吳瓊， 李衛(wèi)兵， 袁子紅， 閆瑞琦， 曹敬堂， 和龍

(1. 安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心， 安徽 合肥 230601； 2. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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怠速轉(zhuǎn)速對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

吳瓊1， 李衛(wèi)兵1， 袁子紅1， 閆瑞琦2， 曹敬堂2， 和龍3

(1. 安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心， 安徽 合肥 230601； 2. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)整車降低怠速轉(zhuǎn)速后的節(jié)油效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明怠速轉(zhuǎn)速降低50 r/min，怠速油耗降低6%左右。在城市道路行駛怠速工況較多，降低怠速轉(zhuǎn)速后整車節(jié)油效果較好，但是NEDC測試循環(huán)怠速工況時(shí)間短且怠速油耗量小，加之測試與設(shè)備誤差等原因，很難直接測試出降低怠速的節(jié)油效果，為此提出了采用NEDC工況拆解法來計(jì)算降低怠速轉(zhuǎn)速后的油耗與節(jié)油效果。

燃油消耗量； 怠速； 節(jié)油； NEDC循環(huán)

隨著全球車輛燃油消耗法規(guī)日益嚴(yán)格，汽車設(shè)計(jì)人員在發(fā)動(dòng)機(jī)、車身和使用環(huán)節(jié)等方面采用新技術(shù)與新方法來降低汽車油耗[1-2]。當(dāng)前城市交通變得越來越擁堵，更多時(shí)間與燃油都消耗在怠速工況上，從整車角度來說，該部分燃油被發(fā)動(dòng)機(jī)消耗掉，但車輛沒有行駛?cè)魏尉嚯x，做的全是無用功。

混合動(dòng)力與怠速啟停系統(tǒng)等技術(shù)可使車輛在怠速時(shí)熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)，徹底解決發(fā)動(dòng)機(jī)怠速燃油消耗問題[3]，但是這些技術(shù)復(fù)雜、成本高，當(dāng)前不適合大批量應(yīng)用。為此，本研究通過降低怠速轉(zhuǎn)速的方法來降低怠速油耗。為了準(zhǔn)確計(jì)算降低怠速后NEDC循環(huán)的節(jié)油效果，提出了一種工況拆解法來計(jì)算降低怠速后的節(jié)油量與節(jié)油效果，并驗(yàn)證了該方法的可性行。

1 怠速工況燃油消耗影響因素

1.1 理論分析

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)完成后，其循環(huán)熱效率與機(jī)械熱效率都已經(jīng)確定，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的唯一途徑是提高燃燒熱效率[4]。汽油機(jī)的燃燒效率與點(diǎn)火角、空燃比、負(fù)荷和轉(zhuǎn)速有關(guān)，提高燃燒熱效率需要實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)的優(yōu)化組合[5-6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)整車負(fù)載和發(fā)動(dòng)機(jī)附件狀態(tài)見圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)附件主要有空調(diào)壓縮機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、自動(dòng)變速箱負(fù)載和發(fā)電機(jī)負(fù)載。ECU通過怠速策略使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，由于怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件功率基本不變，發(fā)動(dòng)機(jī)單缸單次燃燒釋放的能量只要能夠克服自身阻力即可[7-9]。

汽油機(jī)采用三元催化器降低尾氣排放，它要求ECU控制空燃比在理論空燃比(14.7)附近很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，使催化器的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高，將95%以上的尾氣轉(zhuǎn)化CO2，H2O和N2[7]。所以，怠速工況下混合氣空燃比對(duì)燃燒熱效率基本沒有影響。

怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷為發(fā)動(dòng)機(jī)和附件的自身阻力，怠速工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，這部分負(fù)荷基本不變。ECU控制點(diǎn)火角在很小范圍內(nèi)波動(dòng)，所以怠速工況下負(fù)荷與點(diǎn)火角對(duì)燃燒熱效率影響很小。

綜上所述，怠速工況下燃燒熱效率受空燃比、點(diǎn)火提前角和負(fù)荷的影響非常小，怠速工況的油耗主要受怠速轉(zhuǎn)速影響。設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下每個(gè)噴油器的噴油時(shí)間為t，噴油率為A，汽油密度為ρ，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n[4,7]，那么怠速工況燃油消耗量可以表示為

由于負(fù)荷基本不變，空燃比采用閉環(huán)控制，每個(gè)噴油器單缸噴油時(shí)間t基本一致，所以，理論上節(jié)油率與怠速轉(zhuǎn)速降低比例一致。

1.2 試驗(yàn)研究

以某1.3 L VVT 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在環(huán)境倉中研究環(huán)境溫度、怠速轉(zhuǎn)速、噴油脈寬和點(diǎn)火提前角等運(yùn)行參數(shù)對(duì)怠速油耗的影響[10-12]。

利用環(huán)境倉將環(huán)境溫度分別控制在0 ℃，10 ℃和20 ℃，利用ECU將怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制在600，650，700，750和800 r/min，待穩(wěn)定運(yùn)行后記錄節(jié)氣門開度(表示負(fù)荷的參數(shù))和點(diǎn)火提前角參數(shù)，同時(shí)用油耗儀測量怠速燃油消耗量。試驗(yàn)結(jié)果見圖2至圖4。

從圖2可看出，熱機(jī)狀態(tài)下(發(fā)動(dòng)機(jī)水溫80 ℃以上)隨著怠速轉(zhuǎn)速的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速油耗與轉(zhuǎn)速成正比例下降，發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速由750 r/min降低至700 r/min，節(jié)油率為6%，與理論分析相吻合。不同環(huán)境溫度下，怠速轉(zhuǎn)速與油耗的線性關(guān)系基本一致，由此可以說明熱機(jī)狀態(tài)下環(huán)境溫度對(duì)怠速油耗沒有影響。

圖3和圖4示出在20 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不同怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速下節(jié)氣門開度、點(diǎn)火提前角和噴油脈寬隨怠速時(shí)間的變化。由圖3可知，穩(wěn)態(tài)怠速轉(zhuǎn)速下噴油器的單次噴油時(shí)間基本不變，怠速油耗主要與發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間做功次數(shù)直接相關(guān)。由圖4可知，整個(gè)試驗(yàn)過程中點(diǎn)火角變化很小，它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及熱效率影響很小。隨著怠速轉(zhuǎn)速上升，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件消耗的功率變大，相應(yīng)的節(jié)氣門開度略微增加但是變化很小。

由以上試驗(yàn)可知，熱機(jī)怠速工況下，不同怠速轉(zhuǎn)速下氣缸的單次噴油量基本一致，怠速油耗只與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系；通過降低怠速轉(zhuǎn)速、減少發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間做功次數(shù)可以降低怠速油耗，這與理論分析結(jié)論是一致的。

2 降低怠速后NEDC循環(huán)節(jié)油效果評(píng)價(jià)

GB 27999—2011《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》要求采用NEDC循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，該循環(huán)工況見圖5。試驗(yàn)總時(shí)間為1 180 s，總怠速時(shí)間為280 s，總里程為11.8 km[13-14]。由于怠速時(shí)間在總時(shí)間中占比小，怠速消耗燃油少，再考慮到進(jìn)行整車油耗測試時(shí)的試驗(yàn)誤差、駕駛員操作誤差等，降低怠速的節(jié)油效果在實(shí)際的測試中很難直接體現(xiàn)出來。

利用INCA標(biāo)定軟件讀取發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)，將城市怠速工況和NEDC循環(huán)工況中ECU控制參數(shù)進(jìn)行對(duì)比(見表1)?？梢钥闯觯瑑煞N工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、噴油脈寬、點(diǎn)火角和空燃比相差很小[11]，可以認(rèn)為NEDC工況與整車行駛怠速工況發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)一致，二者的燃油消耗量是一致的?；谝陨戏治?，本研究提出了一種NEDC工況拆解折合計(jì)算方法，將降低怠速后燃油消耗通過計(jì)算折合至NEDC循環(huán)，從而評(píng)價(jià)降低怠速后NEDC循環(huán)節(jié)油效果。

表1 兩種怠速工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)對(duì)比表

NEDC拆解折合計(jì)算方法如下：

1) 首先按照Q/JQ 13004.1《動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)》中的怠速油耗測試方法，分別在650，700和750 r/min 3個(gè)怠速轉(zhuǎn)速時(shí)測試10次怠速油耗并取平均值(見表2)。

表2 不同怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速下油耗試驗(yàn)結(jié)果 L/h

2) 利用怠速工況下油耗試驗(yàn)值計(jì)算NEDC循環(huán)中280 s怠速工況的總油耗，由此得到NEDC循環(huán)中的非怠速工況油耗量。

匹配該發(fā)動(dòng)機(jī)的整車在NEDC循環(huán)中基礎(chǔ)怠速轉(zhuǎn)速(750 r/min)下的總油耗為697.693 mL，那么非怠速工況的油耗為649.278 mL。

3) 計(jì)算700 r/min和650 r/min油耗在NEDC循環(huán)的折算值。

4) NEDC循環(huán)總的試驗(yàn)里程為11.8 km，由此計(jì)算不同轉(zhuǎn)速在NEDC循環(huán)的100 km油耗和節(jié)油率。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 工況拆解法計(jì)算降低怠速后油耗記錄表

3 結(jié)束語

怠速工況的理論研究和試驗(yàn)表明，降低怠速轉(zhuǎn)速可以降低怠速油耗，當(dāng)?shù)∷俎D(zhuǎn)速降低50 r/min時(shí)，怠速工況節(jié)油率為6%，折合至NEDC循環(huán)節(jié)油率為0.47%。在車輛使用過程中，怠速時(shí)間越長這種節(jié)油優(yōu)勢體現(xiàn)越明顯。

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[編輯： 袁曉燕]

Effects of Idle Speed on Vehicle Fuel Economy

WU Qiong1, LI Weibing1, YUAN Zihong1, YAN Ruiqi2, CAO Jingtang2, HE Long2

(1. Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei 230601, China;2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

With the theoretical and experimental combined methods, the fuel efficiency of reducing the idle speed was researched. The results showed that the 50 r/min reduction of idle speed could improve about 6% fuel consumption. In city driving cycle, fuel saving effect became obvious due to more idle operations, but became worse in NEDC driving cycle due to little idle operations, low idle fuel consumption and test error. In order to analyze the fuel saving effect in NEDC, a method of calculating idle fuel consumption by dismantling NEDC conditions was proposed.

fuel consumption; Idle; fuel saving; NEDC cycle

2014-09-28；

2015-05-15

吳瓊(1983—)，男，工程師，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)力總成匹配與標(biāo)定技術(shù)；wqsh662@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.013

TK421.7

B

1001-2222(2015)04-0067-03