冷起動(dòng)對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

代向升 周金 沈鐵軍

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：燃油經(jīng)濟(jì)性 冷起動(dòng) 燃料消耗量分析 修正系數(shù)

1 前言

隨著第四階段燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)[1-2]的導(dǎo)入，傳統(tǒng)燃油車的燃油消耗量達(dá)標(biāo)壓力與日俱增。影響車輛燃油消耗量的因素包括發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平、傳動(dòng)效率、整車阻力和工作溫度等。我國當(dāng)前乘用車燃油消耗法規(guī)采用的是新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）工況，規(guī)定車輛從常溫（20～30 ℃）起動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)[3]，而發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作溫度基本在80 ℃以上。因此，冷起動(dòng)性能極大影響了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性水平。

冷起動(dòng)對整車燃油消耗量的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和潤滑油溫度較低，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部阻力偏大；輪胎溫度較低，車輛滾動(dòng)阻力偏大；為了使三元催化劑盡快達(dá)到起燃溫度，降低有害氣體排放，發(fā)動(dòng)機(jī)需要推遲點(diǎn)火提前角，同時(shí)增大噴油量。由于車輛的動(dòng)力總成不同，應(yīng)用技術(shù)不同，冷起動(dòng)對不同車型的影響也不盡相同。本文選取3 臺(tái)匹配不同動(dòng)力總成的典型車輛，在底盤測功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，并建立了一種新的試驗(yàn)方案和分析方法，以期定量分析冷起動(dòng)對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)車輛

本文選取的3 臺(tái)試驗(yàn)車輛的主要參數(shù)和采用的主要技術(shù)如表1所示。其中車型B配備起停系統(tǒng)，該系統(tǒng)對車輛暖機(jī)速度有顯著影響。因此，該車輛分別進(jìn)行了開啟起停功能和關(guān)閉起停功能2種方案的試驗(yàn)。

由表1 可知，3 臺(tái)試驗(yàn)車分別體現(xiàn)了不同類型動(dòng)力總成的搭配，并應(yīng)用了不同的暖機(jī)技術(shù)，具有一定的代表性。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

試驗(yàn)設(shè)備如表2和圖1所示。

表1 試驗(yàn)車輛主要參數(shù)和采用的主要技術(shù)

表2 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

圖1 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

2.3 試驗(yàn)規(guī)程

正式試驗(yàn)前，所有車輛均在20～30 ℃的環(huán)境艙中浸車不低于6 h。每臺(tái)車在測功機(jī)上連續(xù)行駛2 個(gè)NEDC循環(huán)工況：定義第1 個(gè)NEDC 循環(huán)工況為冷起動(dòng)，試驗(yàn)條件與燃油消耗量認(rèn)證試驗(yàn)相同[3]；定義第2 個(gè)NEDC循環(huán)工況為熱起動(dòng)，作為熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參照。試驗(yàn)過程中，對車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)燃油消耗量等參數(shù)進(jìn)行采集。NEDC 循環(huán)工況如圖2 所示，分為市區(qū)工況和市郊工況。其中，市區(qū)工況由4 個(gè)相同的ECE-15 工況（市區(qū)1～市區(qū)4）組成，各195 s，共780 s，市郊工況共400 s。

圖2 NEDC工況曲線

3 分析方法

分別對冷起動(dòng)的市區(qū)1～市區(qū)4 的瞬時(shí)燃油消耗量進(jìn)行積分，得到的累計(jì)燃油消耗量分別記為C1、C2、C3和C4。以熱起動(dòng)市區(qū)4作為熱態(tài)基準(zhǔn)，其積分燃油消耗量記為C4hot，將C1、C2、C3和C4分別與C4hot進(jìn)行比較。定義市區(qū)1～市區(qū)4的冷起動(dòng)系數(shù)為：

根據(jù)每個(gè)市區(qū)工況的冷起動(dòng)系數(shù)，計(jì)算出4個(gè)市區(qū)工況的綜合冷起動(dòng)系數(shù)為：

本次試驗(yàn)中，每臺(tái)車輛由同一駕駛員連續(xù)進(jìn)行冷起動(dòng)和熱起動(dòng)試驗(yàn)，每個(gè)工況駕駛習(xí)慣保持一致，故在分析時(shí)忽略了車速和行駛里程的微小差別。

4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

4.1 車型A

車型A 的試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。冷起動(dòng)市區(qū)1 前50 s 的怠速轉(zhuǎn)速明顯高于其他幾個(gè)工況，與此同時(shí)，瞬時(shí)燃油消耗量也明顯偏高。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)剛剛起動(dòng)，排氣管溫度較低。為了盡快使三元催化劑達(dá)到起燃溫度，降低THC、CO 和NOx等有害氣體排放量，需要推遲發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角，同時(shí)增加噴油量。

圖3 車型A轉(zhuǎn)速和油耗對比曲線

在加速和等速區(qū)間，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度逐漸升高，相同車速的瞬時(shí)燃油消耗量逐漸降低。值得注意的是，在減速區(qū)間，熱起動(dòng)市區(qū)4的斷油時(shí)間明顯長于其他幾個(gè)工況，這與整車斷油策略標(biāo)定有關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到正常工作溫度時(shí)，內(nèi)部阻力變小，減速斷油時(shí)間會(huì)有所增加。

根據(jù)式（1），車型A 市區(qū)1～市區(qū)4 的冷起動(dòng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為1.52、1.14、1.07和1.03。

4.2 車型B（關(guān)閉起停功能）

車型B（關(guān)閉起停功能）的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。與車型A 類似，在前50 s 三元催化劑起燃過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速和油耗明顯提升。此外，車型B的減速斷油比車型A 更積極，在第23 s 處的第1 個(gè)減速段，發(fā)動(dòng)機(jī)便出現(xiàn)了斷油情況（冷起動(dòng)市區(qū)1除外），而在變速器換擋過程，也可觀察到明顯的斷油控制。

圖4 車型B（關(guān)閉起停功能）轉(zhuǎn)速和油耗對比曲線

車型B（關(guān)閉起停功能）市區(qū)1～市區(qū)4 的冷起動(dòng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為1.47、1.11、1.07和1.02。

4.3 車型B（開啟起停功能）

車型B（開啟起停功能）的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。冷起動(dòng)市區(qū)1的前2個(gè)怠速區(qū)間沒有停機(jī)。第1個(gè)怠速區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛起動(dòng)，車輛尚未行駛，故無法停機(jī)；第2個(gè)怠速區(qū)間未停機(jī)是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低，未達(dá)到停機(jī)要求。這2 次不停機(jī)會(huì)造成市區(qū)1 的冷起動(dòng)系數(shù)明顯變大。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過程頻繁停機(jī)，會(huì)造成暖機(jī)速度減緩，進(jìn)而造成冷起動(dòng)系數(shù)變大。

圖5 車型B（開啟起停功能）轉(zhuǎn)速與油耗對比曲線

車型B（開啟起停功能）市區(qū)1～市區(qū)4 的冷起動(dòng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為1.52、1.15、1.08、1.05。

4.4 車型C

車型C的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由于該車輛采用8擋CVT變速器，在整個(gè)市區(qū)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均保持在較低值。在三元催化劑起燃前（前40 s），冷起動(dòng)市區(qū)1的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速明顯偏高；三元催化劑起燃后，幾個(gè)市區(qū)工況的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持一致。這說明冷起動(dòng)只影響了該車型前40 s的換擋策略。

圖6 車型C轉(zhuǎn)速與油耗對比曲線

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在等速工況轉(zhuǎn)速較低，車型C減速斷油次數(shù)和時(shí)間較前2 個(gè)車型明顯變少，只有第155 s 處的減速出現(xiàn)了明顯斷油（不包括冷起動(dòng)市區(qū)1和市區(qū)2）。

車型C 市區(qū)1～市區(qū)4 的冷起動(dòng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為1.52、1.15、1.06、1.03。

5 綜合冷起動(dòng)系數(shù)計(jì)算與分析

利用式（2）計(jì)算出每個(gè)車型的市區(qū)工況綜合冷起動(dòng)系數(shù)KUDC如表3所示。

表3 市區(qū)工況綜合冷起動(dòng)系數(shù)

由表3 可知，車型B（關(guān)閉起停功能）的綜合冷起動(dòng)系數(shù)最小，車型A 和車型C 的綜合冷起動(dòng)系數(shù)基本相同，這說明車型B的冷起動(dòng)燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于其他2個(gè)車型。車型B 采用1.0 L 小排量增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，并使用發(fā)動(dòng)機(jī)分體冷卻和集成排氣歧管技術(shù)，這些技術(shù)都有利于車輛快速暖機(jī)。對比車型B 關(guān)閉和開啟起停功能的試驗(yàn)結(jié)果可知，開啟起停功能時(shí)KUDC明顯更大，這是因?yàn)轭l繁停機(jī)對熱機(jī)速度的影響較大。

每個(gè)車型的市區(qū)4冷起動(dòng)系數(shù)K4均不超過1.05，這說明進(jìn)入市郊工況，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度已基本達(dá)到正常運(yùn)行溫度，可以認(rèn)為冷起動(dòng)對市郊工況燃油消耗量沒有影響。如果已知NEDC 工況中市區(qū)工況和市郊工況的燃油消耗量占比，就可以推算出整個(gè)NEDC 工況的冷起動(dòng)系數(shù)。但是，由于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器技術(shù)不同，以及燃油消耗量法規(guī)試驗(yàn)方法對擋位的規(guī)定存在差異等原因，不同車型NEDC 工況的冷起動(dòng)系數(shù)并不相同。根據(jù)長期試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，NEDC 工況的冷起動(dòng)系數(shù)大多分布在1.05～1.12范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文建立了一種新的冷起動(dòng)燃油經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)和分析方法，并選取3臺(tái)匹配不同動(dòng)力總成的車輛進(jìn)行試驗(yàn)，分析了冷起動(dòng)對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。結(jié)果證明，在冷起動(dòng)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速、噴油量、換擋策略和減速斷油策略等均受到影響。在NEDC工況下，市區(qū)工況綜合冷起動(dòng)系數(shù)的范圍為1.17～1.20。該方法可用于車型開發(fā)前期預(yù)測車輛燃油消耗量水平，評價(jià)車輛冷起動(dòng)性能，為車輛燃油經(jīng)濟(jì)性開發(fā)工作提供支持。