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北汽 | WLTC與NEDC循環(huán)油耗差異性研究

2020-03-24 21:59:01·  來源：電動學堂  
　
作者單位：北京汽車股份有限公司汽車研究院引言國Ⅵ排放法規(guī)(輕型汽車) 將于2020 年7 月1 日在全國正式實施，油耗法規(guī)中的測試方法也將逐步向WLTC 工況過渡，工
作者單位：北京汽車股份有限公司汽車研究院
引 言
國Ⅵ排放法規(guī)(輕型汽車) 將于2020 年7 月1 日在全國正式實施，油耗法規(guī)中的測試方法也將逐步向WLTC 工況過渡，工況變化對整車油耗的影響需準確評估，以確定合適的降油耗路線，滿足油耗法規(guī)的要求?
目前，國外研究機構(gòu)在滑行阻力和測試質(zhì)量不變的條件下，對WLTC 與NEDC 工況燃油消耗量進行了測試，結(jié)果表明WLTC 工況油耗要低于NEDC 工況? 國內(nèi)部分學者也從定性角度分析了WLTC 與NEDC 工況油耗的差異? 以上研究未考慮測試質(zhì)量及滑行阻力的變化，試驗數(shù)據(jù)量偏少，常規(guī)降油耗措施節(jié)油效果差異尚不明確?
本文通過試驗與仿真相結(jié)合的方式，定量地分析了工況變化對汽車燃油消耗以及對常規(guī)降油耗措施節(jié)油效果的影響，識別并分析了常規(guī)動力匹配過程油耗敏感因子及其貢獻度，以確定合適的動力總成匹配方案，并為確定合適的降油耗路線提供指導，以滿足油耗法規(guī)的要求?
1 試驗方案
1.1 理論分析
根據(jù)汽車行駛方程可知，汽車百km 燃油消耗量主要與發(fā)動機燃油消耗率?傳動系統(tǒng)效率及行駛阻力有關(guān)? 對特定的WLTC?NEDC 行駛循環(huán)而言，總?cè)加拖倪€與車輛加減速?制動?怠速停車等工況以及附件消耗有關(guān)?
車速ua :
 
式中，n 是發(fā)動機轉(zhuǎn)速；r 是輪胎滾動半徑；ig是變速器傳動比；i0 是主減速比?行駛功率Pe:
 
式中，ηT是傳動系統(tǒng)效率；f 是輪胎滾阻系數(shù)；CD是風阻系數(shù)；A 是迎風面積；du/dt 是加速度；m 是整車質(zhì)量；g 是重力加速度?行駛工況油耗Qs:
 
式中，b 是發(fā)動機燃油消耗率；ρ 是燃油密度
1.2 試驗車輛
試驗車輛選擇某車型的MT?CVT 兩臺車，分別滿足國V 排放標準，車輛搭載了怠速起停?智能發(fā)電機和電子節(jié)溫器等降油耗技術(shù)，車輛基本參數(shù)信息見表1?
 
車輛磨合完成后，分別進行了國Ⅴ?國Ⅵ滑行試驗，并應用滑行曲線在實驗室轉(zhuǎn)鼓臺架進行了油耗試驗?
1.3 試驗工況
測試工況采用WLTC 和NEDC 循環(huán)? 其中，WLTC 循環(huán)由市區(qū)?市郊?高速和超高速四部分組成，NEDC 循環(huán)由市區(qū)?市郊兩部分組成，測試中分別測取開關(guān)起停?智能發(fā)電機和電子節(jié)溫器的條件下的各部分油耗及綜合油耗，循環(huán)曲線如圖1 所示?
 
1.4 仿真建模
本文采用AVL CRUISE 軟件搭建了兩款車型的仿真模型，并通過實測數(shù)據(jù)對模型進行了校正，動力性及油耗參數(shù)仿真精度在± 3% 以內(nèi)? 其中，MT 車型仿真模型如圖2 所示? 應用該模型，對主要油耗影響參數(shù)進行仿真分析?
 
2 工況差異性分析
2.1 循環(huán)各部組成變化對油耗影響分析
通過對比分析，WLTC 工況最高車速?最大加速度均大于NEDC 工況，說明WLTC 工況負荷率增加? WLTC 工況不含停車的平均車速高于NEDC 工況，RPA 值高于NEDC 工況，說明WLTC 工況比NEDC 工況循環(huán)波動性更大?WLTC 與NEDC 工況基本參數(shù)對比見表2?
 
WLTC 循環(huán)各部組成比例相對SNEDC 循環(huán)也發(fā)生了一定變化，WLTC 與NEDC 循環(huán)各組成部分占比如圖3 所示?WLTC 市郊和高速工況里程占比超過50%，超高速工況超過35%，市區(qū)里程占比低于15%? NEDC 市郊工況里程占比超過60%? 基于此判斷，NEDC 循環(huán)綜合油耗市郊循環(huán)油耗影響力大? WLTC 循環(huán)綜合油耗受超高速工況?高速工況油耗影響最大，其次是郊區(qū)循環(huán)油耗，最后是市區(qū)循環(huán)油耗? 因此，對于WLTC 循環(huán)，降低車輛風阻?使用多檔位變速器更有利于降低綜合油耗?
 
2.2 加載阻力變化對不同循環(huán)油耗的影響
除工況有差異外，在轉(zhuǎn)鼓阻力加載方面，國Ⅵ滑行試驗在測試方法?加載質(zhì)量及數(shù)據(jù)處理方面不同于國Ⅴ滑行? 本文選取了某車型的MT/ CVT 型進行國Ⅴ?國Ⅵ滑行，滑行結(jié)果見表3? 由滑行曲線可知同一輛車，國Ⅵ滑行阻力大于國Ⅴ滑行阻力?
 
分別采用國Ⅴ?國Ⅵ滑行阻力對MT?CVT 車進行NEDC?WLTC 循環(huán)油耗測試，測試結(jié)果如圖4 所示? 由結(jié)果可知，同一車型采用相同的阻力，WLTC 油耗低于NEDC油耗，與JRC 研究結(jié)果一致? 同一車型采用相同循環(huán)，國Ⅵ滑行阻力測試油耗高于國Ⅴ? 油耗測試由NEDC 工況變更為WLTC 工況，阻力加載分別按照各自要求進行，MT 型綜合油耗增加0.04L，CVT 型綜合油耗降低0.11L，因此循環(huán)變化對實際車輛油耗的影響因車型而異?
 
20 ~ 120km/h 平均滑行阻力下降10N，NEDC 工況綜合油耗可降低0.07L/100km，WLTC 工況綜合油耗可降低0.08L/100km，因此WLTC 工況綜合油耗對滑行阻力變化更敏感，降低整車阻力更有利于節(jié)油?
2.3 暖機時間對油耗影響分析
冷起動過程的轉(zhuǎn)速及噴油補償會增加燃油消耗量，因此暖機時間越長，整車燃油消耗越大? 本文將發(fā)動機冷卻液溫度達到80℃作為暖機時刻結(jié)束進行分析? MT?CVT 車型暖機時間均小于300s，因此冷起動過程僅對市區(qū)工況油耗有影響? WLTC 與NEDC 循環(huán)暖機時間對比見表4? WLTC 工況暖機時間比NEDC 工況短，其中MT 型短16s，CVT 型短35s，暖機時間減少30s，仿真分析油耗降低0.04L/100km?在WLTC 循環(huán)下，車輛暖機時間占總循環(huán)時長的13% 左右，約為NEDC 工況的60%? 因此WLTC 工況下暖機過程對油耗的影響要小于NEDC 工況，冷?熱機油耗差異將變小?
 
3 常規(guī)節(jié)油措施節(jié)油效果差異
在NEDC 循環(huán)基礎上，已驗證分析了許多汽車節(jié)能技術(shù)并評估了節(jié)油率及其技術(shù)成本，例如電子節(jié)溫器?智能發(fā)電機?怠速起停和制動能量回收等先進電子電器技術(shù)? 本文主要對目前常用的怠速起停?智能發(fā)電機和電子節(jié)溫器等三項技術(shù)進行了驗證?
3.1 怠速起停節(jié)油效果差異分析
怠速起停是常用降油耗技術(shù)，其原理是在車輛停止怠速時發(fā)動機停機實現(xiàn)省油，WLTC 循環(huán)怠速時間為234s，NEDC 循環(huán)怠速時間為280s? WLTC 循環(huán)中，怠速工況占比僅為NEDC 工況的56%，考慮到冷起動怠速起停進入條件，WLTC 循環(huán)實際停機時長為184s，NEDC 循環(huán)為227s，WLTC 循環(huán)實際停機時長占比僅為NEDC 工況的53%，因此怠速起停在WLTC 工況的理論節(jié)油效果約為NEDC 工況的53%，怠速起停停機時長對比見表5?
 
實際驗證結(jié)果見表6，結(jié)果表明怠速起停在WLTC 循環(huán)的市區(qū)?郊區(qū)工況節(jié)油效果較明顯，高速及超高速工況節(jié)油效果不明顯? MT 型怠速起停節(jié)油效果為NEDC 工況的60%，CVT 型怠速起停節(jié)油效果為NEDC 工況的51%，考慮試驗誤差，節(jié)油差異與理論分析結(jié)果基本一致?
 
3.2 智能發(fā)電機節(jié)油效果差異驗證
智能發(fā)電機也是常用的降油耗技術(shù)，其工作原理是，蓄電池電量較高時不發(fā)電，加速工況少發(fā)電，減速工況發(fā)電回收能量? 通過控制發(fā)電機的工作狀態(tài)降低發(fā)動機負荷，實現(xiàn)節(jié)油? 為驗證智能發(fā)電機的節(jié)油效果，考慮在同一臺車上變更發(fā)電機對結(jié)構(gòu)及電控策略更改的影響，本次驗證通過將智能發(fā)電機調(diào)整為非智能發(fā)電模式來評估普通發(fā)電機的油耗?
 
智能發(fā)電機在不同循環(huán)下節(jié)油效果見表7? 結(jié)果表明智能發(fā)電機在WLTC 工況中各分部均可實現(xiàn)節(jié)油? MT 型在NEDC 循環(huán)下的節(jié)油量為0.18L，節(jié)油率為2.5%，WLTC 循環(huán)下的節(jié)油量為0.12L，節(jié)油率為1.7%；CVT 型在NEDC循環(huán)下的節(jié)油量為0.23L，節(jié)油率為3.3%，WLTC 循環(huán)下的節(jié)油量為0.14L，節(jié)油率為2%? 智能發(fā)電機在WLTC 循環(huán)下節(jié)油效果為NEDC 循環(huán)的60%左右?
智能發(fā)電機在WLTC 和NEDC 工況下的節(jié)油效果差異主要體現(xiàn)在市區(qū)工況，其他工況基本相似? 將智能發(fā)電機調(diào)整為14V 恒壓發(fā)電的方式模擬普通發(fā)電機的工作，在WLTC 與NEDC 工況下，發(fā)電機的發(fā)電特性基本相同?NEDC ?WLTC 循環(huán)市區(qū)工況發(fā)電占空比如圖5?圖6 所示? 發(fā)電機主要工作特點如下: 加速?減速?勻速工況，發(fā)電機占空比在19% 左右發(fā)電維持系統(tǒng)需求? 怠速工況，因轉(zhuǎn)速低，發(fā)電機效率低，發(fā)電機增加發(fā)電占空比，維持系統(tǒng)電量需求?
 
 
表8 為WLTC 與NEDC 循環(huán)市區(qū)工況對比，結(jié)果表明市區(qū)工況下，NEDC 工況的怠速比例高于WLTC 工況? 怠速工況發(fā)電機發(fā)電占空比提升以維持系統(tǒng)電量平衡，導致油耗增圖6 WLTC 循環(huán)市區(qū)工況發(fā)電占空比加，因此智能發(fā)電機節(jié)油效果在WLTC 工況下降低?
綜上所述，智能發(fā)電機在WLTC 與NEDC 工況中的節(jié)油效果差異主要體現(xiàn)在市區(qū)工況，主要緣于NEDC 工況的怠速比例高于WLTC 工況?
3.3 電子節(jié)溫器節(jié)油效果差異
電子節(jié)溫器的工作原理是控制發(fā)動機冷卻液溫度在最佳經(jīng)濟溫度，降低燃油消耗量? MT 型在NEDC 循環(huán)下的節(jié)油量為0.08L，節(jié)油率為1.1%，WLTC 循環(huán)下的節(jié)油量為0.08L，節(jié)油率為1.1%? CVT 型在NEDC 循環(huán)下的節(jié)油量為0.04L，節(jié)油率為0.6%，WLTC 循環(huán)下的節(jié)油量為0.04L，節(jié)油率為2%? 電子節(jié)溫器在WLTC 循環(huán)下節(jié)油效果與NEDC 循環(huán)相當? 電子節(jié)溫器節(jié)油效果見表9?
 
電子節(jié)溫器在WLTC 工況下節(jié)油率與NEDC 工況相當，圖7 所示為CVT 型電子節(jié)溫器與機械節(jié)溫器在WLTC 工況下冷卻液溫度對比，機械節(jié)溫器冷卻液溫度維持在80℃ 左右，電子節(jié)溫器冷卻夜溫度維持在98℃左右?
 
4 敏感因子分析
由式(1) ~ 式(3)可知，影響油耗的主要因素為發(fā)動機燃油消耗率?行駛阻力及傳動系統(tǒng)效率? 另外，在行駛條件下，怠速油耗也是重要影響因素? 因此基于建立的整車模型，根據(jù)影響油耗的主要因素對車輛各系統(tǒng)影響油耗的參數(shù)進行了分析，得到主要參數(shù)如下: 燃油消耗率?變速器效率?主減效率?整備質(zhì)量?輪胎滾動半徑?主減速比?風阻系數(shù)?迎風面積?滾阻系數(shù)?怠速油耗和發(fā)動機慣量等?
敏感因子CF 即油耗變化隨敏感參數(shù)變化的關(guān)系?
 
式中，P 是參數(shù)值；Q 是油耗值
本文仿真了WLTC 與NEDC 循環(huán)下敏感參數(shù)變化5% 對應的油耗變化比例，詳細參數(shù)的敏感因子變化如圖8 所示?
 
發(fā)動機燃油消耗率?變速器效率?半軸及差速器效率是影響油耗的三個主要因素? 在WLTC 循環(huán)下，綜合油耗對滾動半徑?主減速比?怠速油耗敏感性降低，對其他參數(shù)敏感性增加? 這說明WLTC 循環(huán)油耗對傳動系效率?發(fā)動機本體燃油經(jīng)濟性?整車阻力敏感性升高? 對傳動系傳動比敏感性降低? 因此在WLTC 循環(huán)下，降低綜合油耗的方向更應著眼于提升發(fā)動機本體燃油經(jīng)濟性?提升變速器效率?降低整車阻力? 例如小型增壓三缸機?DCT 變速器?低滾阻輪胎?零拖滯力制動鉗?低風阻及輕量化等技術(shù)的應用?
5 結(jié)論
1) WLTC 工況比NEDC 工況循環(huán)波動性更大，同一輛車，國Ⅵ滑行阻力大于國Ⅴ滑行阻力? WLTC 循環(huán)下，平均滑行阻力下降10N，綜合油耗可降低0.08L/100km，降低整車阻力更有利于節(jié)油?
2) WLTC 工況暖機時間比NEDC 工況短，MT 短16s，CVT 短35s，暖機時間減少30s，仿真分析油耗降低0.04L/100km? WLTC 暖機時間占比為13% 左右，約為NEDC 工況的60%? 因此WLTC 工況下暖機過程對油耗的影響要小于NEDC 工況?
3) WLTC 循環(huán)綜合油耗受超高速工況?高速工況油耗影響最大，其次是郊區(qū)循環(huán)油耗，最后是市區(qū)循環(huán)油耗? 因此，對于WLTC 循環(huán)，降低車輛風阻?使用多檔位變速器更有利于降低綜合油耗?
4) 怠速起停在WLTC 工況下節(jié)油率約為2%，低于NEDC 工況，約為NEDC 工況50%? 智能發(fā)電機在WLTC 工況節(jié)油效果約為1.8%，為NEDC 工況的60%，電子節(jié)溫器節(jié)油效果差異不大，約為0.5%? 節(jié)油貢獻率: 怠速起停>智能發(fā)電機> 電子節(jié)溫器?
5) 在WLTC 循環(huán)下，綜合油耗對傳動系效率?發(fā)動機本體燃油經(jīng)濟性?整車阻力敏感性升高? 對傳動系傳動比敏感性降低，因此降低綜合油耗的方向更應著眼于提升發(fā)動機本體燃油經(jīng)濟性?提升變速器效率?降低整車阻力? 例如小型增壓三缸機?DCT 變速器?低滾阻輪胎?零拖滯力制動鉗?低風阻及輕量化等技術(shù)的應用?
 
 
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