摘 要：為探究影響輕型汽油車油耗的因素和車載診斷系統(tǒng)（OBD）油耗數(shù)據(jù)的修正方法，以促進(jìn)機動車油耗的精細(xì)化控制和管理，該文對不同輕型汽油車的油耗測量值進(jìn)行了詳細(xì)分析。以滿足國V和國VIb排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車（LDGVs）為研究對象，在全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（WLTC）工況下進(jìn)行冷、熱啟動測試，同時用OBD讀取發(fā)動機和整車的瞬態(tài)運行參數(shù)，再分別用碳平衡法和OBD空燃比法計算被測車輛在不同啟動溫度和不同速度段下的油耗，分析溫度和速度對不同車輛的油耗影響。利用均值法補齊了OBD參數(shù)讀取過程中的數(shù)據(jù)損失，提高了2種油耗計算方法在瞬時油耗上的線性相關(guān)性，并分析了OBD油耗計算的誤差來源。結(jié)果表明：與國V車輛相比，國VIb車輛油耗受啟動溫度的影響更小，其冷啟動油耗僅比熱啟動高2.02%～2.27%；加裝了汽油車顆粒捕集器（GPF）的車輛比未加裝車輛的100 km油耗高出約0.48 L，且由GPF導(dǎo)致的油耗增幅與行駛速度有關(guān)；發(fā)動機在低速段的反復(fù)啟停會導(dǎo)致該階段的油耗達(dá)到全階段的1.46倍；OBD的油耗測量誤差更多來自車輛減速階段。

關(guān)鍵詞： 輕型汽油車（LDGVs）；油耗；車載診斷系統(tǒng)（OBD）；碳平衡

中圖分類號： U 467.4+98 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.04.013

Research on fuel consumption characteristics of light vehicles"based on chassis dynamometer test

LAN Yunfei1， GUO Shuwen2， YANG Bohan2， ZENG Lewei2， LUO Mingjing2，"WANG Fengbin3， LI Xintong3， ZHENG Xuan*2

（1. Shenzhen Academy of Metrology amp; Quality Inspection， Shenzhen 518000， China;2. College of Chemistry and Environmental Engineering， Shenzhen University， Shenzhen 518000， China;3. CATARC Automotive Test Center （Guangzhou） Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）

Abstract： A detailed analysis was conducted on the fuel consumption measurement values of different light-duty gasoline vehicles to explore the factors affecting fuel consumption of light gasoline vehicles and provide experimental data support for the development of real-time fuel consumption data correction methods for on-board diagnostic systems （OBD）， thereby promoting refned control and management of motor vehicle fuel consumption. The light-duty gasoline vehicles （LDGVs）， complying with emission standards phases V and"VIb （China V and VIb）， were tested under both cold- and hot-start conditions using the Worldwide Light-duty Test Cycle （WLTC）. Transient operating parameters of each engine and each entire vehicle were read by an OBD system during the testing. Subsequently， the fuel consumption of the tested LDGVs at different starting temperatures and speeds were calculated using the carbon balance method and the OBD air fuel ratio method. The effects of temperature and speed on fuel consumption of different LDGVs were also analyzed. The interpolation method was applied to compensate for the data loss during the OBD parameter reading process， enhancing the linear correlation coeffcients in instantaneous fuel consumption between the two calculation methods. Furthermore， the causes of errors in OBD fuel consumption calculation were investigated. The results showed that the fuel consumption of China VIb LDGVs is less affected by the starting temperature than China V， with cold start fuel consumption only 2.02%～2.27% higher than hot start. The LDGVs equipped with gasoline particulate flter （GPF） have a fuel consumption increase of approximately 0.48 L per 100 kilometers compared to vehicles without GPFs， and the increase in fuel consumption caused by GPF is related to the driving speed. The repeated start stop of the engine in the low-speed range will result in fuel consumption reaching 1.46 times that of the entire stage. Uncertainties of the measured fuel consumption in OBD mainly occur in the deceleration stage of the vehicle.

Key words： l ight-duty gasoline vehicles （LDGVs）; fuel consumption; on-board diagnostic （OBD）; carbon balance

中國機動車的保有量從2000年的2 000萬輛增加到了2021年的3.95億輛[1]。研究預(yù)測，到2030年，中國機動車保有量將持續(xù)增加至5.4億輛，輕型汽油車（簡稱：輕型車，下同）將占其中的72.7% [2]。作為全球最大的輕型車消費市場。中國長期致力于輕型車燃油經(jīng)濟性的提高，并取得了長足進(jìn)步。據(jù)國際能源署報告[3]，中國輕型車的平均百千米油耗已經(jīng)從2005年的8.7 L下降到了2019年的7.2 L，年均下降1.3%。目前，燃油經(jīng)濟性更佳的缸內(nèi)直噴式（gasoline direct-injection，GDI）輕型車也已經(jīng)占據(jù)了中國新車市場份額的60%以上[4]。而在“雙碳”目標(biāo)（即于2030年達(dá)到碳排放量峰值、2060年達(dá)到碳中和的目標(biāo)）的要求下，為進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟性，國家市場監(jiān)督管理總局于2021年發(fā)布了《乘用車燃料消耗量限值》（GB 19578-2021），即中國第Ⅴ階段的油耗限值標(biāo)準(zhǔn)。與過去的油耗限值標(biāo)準(zhǔn)不同的是，該標(biāo)準(zhǔn)要求使用相對更符合中國實際道路特征的全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）進(jìn)行臺架測試，而不再采用以往的新歐洲駕駛循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）。此外，油耗限值的計算方法也從重量等級劃分法修改為基于重量的線性限值要求。因此，有必要采用WLTC工況開展基于重量的輕型車燃油經(jīng)濟性研究。

為得到更精確、重復(fù)性更好的輕型車油耗數(shù)據(jù)，交通環(huán)保領(lǐng)域長期采用臺架測試法進(jìn)行研究和監(jiān)管。然而，臺架測試過程繁瑣，需要消耗大量的人力物力[5-6]并不適用于較大樣本量和較大范圍的油耗監(jiān)查。相比之下，通過車載診斷系統(tǒng)（on-board diagnostic，OBD）獲取車輛的空燃比，從而計算油耗的方法更具方便性和靈活性，也更加經(jīng)濟。為對比這種油耗計算方法與國標(biāo)要求的臺架測試方法的差異，楊柳含子[7]采集了1輛國Ⅲ和1輛國Ⅴ輕型車在NEDC和WLTC測試循環(huán)下的油耗數(shù)據(jù)，并同步采集OBD數(shù)據(jù)。其結(jié)果顯示，在冷啟動階段和急減速階段，OBD油耗速率是臺架測試結(jié)果的1.5～6.0倍。剔除冷啟動和急減速階段的數(shù)據(jù)后，OBD油耗速率和臺架測試結(jié)果的相關(guān)性可以提高到0.98以上。ZHENG Xuan等[8]采集了3輛國Ⅲ～國Ⅴ輕型車的NEDC臺架測試和OBD數(shù)據(jù)，同樣發(fā)現(xiàn)OBD在冷啟動階段和急減速階段的油耗數(shù)據(jù)比臺架測試高出了40%～118%。剔除冷啟動和急減速階段的數(shù)據(jù)后，2種方法的相關(guān)性也有明顯提高?？梢姡M管OBD在操作和經(jīng)濟性上有明顯的優(yōu)勢，但其準(zhǔn)確性仍需更多的研究和討論，并提出進(jìn)一步提高其準(zhǔn)確性的方法。

因此，本研究選擇了2輛國Ⅴ和2輛國Ⅵb標(biāo)準(zhǔn)的GDI輕型車進(jìn)行WLTC臺架測試，并收集了其中2輛車的OBD數(shù)據(jù)，分別使用碳平衡法和OBD空燃比法計算了瞬態(tài)燃油消耗，分析了4輛車在冷熱啟動時不同速度階段下的油耗，為OBD油耗數(shù)據(jù)修正方法的開發(fā)提供試驗數(shù)據(jù)支持，從而促進(jìn)機動車油耗的精細(xì)化控制和管理。

1 整車臺架測試與油耗計算方法

1.1 測試車輛信息

本研究中被測車輛的基本信息如表1所示。其中，1#車輛和2#車輛為國VIb排放標(biāo)準(zhǔn)；3#車輛和4#車輛為國V排放標(biāo)準(zhǔn)，且行駛里程比1#車輛和2#車輛高出2個數(shù)量級。所有車輛都裝有三效催化器（three-

1.2 測試方法

中汽研汽車檢驗中心（廣州）有限公司為本次臺架試驗提供試驗場地。所有車輛在測試前浸車6 h以上，使機油溫度和環(huán)境溫度相差不超過2 ℃，以確保冷啟動測試結(jié)果可靠。每輛車進(jìn)行2次冷啟動和4次熱啟動的WLTC測試。該循環(huán)可分為4個階段，即低速段、中速段、高速段和超高速段，共持續(xù)1 800 s。采用Horiba CVS-ONE定容取樣設(shè)備對所有車輛的尾氣進(jìn)行稀釋、測量，并通過OBDLINK? SX同步采集3#車輛和4#車輛的OBD數(shù)據(jù)。

1.3 油耗計算方法

《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》（GB/T 19233-2020）規(guī)定通過碳平衡法計算輕型車油耗。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，汽油燃燒后，其中的碳元素將以總碳?xì)洌═HC）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）、的形式存在于尾氣當(dāng)中。由此，可以通過式（1）計算汽車的燃油瞬時消耗量：

其中： ERTHC、ERCO和ERCO2分別為THC、CO和CO2的瞬時排放速率（g·s-1）；根據(jù)油品分析報告，汽油密度D取744 g/L，汽油含碳量WC取0.86。

由于本研究選取的4輛車中，4#車輛的整備質(zhì)量明顯小于其他車輛，而整備質(zhì)量又對整車油耗有顯著影響[9]。因此，本研究通過式（2）計算了各車輛的單位質(zhì)量油耗，以排除整備質(zhì)量對整車油耗的影響。way catalyst，TWC），僅1#車輛額外安裝了汽油車顆粒捕集器（gasoline particulate ?lter，GPF）；2#車輛的排量為2.5 L，其他車輛都為1.5 L；4#車輛的整備質(zhì)量和額定功率明顯小于其他車輛；1#和3#車輛的發(fā)動機為渦輪增壓發(fā)動機，2#和4#車輛的發(fā)動機為自然吸氣發(fā)動機。

其中： FM為車輛每100 km的汽油的質(zhì)量油耗；FC為車輛每100 km汽油消耗量；CM（curb mass）為車輛的整備質(zhì)量。

OBD解碼器通過發(fā)動機的進(jìn)氣量來計算瞬時油耗。計算式為

其中：理論空燃比αst和汽油密度D（g/L）由燃料本身決定，αst取14.7，D取744 g/L?？諝赓|(zhì)量流量（mass air ?ow rate，MAF，g/s-1）和燃空當(dāng)量比φ則由OBD解碼器讀取，隨工況時間的變化情況如圖1所示。

由式（4）計算出OBD法的燃油消耗量為100 km汽油瞬時消耗量，根據(jù)式（3）的計算結(jié)果換算為100 km值； vt為t時刻的行駛速度。

由于本實驗所用OBD參數(shù)讀取時間間隔并非嚴(yán)格的1.00 s，而是0.94～1.10 s，并且在運行工況內(nèi)有一定的數(shù)據(jù)損失，即在1 800 s的運行時間內(nèi)讀取的數(shù)據(jù)點不足1 800個。為補齊損失的數(shù)據(jù)，本研究在OBD讀取的每2個非整數(shù)秒之間插入整數(shù)秒，并按式（5）補齊其他參數(shù)（以瞬時油耗為例）：

其中： t為插入的整數(shù)時間點，t0為t的前一個非整數(shù)時間點，t1為t的后一個非整數(shù)時間點。FRt、FRt0和FRt1分別為t、t0和t1時對應(yīng)的瞬時油耗（L/s）。其他OBD參數(shù)也用此方法補齊。

2 結(jié)果與討論

2.1 車輛各階段的油耗

基于碳平衡法計算油耗，得到如圖2所示的車輛分階段100 km油耗數(shù)據(jù)，所有車輛的油耗均滿足相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。冷啟動下的整車全階段油耗比熱啟動下高出1.43%～7.83%。其中，達(dá)到國VIb標(biāo)準(zhǔn)且行駛里程較少的1#車輛和2#車輛具有更穩(wěn)定的發(fā)動機性能，二者的冷啟動油耗僅比熱啟動分別高出2.27%和2.02%。但在排量更小的情況下，1#車輛的每100 km油耗卻高于2#車輛（1#：6.79～6.95 L；2#：6.33～6.46 L），這可能是由2輛車的發(fā)動機型號不同和1#車輛裝載了GPF共同導(dǎo)致。根據(jù)美國環(huán)保署公布的發(fā)動機測試數(shù)據(jù)，1#車輛的發(fā)動機熱效率要低于2#車輛[10-11]。李配楠的研究也指出，安裝GPF造成的汽車排氣管背壓增加、進(jìn)氣量減少，會明顯導(dǎo)致油耗升高[12]。

車輛在不同速度段的油耗有明顯差異。在冷啟動工況下，油耗最高的是低速段，100 km油耗可達(dá)全階段油耗的1.48倍；油耗最低的是高速段，僅為全階段油耗的84%。以往研究對輕型車在WLTC工況下各速度段的油耗特征研究結(jié)果與此十分接近（如表2） [13-16]。且就各速度段的油耗特征來看，國V和國VI輕型車都表現(xiàn)出共同的規(guī)律，即低速段100 km油耗為全階段的1.3～1.5倍，高速段的100 km油耗為全階段的80%～90%，中速段和超高速段100 km油耗則接近全階段的油耗。這是因為，在低速段，車輛處于頻繁啟停狀態(tài)[17]，導(dǎo)致發(fā)動機運行效率較低、油耗增加。而在高速段，發(fā)動機達(dá)到最高效的運行狀態(tài)，油耗最低。當(dāng)速度繼續(xù)提高至超高速段時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增大，發(fā)動機內(nèi)部的摩擦損失和熱損失隨之增加，導(dǎo)致發(fā)動機熱效率降低。與此同時，空氣阻力的增大也導(dǎo)致發(fā)動機為保持速度需要做更多的功，從而燃燒更多燃油。

由于車輛的整備質(zhì)量對整車油耗 （FC） 有顯著影響[10]，對比單位質(zhì)量油耗（MF）可能更能說明不同車輛之間的油耗性能差異。如圖2所示，無論冷熱啟動，2輛國Ⅴ車（3#車輛、4#車輛）的MF在低速段和中速段均高于2輛國Ⅵb車輛（1#車輛、2#車輛）。而對于裝有GPF的1#車輛，高速段時的MF和2輛國Ⅴ車相當(dāng)，甚至在超高速段時高于3#車輛。而1#車輛和2#車輛的MF差距只在高速段和超高速段比較明顯。C. Saito等[18]測試發(fā)現(xiàn)，為GDI發(fā)動機加裝GPF后，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到5 500 r / min、扭矩為191 Nm時，由GPF導(dǎo)致的壓力損失可達(dá)到10 kPa，從而使油耗比加裝GPF之前提高了1.9%。A. Mamakos等[19]在計算加裝GPF的經(jīng)濟效益時，認(rèn)為GPF僅在180～200 km·h-1的極端高速下會直接使油耗提高2%～3%。而WLTC工況超高速段的平均速度為92 km·h-1，本研究得出此時1#車輛的MF已比2#車輛高出20%以上，這可能是因為前人對GPF的油耗影響評估較為保守，也可能是因為不同研究中，車輛所用的GPF性能有所不同。如S. Spiess [20]等測試了輕型車在不同工況下、裝備GPF前后的油耗，結(jié)果顯示，被測車輛所用的GPF對整車的CO2排放和油耗幾乎沒有影響。在國Ⅵb標(biāo)準(zhǔn)的要求下，輕型汽油車將普遍加裝GPF，可能會導(dǎo)致車輛的油耗增加，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)部門的重視。另外，1#和2#車輛在高速和超高速段的油耗差距還可能與發(fā)動機熱效率有關(guān)。從美國環(huán)保署測試的L15B7（該發(fā)動機與1#的L15BT為同系列發(fā)動機）和A25A發(fā)動機的外特性曲線來看[11-12]，在A25A發(fā)動機在高速時的熱效率為30%～34%，遠(yuǎn)高于L15B7發(fā)動機的25%，這可能也是超高速段時1#車輛的單位質(zhì)量油耗已比2#車輛高出20%以上的重要原因。

2.2 冷啟動和熱啟動下的瞬時油耗

圖3為3#車輛冷啟動和熱啟動下的瞬時油耗變化。在低速段（0～589 s），冷啟動工況油耗比熱啟動工況油耗高出14.5%～15.9%，隨著測試的進(jìn)行，二者在中速段、高速段和超高速段的油耗幾乎沒有差異。測試循環(huán)前60 s內(nèi)差異最為明顯：在此時段內(nèi)，3#車輛和4#車輛的油耗差異高達(dá)80.4%和71.5%，1#車輛和2#車輛則為40.2%和47.1%。這與啟動時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩以及催化劑的溫度有關(guān)。

圖4a反映了冷熱啟動前60 s發(fā)動機轉(zhuǎn)速（n）的差異，可以看出，此時二者車速雖然一致，但冷啟動發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于熱啟動。導(dǎo)致這一差異的主要原因是：在冷啟動時，發(fā)動機的冷卻液溫度、機油溫度和進(jìn)氣溫度都要比熱啟動的低，發(fā)動機的動力損失以及熱損失都比較大，為了保持相同的車速，冷啟動時發(fā)動機會提高轉(zhuǎn)速以加快暖機[21]。隨著發(fā)動機溫度的升高，冷啟動發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與熱啟動逐漸趨于一致。圖4b反映了冷熱啟動時TWC催化劑溫度（θcatal）的變化，二者溫度在第0秒溫度相差最大，可達(dá)360 ℃。由于冷啟動時催化劑溫度較低，不能滿足催化轉(zhuǎn)化要求，為了使催化劑快速升溫，汽車的電子控制單元（engine control unit，ECU）會采取過量噴油的措施，進(jìn)一步增大了燃油的消耗。

2.3 OBD空燃比法與碳平衡法計算的油耗對比

本研究中定義r 為OBD空燃比法與碳平衡法計算的油耗相對偏差，即r = （OBD空燃比油耗-碳平衡法油耗）/碳平衡法油耗。如表3所示，r為4.83%～8.69%，即OBD空燃比法的計算結(jié)果高于碳平衡法。

首先，因OBD讀取行駛速度、催化劑溫度、轉(zhuǎn)速和油耗等參數(shù)時按順序逐個獲取[8]，可能在嚴(yán)格的1.00 s內(nèi)無法獲取全部參數(shù)，使油耗數(shù)據(jù)可能在超過1.00 s后才獲得，導(dǎo)致1 800 s的工況結(jié)束后，輸出的數(shù)據(jù)點不足1 800個。因此，需采取式（5）對OBD數(shù)據(jù)進(jìn)行補齊。如圖5所示，對3#、4#車輛冷、熱啟動的OBD進(jìn)行數(shù)據(jù)補齊后，其瞬時油耗與碳平衡瞬時油耗的線性相關(guān)性（R2）由0.546～0.646提升至0.868～0.963。

根據(jù)數(shù)據(jù)補齊后的OBD瞬態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對OBD和碳平衡油耗進(jìn)行了比較。圖6為3#、4#車輛冷、熱啟動工況不同加速度下OBD和碳平衡油耗相對偏差的統(tǒng)計結(jié)果。將兩者的相對偏差r分為 -100%～0，0～100%和＞100% 3個區(qū)間，發(fā)現(xiàn)2種工況共8組數(shù)據(jù)顯示，WLTC工況的減速時刻的相對偏差r更多地落在＞100%的區(qū)間。可見，測試工況的急減速時間越長，可能導(dǎo)致OBD計算的油耗愈發(fā)偏大。例如，本研究得到的OBD油耗比碳平衡油耗高出4.83%～8.69%，楊柳含子[8]基于NEDC工況臺架測試發(fā)現(xiàn)，OBD油耗比碳平衡油耗低1%～10%。OBD在激進(jìn)工況下（如WLTC工況）計算的整車油耗略高于碳平衡結(jié)果， 而在平緩工況（如NEDC工況）下可能會略低于碳平衡結(jié)果， 這可能是由激進(jìn)工況有更多的急減速時間所導(dǎo)致。此外，雖然循環(huán)啟動前60 s只占總循環(huán)時間的3.33%，而相對偏差數(shù)據(jù)落在＞100%區(qū)間的占7.41%～17.05% ZHENG Xuan等[9]基于NEDC工況的研究結(jié)果也表明，排除啟動和急減速階段的值可以提高被測車輛的OBD和碳平衡油耗相關(guān)系數(shù)，即OBD在啟動階段和急減速階段會產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)讀取誤差。在啟動時，為使催化劑快速預(yù)熱，同時減少排放，發(fā)動機會延遲點火和快速空轉(zhuǎn)，從而無法達(dá)到正常的工作狀態(tài)，導(dǎo)致OBD讀出的空燃比失真[22]。而在急減速階段和怠速階段，ECU可能會在短時間內(nèi)停止燃料供應(yīng)以節(jié)省燃料，導(dǎo)致發(fā)動機實際空燃比低于理論空燃比，這種現(xiàn)象稱為燃油切斷[23]。燃油切斷現(xiàn)象會導(dǎo)致OBD空燃比法計算的油耗與實際油耗之間有較大的偏差。

3 結(jié) 論

以滿足國V和國VIb排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車為研究對象，分別用碳平衡法和OBD空燃比法計算被測車輛在不同啟動溫度和不同速度段下的油耗，并對不同輕型汽油車的油耗測量值進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到如下結(jié)論：

1） 與國V車輛相比，國VIb車輛油耗受啟動溫度的影響更小，其冷啟動油耗僅比熱啟動高2.02%～2.27%；

2） 加裝了GPF的車輛（1#）油耗更高，比未加裝GPF車輛（2#）高。同時，行駛速度也可能影響發(fā)動機熱效率和由GPF所造成的油耗增幅；

3） 車輛在不同速度區(qū)間的油耗有很大差異，發(fā)動機在低速段的反復(fù)啟停會導(dǎo)致該階段的100 km油耗達(dá)到全階段的1.46倍；

4） 同一車輛在冷熱啟動下的油耗差異主要發(fā)生在啟動階段（0～60 s），由發(fā)動機和催化劑低溫需要過量噴油和快速熱機導(dǎo)致；

5） OBD在采集數(shù)據(jù)時損失的數(shù)據(jù)可以通過插值法補齊，補齊后的瞬態(tài)數(shù)據(jù)與臺架數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性可達(dá)0.96?；谒矐B(tài)油耗對比，發(fā)現(xiàn)OBD在啟動階段和減速時刻計算的油耗會明顯高于臺架測試油耗，可以推測，車輛在急減速時刻更多的激進(jìn)工況下測試的OBD油耗會略高于碳平衡結(jié)果。

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