不同發動機排量和循環工況對整車綜合油耗的影響

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

燃油經濟性是衡量整車性能的一項重要指標，隨著GB 27999—2014 乘用車燃料消耗量評價方法及指標[1]的實施，國家對乘用車的油耗要求越來越嚴格，消費者也對燃油經濟性的要求越來越高，所以在整車開發前期，進行性能仿真工作是十分必要的。開發過程中需要考慮影響燃油經濟性的因素有很多，其中發動機排量和車輛運行的循環工況對整車綜合油耗均有較大影響，因此，展開發動機排量和循環工況與整車綜合油耗間關系的研究具有重要意義。

本文以一款1.0 L 三缸直噴增壓發動機為研究對象，通過兩種技術路線將其增缸擴容為1.33 L 和1.4 L。建立3 款不同配置的整車模型，將1.0 L、1.33 L、1.4 L 的發動機放在同一模型中，對比綜合油耗的差異，計算排量對于綜合油耗的影響；同時，為了研究不同循環工況對于整車油耗的影響，在建立的兩款整車模型中，選擇運行3 個不同的循環工況，分別為：NEDC[2]（New European Driving Cycle）循環、WLTC[3]（Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle）循環和CLTC[4]（China Light-duty vehicle Test Cycle）循環，對比油耗結果，并分析差異產生的原因。

1 模型的建立與校核

1.1 模型參數輸入

使用高級仿真分析軟件AVL CRUISE 來建立模型，為了使計算結果更準確，建立兩款不同配置的整車模型，分別用車型A 和車型B 來表示，其中車型A搭載該1.0 L 發動機的配置是已上市車型配置，車型B 的配置是在車型A 的基礎上修改得到的。兩款車型搭配同型號的6DCT 變速箱，主要差別體現在整車屬性方面，如表1 所示。

表1 整車參數

作為研究對象的1.0 L 三缸直噴增壓發動機以及其增缸擴容而成的1.33 L 和1.4 L 發動機的主要參數如表2 所示。

表2 發動機主要參數

在使用CRUISE 建立模型的過程中，為了排除其他參數對仿真結果的影響，除表1、表2 以及發動機外特性和萬有特性參數外，其他參數均設置相同，所建立的模型如圖1 所示。

圖1 CRUISE 建立的整車模型

1.2 模型校核

使用試驗數據對建立的模型進行校準，由于車型A 是已上市車型，容易獲取試驗數據，且車型B 的模型是基于車型A 模型修改得到，所以只需校準車型A 的模型即可。以實測的ECE、EUDC、NEDC 油耗值和0～100 km/h 加速時間為校準目標。

經過校準后，車型A 匹配1.0 L 發動機的仿真計算結果與試驗數據的對比如表3 所示。各項指標仿真結果與試驗數據差異均在3%以內，仿真模型有效，可以用于后續的分析計算。

表3 車型A 匹配1.0L 發動機的仿真值與試驗值

2 循環工況設置

關于NEDC、WLTC 和CLTC 循環，循環工況說明如下。

NEDC 循環，即“新歐洲駕駛循環”，始于1980年，包含市區循環（ECE）和市郊循環（EUDC），總時長1 180 s，怠速時間約占33%，最高車速120 km/h，也是目前我國工信部使用的油耗測試循環，但由于標準制定時間較早，測試過于簡單，多以勻速行駛為主，已不適用于目前的實際路況，NEDC 循環如圖2所示。

圖2 NEDC 循環

WLTC 循環是聯合國推行的輕型汽車測試程序，由多國專家共同制定，是目前歐洲正在使用的測試標準，同時也是我國國六排放法規規定的測試循環，2020 年7 月1 日起實施，包括低速、中速、高速、超高速4 個階段，總時長1 800 s，加速、減速、勻速及怠速的占比約為30%、27%、28%及12%，最高車速為131.6 km/h。對比NEDC 與WLTC 循環的車速變化，WLTC 循環車速波動相對頻繁，運行工況較復雜，更貼近真實的行駛工況，WLTC 循環如圖3 所示。

CLTC 循環是由中汽研中心牽頭，建立包含3 832 輛車的采集車隊，覆蓋傳統乘用車、輕型商用車和新能源汽車，行駛超過41 個中國代表性城市，收集了約3 278×104km 的車輛運動特征、動力特征和環境特征數據，據此編制而成，因此，CLTC 循環又稱為中國工況循環。目前制定的CLTC 循環總時長1 800 s，包含低速、中速和高速3 個速度區間，最高車速114 km/h，怠速占比為22.1%，如圖4 所示，但CLTC 循環并未定稿，正在征求意見中，距離實施可能還要幾年時間。

圖3 WLTC 循環

圖4 CLTC 循環

以上3 種循環的具體參數對比如表4 所示，把各循環參數錄入CRUISE 中，形成路譜文件。

表4 NEDC、WLTC 和CLTC 循環對比

3 循環油耗仿真結果及分析

3.1 各循環油耗仿真結果

各循環油耗仿真結果如表5 所示。

表5 各循環油耗仿真結果

3.2 發動機排量與油耗的關系

針對表5 中的仿真結果，在同一車型運行同一循環工況的條件下，以搭載1.0 L 發動機的油耗結果為基準，對比搭載3 款發動機的仿真結果，得到以下結論：

當排量增加0.1 L 時，NEDC 循環的油耗上升0.10～0.13 L/100 km；WLTC 循環的油耗上升0.04～0.08 L/100 km；CLTC 循環的油耗上升0.10～0.14 L/100 km；3 個循環的油耗上升值中，WLTC 循環上升最少，與其他兩循環差異明顯，NEDC 和CLTC循環基本一致。

對于WLTC 循環油耗隨排量上升較少的原因，在其他邊界條件均相同的情況下，影響油耗的因素只有發動機萬有特性，對比3 款發動機的萬有特性Map，如圖5、圖6 所示。

圖5 （1.0 L 萬有特性-1.33 L 萬有特性）/1.0 L 萬有特性×100%

圖6 （1.0L 萬有特性-1.4 L 萬有特性）/1.0 L 萬有特性×100%

由圖5 萬有特性對比圖可以看到，紅色區域為1.33 L 發動機經濟性較好區域，綠色區域為1.0 L 發動機經濟性較好區域，即在中低負荷區域是1.0 L 發動機的經濟性較好，高負荷區域則是1.33 L 發動機經濟性較好。圖6 中，1.4 L 發動機油耗率分布規律與1.33 L 發動機類似。

不同循環的14 工況點分布如圖7 所示，工況點數據代表相應循環在該點附近運行的時間占比，各循環的14 工況點數據如表6 所示，去除1 000 r/min以下及轉矩小于零的點。

根據14 工況點，將NEDC 和WLTC 循環的主要運行區域標出，CLTC 循環運行區域與NEDC 基本一致。在50 N·m 以上的區域中，NEDC 循環運行時間占比為18.8%，WLTC 循環占比為44.5%，CLTC 循環占比為16.6%。與NEDC 和CLTC 循環對比，WLTC循環向中高負荷區域移動。1.0 L 發動機與1.33 L 發動機在中高負荷油耗率基本無差異，導致在排量增加到1.33 L 時，WLTC 循環油耗增加較少。

圖7 循環工況在油耗對比MAP 上的分布

表6 3 個循環的14 工況點轉矩分布

3.3 循環工況與油耗的關系

以車型A 搭載1.0 L 發動機的配置為研究對象，分析不同循環以及循環內不同速段對油耗的影響。

3.3.1 不同循環油耗差異

由表5 中的仿真結果顯示，在同一車型、同一發動機的情況下，3 種循環間的油耗關系為：

WLTC>CLTC>NEDC

其中，車型A 搭載1.0 L 發動機的WLTC 油耗比NEDC 高6%左右，CLTC 油耗比NEDC 高2%左右。作出3 種循環在發動機Map 上的分布對比（圖8所示），等勢線代表燃油消耗量，單位為g/h。

如圖8 所示，WLTC 循環在較高燃油消耗量區域（3 g/h 以上）運行時間占比最大，CLTC 循環相比NEDC，在高燃油消耗量區域（5 g/h 以上）運行時間占比更大。

圖8 循環工況在發動機Map 上的分布

對比不同循環的怠速、加速、勻速和減速油耗占比，如表7 所示。

表7 不同循環油耗分布%

NEDC 循環由于勻速運行時間較多，所以勻速油耗占比較大，WLTC 循環和CLTC 循環由于車速變化頻繁，加速和減速油耗較NEDC 循環占比大。

3.3.2 同一循環不同路段油耗差異

計算3 個循環的分段油耗，計算結果如表8 所示。

3 個循環的分段油耗中，中速段和高速段經濟性較好，低速段和超高速段的經濟性較差。3 個循環的低速段和WLTC 循環超高速段在發動機萬有特性圖上的主要運行區域如圖9 所示。低速段車速低，阻力小，需求的功率小，所對應區域的轉速和轉矩均較低，但該區域油耗率高，導致低速段經濟性差；WLTC循環超高速段運行區域的油耗率較低，但該段的車速最高，行駛阻力大，克服阻力所需的功率也大，所對應區域的轉速和轉矩均較高，結合圖8 燃油消耗量Map，該區域單位時間油耗量較高，導致超高速段經濟性較差。

表8 3 個循環的分段油耗L/100 km

圖9 低速段和超高速段主要運行區域

4 結論

本文以一臺1.0 L 三缸直噴增壓發動機為研究對象，將其排量增大為1.33 L 和1.4 L，使用AVL CRUISE 建立整車模型，設定3 種不同循環工況，研究不同發動機排量和不同工況循環對于整車油耗的影響，結論如下：

1）當排量增加0.1 L 時，NEDC 循環百公里油耗上升0.10～0.13 L，WLTC 循環百公里油耗上升0.04～0.08 L，CLTC 循環百公里油耗上升0.10～0.14 L。

2）3 個循環中，WLTC 循環油耗最高，CLTC 循環油耗次之，NEDC 循環油耗最低，原因為WLTC 循環平均車速遠高于NEDC 與CLTC 循環，行駛阻力大，需求的功率高，燃油消耗量高，所以油耗最高；NEDC 循環與CLTC 循環平均車速差異較小，但CLTC 循環車速變化頻繁，加速工況多，加速度大，使得發動機負荷更大，油耗更高。