浸車溫度對WLTC中輕型車油耗的影響

2020-05-08 01:46:14王光耀孟德宇秦宏宇戴春蓓

北京汽車 2020年2期

王光耀，孟德宇，秦宏宇，戴春蓓

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

0 引言

近年來，我國汽車增長趨勢明顯，為了保證整個社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，降低汽車油耗勢在必行。

20世紀(jì)80年代初我國開始制定汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)，并于2003年7月制定出GB 19233—2003《輕型汽車燃油消耗量試驗方法》[1]，2004年9月制定出GB 19578—2004《乘用車燃料消耗量限值》[2]，這是我國第一個控制汽車燃油消耗量的強制性標(biāo)準(zhǔn)。目前仍依據(jù)以上兩個標(biāo)準(zhǔn)，以NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛測試循環(huán)）工況進(jìn)行輕型車油耗測試，但是汽車行業(yè)已著手制定第3階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，將以WLTC（World-wide Harmonized Light-duty Test Cycle，全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)）工況作為測試工況[3-4]。

目前針對認(rèn)證過程中輕型車在WLTC工況下油耗的影響因素研究較少，在GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》要求的范圍之內(nèi)，針對不同的浸車溫度對輕型車燃油消耗量的影響進(jìn)行研究，浸車區(qū)域溫度控制目標(biāo)為23℃，允許的實際偏差為±3℃[5]49。

1 試驗設(shè)備及參數(shù)

1.1 試驗車輛及燃料參數(shù)

待測試車輛選用市場中在售的某款輕型車，其排放能力達(dá)到國六排放水平，除駕駛員外沒有其他載荷，車輛燃油加注量為50%，車輛和燃料相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 待測車輛及試驗燃料參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

試驗系統(tǒng)組成如圖1所示，設(shè)備型號見表2，整個試驗系統(tǒng)分為待測試車輛、底盤測功機(jī)、定容取樣系統(tǒng)（Constant Volume Sa mpler，CVS）、排氣分析儀、控制臺5個部分。在試驗過程中按照滑行法在轉(zhuǎn)鼓上加載阻力，然后按照WLTC工況進(jìn)行測試，在整個測試循環(huán)結(jié)束后，排氣分析系統(tǒng)對采樣袋中經(jīng)過稀釋的樣氣進(jìn)行分析，得到車輛排出的二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和總未燃碳?xì)洌═HC）的量，計算后得到WLTC工況下輕型車油耗的測量值。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 試驗設(shè)備型號

1.3 油耗計算

油耗計算依據(jù)GB 19233—2003《輕型汽車燃油消耗量試驗方法》進(jìn)行，利用測得WLTC工況下車輛的CO2、CO和THC的排放量，以碳平衡法計算燃料消耗量，對于裝備汽油機(jī)的車輛其公式為[1]5

式中：FC（Fuel Consumption）為燃料消耗量，L/100 km；HC為測得的總碳?xì)渑欧帕浚琯/km；CO為測得的CO排放量，g/km；CO2為測得的CO2排放量，g/km；D為288K（15℃）下試驗燃料的密度，kg/L。

2 試驗方法與結(jié)果分析

試驗使用相同預(yù)處理方式，將預(yù)處理后的試驗樣車分別置于23℃和26℃ 2種不同溫度的浸車環(huán)境中浸車24 h，待浸車結(jié)束后使用WLTC工況對其進(jìn)行油耗測試，為了減小誤差，每次預(yù)處理和試驗均采用相同的駕駛員，并且在每個浸車溫度條件下進(jìn)行3次試驗。油耗的測量結(jié)果主要由CO2、CO和THC共同決定（式1），表3為采用不同浸車溫度（23℃和26℃）浸車測得的WLTC工況條件下輕型車部分排放污染物和油耗數(shù)值。

表3 WLTC下采用不同浸車溫度浸車時車輛排氣污染物和油耗值

從表3中可以看出，相比于中速、高速和超高速階段，第1階段即低速段CO2、CO、THC排放量相差較為明顯，以整體排放量較大的CO2為例，其在第1階段最大相對偏差約為8%，后3個階段最大相對偏差不足5%；從表3中還可以看出，在低速階段CO和THC大量生成，但總體排放量比較低，使得后3個階段CO和THC排放量盡管相對偏差較大，但對油耗的影響較小[6-12]。

除此之外，當(dāng)車輛運行至低速段結(jié)束進(jìn)入中速段時，由于車輛已經(jīng)運行了足夠長的時間，發(fā)動機(jī)的油溫、水溫逐漸升高并趨于相似，此時即使浸車溫度條件不同，車輛發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)仍然相近，從而使進(jìn)入中速段以后車輛的排放和油耗水平差異不大，所以研究不同浸車溫度（23℃和26℃）對WLTC工況下待測車輛油耗的影響時，分析的重點在試驗采取的2種浸車溫度對WLTC測試過程中低速段車輛排放和油耗的影響[13-14]。

2.1 浸車溫度對CO2排放量的影響

圖2為浸車溫度為23℃和26℃時低速行駛階段中車輛排氣污染物中CO2的平均體積隨著測試時間的變化。

圖2 WLTC中不同浸車溫度對低速段車輛CO2排放量的影響

總體上看，CO2在低速階段整個過程中持續(xù)大量生成，當(dāng)浸車溫度為23℃和26℃時，生成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2體積分別為0.01～0.13 L和0.01～0.11 L，即在較高浸車溫度條件下測得的待測車輛在低速階段CO2體積總體小于較低浸車溫度條件下測得的結(jié)果。結(jié)合表3中不同浸車溫度條件下待測車輛的百公里油耗可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用較高浸車溫度（26℃）時車輛在低速段的油耗比較低浸車溫度（23℃）時低0.082～0.246 L/100 km。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：WLTC工況為瞬態(tài)工況，不同浸車溫度條件下，隨著車輛速度的快速升高和降低，發(fā)動機(jī)供油量隨之升高或降低，從而導(dǎo)致燃燒生成的CO2體積也快速增大或者減少，隨著時間的變化產(chǎn)生相應(yīng)的峰值和谷值。從圖2中可以看出，盡管采用不同的浸車溫度，當(dāng)CO2體積隨著車輛速度變化而變化時，其生成速率相差不大，采用較低浸車溫度（23℃）浸車時CO2體積峰值會略微高于較高浸車溫度（26℃）值，使整個低速段CO2累計排放量較大。當(dāng)浸車溫度較高時，經(jīng)過12 h浸車，使待測車輛冷卻液、機(jī)油和燃油的溫度均處于較高水平，發(fā)動機(jī)冷啟動時由于車輛燃油溫度較高，因而噴入氣缸內(nèi)的汽油霧化較好，與空氣混合更充分，其燃燒放熱更加充分，所以發(fā)動機(jī)做功相同時所需要的燃油量更少，生成的CO2量也相對較小。

2.2 浸車溫度對CO和THC的影響

圖3和圖4分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下浸車溫度為23℃和26℃時低速行駛階段車輛排氣污染物中CO的平均體積和THC的平均體積隨著測試時間的變化。

圖3 WLTC中不同浸車溫度對低速段車輛CO排放量的影響

圖4 WLTC中不同浸車溫度對低速段車輛THC排放量的影響

從圖3、圖4中可以看出，與車輛CO2排放量隨著車速變化而變化不同的是，待測車輛在整個低速段排放出的CO和THC的生成呈單峰分布，峰值體積分別為1.24×10-2L和1.39×10-3L，并且測得的峰值排放量均出現(xiàn)在車輛冷啟動以后試驗開始后20 s左右。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：車輛在法規(guī)規(guī)定的浸車環(huán)境下經(jīng)過24 h的浸車之后啟動時，氣缸內(nèi)溫度比較低，同時催化器的溫度也未達(dá)到起燃溫度，此時催化劑轉(zhuǎn)化效率低，噴入發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)部的燃料由于處于溫度較低的環(huán)境中，其霧化水平較差，與較冷的氣缸壁接觸后液化，導(dǎo)致其不能充分燃燒，使排氣中存在大量的CO和THC[15]。經(jīng)過幾個循環(huán)工作之后，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度升高，燃油霧化質(zhì)量得到改善，同時催化器溫度也達(dá)到起燃溫度，使CO和THC排放量顯著減少，所以待測車輛在冷啟動階段CO和THC排放呈一個單峰分布。相比于較低浸車溫度（23℃），采用較高的浸車溫度（26℃）時，待測車輛在冷啟動階段發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的溫度更有利于燃料的混合霧化以及燃燒火焰的擴(kuò)散，可燃混合氣燃燒更加充分，排出的CO和THC量也更少，這與Piotr[16]等的發(fā)現(xiàn)一致。

2.3 浸車溫度對燃油消耗量的影響

車輛的燃油消耗量主要由排放出的CO2、CO和THC確定（式（1）），采用較高浸車溫度（26℃）比采用較低浸車溫度（23℃）平均油耗減少0.142 L/100 km，并且在車輛冷啟動進(jìn)行WLTC的低速階段3種污染物的排放量前者均比后者低。這是因為車輛冷啟動時為了得到較濃的可燃?xì)怏w，會噴入較多的燃油，溫度越低可燃混合氣霧化效果越差，燃燒放熱越不充分，需要提供更多的燃料來保證車輛的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以采用較高浸車溫度（26℃）比采用較低浸車溫度（23℃）在低溫冷啟動階段燃油消耗量更低一些。