桂佩佩 邱慧龍

（廣東汽車檢測(cè)中心有限公司，廣東佛山 528061）

0.緒論

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展，家庭汽車占有量大大增加，隨之帶來(lái)很大的能源和環(huán)保問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)石油進(jìn)口依存度接近60%，各類車用燃油消費(fèi)占比很大，幾乎占到全國(guó)汽油的55%，另外，每年新增汽車汽油消耗量70%以上。另外，從國(guó)內(nèi)城市收集的大氣顆粒物，通過(guò)含量分析結(jié)果來(lái)看，機(jī)動(dòng)車尾氣排放污染物已成為城市環(huán)境污染的主要來(lái)源之一。綜上所述，汽車產(chǎn)業(yè)承擔(dān)著節(jié)能環(huán)保等重要責(zé)任，發(fā)展純電動(dòng)和混合動(dòng)力等節(jié)能汽車，減少大氣污染物排放是當(dāng)務(wù)之急。歐美日德作為汽車行業(yè)的龍頭，一直在采取積極措施，旨在于推動(dòng)和促進(jìn)汽車節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，降低汽車燃油消耗量，使經(jīng)濟(jì)性得到提高?！兜?020年各年度的乘用車更長(zhǎng)期的燃料消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)法》的制定，其中乘用車燃油消耗和對(duì)應(yīng)尾氣的排放有著具體數(shù)值的規(guī)定，更加嚴(yán)格?？偟内厔?shì)是：各國(guó)制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)對(duì)車輛燃油消耗和尾氣排放的要求越來(lái)越高，2020年，各國(guó)乘用車平均百公里油耗將達(dá)到5L左右，5年后，平均百公里油耗將達(dá)到4L左右。因此，必須研發(fā)和發(fā)展節(jié)能環(huán)保汽車，減輕燃料供給帶來(lái)的壓力，使汽車尾氣排放量大大減少，同時(shí)改善大氣環(huán)境的質(zhì)量，也是滿足將來(lái)的和諧社會(huì)對(duì)汽車的需求，也是中國(guó)汽車走上國(guó)際化道路，國(guó)產(chǎn)汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，促進(jìn)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。世界各國(guó)為了提高汽車節(jié)能技術(shù)，主要通過(guò)建立有效的燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)體系。本文通過(guò)對(duì)國(guó)際和國(guó)家相關(guān)時(shí)期的燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入分析，總結(jié)出了燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)體系的最新要求，對(duì)企業(yè)應(yīng)對(duì)開發(fā)低油耗燃油車，具有一定參考意義[1]。

自2018年起歐洲油耗與排放法規(guī)工況已由NEDC切換為WLTC，國(guó)內(nèi)2020年6月2日由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布，并于2021年1月1日即將實(shí)施的GB/T19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》代替GB/T19233-2008，并在舊標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上做部分修改。主要變更是“燃料消耗量試驗(yàn)循環(huán)由NEDC工況修改為WLTC工況及中國(guó)汽車行駛工況”。適用于最大設(shè)計(jì)速度在50km/h以上的N1級(jí)別和最大設(shè)計(jì)總重量在3500kg以下的M1、M2級(jí)別的車輛。最大設(shè)計(jì)總重量超過(guò)3500kg的M1級(jí)車輛可以參考。適用于汽油車和柴油車，而不適用于混合動(dòng)力電動(dòng)車。試驗(yàn)工況從NEDC變更為世界循環(huán)工況(WLTC)或中國(guó)汽車行駛工況（CLTC-P和CLTC-C，M1級(jí)別適用于CLTC-P，N1和3500kg以下的M2級(jí)別適用于CLTC-C）[2]。

1.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)

選擇的乘用車輛為一輛排量1.5L，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型汽車，整備質(zhì)量為1622kg，最大載質(zhì)量為2060kg。實(shí)驗(yàn)條件為：

（1）環(huán)境溫濕度一致23±5℃，5.5g/kg～12.2g/kg；

（2）所用阻力加載系統(tǒng)為德國(guó)AVL四驅(qū)轉(zhuǎn)股（48''4WD CD）加載阻力一致F=10.804+0.56571v+ 0.043865v2；

（3）同一駕駛員；

（4）同一批次國(guó)六92#油品；

（5）車輛試驗(yàn)前滿電，輪胎壓力一致220kPa；

（6）均采用HORIBA分析儀碳平衡法計(jì)算油耗結(jié)果等外界因素一致不受影響的情況下，考慮到結(jié)果偶然性和車輛行駛模式不同，我們將進(jìn)行兩種工況（NEDCWLTC）、兩種模式（eco+啟停、sport+非啟停）、三次試驗(yàn)平均值，共12次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 HORIBA氣體分析儀

HORIBA微量氣體分析儀不僅可用于環(huán)境問題，還可應(yīng)用于新時(shí)代的能源領(lǐng)域。氣體分析的課題和需求有很大的變化。HORIBA考慮到這些時(shí)代的需求，開發(fā)出了未來(lái)的通用氣體分析儀VA-3000。一臺(tái)分析裝置可以滿足CO、CO2、NOx、CH4等各種測(cè)定對(duì)象物的要求。采用可內(nèi)置3臺(tái)傳感器模塊的緊湊化設(shè)計(jì)，在省空間要求的研究開發(fā)和公害監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面具有廣泛的用途。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使自動(dòng)化分析設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，促使模塊式的多功能化的儀表急速發(fā)展，多儀表智能網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，逐漸傾向微型儀表檢測(cè)，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，和相關(guān)氣體檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展和最新的研究成果運(yùn)用，本文的采用用一種氣體綜合檢測(cè)平臺(tái)的方案，很多的汽車尾氣分析集成到一個(gè)通用平臺(tái)上，同時(shí)滿足自動(dòng)控制、智能識(shí)別等需求。在本文中，該平臺(tái)基于STM32控制器，設(shè)計(jì)了與各功能模塊相對(duì)應(yīng)的接口，使硬件選擇具有靈活性。能夠完成不同的模塊檢測(cè)、形成不同的硬件基礎(chǔ)、不同的工業(yè)環(huán)境，同時(shí)檢測(cè)多種氣體濃度，是一個(gè)完整的耦合式氣體分析平臺(tái)。HORIBA氣體分析儀，如圖1所示。

圖1 HORIBA氣體分析儀

1.2.2 AVL底盤測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

AVL四驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)是用來(lái)集測(cè)量汽車的輸出功率、扭矩和驅(qū)動(dòng)力、轉(zhuǎn)速和速度于一體的專用計(jì)測(cè)儀器，是用來(lái)檢查汽車性能的機(jī)器，固定不易拆卸。另外可以利用AVL四驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)測(cè)量輕型汽車及重型汽車多種工況的排放指標(biāo)和燃料消耗量值。

（1）底盤測(cè)功機(jī)工作原理。乘用車在道路上行駛，其慣性行駛阻力始終存在于汽車道路試驗(yàn)中，我們?yōu)榱嗽诘妆P測(cè)功機(jī)上模擬汽車真實(shí)的運(yùn)行狀況，首先需要進(jìn)行汽車整車的運(yùn)動(dòng)模擬，如果解決不了慣性和行駛阻力問題，就不能完成汽車的運(yùn)行狀況以及動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。因此，在底盤測(cè)試臺(tái)上，加載汽車整車基本測(cè)試質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)慣性量以及道路阻力，給跟隨風(fēng)速，汽車加速到高速然后滑行，至少3次滑行給出汽車在底盤測(cè)功機(jī)上的阻力曲線結(jié)果。該底盤測(cè)功機(jī)上的阻力就是汽車在底盤測(cè)功機(jī)上行駛的加載阻力。該車在底盤測(cè)功機(jī)上的試驗(yàn)均使用該阻力。

（2）底盤測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)。測(cè)功機(jī)主要幾大機(jī)構(gòu)為：滾筒機(jī)構(gòu)、動(dòng)力吸收裝置、控制與測(cè)量系統(tǒng)和輔助裝置，部分底盤額外增加了飛輪系統(tǒng)，可測(cè)量汽車的動(dòng)態(tài)性能等。底盤測(cè)功機(jī)整體，如圖2所示。1）滾筒機(jī)構(gòu)。底盤測(cè)功機(jī)分2類：?jiǎn)坞姍C(jī)底盤測(cè)功機(jī)，其大滾筒直徑、制造和安裝費(fèi)用測(cè)試精度較高。但由于雙層輪式底盤設(shè)備成本低、使用方便，一般用于汽車使用、維修行業(yè)和汽車檢測(cè)站。2）加載裝置。底盤測(cè)量器常用的負(fù)荷裝置有水力測(cè)量器、電力測(cè)量器和電渦電流測(cè)量器三種。水力測(cè)功器控制的可能性相對(duì)比較差，電力測(cè)功器的成本比較高，電渦電流測(cè)功器測(cè)量精度高，振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制和測(cè)量的旋轉(zhuǎn)速度和力量范圍有較大的優(yōu)勢(shì)，因此，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的底盤多渦電流電力測(cè)功器發(fā)展裝置作為加載裝置。

圖2 底盤測(cè)功機(jī)整體圖

電渦電流計(jì)測(cè)器主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成。轉(zhuǎn)子與滾筒連接在一起，定子是其主軸線為中心，可以擺動(dòng)，定子內(nèi)部沿著周圍勵(lì)磁線圈和漩渦輪被部署，轉(zhuǎn)子的外上升到均勻部署了齒和槽，齒頂和渦輪之間有一定的縫隙。勵(lì)磁線圈直流電流通電時(shí)，其周圍形成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)發(fā)生了磁力線轉(zhuǎn)子，空氣系漩渦輪，固定定子形成閉合，并通過(guò)轉(zhuǎn)子牙頂部的磁通量密度很大，同時(shí)也利于加載滾筒，使勵(lì)磁電流變化，制動(dòng)力矩可以控制。

底盤測(cè)功機(jī)的控制裝置和顯示裝置往往合而為一，構(gòu)成控制柜，控制柜一般放置在機(jī)械部件的左前方，便于操作和觀察。如果測(cè)力裝置和測(cè)速裝置均為電測(cè)裝置，則指示裝置可直接顯示驅(qū)動(dòng)輪的輸出功率。如果測(cè)力裝置是機(jī)械式的，指示裝置只能顯示驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力，只有將被測(cè)驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為測(cè)試速度才能得到驅(qū)動(dòng)輪的功率輸出。本文所述試驗(yàn)研究所用底盤測(cè)功機(jī)為雙軸雙電機(jī)氣動(dòng)舉升，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如圖3所示。

圖3 AVL參數(shù)設(shè)定

1.3 實(shí)驗(yàn)工況建立

由圖4[2]可以看出，NEDC和WLTC工況循環(huán)曲線表明，NEDC工況適用于M1、M2和N13種車輛，最大總質(zhì)量不超過(guò)3.5t。這個(gè)循環(huán)由兩部分組成。一是模擬低速低負(fù)荷的城市工作環(huán)境，持續(xù)780s。第二部分模擬高速運(yùn)行工況，持續(xù)時(shí)間為400s；這兩部分的總長(zhǎng)度是1180s。按照規(guī)定，加權(quán)里程有自己的權(quán)重系數(shù)，沒有調(diào)整的權(quán)重。

圖4 工況曲線對(duì)比圖

測(cè)試工況采用WLTC和NEDC循環(huán)。其中，WLTC循環(huán)由城市、郊區(qū)、高速和超高速4部件組成，NEDC循環(huán)由城市和郊區(qū)2部分組成。試驗(yàn)中分別測(cè)量了開關(guān)、智能發(fā)電機(jī)、電子恒溫器等工況下各部件的油耗和綜合油耗。WLTC和NEDC工況基本參數(shù)比較見表1[1]。

表1 WLTC與NEDC工況基本參數(shù)對(duì)比表

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)前述實(shí)驗(yàn)條件測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析的結(jié)果如表2和表3所示。

表2 eco模式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 Sport模式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.4.2 數(shù)據(jù)有效性分析

對(duì)于汽油機(jī)車輛，建立數(shù)學(xué)模型：

FC—燃料消耗量，單位為L(zhǎng)/100km；

HC—碳?xì)渑欧帕?，單位為g/km；

CO—一氧化碳排放量，單位為g/km；

CO2—二氧化碳排放量，單位為g/km；

D—288K下試驗(yàn)燃料的密度，單位為kg/L。

該數(shù)學(xué)模型可以看出，影響燃料消耗量的因素是HC、CO、CO23種污染物的排放量，又污染物的排放量的誤差來(lái)源排氣容積、污染物濃度、濕度校正系數(shù)和行駛距離，這樣一來(lái)人員操作、計(jì)量器具、環(huán)境條件就會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。假如設(shè)備儀器，車輛狀態(tài)，環(huán)境條件控制相同，可以忽略實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差。對(duì)于隨機(jī)誤差，因?yàn)閷?shí)際條件有限，每種工況模式下重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)n=3，樣本數(shù)量較少，我們可以計(jì)算各組數(shù)據(jù)極差R和標(biāo)準(zhǔn)偏差S（S=R/1.69）來(lái)衡量各燃料消耗量和二氧化碳排放量值對(duì)于期望值的離散程度如表2和表3。極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散度也就越大。

1.4.3 eco模式氣體排放與燃料消耗

將eco模式下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CO2繪制散點(diǎn)圖，如圖5所示，eco模式WLTC工況和NEDC工況燃料消耗量結(jié)果散點(diǎn)圖6所示。

圖5 eco模式WLTC工況和NEDC工況CO2結(jié)果散點(diǎn)圖

圖6 eco模式WLTC工況和NEDC工況燃料消耗量結(jié)果散點(diǎn)圖

結(jié)論：通過(guò)曲線分析可知，eco模式NEDC工況CO2結(jié)果趨勢(shì)偏低，且NEDC工況CO2結(jié)果偏穩(wěn)；eco模式NEDC工況燃料消耗量結(jié)果趨勢(shì)偏低，且NEDC工況燃料消耗量結(jié)果偏穩(wěn)；與CO2趨勢(shì)相近。

1.4.4 Sport模式氣體排放與燃油消耗

將Sport模式下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CO2繪制散點(diǎn)圖，如圖7所示，Sport模式WLTC工況和NEDC工況燃料消耗量結(jié)果散點(diǎn)圖8所示。

圖7 Sport模式WLTC工況和NEDC工況CO2結(jié)果散點(diǎn)圖

圖8 Sport模式WLTC工況和NEDC工況燃料消耗量結(jié)果散點(diǎn)圖

從圖7和圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)圖可知：Sport模式NEDC工況CO2結(jié)果趨勢(shì)偏低；Sport模式NEDC工況燃料消耗量結(jié)果趨勢(shì)偏低，且NEDC工況燃料消耗量結(jié)果偏穩(wěn)；與CO2趨勢(shì)相近。

按照?qǐng)D7、圖8和表4結(jié)果對(duì)比，eco模式WLTC工況比NEDC工況燃油消耗量高1.95%，Sport模式下WLTC工況比NEDC工況燃油消耗量高0.60%，且同工況下eco模式比Sport模式行駛車輛燃料消耗量低。分析原因，減速斷油降低油耗主要是在試驗(yàn)循環(huán)中減速過(guò)程中由于車輛扭矩需求較小，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油實(shí)現(xiàn)小的扭矩輸出，以達(dá)到節(jié)能減排的目的，因此對(duì)降低油耗有較為明顯的作用。

表4 eco模式與Sport模式燃油消耗量

1.4.5 原因分析

從工況曲線分析NEDC工況4個(gè)市區(qū)循環(huán)加1個(gè)市郊循環(huán)，工況持續(xù)時(shí)間1180s，最高車速120km/h，總行駛距離11.007km。WLTC 工況由低速段、中速段、高速段和超高速段四部分組成，工況持續(xù)時(shí)間1800s，最高車速131.3km/h，總行駛距離23.266km。圖4為WLTC與NEDC工況車速對(duì)比，由圖可知，NEDC工況為相對(duì)穩(wěn)定工況，多為勻加速，勻減速和等速工況，加減速波動(dòng)較小。而WLTC 多為變加速，加減速頻繁且工況時(shí)間較NEDC 更長(zhǎng)。

WLTC與NEDC工況特征參數(shù)對(duì)比，由表可知WLTC工況相較NEDC最大加減速度范圍更大，且頻繁的加減速趨向于增加工況油耗。

本章首先進(jìn)行試驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)，接著進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型，查閱相關(guān)資料，建立NEDC和WLTC的實(shí)驗(yàn)工況，接著按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，并進(jìn)行原因分析。

2.結(jié)語(yǔ)

本文基于低轉(zhuǎn)速低扭矩工況，燃料消耗量較低的理論結(jié)論。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：選取了某款乘用車型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)整車油耗的影響，分析了4種模式下不同工況的油耗影響。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論如下：（1）eco模式NEDC工況CO2結(jié)果趨勢(shì)偏低，且NEDC工況CO2結(jié)果偏穩(wěn)；eco模式NEDC工況燃料消耗量結(jié)果趨勢(shì)偏低，且NEDC工況燃料消耗量結(jié)果偏穩(wěn)；與CO2趨勢(shì)相近。（2）Sport模式NEDC工況CO2結(jié)果趨勢(shì)偏低；Sport模式NEDC工況燃料消耗量結(jié)果趨勢(shì)偏低，且NEDC工況燃料消耗量結(jié)果偏穩(wěn)；與CO2趨勢(shì)相近。（3）同工況下，NEDC或WLTC，eco模式比Sport模式行駛車輛燃料消耗量低。分析原因，減速斷油降低油耗主要是在試驗(yàn)循環(huán)中減速過(guò)程中由于車輛扭矩需求較小，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油實(shí)現(xiàn)小的扭矩輸出，以達(dá)到節(jié)能減排的目的，因此對(duì)降低油耗有較為明顯的作用?，F(xiàn)最新燃油消耗量限值及方法標(biāo)準(zhǔn)里明確量產(chǎn)車輛燃油消耗量值得申報(bào)值應(yīng)以最惡劣狀況車輛的主駕駛模式的實(shí)際測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn)，所以本研究結(jié)果為車企的燃油消耗量申報(bào)測(cè)試提供了參考方案。