空調對輕型乘用車油耗影響的試驗研究＊

張旭陽 胡志遠 韓維維 康建 湯尚水

（1.同濟大學，上海 201804；2.上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805；3.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

主題詞：汽車空調 油耗影響 轉鼓試驗 駕駛循環

1 前言

法規認證的油耗無法體現車輛的真實油耗水平一直是汽車行業的痛點之一。2017 年發布的《乘用車實際油耗與工況油耗差異發展年度報告》[1]指出，輕型車用戶實際油耗比公告油耗平均高29%，油耗差距主要來自循環工況的差異和空調的使用，多個典型城市的車輛夏季油耗最高，比最低月份高15%左右[1]。汽車空調制冷時的功率約占發動機輸出功率的10%～15%[2]。作為整車內部耗能最多的附件，汽車空調對整車油耗的影響尚未得到足夠的重視。同時，它有著很大的節能潛力[3]，降低汽車空調能耗被認為是極具性價比的節能措施之一[4]。

為了反映空調對整車油耗的影響，并鼓勵空調節能技術的開發與應用，美國和歐洲都實施了有針對性的油耗法規。美國從2008年起就在油耗測試五工況法中引入SC03 空調循環，從2013 年起進一步引入AC17 循環測試并實施節能空調獎勵法規[5]。歐洲同樣提出了類似的MACTP（Mobile Air Conditioning Test Procedure）循環對空調的使用進行油耗測試[6]。

中國于2017 年1 月起草了《乘用車循環外技術/裝置節能效果評價方法第3 部分汽車空調》國家標準征求意見稿[7]（簡稱“征求意見稿”），規定使用NEDC循環，首次提出了開啟空調制冷狀態下汽車燃料消耗量的試驗方法，相較于常規的整車油耗測試，該方法提高了試驗的環境溫度，并引入了陽光模擬系統，該試驗方法在《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》國家標準征求意見稿[8]中繼續保留，但將試驗循環從NEDC替換為全球統一輕型車輛測試循環（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）或中國工況測試循環（China Light-duty Test Cycle，CLTC）。

循環工況的差異會導致整車油耗測試結果不同，同樣也會影響空調油耗的測試結果，因此選擇合適的循環對空調系統能耗進行評價至關重要。研究結果表明[9]，WLTC空調油耗增幅小于歐洲實際道路情況，其準確性仍有提高的空間。CLTC 工況下測得的油耗比NEDC 工況下測得的油耗平均高14%，更接近用戶實際油耗。CLTC 油耗與用戶實際油耗的差別主要來自空調耗能[10]，而目前CLTC 工況下空調對整車油耗影響的研究還未見報道。

基于以上研究現狀，本文以6 輛搭載變排量空調的汽車為試驗對象，研究汽車空調對整車油耗特性的影響，并考察WLTC 和CLTC 是否適合空調系統的能耗評價。

2 試驗方案

2.1 樣車參數及試驗設備

考慮到車型尺寸、動力總成和空調系統的差異可能影響整車油耗結果，選擇了滿足國Ⅴ排放標準的6輛汽油車作為試驗車輛，主要參數如表1所示。車廂容積通過三維建模近似計算得到，其中車型B+、車型D+分別為車型B和車型D的動力總成高配版，車型A、B、D的空調和動力系統零部件均相同，車型B+、D+的空調和動力系統零部件相同。

表1 試驗車輛主要技術參數

試驗設備包括4WD VULCAN EMS-CD48L 雙軸四驅底盤測功試驗系統、SolarConstant 4000 陽光模擬系統、MEXA-7400LE尾氣采樣分析系統、CANoe設備和高靈敏度溫度傳感器，試驗系統如圖1所示。車內的溫度傳感器按法規要求布置，以測量駕駛員及乘員呼吸位置的平均溫度，測點位置如圖2所示。

2.2 試驗方案

油耗測試根據征求意見稿進行。試驗流程如圖3所示，每組試驗進行3 次，滿足重復性要求后對試驗結果取平均值作為最終結果。

圖1 試驗系統結構示意

圖2 車內溫度傳感器實物及測點位置示意

圖3 試驗流程

試驗可分為預處理、浸車、開啟空調條件下車輛油耗試驗和關閉空調條件下車輛油耗試驗4 個部分。預處理階段的目標是對試驗車輛和底盤測功機進行充分預熱，同時保證車內溫度、空調管路溫度與環境溫度一致；浸車階段的目的是模擬夏季車輛停放在室外的狀態，從而更真實地反映汽車空調工作狀態。實驗室環境、空調設定等試驗條件是根據征求意見稿設定的，征求意見稿在借鑒國外法規經驗的基礎上充分考慮了我國實際氣候、車輛情況和駕駛員駕駛習慣。

3 試驗結果與分析

3.1 NEDC工況下空調對整車油耗的影響

圖4所示為NEDC工況下6輛車的整車平均油耗試驗結果，開啟空調后整車油耗的增幅φ為：

式中，FACon為開啟空調時的整車油耗；FACoff為關閉空調時的整車油耗。

圖4 NEDC工況下各車輛油耗結果

對試驗數據進行計算分析后得到開啟空調狀態下整車油耗增幅在為20%～35%，可見空調對油耗的影響十分顯著。以車型A為例，空調開啟后的瞬態油耗結果如圖5所示，NEDC工況由4個相同的城市單元（ECE Ⅰ～ECE Ⅳ）和1個城郊單元（EUDC）構成。從圖5中可定性發現：城市工況空調油耗大于市郊工況空調油耗；怠速工況空調油耗大于其他行駛工況空調油耗。

圖5 NEDC工況下車輛A的瞬態油耗結果

圖6所示為6輛試驗車輛在NEDC不同行駛模式和工況下的平均油耗結果，定義油耗累計貢獻率為空調開啟條件下，某一階段油耗占總油耗的比例。結果顯示，在發動機處于怠速工況或車輛行駛在市區低速工況下，空調對整車油耗影響較明顯，空調油耗增幅分別為55%和41%，油耗累計貢獻率分別為11%和50%，NEDC綜合油耗增幅為28%。

怠速時空調油耗發生顯著提升的主要原因是，開啟空調后，為了提高發動機怠速穩定性，并為起步加速提供一定的功率儲備，需要提高發動機的怠速轉速。以車型A為例，如圖7所示，空調開啟后，發動機怠速轉速需提高200 r/min，輸出功率相應增加約2.5 kW，轉速的提高和負載的增大導致發動機在怠速段的油耗明顯上升[11]。從圖6中還可得到，市區工況下空調所導致的油耗增幅明顯高于市郊工況，其原因是：

a.市區工況發動機熱效率較低。由于市區工況下車輛擋位切換頻繁，轉速波動較大，此時典型發動機的平均熱效率（指發動機有效功率的熱當量與單位時間所消耗燃料的含熱量的比值）約為15%，而市郊工況下發動機的平均熱效率約為30%[12]。因此，在市區工況下發動機驅動空調所需的額外功率的燃料消耗量更高。

b.冷凝器的換熱量與車速間近似呈正比關系[13]，高車速有利于改善空調冷凝器空氣側的換熱效率[14]，從而降低了空調系統的能耗。

c.市郊工況下，發動機輸出功率高，空調負荷占發動機輸出功率比例下降。

圖6 NEDC循環6輛車在不同行駛模式和工況下的平均油耗增幅和累計貢獻率

圖7 NEDC循環ECE Ⅰ階段車型A的發動機輸出功率和轉速

空調能耗除了與行駛模式和工況有關，也與車內溫度下降過程有緊密聯系。以車型A為例，車內溫度下降過程對整車油耗影響的具體過程如圖8所示，其中空調功率由空調開啟狀態下發動機輸出功率與空調關閉狀態下發動機輸出功率作差間接計算得到。NEDC 工況下車型A 的車內溫度在ECE Ⅰ階段就已達到設定值23 ℃，此時壓縮機處于低排量模式，空調負載也隨之下降。ECE Ⅰ到ECE Ⅱ階段，空調油耗增幅從43%降至34%，顯著下降。文獻[15]使用扭矩計直接測量基于整車試驗的汽車壓縮機功率，結果顯示，在試驗循環下空調高負荷工作時壓縮機平均功率為3.4 kW 左右，當車內溫度降至設定溫度后，壓縮機平均功率約下降30%。

圖8 NEDC工況下車型A車內溫度及壓縮機排量控制電流

3.2 駕駛循環對空調能耗的影響

由3.1節研究結論可得，不同行駛工況下，空調對整車油耗影響差異較大，因此本文進一步研究不同循環下空調對整車油耗的影響，以得到最適合評價汽車空調能耗的試驗循環。

各循環的主要特性如表2所示。圖9所示為不同循環下空調對車型A油耗的影響。在平均車速高、怠速比例低的WLTC 工況下，空調對整車油耗影響為15%；但在平均車速低、怠速比例高的CLTC 工況下，空調對整車油耗的影響為26%，明顯高于WLTC工況。

表2 NEDC、WLTC、CLTC工況主要特性

圖9 不同循環下空調對整車油耗的影響

將各循環按車速分類為怠速段、低速段（＞0～40 km/h）、中低速段（＞40～80 km/h）和中高速段（＞80 km/h），不同循環下各車速段空調對整車油耗影響結果如圖10所示。由圖10可知：與NEDC工況類似，各循環下空調對整車油耗影響主要在怠速和低速段，由于CLTC 工況低速和怠速占比大，累計油耗貢獻率為51%，因此CLTC 工況下，空調對整車油耗影響也最大；WLTC工況中低速和中高速占比大，累計油耗貢獻率達到了74%，因此該工況下空調對整車油耗影響最小。

各循環下車內降溫曲線如圖11所示：NEDC工況車內溫度下降最快，約180 s后空調降至低負荷狀態；其次為WLTC 工況，用時約為240 s；CLTC 工況下車內降溫過程最慢，約450 s空調降至低負荷狀態。

除了平均車速低和怠速比例高的影響，車內降溫過程慢也是造成CLTC 工況下空調對整車油耗影響較顯著的原因之一。在環境條件和空調設置相同的情況下，空調制冷量只受壓縮機轉速和車速影響，壓縮機轉速和車速越高，空調制冷量越大。其中，壓縮機轉速對制冷量的影響超過50%，冷凝器風速對制冷量的影響小于15%[16]。表3所示為不同循環下試驗車輛的空調壓縮機平均轉速和平均車速。CLTC工況下壓縮機平均轉速和平均車速較NEDC 和WLTC 工況低，造成CLTC 工況下空調制冷量較小，車內降溫過程較慢。

圖10 不同循環下各車速段空調對整車油耗的影響

圖11 各循環下車內降溫曲線

表3 不同循環下車型A的壓縮機平均轉速和平均車速

CLTC 工況更接近中國用戶真實的行駛工況，且在該工況下車內降溫較慢，空調高負荷工作時間長，空調油耗增幅最大，更有利于反映不同空調節能技術對整車油耗帶來的影響。基于以上兩點，CLTC 工況更適合評價空調系統及其節能技術的效果。

3.3 車廂容積對空調能耗的影響

征求意見稿中規定了空調系統節能效果評價方法：

式中，FJ為汽車空調的節能效果，FJ＞0 表明該空調系統具有節能效果；TAC為汽車空調燃料消耗量目標值，為按試驗結果統計得到的某一整車質量下典型車輛的空調油耗基準值；FAC為汽車空調燃料消耗量；K=0.25為空調使用比例系數；FACon、FACoff分別為空調開啟和關閉狀態下的整車燃料消耗量；VM為整車整備質量。

試驗車輛的空調油耗與整車整備質量的關系如圖12 所示。同一空調系統的能耗與整車整備質量并未呈現出與式（4）相似的趨勢，即同一空調系統，按法規方法并不能評價出相同的節能效果，因此法規依據整車質量計算空調油耗目標值缺少一定的科學合理性。

圖12 空調油耗與整車整備質量關系

圖13所示為試驗得到的車輛A、B、D的車內溫度曲線，試驗結果表明，車廂容積越大，車內降溫過程越慢。車廂內空氣吸收熱量的計算公式為[17]：

式中，QT為車廂內空氣獲得的總熱量；ρ為空氣密度；VV為車廂容積；Cp為空氣的比熱容；ΔT′為車內氣體溫度變化值；QB為車體外圍結構熱傳遞傳入的熱量；Qf為空調系統經熱交換裝置帶入車廂內的制冷量；QI為陽光照射到車室內的輻射熱量；QP為車廂內乘員散發的熱量；QE為發動機艙傳入車廂內的熱量；QA為室外新風傳入的熱量。

由式（5）可知，在QT相近的情況下，車內溫度變化ΔT′與車廂容積VV成反比。

車內降溫過程慢，意味著空調高負荷工作時間長，也導致車型B 的空調油耗增幅大于車型D 和車型A。基于車型A、B、D 的試驗結果分析可得，空調型號和動力系統一致的輕型乘用車，空調油耗增幅與車廂容積存在相關性，為了便于空調油耗目標值的計算，將試驗數據點按一次函數擬合，如圖14所示，關系式為：

式中，k為漏風量修正系數，與整車氣密性有關，不同車輛的差異較大[18]，但同一平臺車輛相同。

圖13 NEDC循環下車型A、B、D車內降溫曲線

圖14 空調油耗增幅與車廂容積間的關系

4 結束語

本文利用環境艙開展整車油耗試驗，研究了空調對整車油耗的影響，得到以下結論：

a.空調對整車油耗影響顯著，在各循環下空調油耗增幅約為15%～26%，空調對整車油耗的影響主要集中在怠速段和低速段，在各循環下油耗增幅分別可達50%以上和30%以上，在高速段增幅只有5%左右。

b.CLTC 工況下空調對整車油耗的影響大于NEDC 和WLTC 工況，車內降溫過程最慢，且最接近中國實際道路工況。因此，CLTC 工況更適合用于評價空調系統能耗及其節能技術效果。

c.在空調和動力系統一致的情況下，空調油耗增幅與車廂容積可按線性關系表示，車廂容積越大，空調油耗增幅也越大。本文建議法規在計算空調油耗目標值時使用車廂容積代替整車整備質量。