李志廣，盧振東，孫蕭，叢日振，劉曉瑩

寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司,浙江寧波 315336

0 引言

用戶在車輛實際使用時會發(fā)現(xiàn)：低溫環(huán)境下行駛時，燃油消耗量會增加，通常環(huán)境溫度越低，燃油消耗量越高。本文模擬用戶在不同低溫環(huán)境下進行綜合工況駕駛，分析低溫環(huán)境對整車油耗和排放污染物情況，找出油耗及排放的變化規(guī)律，探究低溫環(huán)境溫度對排放及油耗的影響機制，挖掘整車低溫工況下降低油耗及排放的潛力。

1 試驗驗證

1.1 試驗樣車

本次試驗選擇一款國內(nèi)主流的A級轎車進行整車低溫轉(zhuǎn)轂測試，排放標(biāo)準(zhǔn)為國VI,發(fā)動機為14TD,變速箱采用干式TDCT。車輛基本參數(shù)見表1 。

表1 車輛基本參數(shù)

1.2 試驗條件和試驗方案

試驗條件：低溫環(huán)境模擬測試系統(tǒng)的底盤測功機、排氣稀釋和取樣系統(tǒng)、分析設(shè)備及其標(biāo)定應(yīng)符合GB 18352.6—2016附件CD的規(guī)定，氣體應(yīng)符合GB 18352.6—2016中附件CD.3中相關(guān)部分的規(guī)定[1]。

試驗具體要求如下：

(1)要求的環(huán)境溫度(靜態(tài))偏差不應(yīng)超過±3.0 ℃。車輛在要求的環(huán)境溫度的環(huán)境倉內(nèi)浸車不少于8 h，水溫、機油溫度與環(huán)境溫度一致。

(2)自動控制系統(tǒng)的暖風(fēng)裝置和除霜裝置設(shè)置，關(guān)閉制冷空調(diào)，設(shè)置溫度為22 ℃，AUTO模式。關(guān)閉后排出風(fēng)口及控制開關(guān)。

(3)車輛關(guān)閉啟停功能，使用NORMAL模式進行試驗。

(4) 在前排座椅每個乘員座布置溫度測量點，位置如圖1所示，試驗過程中以不小于1 Hz的采集頻率實時連續(xù)記錄測量點的溫度變化。當(dāng)試驗進行到10 min時，記錄前排頭部平均溫度。

圖1 溫度測量點位置

試驗方案見表2。

表2 試驗方案

1.3 試驗曲線

試驗采用模擬用戶實際駕駛的綜合工況路譜曲線，如圖2所示。

測試循環(huán)由Ⅰ部(市區(qū))和Ⅱ部(市郊、高速循環(huán))兩部分組成。工況時長共計1 800 s，其中Ⅰ部為1 375 s，Ⅱ部為425 s，平均車速為29.4 km/h，最大速度為120 km/h。

圖2 綜合工況路譜曲線

1.4 試驗步驟

按照GB/T 19233—2020《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》附錄A：低溫環(huán)境下燃料消耗量試驗方法進行試驗[2]，試驗步驟如下：

(1)環(huán)境溫度設(shè)置按表2進行設(shè)置,冷機狀態(tài)的車輛在目標(biāo)環(huán)境溫度環(huán)境倉內(nèi)浸車不少于8 h，熱機狀態(tài)的車輛在目標(biāo)環(huán)境溫度環(huán)境倉內(nèi)浸車8 h后，先以車速(90±2)km/h，等速行駛20 min后開始試驗。

(2)不考慮10 min 時車內(nèi)頭部平均溫度的有效性判定。

(3) 每輪測試開始前將車輛蓄電池充電達到100%狀態(tài)。

(4)按照GB 18352.6—2016附件CE測得的CO2、CO和HC排放量，分別計算各速度段和綜合燃料消耗量。

燃料消耗量計算公式為：

(0.273×QCO2)]

(1)

式中：QFC為燃料消耗量，L/km；

QHC為碳氫排放量，g/km；

QCO為一氧化碳排放量，g/km；

QCO2為二氧化碳排放量，g/km；

ρ為288 K下試驗燃料的密度,kg/L。

2 排放及油耗試驗結(jié)果

2.1 低溫對排放污染物的影響

排放污染物按照GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》的測試方法進行[1]，整車公告認證測試時需要進行Ⅵ型低溫(-7 ℃)冷啟動后排氣中CO、THC和NOx排放試驗。此次試驗為了研究低溫環(huán)境對車輛排放污染物的影響，仿照Ⅵ型試驗對不同低溫環(huán)境下的氣體污染物排放量進行對比，由于采集設(shè)備有低溫限制，PN未測量。

污染物排放增量如圖3所示，低溫對整車污染物排放量的影響見表3。由圖和表可知，整車在常溫?zé)釕B(tài)的污染物排放量較低，在冷機狀態(tài)下污染物排放量增幅較大：THC排放量增加29～305 mg/km，增幅為1 636%～17 092%；CO排放量增加83～763 mg/km，增幅為2 336%～21 376%；NOx排放量增加4～22 mg/km，增幅為79%～482%；NMHC排放量增加16～276 mg/km，增幅為160%～2 760%。

污染物排放量秒采數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖可以看到，主要的排氣污染物在前200 s內(nèi)產(chǎn)生。環(huán)境溫度越低，污染物的峰值越高，持續(xù)時間就越長。

圖3 污染物排放增量

表3 低溫對整車污染物排放量的影響

圖4 污染物排放量秒采數(shù)據(jù)

2.2 低溫對油耗的影響

為了研究低溫環(huán)境對車輛油耗的影響，對不同低溫環(huán)境下的油耗量進行對比，由表4和圖5可知，綜合工況常溫?zé)釞C狀態(tài)的油耗量較低，在冷機狀態(tài)下環(huán)境溫度越低油耗增幅越大：10 ℃油耗量增加0.007 L/km，增幅為11%；0 ℃油耗量增加0.013 L/km，增幅為19%；-15 ℃油耗量增加0.02 L/km，增幅為30%。當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時，每降低5 ℃，綜合工況下整車油耗升高為0.002～0.003 L/km。

表4 低溫對整車油耗的影響

圖5 低溫整車油耗增量

對比市區(qū)工況和市郊工況，市區(qū)油耗增加0.009 5～0.030 6 L/km,增幅13%～42%,是油耗差異的主要來源;市郊油耗增加0.000 3～0.004 2 L/km,是油耗增幅0.5%～7%,市郊工況屬于熱機行駛，對油耗結(jié)果影響相對很小。

圖6為低溫燃油消耗量秒采數(shù)據(jù)。由圖可知，累計油耗量差值線性變化趨勢，說明各運行工況油耗均存在差異，導(dǎo)致累計油耗量差異逐漸變大。

圖6 低溫燃油消耗量秒采數(shù)據(jù)

3 油耗排放影響分析

環(huán)境溫度-15、0、10 ℃冷機開暖風(fēng)油耗變化量為11%～30%,通過試驗數(shù)據(jù)對比分析，主要影響因素為：整車行駛阻力、整車電耗、怠速油耗、暖機過程。

3.1 整車行駛阻力對油耗的影響

道路行駛阻力的大小直接影響綜合油耗的結(jié)果，準(zhǔn)確測量行駛阻力是確保轉(zhuǎn)轂試驗?zāi)芊裾鎸嵎从耻囕v實際狀況的前提和關(guān)鍵。道路行駛阻力通過道路上測量滑行時間，計算能量變化的方法獲得試驗狀態(tài)下的阻力功率，然后通過溫度和大氣壓力，把試驗狀態(tài)下的阻力功率校正到基準(zhǔn)狀態(tài)下的阻力功率，從而獲得基準(zhǔn)狀態(tài)下各速度點的行駛阻力[3]。現(xiàn)行試驗方法校正過程的總行駛阻力包括滾動阻力和空氣阻力，通常忽略汽車內(nèi)部阻力。

試驗基于常溫整車實際滑行阻力數(shù)據(jù)擬合出常溫轉(zhuǎn)轂需加載的阻力，低溫試驗保持常溫的轉(zhuǎn)轂加載阻力不變，即滾動阻力和空氣阻力保持不變，變量為低溫狀態(tài)下汽車內(nèi)部阻力。該車不同環(huán)境溫度下的綜合工況克服阻力做功和油耗見表5。環(huán)境溫度越低，克服阻力做功越大，對油耗的影響越多。

表5 不同環(huán)境溫度下的綜合工況克服阻力做功和油耗

3.2 整車電耗對油耗的影響

整車電耗通常指車輛用電器的總耗電量，即發(fā)電機發(fā)電量，通過電流表測量發(fā)電機的電流，電壓表測量蓄電池電壓，計算出綜合工況發(fā)電機的總發(fā)電量。由表6試驗測試結(jié)果可知：環(huán)境溫度越低，發(fā)電機電耗量越大，對油耗的影響越多?？刹捎弥悄馨l(fā)電機、IBS傳感器、優(yōu)化用電設(shè)備匹配等技術(shù)降低整車電耗，優(yōu)化整車油耗、排放水平。

表6 不同溫度整車電耗值

3.3 怠速對油耗的影響

綜合工況中的怠速累計時長255 s，將怠速燃油消耗量秒采數(shù)據(jù)提取出來進行分析,如圖7所示，低溫怠速總油耗量增加為0.022～0.035 L，增幅為42%～68%。環(huán)境溫度越低，怠速油耗量越大，對油耗的影響也越大?？赏ㄟ^優(yōu)化發(fā)動機摩擦功、怠速轉(zhuǎn)速、怠速扭矩儲備、怠速點火角等技術(shù)降低怠速油耗。

圖7 怠速油耗秒采累計曲線

3.4 暖機過程對油耗的影響

發(fā)動機起動暖機過程指的是發(fā)動機點火成功后，機內(nèi)冷卻水和機油從較低溫度上升至正常溫度的過程，該過程主要包括拖動、起動、后起動和暖機4 個階段[4]。該過程歷時較長，直接影響發(fā)動機各總成的磨損和整機的油耗和排放。

暖機時長統(tǒng)計見表7，暖機過程溫升變化曲線如圖8所示。由表和圖可以看到，環(huán)境溫度越低，暖機時間越長，對油耗的影響越大。可采用缸蓋集成排氣歧管、雙節(jié)溫器、電子水泵等技術(shù)縮短發(fā)動機的暖機時間，優(yōu)化發(fā)動機的暖機油耗和排放，延長發(fā)動機使用壽命。

表7 暖機時長統(tǒng)計

圖8 暖機過程溫升變化曲線

4 結(jié)束語

本文通過模擬整車在低溫環(huán)境狀態(tài)下的試驗測試，分析低溫環(huán)境對汽車油耗和排放污染物的變化規(guī)律，探究低溫環(huán)境溫度對排放及油耗的影響機制和降低油耗及排放的潛力。測試結(jié)果表明：低溫環(huán)境溫度下油耗變化量相對25 ℃常溫?zé)釞C工況增加10%～30%,排放變化量增加79%～21 376%，分析主要影響因素為整車行駛阻力、整車電耗、怠速油耗、暖機過程。當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時，每降低5 ℃，綜合工況下整車油耗升高為0.002～0.003 L/km。