汽车燃油经济性试验影响因素研究

周文骏,李师凡

(1.武汉理工大学，湖北 武汉 430070；2.武昌实验中学，湖北 武汉 430061)

汽车燃油经济性试验影响因素研究

周文骏1,李师凡2

(1.武汉理工大学，湖北 武汉 430070；2.武昌实验中学，湖北 武汉 430061)

该实验基于新欧洲行驶循环(NEDC)工况，以一辆点燃式轻型汽油汽车为试验对象，对影响车辆燃油经济性主要因素进行了测试。实验表明：发动机起始温度、蓄电池电压对市区循环结果影响较大；驾驶员状态对郊区工况油耗影响很大。研究表明：维持发动机起始温度、保持驾驶员驾驶状态和车辆状态的稳定性是提高试验精度、使2-3次试验的相对标准差维持在5%以内的有效措施。

新欧洲行驶循环；燃油经济性；发动机；润滑油

随着全球环境的日益恶化，各国对汽车的排放法规提出了更加严格的要求，燃油经济性已然成为人们关注的焦点。其中燃料消耗量受诸多因素影响，按照国标规定进行试验会导致很大的误差。目前国内基于NEDC工况的燃油经济性试验误差很大，国内某研究所的试验结果相对标准差高达20%。德国ISP测试机构测试结果的相对标准差可以低至0.3%，国内外差距很大。国内许多试验研究都是基于NEDC工况，缺少对燃油经济性试验影响因素的研究,试验精度偏差较大，可信度值得商榷[1-3]。基于NEDC工况的燃油经济性试验需要占用大量的资源，少量的试验达不到既定要求，大量的试验时间成本和资金成本太高[4-6]。因此，研究试验过程中的主要影响因素可以有效提高燃油经济性试验的精度、减少重复试验次数、提高试验可靠性。本实验对试验过程中的变量进行了相应控制，旨在分析提高燃油经济性试验精度的相关措施。

一、油耗法规和NEDC工况

我国第三阶段油耗法规2015年全面实行，轻型汽车的平均油耗规定为6.9L/100km。2014年12月22日发布的GB 19578-2014《乘用车燃料消耗量限值》和GB 27999-2014《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》，根据中国国情制定了2016年到2020年的油耗法规，油耗的要求日益严格，至2020年中国汽车油耗需要低于5L/100km[6-8]。中国各大汽车公司和油耗检测部门迅速建立了各自的燃油经济性试验基地，但是面对的共同问题是试验的再现性较低，试验数据会随着试验环境条件的变化发生巨大的波动。

依据国标GB 18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国V阶段)》I型试验，NEDC循环总共包括1 180s，两个大型循环市区行驶循环UDC和郊区行驶循环EUDC，如图1所示，可以将NEDC工况分为五部分，分别为：四个市区循环(UDCI、UDCII、UDCIII、UDCIV)和一个郊区循环(EUDC)。市区循环(UDC)试验期间平均车速19 km/h，每个小循环行驶时间为195s行驶距离为1.013km。郊区循环(EUDC)平均车速62.6km/h，行驶所需时间为400s，行驶距离6.955km。

二、试验设备及方法

1.试验设备与仪器

试验车辆采用B15型直列四缸发动机，采用了双DVVT进排气气门连续可变正时技术,VGIS可变进气歧管技术, ETC电子节气门技术，总排量1.485L。

基于NEDC测试循环在底盘测功机上进行试验，并且采用碳平衡法计算汽车的油耗所需的硬件主要由四部分组成：AVL 48″紧凑型底盘测功机，AVL四五组份排放分析仪,WEISS环境仓和HORIB 排放分析仪。环境仓可以调节试验环境条件，维持试验过程中试验环境中温度，绝对湿度和相对湿度稳定，试验室的条件及设备设定符合国标要求。

2.试验流程与注意事项

试验过程中研究某一因素与燃油经济性的影响就必须保证其他因素不改变，但是，燃油经济性试验的因素控制非常困难，并且试验的影响因素非常多，仅仅控制某一状态的变化非常困难。试验在某些情况下忽略了因素耦合产生的影响。流程分以下七步：

(1)试验准备阶段：测试车辆预处理。预处理的目的在于使车辆内部摩擦机构表面覆盖油膜，防止车辆摩擦机构因为干摩擦造成额外能量损失。预处理完毕后应在30小时内进行试验，防止车辆因为久置不运行导致油膜被破坏。

(2)浸车：车辆将放置在环境仓中浸车至少应该超过6小时，使汽车温度达到环境仓设定的温度。其目的在于控制汽车内部冷却液、润滑油和其他结果的温度。

(3)车辆初始状态检查：保证车辆的初始状态稳定，检查项目应包括车辆的胎压、车辆的蓄电池电压、车载电子状态。

(4)试验仪器检查：保证底盘测功机状态稳定、温度监测装置等仪器设备正确连接、尾气收集装置与车辆紧密连接无泄漏现象产生。

(5)油耗试验：试验过程中需实时监测发动机油温，变速箱油温，后桥油温在NEDC循环中的实时变化情况。

(6)热态滑行试验：当润滑油温度处于一定数值时，测量车辆由速度50km/h自由下降至速度为0km/h所滑行的距离。

(7)反拖阻力试验：当润滑油温度维持处于一定数值时，测量车辆从10km/h至150km/h每隔10km/h时的反拖测功机的阻力。

三、市区影响因素分析

1.温度对市区油耗的影响

如图1所示，控制试验前车辆的起始温度，使发动机油初始的温度差异为2℃，检测试验过程中温度的变化情况。通过试验监测，温度差异在市区循环一直保持，在UDCI和UDCII循环阶段的温差较大。进入郊区工况之后，温度之间的差距随时间的增长逐渐减小。温度差异主要存在于城市工况阶段，试验开始前300s差异较大。

图1 NEDC循环试验温度变化曲线

图2 NEDC各工况油耗

在不改变其他条件的情况，在不同初始温度的情况进行燃油经济性试验，市区油耗结果如图2所示：不同温度下的油耗差距主要表现在市区工况下，27℃时的市区油耗为9.16L/100km，25℃时的市区油耗为9.42L/100km，温度提升了2℃度油耗增加了2.83%。这说明初始温度变化对NEDC试验市区工况UDCI和UDCII阶段油耗的影响较大，维持起始温度稳定可以使其相对标准差缩小到5%以内。车辆在起始温度为90℃进行NEDC循环试验[5]比在25℃进行试验然后经济性提高了10%，其中主要油耗差距出现在试验起始阶段200s的冷启动阶段。

主要原因如下：

1. 低温时的燃烧室和缸体等部件之间具有较高温差，差距较大的温度差会导致能量的流失。

2. 润滑油在低温时具有更高的黏度，黏度较高的时候润滑油内部摩擦力较大，导致消耗更多的能量。

温度对燃油经济性的影响主要体现在冷启动阶段和温升阶段，在温升阶段汽油燃烧产生的能量53%传递给了汽缸壁。传递的热量52%白白流失到了周围的环境中，没有传递给发动机缸体，润滑油和冷却水，传递给润滑油的能量只占4%[8]。因此，在NEDC循环测试中，冷启动阶段发动机机构之间较大的温差使发动机产生的大量能量传递给了缸体、冷却水和周围的环境[9-12]。只有非常少的一部能量传递给了润滑油，使润滑油温度升高。

2.电压对油耗的影响

图3 油耗与电压之间的关系

在不改变其他条件的情况，在不同初始蓄电池电压的情况进行燃油经济性试验，市区油耗结果与电压之间的关系如图3所示，蓄电池电压与油耗之间的影响呈明显的负相关关系。因此，试验过程中应保证蓄电池电压稳定。

四、郊区影响因素分析

1.温度对郊区油耗的影响

图4 郊区油耗与温度之间的关系

在郊区工况，27℃时，油耗为5.93L/100km，而在25℃时的郊区油耗为5.89L/100km。27℃比25℃油耗增加了0.68%。这说明温度不是影响郊区油耗的主要因素，进入郊区工况后初始温度影响可以忽略不计，主要原因如下：

高温时造成能耗因素的主要因素变为了摩擦机构的润滑性能，而影响摩擦机构的润滑性能主要是润滑油中摩擦改进剂配比。

2.司机驾驶水平对郊区油耗的影响

司机的驾驶水平是制约着NEDC测试油耗的又一重大因素，可以通过试验过程中车辆与标准路径的偏差值判断驾驶人员的水平，主要由以下几个值判断: 偏离允许速度范围的次数与时间，相对行驶距离，绝对行驶距离，前两个值是关键。

市区工况和郊区工况下车辆的实际行驶距离。在多次NEDC试验中，驾驶员均保持良好的驾驶状态，偏离允许速度范围的次数与时间都为0。图5展示了在驾驶员不出现驾驶错误的情况下实际行驶距离的偏移量与油耗之间的关系。如图5(a)所示，市区油耗与市区实际行驶距离之间的关系不明显，实际行驶距离对油耗的影响因子不大。在市区工况下温度是影响油耗的主要原因。然而，图5(b)中展示了郊区实际行驶距离与郊区油耗之间非常良好的线性关系。郊区实际行驶距离每增加1m,郊区油耗增加0.001L/100km。在郊区工况中，实际行驶距离是影响车辆郊区油耗的主要因素。

图5(a)

图5(b)

五、提高试验精度措施

燃油经济性测试阶段，如果仅仅只是依据国标标准进行试验，试验结果误差较大，曾在国内某著名车辆试验基地进行燃油经济性试验，其相对标准差达到9%-20%。如果对主要影响因素进行控制，2-3次试验之间的相对标准差可以稳定至5%以内。措施如下：

一是试验预处理与燃油经济性试验之间时间间隔最好在8～10h，期间车辆需放在恒温仓中浸车，恒温仓温度根据试验地温度调节，在25±2℃之间。目的是使车辆冷却液和润滑油温度达到设定室温，并且车辆发动机、变速箱、后桥摩擦机构表面油膜状态良好。

二是试验车辆的轮胎和蓄电池尽量使用新的，轮胎尽量使用硬度大的，保证车载仪器都处于关闭状态。

三是每次安排相同的驾驶员进行试验，驾驶习惯和水平有差异，好的驾驶员可以大幅度提高试验精度。

结语

通过实验，我们发现影响车辆燃油经济性精度的影响主要有：车辆润滑油起始温度、驾驶水平、传动系阻力、环境温度、环境湿度、仪器设备精度等。其中车辆起始温度、蓄电池电压是主要影响市区油耗的因素，将起始温度从25℃提升至27℃油耗增加了2.83%，蓄电池电压数值在一定范围内与市区油耗呈明显的负相关关系。郊区油耗的主要影响因素是驾驶水平，参考油的郊区油耗与驾驶水平呈线性关系，郊区实际行驶距离每增加1m,郊区油耗增加0.001L/100km。

试验起始温度对油耗的影响主要在试验开始前200s的温升阶段，在进入郊区工况后起始温度差异可以忽略。驾驶员技术水平在整个试验过程中都有较大影响，采取措施可以使2-3试验的相对标准差将至5%以内，降低试验次数，节约成本。

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2095-4654(2015)11-0018-04

2015-07-20

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