張旭陽 胡志遠 韓維維 康建 湯尚水

（1.同濟大學，上海 201804；2.上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805；3.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

主題詞：汽車空調 油耗影響 轉鼓試驗 駕駛循環(huán)

1 前言

法規(guī)認證的油耗無法體現(xiàn)車輛的真實油耗水平一直是汽車行業(yè)的痛點之一。2017 年發(fā)布的《乘用車實際油耗與工況油耗差異發(fā)展年度報告》[1]指出，輕型車用戶實際油耗比公告油耗平均高29%，油耗差距主要來自循環(huán)工況的差異和空調的使用，多個典型城市的車輛夏季油耗最高，比最低月份高15%左右[1]。汽車空調制冷時的功率約占發(fā)動機輸出功率的10%～15%[2]。作為整車內(nèi)部耗能最多的附件，汽車空調對整車油耗的影響尚未得到足夠的重視。同時，它有著很大的節(jié)能潛力[3]，降低汽車空調能耗被認為是極具性價比的節(jié)能措施之一[4]。

為了反映空調對整車油耗的影響，并鼓勵空調節(jié)能技術的開發(fā)與應用，美國和歐洲都實施了有針對性的油耗法規(guī)。美國從2008年起就在油耗測試五工況法中引入SC03 空調循環(huán)，從2013 年起進一步引入AC17 循環(huán)測試并實施節(jié)能空調獎勵法規(guī)[5]。歐洲同樣提出了類似的MACTP（Mobile Air Conditioning Test Procedure）循環(huán)對空調的使用進行油耗測試[6]。

中國于2017 年1 月起草了《乘用車循環(huán)外技術/裝置節(jié)能效果評價方法第3 部分汽車空調》國家標準征求意見稿[7]（簡稱“征求意見稿”），規(guī)定使用NEDC循環(huán)，首次提出了開啟空調制冷狀態(tài)下汽車燃料消耗量的試驗方法，相較于常規(guī)的整車油耗測試，該方法提高了試驗的環(huán)境溫度，并引入了陽光模擬系統(tǒng)，該試驗方法在《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》國家標準征求意見稿[8]中繼續(xù)保留，但將試驗循環(huán)從NEDC替換為全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）或中國工況測試循環(huán)（China Light-duty Test Cycle，CLTC）。

循環(huán)工況的差異會導致整車油耗測試結果不同，同樣也會影響空調油耗的測試結果，因此選擇合適的循環(huán)對空調系統(tǒng)能耗進行評價至關重要。研究結果表明[9]，WLTC空調油耗增幅小于歐洲實際道路情況，其準確性仍有提高的空間。CLTC 工況下測得的油耗比NEDC 工況下測得的油耗平均高14%，更接近用戶實際油耗。CLTC 油耗與用戶實際油耗的差別主要來自空調耗能[10]，而目前CLTC 工況下空調對整車油耗影響的研究還未見報道。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文以6 輛搭載變排量空調的汽車為試驗對象，研究汽車空調對整車油耗特性的影響，并考察WLTC 和CLTC 是否適合空調系統(tǒng)的能耗評價。

2 試驗方案

2.1 樣車參數(shù)及試驗設備

考慮到車型尺寸、動力總成和空調系統(tǒng)的差異可能影響整車油耗結果，選擇了滿足國Ⅴ排放標準的6輛汽油車作為試驗車輛，主要參數(shù)如表1所示。車廂容積通過三維建模近似計算得到，其中車型B+、車型D+分別為車型B和車型D的動力總成高配版，車型A、B、D的空調和動力系統(tǒng)零部件均相同，車型B+、D+的空調和動力系統(tǒng)零部件相同。

表1 試驗車輛主要技術參數(shù)

試驗設備包括4WD VULCAN EMS-CD48L 雙軸四驅底盤測功試驗系統(tǒng)、SolarConstant 4000 陽光模擬系統(tǒng)、MEXA-7400LE尾氣采樣分析系統(tǒng)、CANoe設備和高靈敏度溫度傳感器，試驗系統(tǒng)如圖1所示。車內(nèi)的溫度傳感器按法規(guī)要求布置，以測量駕駛員及乘員呼吸位置的平均溫度，測點位置如圖2所示。

2.2 試驗方案

油耗測試根據(jù)征求意見稿進行。試驗流程如圖3所示，每組試驗進行3 次，滿足重復性要求后對試驗結果取平均值作為最終結果。

圖1 試驗系統(tǒng)結構示意

圖2 車內(nèi)溫度傳感器實物及測點位置示意

圖3 試驗流程

試驗可分為預處理、浸車、開啟空調條件下車輛油耗試驗和關閉空調條件下車輛油耗試驗4 個部分。預處理階段的目標是對試驗車輛和底盤測功機進行充分預熱，同時保證車內(nèi)溫度、空調管路溫度與環(huán)境溫度一致；浸車階段的目的是模擬夏季車輛停放在室外的狀態(tài)，從而更真實地反映汽車空調工作狀態(tài)。實驗室環(huán)境、空調設定等試驗條件是根據(jù)征求意見稿設定的，征求意見稿在借鑒國外法規(guī)經(jīng)驗的基礎上充分考慮了我國實際氣候、車輛情況和駕駛員駕駛習慣。

3 試驗結果與分析

3.1 NEDC工況下空調對整車油耗的影響

圖4所示為NEDC工況下6輛車的整車平均油耗試驗結果，開啟空調后整車油耗的增幅φ為：

式中，F(xiàn)ACon為開啟空調時的整車油耗；FACoff為關閉空調時的整車油耗。

圖4 NEDC工況下各車輛油耗結果

對試驗數(shù)據(jù)進行計算分析后得到開啟空調狀態(tài)下整車油耗增幅在為20%～35%，可見空調對油耗的影響十分顯著。以車型A為例，空調開啟后的瞬態(tài)油耗結果如圖5所示，NEDC工況由4個相同的城市單元（ECE Ⅰ～ECE Ⅳ）和1個城郊單元（EUDC）構成。從圖5中可定性發(fā)現(xiàn)：城市工況空調油耗大于市郊工況空調油耗；怠速工況空調油耗大于其他行駛工況空調油耗。

圖5 NEDC工況下車輛A的瞬態(tài)油耗結果

圖6所示為6輛試驗車輛在NEDC不同行駛模式和工況下的平均油耗結果，定義油耗累計貢獻率為空調開啟條件下，某一階段油耗占總油耗的比例。結果顯示，在發(fā)動機處于怠速工況或車輛行駛在市區(qū)低速工況下，空調對整車油耗影響較明顯，空調油耗增幅分別為55%和41%，油耗累計貢獻率分別為11%和50%，NEDC綜合油耗增幅為28%。

怠速時空調油耗發(fā)生顯著提升的主要原因是，開啟空調后，為了提高發(fā)動機怠速穩(wěn)定性，并為起步加速提供一定的功率儲備，需要提高發(fā)動機的怠速轉速。以車型A為例，如圖7所示，空調開啟后，發(fā)動機怠速轉速需提高200 r/min，輸出功率相應增加約2.5 kW，轉速的提高和負載的增大導致發(fā)動機在怠速段的油耗明顯上升[11]。從圖6中還可得到，市區(qū)工況下空調所導致的油耗增幅明顯高于市郊工況，其原因是：

a.市區(qū)工況發(fā)動機熱效率較低。由于市區(qū)工況下車輛擋位切換頻繁，轉速波動較大，此時典型發(fā)動機的平均熱效率（指發(fā)動機有效功率的熱當量與單位時間所消耗燃料的含熱量的比值）約為15%，而市郊工況下發(fā)動機的平均熱效率約為30%[12]。因此，在市區(qū)工況下發(fā)動機驅動空調所需的額外功率的燃料消耗量更高。

b.冷凝器的換熱量與車速間近似呈正比關系[13]，高車速有利于改善空調冷凝器空氣側的換熱效率[14]，從而降低了空調系統(tǒng)的能耗。

c.市郊工況下，發(fā)動機輸出功率高，空調負荷占發(fā)動機輸出功率比例下降。

圖6 NEDC循環(huán)6輛車在不同行駛模式和工況下的平均油耗增幅和累計貢獻率

圖7 NEDC循環(huán)ECE Ⅰ階段車型A的發(fā)動機輸出功率和轉速

空調能耗除了與行駛模式和工況有關，也與車內(nèi)溫度下降過程有緊密聯(lián)系。以車型A為例，車內(nèi)溫度下降過程對整車油耗影響的具體過程如圖8所示，其中空調功率由空調開啟狀態(tài)下發(fā)動機輸出功率與空調關閉狀態(tài)下發(fā)動機輸出功率作差間接計算得到。NEDC 工況下車型A 的車內(nèi)溫度在ECE Ⅰ階段就已達到設定值23 ℃，此時壓縮機處于低排量模式，空調負載也隨之下降。ECE Ⅰ到ECE Ⅱ階段，空調油耗增幅從43%降至34%，顯著下降。文獻[15]使用扭矩計直接測量基于整車試驗的汽車壓縮機功率，結果顯示，在試驗循環(huán)下空調高負荷工作時壓縮機平均功率為3.4 kW 左右，當車內(nèi)溫度降至設定溫度后，壓縮機平均功率約下降30%。

圖8 NEDC工況下車型A車內(nèi)溫度及壓縮機排量控制電流

3.2 駕駛循環(huán)對空調能耗的影響

由3.1節(jié)研究結論可得，不同行駛工況下，空調對整車油耗影響差異較大，因此本文進一步研究不同循環(huán)下空調對整車油耗的影響，以得到最適合評價汽車空調能耗的試驗循環(huán)。

各循環(huán)的主要特性如表2所示。圖9所示為不同循環(huán)下空調對車型A油耗的影響。在平均車速高、怠速比例低的WLTC 工況下，空調對整車油耗影響為15%；但在平均車速低、怠速比例高的CLTC 工況下，空調對整車油耗的影響為26%，明顯高于WLTC工況。

表2 NEDC、WLTC、CLTC工況主要特性

圖9 不同循環(huán)下空調對整車油耗的影響

將各循環(huán)按車速分類為怠速段、低速段（＞0～40 km/h）、中低速段（＞40～80 km/h）和中高速段（＞80 km/h），不同循環(huán)下各車速段空調對整車油耗影響結果如圖10所示。由圖10可知：與NEDC工況類似，各循環(huán)下空調對整車油耗影響主要在怠速和低速段，由于CLTC 工況低速和怠速占比大，累計油耗貢獻率為51%，因此CLTC 工況下，空調對整車油耗影響也最大；WLTC工況中低速和中高速占比大，累計油耗貢獻率達到了74%，因此該工況下空調對整車油耗影響最小。

各循環(huán)下車內(nèi)降溫曲線如圖11所示：NEDC工況車內(nèi)溫度下降最快，約180 s后空調降至低負荷狀態(tài)；其次為WLTC 工況，用時約為240 s；CLTC 工況下車內(nèi)降溫過程最慢，約450 s空調降至低負荷狀態(tài)。

除了平均車速低和怠速比例高的影響，車內(nèi)降溫過程慢也是造成CLTC 工況下空調對整車油耗影響較顯著的原因之一。在環(huán)境條件和空調設置相同的情況下，空調制冷量只受壓縮機轉速和車速影響，壓縮機轉速和車速越高，空調制冷量越大。其中，壓縮機轉速對制冷量的影響超過50%，冷凝器風速對制冷量的影響小于15%[16]。表3所示為不同循環(huán)下試驗車輛的空調壓縮機平均轉速和平均車速。CLTC工況下壓縮機平均轉速和平均車速較NEDC 和WLTC 工況低，造成CLTC 工況下空調制冷量較小，車內(nèi)降溫過程較慢。

圖10 不同循環(huán)下各車速段空調對整車油耗的影響

圖11 各循環(huán)下車內(nèi)降溫曲線

表3 不同循環(huán)下車型A的壓縮機平均轉速和平均車速

CLTC 工況更接近中國用戶真實的行駛工況，且在該工況下車內(nèi)降溫較慢，空調高負荷工作時間長，空調油耗增幅最大，更有利于反映不同空調節(jié)能技術對整車油耗帶來的影響?；谝陨蟽牲c，CLTC 工況更適合評價空調系統(tǒng)及其節(jié)能技術的效果。

3.3 車廂容積對空調能耗的影響

征求意見稿中規(guī)定了空調系統(tǒng)節(jié)能效果評價方法：

式中，F(xiàn)J為汽車空調的節(jié)能效果，F(xiàn)J＞0 表明該空調系統(tǒng)具有節(jié)能效果；TAC為汽車空調燃料消耗量目標值，為按試驗結果統(tǒng)計得到的某一整車質量下典型車輛的空調油耗基準值；FAC為汽車空調燃料消耗量；K=0.25為空調使用比例系數(shù)；FACon、FACoff分別為空調開啟和關閉狀態(tài)下的整車燃料消耗量；VM為整車整備質量。

試驗車輛的空調油耗與整車整備質量的關系如圖12 所示。同一空調系統(tǒng)的能耗與整車整備質量并未呈現(xiàn)出與式（4）相似的趨勢，即同一空調系統(tǒng)，按法規(guī)方法并不能評價出相同的節(jié)能效果，因此法規(guī)依據(jù)整車質量計算空調油耗目標值缺少一定的科學合理性。

圖12 空調油耗與整車整備質量關系

圖13所示為試驗得到的車輛A、B、D的車內(nèi)溫度曲線，試驗結果表明，車廂容積越大，車內(nèi)降溫過程越慢。車廂內(nèi)空氣吸收熱量的計算公式為[17]：

式中，QT為車廂內(nèi)空氣獲得的總熱量；ρ為空氣密度；VV為車廂容積；Cp為空氣的比熱容；ΔT′為車內(nèi)氣體溫度變化值；QB為車體外圍結構熱傳遞傳入的熱量；Qf為空調系統(tǒng)經(jīng)熱交換裝置帶入車廂內(nèi)的制冷量；QI為陽光照射到車室內(nèi)的輻射熱量；QP為車廂內(nèi)乘員散發(fā)的熱量；QE為發(fā)動機艙傳入車廂內(nèi)的熱量；QA為室外新風傳入的熱量。

由式（5）可知，在QT相近的情況下，車內(nèi)溫度變化ΔT′與車廂容積VV成反比。

車內(nèi)降溫過程慢，意味著空調高負荷工作時間長，也導致車型B 的空調油耗增幅大于車型D 和車型A?；谲囆虯、B、D 的試驗結果分析可得，空調型號和動力系統(tǒng)一致的輕型乘用車，空調油耗增幅與車廂容積存在相關性，為了便于空調油耗目標值的計算，將試驗數(shù)據(jù)點按一次函數(shù)擬合，如圖14所示，關系式為：

式中，k為漏風量修正系數(shù)，與整車氣密性有關，不同車輛的差異較大[18]，但同一平臺車輛相同。

圖13 NEDC循環(huán)下車型A、B、D車內(nèi)降溫曲線

圖14 空調油耗增幅與車廂容積間的關系

4 結束語

本文利用環(huán)境艙開展整車油耗試驗，研究了空調對整車油耗的影響，得到以下結論：

a.空調對整車油耗影響顯著，在各循環(huán)下空調油耗增幅約為15%～26%，空調對整車油耗的影響主要集中在怠速段和低速段，在各循環(huán)下油耗增幅分別可達50%以上和30%以上，在高速段增幅只有5%左右。

b.CLTC 工況下空調對整車油耗的影響大于NEDC 和WLTC 工況，車內(nèi)降溫過程最慢，且最接近中國實際道路工況。因此，CLTC 工況更適合用于評價空調系統(tǒng)能耗及其節(jié)能技術效果。

c.在空調和動力系統(tǒng)一致的情況下，空調油耗增幅與車廂容積可按線性關系表示，車廂容積越大，空調油耗增幅也越大。本文建議法規(guī)在計算空調油耗目標值時使用車廂容積代替整車整備質量。