（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

燃油經(jīng)濟性是衡量整車性能的一項重要指標，隨著GB 27999—2014 乘用車燃料消耗量評價方法及指標[1]的實施，國家對乘用車的油耗要求越來越嚴格，消費者也對燃油經(jīng)濟性的要求越來越高，所以在整車開發(fā)前期，進行性能仿真工作是十分必要的。開發(fā)過程中需要考慮影響燃油經(jīng)濟性的因素有很多，其中發(fā)動機排量和車輛運行的循環(huán)工況對整車綜合油耗均有較大影響，因此，展開發(fā)動機排量和循環(huán)工況與整車綜合油耗間關(guān)系的研究具有重要意義。

本文以一款1.0 L 三缸直噴增壓發(fā)動機為研究對象，通過兩種技術(shù)路線將其增缸擴容為1.33 L 和1.4 L。建立3 款不同配置的整車模型，將1.0 L、1.33 L、1.4 L 的發(fā)動機放在同一模型中，對比綜合油耗的差異，計算排量對于綜合油耗的影響；同時，為了研究不同循環(huán)工況對于整車油耗的影響，在建立的兩款整車模型中，選擇運行3 個不同的循環(huán)工況，分別為：NEDC[2]（New European Driving Cycle）循環(huán)、WLTC[3]（Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle）循環(huán)和CLTC[4]（China Light-duty vehicle Test Cycle）循環(huán)，對比油耗結(jié)果，并分析差異產(chǎn)生的原因。

1 模型的建立與校核

1.1 模型參數(shù)輸入

使用高級仿真分析軟件AVL CRUISE 來建立模型，為了使計算結(jié)果更準確，建立兩款不同配置的整車模型，分別用車型A 和車型B 來表示，其中車型A搭載該1.0 L 發(fā)動機的配置是已上市車型配置，車型B 的配置是在車型A 的基礎(chǔ)上修改得到的。兩款車型搭配同型號的6DCT 變速箱，主要差別體現(xiàn)在整車屬性方面，如表1 所示。

表1 整車參數(shù)

作為研究對象的1.0 L 三缸直噴增壓發(fā)動機以及其增缸擴容而成的1.33 L 和1.4 L 發(fā)動機的主要參數(shù)如表2 所示。

表2 發(fā)動機主要參數(shù)

在使用CRUISE 建立模型的過程中，為了排除其他參數(shù)對仿真結(jié)果的影響，除表1、表2 以及發(fā)動機外特性和萬有特性參數(shù)外，其他參數(shù)均設(shè)置相同，所建立的模型如圖1 所示。

圖1 CRUISE 建立的整車模型

1.2 模型校核

使用試驗數(shù)據(jù)對建立的模型進行校準，由于車型A 是已上市車型，容易獲取試驗數(shù)據(jù)，且車型B 的模型是基于車型A 模型修改得到，所以只需校準車型A 的模型即可。以實測的ECE、EUDC、NEDC 油耗值和0～100 km/h 加速時間為校準目標。

經(jīng)過校準后，車型A 匹配1.0 L 發(fā)動機的仿真計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比如表3 所示。各項指標仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)差異均在3%以內(nèi)，仿真模型有效，可以用于后續(xù)的分析計算。

表3 車型A 匹配1.0L 發(fā)動機的仿真值與試驗值

2 循環(huán)工況設(shè)置

關(guān)于NEDC、WLTC 和CLTC 循環(huán)，循環(huán)工況說明如下。

NEDC 循環(huán)，即“新歐洲駕駛循環(huán)”，始于1980年，包含市區(qū)循環(huán)（ECE）和市郊循環(huán)（EUDC），總時長1 180 s，怠速時間約占33%，最高車速120 km/h，也是目前我國工信部使用的油耗測試循環(huán)，但由于標準制定時間較早，測試過于簡單，多以勻速行駛為主，已不適用于目前的實際路況，NEDC 循環(huán)如圖2所示。

圖2 NEDC 循環(huán)

WLTC 循環(huán)是聯(lián)合國推行的輕型汽車測試程序，由多國專家共同制定，是目前歐洲正在使用的測試標準，同時也是我國國六排放法規(guī)規(guī)定的測試循環(huán)，2020 年7 月1 日起實施，包括低速、中速、高速、超高速4 個階段，總時長1 800 s，加速、減速、勻速及怠速的占比約為30%、27%、28%及12%，最高車速為131.6 km/h。對比NEDC 與WLTC 循環(huán)的車速變化，WLTC 循環(huán)車速波動相對頻繁，運行工況較復(fù)雜，更貼近真實的行駛工況，WLTC 循環(huán)如圖3 所示。

CLTC 循環(huán)是由中汽研中心牽頭，建立包含3 832 輛車的采集車隊，覆蓋傳統(tǒng)乘用車、輕型商用車和新能源汽車，行駛超過41 個中國代表性城市，收集了約3 278×104km 的車輛運動特征、動力特征和環(huán)境特征數(shù)據(jù)，據(jù)此編制而成，因此，CLTC 循環(huán)又稱為中國工況循環(huán)。目前制定的CLTC 循環(huán)總時長1 800 s，包含低速、中速和高速3 個速度區(qū)間，最高車速114 km/h，怠速占比為22.1%，如圖4 所示，但CLTC 循環(huán)并未定稿，正在征求意見中，距離實施可能還要幾年時間。

圖3 WLTC 循環(huán)

圖4 CLTC 循環(huán)

以上3 種循環(huán)的具體參數(shù)對比如表4 所示，把各循環(huán)參數(shù)錄入CRUISE 中，形成路譜文件。

表4 NEDC、WLTC 和CLTC 循環(huán)對比

3 循環(huán)油耗仿真結(jié)果及分析

3.1 各循環(huán)油耗仿真結(jié)果

各循環(huán)油耗仿真結(jié)果如表5 所示。

表5 各循環(huán)油耗仿真結(jié)果

3.2 發(fā)動機排量與油耗的關(guān)系

針對表5 中的仿真結(jié)果，在同一車型運行同一循環(huán)工況的條件下，以搭載1.0 L 發(fā)動機的油耗結(jié)果為基準，對比搭載3 款發(fā)動機的仿真結(jié)果，得到以下結(jié)論：

當排量增加0.1 L 時，NEDC 循環(huán)的油耗上升0.10～0.13 L/100 km；WLTC 循環(huán)的油耗上升0.04～0.08 L/100 km；CLTC 循環(huán)的油耗上升0.10～0.14 L/100 km；3 個循環(huán)的油耗上升值中，WLTC 循環(huán)上升最少，與其他兩循環(huán)差異明顯，NEDC 和CLTC循環(huán)基本一致。

對于WLTC 循環(huán)油耗隨排量上升較少的原因，在其他邊界條件均相同的情況下，影響油耗的因素只有發(fā)動機萬有特性，對比3 款發(fā)動機的萬有特性Map，如圖5、圖6 所示。

圖5 （1.0 L 萬有特性-1.33 L 萬有特性）/1.0 L 萬有特性×100%

圖6 （1.0L 萬有特性-1.4 L 萬有特性）/1.0 L 萬有特性×100%

由圖5 萬有特性對比圖可以看到，紅色區(qū)域為1.33 L 發(fā)動機經(jīng)濟性較好區(qū)域，綠色區(qū)域為1.0 L 發(fā)動機經(jīng)濟性較好區(qū)域，即在中低負荷區(qū)域是1.0 L 發(fā)動機的經(jīng)濟性較好，高負荷區(qū)域則是1.33 L 發(fā)動機經(jīng)濟性較好。圖6 中，1.4 L 發(fā)動機油耗率分布規(guī)律與1.33 L 發(fā)動機類似。

不同循環(huán)的14 工況點分布如圖7 所示，工況點數(shù)據(jù)代表相應(yīng)循環(huán)在該點附近運行的時間占比，各循環(huán)的14 工況點數(shù)據(jù)如表6 所示，去除1 000 r/min以下及轉(zhuǎn)矩小于零的點。

根據(jù)14 工況點，將NEDC 和WLTC 循環(huán)的主要運行區(qū)域標出，CLTC 循環(huán)運行區(qū)域與NEDC 基本一致。在50 N·m 以上的區(qū)域中，NEDC 循環(huán)運行時間占比為18.8%，WLTC 循環(huán)占比為44.5%，CLTC 循環(huán)占比為16.6%。與NEDC 和CLTC 循環(huán)對比，WLTC循環(huán)向中高負荷區(qū)域移動。1.0 L 發(fā)動機與1.33 L 發(fā)動機在中高負荷油耗率基本無差異，導(dǎo)致在排量增加到1.33 L 時，WLTC 循環(huán)油耗增加較少。

圖7 循環(huán)工況在油耗對比MAP 上的分布

表6 3 個循環(huán)的14 工況點轉(zhuǎn)矩分布

3.3 循環(huán)工況與油耗的關(guān)系

以車型A 搭載1.0 L 發(fā)動機的配置為研究對象，分析不同循環(huán)以及循環(huán)內(nèi)不同速段對油耗的影響。

3.3.1 不同循環(huán)油耗差異

由表5 中的仿真結(jié)果顯示，在同一車型、同一發(fā)動機的情況下，3 種循環(huán)間的油耗關(guān)系為：

WLTC>CLTC>NEDC

其中，車型A 搭載1.0 L 發(fā)動機的WLTC 油耗比NEDC 高6%左右，CLTC 油耗比NEDC 高2%左右。作出3 種循環(huán)在發(fā)動機Map 上的分布對比（圖8所示），等勢線代表燃油消耗量，單位為g/h。

如圖8 所示，WLTC 循環(huán)在較高燃油消耗量區(qū)域（3 g/h 以上）運行時間占比最大，CLTC 循環(huán)相比NEDC，在高燃油消耗量區(qū)域（5 g/h 以上）運行時間占比更大。

圖8 循環(huán)工況在發(fā)動機Map 上的分布

對比不同循環(huán)的怠速、加速、勻速和減速油耗占比，如表7 所示。

表7 不同循環(huán)油耗分布%

NEDC 循環(huán)由于勻速運行時間較多，所以勻速油耗占比較大，WLTC 循環(huán)和CLTC 循環(huán)由于車速變化頻繁，加速和減速油耗較NEDC 循環(huán)占比大。

3.3.2 同一循環(huán)不同路段油耗差異

計算3 個循環(huán)的分段油耗，計算結(jié)果如表8 所示。

3 個循環(huán)的分段油耗中，中速段和高速段經(jīng)濟性較好，低速段和超高速段的經(jīng)濟性較差。3 個循環(huán)的低速段和WLTC 循環(huán)超高速段在發(fā)動機萬有特性圖上的主要運行區(qū)域如圖9 所示。低速段車速低，阻力小，需求的功率小，所對應(yīng)區(qū)域的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均較低，但該區(qū)域油耗率高，導(dǎo)致低速段經(jīng)濟性差；WLTC循環(huán)超高速段運行區(qū)域的油耗率較低，但該段的車速最高，行駛阻力大，克服阻力所需的功率也大，所對應(yīng)區(qū)域的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均較高，結(jié)合圖8 燃油消耗量Map，該區(qū)域單位時間油耗量較高，導(dǎo)致超高速段經(jīng)濟性較差。

表8 3 個循環(huán)的分段油耗L/100 km

圖9 低速段和超高速段主要運行區(qū)域

4 結(jié)論

本文以一臺1.0 L 三缸直噴增壓發(fā)動機為研究對象，將其排量增大為1.33 L 和1.4 L，使用AVL CRUISE 建立整車模型，設(shè)定3 種不同循環(huán)工況，研究不同發(fā)動機排量和不同工況循環(huán)對于整車油耗的影響，結(jié)論如下：

1）當排量增加0.1 L 時，NEDC 循環(huán)百公里油耗上升0.10～0.13 L，WLTC 循環(huán)百公里油耗上升0.04～0.08 L，CLTC 循環(huán)百公里油耗上升0.10～0.14 L。

2）3 個循環(huán)中，WLTC 循環(huán)油耗最高，CLTC 循環(huán)油耗次之，NEDC 循環(huán)油耗最低，原因為WLTC 循環(huán)平均車速遠高于NEDC 與CLTC 循環(huán)，行駛阻力大，需求的功率高，燃油消耗量高，所以油耗最高；NEDC 循環(huán)與CLTC 循環(huán)平均車速差異較小，但CLTC 循環(huán)車速變化頻繁，加速工況多，加速度大，使得發(fā)動機負荷更大，油耗更高。