某款乘用車NEDC工況與WLTC工況下臺架試驗(yàn)油耗分析研究

桂佩佩 邱慧龍

（廣東汽車檢測中心有限公司，廣東佛山 528061）

0.緒論

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展，家庭汽車占有量大大增加，隨之帶來很大的能源和環(huán)保問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國石油進(jìn)口依存度接近60%，各類車用燃油消費(fèi)占比很大，幾乎占到全國汽油的55%，另外，每年新增汽車汽油消耗量70%以上。另外，從國內(nèi)城市收集的大氣顆粒物，通過含量分析結(jié)果來看，機(jī)動車尾氣排放污染物已成為城市環(huán)境污染的主要來源之一。綜上所述，汽車產(chǎn)業(yè)承擔(dān)著節(jié)能環(huán)保等重要責(zé)任，發(fā)展純電動和混合動力等節(jié)能汽車，減少大氣污染物排放是當(dāng)務(wù)之急。歐美日德作為汽車行業(yè)的龍頭，一直在采取積極措施，旨在于推動和促進(jìn)汽車節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，降低汽車燃油消耗量，使經(jīng)濟(jì)性得到提高。《到2020年各年度的乘用車更長期的燃料消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)法》的制定，其中乘用車燃油消耗和對應(yīng)尾氣的排放有著具體數(shù)值的規(guī)定，更加嚴(yán)格。總的趨勢是：各國制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)對車輛燃油消耗和尾氣排放的要求越來越高，2020年，各國乘用車平均百公里油耗將達(dá)到5L左右，5年后，平均百公里油耗將達(dá)到4L左右。因此，必須研發(fā)和發(fā)展節(jié)能環(huán)保汽車，減輕燃料供給帶來的壓力，使汽車尾氣排放量大大減少，同時改善大氣環(huán)境的質(zhì)量，也是滿足將來的和諧社會對汽車的需求，也是中國汽車走上國際化道路，國產(chǎn)汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，促進(jìn)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。世界各國為了提高汽車節(jié)能技術(shù)，主要通過建立有效的燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)體系。本文通過對國際和國家相關(guān)時期的燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入分析，總結(jié)出了燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)體系的最新要求，對企業(yè)應(yīng)對開發(fā)低油耗燃油車，具有一定參考意義[1]。

自2018年起歐洲油耗與排放法規(guī)工況已由NEDC切換為WLTC，國內(nèi)2020年6月2日由國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布，并于2021年1月1日即將實(shí)施的GB/T19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》代替GB/T19233-2008，并在舊標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上做部分修改。主要變更是“燃料消耗量試驗(yàn)循環(huán)由NEDC工況修改為WLTC工況及中國汽車行駛工況”。適用于最大設(shè)計(jì)速度在50km/h以上的N1級別和最大設(shè)計(jì)總重量在3500kg以下的M1、M2級別的車輛。最大設(shè)計(jì)總重量超過3500kg的M1級車輛可以參考。適用于汽油車和柴油車，而不適用于混合動力電動車。試驗(yàn)工況從NEDC變更為世界循環(huán)工況(WLTC)或中國汽車行駛工況（CLTC-P和CLTC-C，M1級別適用于CLTC-P，N1和3500kg以下的M2級別適用于CLTC-C）[2]。

1.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)

選擇的乘用車輛為一輛排量1.5L，渦輪增壓發(fā)動機(jī)的輕型汽車，整備質(zhì)量為1622kg，最大載質(zhì)量為2060kg。實(shí)驗(yàn)條件為：

（1）環(huán)境溫濕度一致23±5℃，5.5g/kg～12.2g/kg；

（2）所用阻力加載系統(tǒng)為德國AVL四驅(qū)轉(zhuǎn)股（48''4WD CD）加載阻力一致F=10.804+0.56571v+ 0.043865v2；

（3）同一駕駛員；

（4）同一批次國六92#油品；

（5）車輛試驗(yàn)前滿電，輪胎壓力一致220kPa；

（6）均采用HORIBA分析儀碳平衡法計(jì)算油耗結(jié)果等外界因素一致不受影響的情況下，考慮到結(jié)果偶然性和車輛行駛模式不同，我們將進(jìn)行兩種工況（NEDCWLTC）、兩種模式（eco+啟停、sport+非啟停）、三次試驗(yàn)平均值，共12次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對和分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 HORIBA氣體分析儀

HORIBA微量氣體分析儀不僅可用于環(huán)境問題，還可應(yīng)用于新時代的能源領(lǐng)域。氣體分析的課題和需求有很大的變化。HORIBA考慮到這些時代的需求，開發(fā)出了未來的通用氣體分析儀VA-3000。一臺分析裝置可以滿足CO、CO2、NOx、CH4等各種測定對象物的要求。采用可內(nèi)置3臺傳感器模塊的緊湊化設(shè)計(jì)，在省空間要求的研究開發(fā)和公害監(jiān)測現(xiàn)場應(yīng)用等方面具有廣泛的用途。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使自動化分析設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，促使模塊式的多功能化的儀表急速發(fā)展，多儀表智能網(wǎng)絡(luò)升級，逐漸傾向微型儀表檢測，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，和相關(guān)氣體檢測技術(shù)進(jìn)展和最新的研究成果運(yùn)用，本文的采用用一種氣體綜合檢測平臺的方案，很多的汽車尾氣分析集成到一個通用平臺上，同時滿足自動控制、智能識別等需求。在本文中，該平臺基于STM32控制器，設(shè)計(jì)了與各功能模塊相對應(yīng)的接口，使硬件選擇具有靈活性。能夠完成不同的模塊檢測、形成不同的硬件基礎(chǔ)、不同的工業(yè)環(huán)境，同時檢測多種氣體濃度，是一個完整的耦合式氣體分析平臺。HORIBA氣體分析儀，如圖1所示。

圖1 HORIBA氣體分析儀

1.2.2 AVL底盤測功機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

AVL四驅(qū)底盤測功機(jī)是用來集測量汽車的輸出功率、扭矩和驅(qū)動力、轉(zhuǎn)速和速度于一體的專用計(jì)測儀器，是用來檢查汽車性能的機(jī)器，固定不易拆卸。另外可以利用AVL四驅(qū)底盤測功機(jī)測量輕型汽車及重型汽車多種工況的排放指標(biāo)和燃料消耗量值。

（1）底盤測功機(jī)工作原理。乘用車在道路上行駛，其慣性行駛阻力始終存在于汽車道路試驗(yàn)中，我們?yōu)榱嗽诘妆P測功機(jī)上模擬汽車真實(shí)的運(yùn)行狀況，首先需要進(jìn)行汽車整車的運(yùn)動模擬，如果解決不了慣性和行駛阻力問題，就不能完成汽車的運(yùn)行狀況以及動態(tài)性能測試。因此，在底盤測試臺上，加載汽車整車基本測試質(zhì)量和驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)慣性量以及道路阻力，給跟隨風(fēng)速，汽車加速到高速然后滑行，至少3次滑行給出汽車在底盤測功機(jī)上的阻力曲線結(jié)果。該底盤測功機(jī)上的阻力就是汽車在底盤測功機(jī)上行駛的加載阻力。該車在底盤測功機(jī)上的試驗(yàn)均使用該阻力。

（2）底盤測功機(jī)結(jié)構(gòu)。測功機(jī)主要幾大機(jī)構(gòu)為：滾筒機(jī)構(gòu)、動力吸收裝置、控制與測量系統(tǒng)和輔助裝置，部分底盤額外增加了飛輪系統(tǒng)，可測量汽車的動態(tài)性能等。底盤測功機(jī)整體，如圖2所示。1）滾筒機(jī)構(gòu)。底盤測功機(jī)分2類：單電機(jī)底盤測功機(jī)，其大滾筒直徑、制造和安裝費(fèi)用測試精度較高。但由于雙層輪式底盤設(shè)備成本低、使用方便，一般用于汽車使用、維修行業(yè)和汽車檢測站。2）加載裝置。底盤測量器常用的負(fù)荷裝置有水力測量器、電力測量器和電渦電流測量器三種。水力測功器控制的可能性相對比較差，電力測功器的成本比較高，電渦電流測功器測量精度高，振動小，結(jié)構(gòu)簡單，控制和測量的旋轉(zhuǎn)速度和力量范圍有較大的優(yōu)勢，因此，國內(nèi)生產(chǎn)的底盤多渦電流電力測功器發(fā)展裝置作為加載裝置。

圖2 底盤測功機(jī)整體圖

電渦電流計(jì)測器主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個部分組成。轉(zhuǎn)子與滾筒連接在一起，定子是其主軸線為中心，可以擺動，定子內(nèi)部沿著周圍勵磁線圈和漩渦輪被部署，轉(zhuǎn)子的外上升到均勻部署了齒和槽，齒頂和渦輪之間有一定的縫隙。勵磁線圈直流電流通電時，其周圍形成磁場，磁場發(fā)生了磁力線轉(zhuǎn)子，空氣系漩渦輪，固定定子形成閉合，并通過轉(zhuǎn)子牙頂部的磁通量密度很大，同時也利于加載滾筒，使勵磁電流變化，制動力矩可以控制。

底盤測功機(jī)的控制裝置和顯示裝置往往合而為一，構(gòu)成控制柜，控制柜一般放置在機(jī)械部件的左前方，便于操作和觀察。如果測力裝置和測速裝置均為電測裝置，則指示裝置可直接顯示驅(qū)動輪的輸出功率。如果測力裝置是機(jī)械式的，指示裝置只能顯示驅(qū)動輪的驅(qū)動力，只有將被測驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為測試速度才能得到驅(qū)動輪的功率輸出。本文所述試驗(yàn)研究所用底盤測功機(jī)為雙軸雙電機(jī)氣動舉升，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如圖3所示。

圖3 AVL參數(shù)設(shè)定

1.3 實(shí)驗(yàn)工況建立

由圖4[2]可以看出，NEDC和WLTC工況循環(huán)曲線表明，NEDC工況適用于M1、M2和N13種車輛，最大總質(zhì)量不超過3.5t。這個循環(huán)由兩部分組成。一是模擬低速低負(fù)荷的城市工作環(huán)境，持續(xù)780s。第二部分模擬高速運(yùn)行工況，持續(xù)時間為400s；這兩部分的總長度是1180s。按照規(guī)定，加權(quán)里程有自己的權(quán)重系數(shù)，沒有調(diào)整的權(quán)重。

圖4 工況曲線對比圖

測試工況采用WLTC和NEDC循環(huán)。其中，WLTC循環(huán)由城市、郊區(qū)、高速和超高速4部件組成，NEDC循環(huán)由城市和郊區(qū)2部分組成。試驗(yàn)中分別測量了開關(guān)、智能發(fā)電機(jī)、電子恒溫器等工況下各部件的油耗和綜合油耗。WLTC和NEDC工況基本參數(shù)比較見表1[1]。

表1 WLTC與NEDC工況基本參數(shù)對比表

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過前述實(shí)驗(yàn)條件測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析的結(jié)果如表2和表3所示。

表2 eco模式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 Sport模式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.4.2 數(shù)據(jù)有效性分析

對于汽油機(jī)車輛，建立數(shù)學(xué)模型：

FC—燃料消耗量，單位為L/100km；

HC—碳?xì)渑欧帕浚瑔挝粸間/km；

CO—一氧化碳排放量，單位為g/km；

CO2—二氧化碳排放量，單位為g/km；

D—288K下試驗(yàn)燃料的密度，單位為kg/L。

該數(shù)學(xué)模型可以看出，影響燃料消耗量的因素是HC、CO、CO23種污染物的排放量，又污染物的排放量的誤差來源排氣容積、污染物濃度、濕度校正系數(shù)和行駛距離，這樣一來人員操作、計(jì)量器具、環(huán)境條件就會帶來測量誤差。假如設(shè)備儀器，車輛狀態(tài)，環(huán)境條件控制相同，可以忽略實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差。對于隨機(jī)誤差，因?yàn)閷?shí)際條件有限，每種工況模式下重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)n=3，樣本數(shù)量較少，我們可以計(jì)算各組數(shù)據(jù)極差R和標(biāo)準(zhǔn)偏差S（S=R/1.69）來衡量各燃料消耗量和二氧化碳排放量值對于期望值的離散程度如表2和表3。極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散度也就越大。

1.4.3 eco模式氣體排放與燃料消耗

將eco模式下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CO2繪制散點(diǎn)圖，如圖5所示，eco模式WLTC工況和NEDC工況燃料消耗量結(jié)果散點(diǎn)圖6所示。

圖5 eco模式WLTC工況和NEDC工況CO2結(jié)果散點(diǎn)圖

圖6 eco模式WLTC工況和NEDC工況燃料消耗量結(jié)果散點(diǎn)圖

結(jié)論：通過曲線分析可知，eco模式NEDC工況CO2結(jié)果趨勢偏低，且NEDC工況CO2結(jié)果偏穩(wěn)；eco模式NEDC工況燃料消耗量結(jié)果趨勢偏低，且NEDC工況燃料消耗量結(jié)果偏穩(wěn)；與CO2趨勢相近。

1.4.4 Sport模式氣體排放與燃油消耗

將Sport模式下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CO2繪制散點(diǎn)圖，如圖7所示，Sport模式WLTC工況和NEDC工況燃料消耗量結(jié)果散點(diǎn)圖8所示。

圖7 Sport模式WLTC工況和NEDC工況CO2結(jié)果散點(diǎn)圖

圖8 Sport模式WLTC工況和NEDC工況燃料消耗量結(jié)果散點(diǎn)圖

從圖7和圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)圖可知：Sport模式NEDC工況CO2結(jié)果趨勢偏低；Sport模式NEDC工況燃料消耗量結(jié)果趨勢偏低，且NEDC工況燃料消耗量結(jié)果偏穩(wěn)；與CO2趨勢相近。

按照圖7、圖8和表4結(jié)果對比，eco模式WLTC工況比NEDC工況燃油消耗量高1.95%，Sport模式下WLTC工況比NEDC工況燃油消耗量高0.60%，且同工況下eco模式比Sport模式行駛車輛燃料消耗量低。分析原因，減速斷油降低油耗主要是在試驗(yàn)循環(huán)中減速過程中由于車輛扭矩需求較小，通過發(fā)動機(jī)斷油實(shí)現(xiàn)小的扭矩輸出，以達(dá)到節(jié)能減排的目的，因此對降低油耗有較為明顯的作用。

表4 eco模式與Sport模式燃油消耗量

1.4.5 原因分析

從工況曲線分析NEDC工況4個市區(qū)循環(huán)加1個市郊循環(huán)，工況持續(xù)時間1180s，最高車速120km/h，總行駛距離11.007km。WLTC 工況由低速段、中速段、高速段和超高速段四部分組成，工況持續(xù)時間1800s，最高車速131.3km/h，總行駛距離23.266km。圖4為WLTC與NEDC工況車速對比，由圖可知，NEDC工況為相對穩(wěn)定工況，多為勻加速，勻減速和等速工況，加減速波動較小。而WLTC 多為變加速，加減速頻繁且工況時間較NEDC 更長。

WLTC與NEDC工況特征參數(shù)對比，由表可知WLTC工況相較NEDC最大加減速度范圍更大，且頻繁的加減速趨向于增加工況油耗。

本章首先進(jìn)行試驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)，接著進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型，查閱相關(guān)資料，建立NEDC和WLTC的實(shí)驗(yàn)工況，接著按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，并進(jìn)行原因分析。

2.結(jié)語

本文基于低轉(zhuǎn)速低扭矩工況，燃料消耗量較低的理論結(jié)論。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：選取了某款乘用車型，通過實(shí)驗(yàn)分析對整車油耗的影響，分析了4種模式下不同工況的油耗影響。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論如下：（1）eco模式NEDC工況CO2結(jié)果趨勢偏低，且NEDC工況CO2結(jié)果偏穩(wěn)；eco模式NEDC工況燃料消耗量結(jié)果趨勢偏低，且NEDC工況燃料消耗量結(jié)果偏穩(wěn)；與CO2趨勢相近。（2）Sport模式NEDC工況CO2結(jié)果趨勢偏低；Sport模式NEDC工況燃料消耗量結(jié)果趨勢偏低，且NEDC工況燃料消耗量結(jié)果偏穩(wěn)；與CO2趨勢相近。（3）同工況下，NEDC或WLTC，eco模式比Sport模式行駛車輛燃料消耗量低。分析原因，減速斷油降低油耗主要是在試驗(yàn)循環(huán)中減速過程中由于車輛扭矩需求較小，通過發(fā)動機(jī)斷油實(shí)現(xiàn)小的扭矩輸出，以達(dá)到節(jié)能減排的目的，因此對降低油耗有較為明顯的作用。現(xiàn)最新燃油消耗量限值及方法標(biāo)準(zhǔn)里明確量產(chǎn)車輛燃油消耗量值得申報(bào)值應(yīng)以最惡劣狀況車輛的主駕駛模式的實(shí)際測試結(jié)果為準(zhǔn)，所以本研究結(jié)果為車企的燃油消耗量申報(bào)測試提供了參考方案。