守舊的一面。抱殘守缺終將落后，只有勇于改革和創新，才能煥發出生機和活力。

4 結論

（1）美國輕型汽車5工況燃油經濟性計算公式，是基于對5種不同工況下測試數據的拆分與組合。FTP城市工況曲線分為3個階段，US06野蠻駕駛工況分為城市和高速兩個部分。常規和野蠻駕駛模式下的城市單位里程油耗，加上附加低溫單位里程油耗和附加空調單位里程油耗，再加上附加啟動單位里程油耗，再扣減9.5%的非工況因素的影響，最終得到5工況城市燃油經濟性。

（2）5工況計算公式中絕大多數權重系數為實驗室模擬實際道路行駛統計信息的代表性回歸系數，此類系數不等同于5工況實驗室實測數據之間的比例系數。

（3）附加啟動油耗計算中的熱浸時間比例系數0.330的引入比NEDC等工況更加細致客觀。

（4）5工況中的常規行駛、低溫、空調，以及多種形式的拆分和組合等都有非常高的科學性，值得深入學習和借鑒；而比較多的工況組合和復雜的表達形式又是研究者需要努力避免的。

（5）FTP和HFET的工況曲線從1975年使用至今一直未變，FTP工況中的加速度和HFET工況中的最大速度，都已嚴重背離了目前的實際情況，急需替換更新。