輕型汽油車I型排放與工況油耗影響因素

黃　山Huang Shan（海南熱帶汽車試驗有限公司，海南　瓊?！?71400）

輕型汽油車I型排放與工況油耗影響因素

黃山
Huang Shan
（海南熱帶汽車試驗有限公司，海南瓊海571400）

通過對手動汽油乘用車進行試驗，分別研究在滿足標(biāo)準(zhǔn)情況下試驗前不同的機油及冷卻水溫度、底盤測功機道路阻力設(shè)定方法、CVS[1]（Constant Volume Sampling，等容取樣法）流量以及駕駛員對尾氣排放及工況油耗的影響程度，并分別提出控制建議。因此，嚴(yán)格控制記錄試驗室排放及工況油耗測量試驗過程，對試驗的一致性和重復(fù)性具有重要作用。

排放；工況油耗；影響因素；流量；等容取樣

0　引　言

《GB18352.3—2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》[1]規(guī)定在試驗室內(nèi)測量I型排放試驗，過程復(fù)雜，影響因素較多。隨著國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)2013年正式發(fā)布，I型排放限值有了更高的要求，試驗因素和方法選取的影響較以前更明顯，因此，研究分析在滿足標(biāo)準(zhǔn)情況下，條件因素發(fā)生變化對結(jié)果產(chǎn)生的影響程度具有重要意義。

《GB19233—2008輕型汽車燃料消耗量試驗方法》[2]規(guī)定按照GB18352.3—2005標(biāo)準(zhǔn)中I型排放工況循環(huán)測量HC、CO、CO2排放量，以碳平衡法計算出汽車工況油耗。碳平衡油耗計算法是目前國際上通行的試驗室內(nèi)輕型汽車工況油耗計算方法。對工況油耗試驗過程影響因素和方法的控制與I型排放相似；因此，在滿足標(biāo)準(zhǔn)情況下對I型排放研究分析，判斷對工況油耗的影響程度。

通過在滿足標(biāo)準(zhǔn)條件要求下設(shè)定研究方案，選擇在試驗過程中易忽略的或者易發(fā)生變化的4個因素進行分析，對樣車試驗前不同的機油及冷卻水溫度、底盤測功機道路阻力設(shè)定方法、CVS流量以及駕駛員4個因素分別進行分析討論。

1　試驗方案

1.1試驗樣車

試驗樣車為某國產(chǎn)5擋手動汽油乘用車，主要技術(shù)參數(shù)為：當(dāng)量慣量1250kg，里程3856km，發(fā)動機排量1495ml，額定功率80kW。燃料，輪胎氣壓、發(fā)動機潤滑油等條件不變。

1.2試驗方法

試驗過程參照常溫下冷起動后排氣污染物I型排放試驗要求進行，試驗設(shè)備包括AVL底盤測功機、HORIBA排放分析儀和IMTECH環(huán)境倉等設(shè)備。

1.3試驗方案內(nèi)容

對試驗前不同的機油及冷卻水溫度、底盤測功機道路阻力設(shè)定方法、CVS流量以及駕駛員4個影響因素進行研究，分析在各個方案中當(dāng)其他條件不變時，所討論的4個因素發(fā)生變化分別對I型排放及工況油耗的影響程度。

1）比較試驗前樣車機油和冷卻水溫度不同情況下試驗結(jié)果的差異，分析產(chǎn)生的原因并提出建議。

2）比較底盤測功機2種常用設(shè)定方法對結(jié)果產(chǎn)生的影響，分析產(chǎn)生的原因，提出建議。

3）研究不同的CVS流量對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，對結(jié)果進行分析討論。

4）由不同駕駛員進行試驗，分析結(jié)果的差異和產(chǎn)生的原因并提出建議。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1試驗前樣車機油和冷卻水溫度的影響

冷啟動時，發(fā)動機處于開環(huán)控制方式。進氣流速、進氣溫度、冷卻水溫度均處于偏低狀態(tài)，燃油噴射后霧化差，不易與空氣混合均勻，并且零件間潤滑較差，因此冷啟動時一般設(shè)定較大燃油噴射量來滿足車輛啟動。燃油噴射量的多少取決于發(fā)動機水溫的高低。過濃混合氣往往導(dǎo)致燃燒不完全，產(chǎn)生大量CO和HC，所以冷啟動時CO和HC排放量顯著高于正常運轉(zhuǎn)工況[3]。通過圖1和圖2瞬態(tài)過程數(shù)據(jù)可以看出汽車在點火后前100s的時間內(nèi)排放物明顯增多，出現(xiàn)最高峰值。隨著工況進行，發(fā)動機處于閉環(huán)控制方式，HC和CO排放得到較精準(zhǔn)的控制。

浸車時間長短、浸車環(huán)境溫度的高低最終影響到試驗前樣車發(fā)動機機油和冷卻水散熱速度。在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，相同的時間間隔（24h），不同的浸車環(huán)境溫度（22℃，25℃，28℃），試驗前測量機油和冷卻水溫度，與室內(nèi)溫度差均在-0.5～0.5℃范圍內(nèi)，對3種不同溫度所產(chǎn)生的排放和油耗進行研究分析。

由表1數(shù)據(jù)可以看出該樣車在滿足標(biāo)準(zhǔn)溫度要求20～30℃的范圍時，22℃和28℃的綜合THC具有0.015g/km的差值；綜合CO具有0.187g/km的差值；綜合工況油耗有0.08L/100km的差值；22℃和25℃的綜合NOx具有0.004g/km的差值。在試驗的3種溫度中，HC和CO隨著溫度的升高有明顯的減少趨勢，而NOx和CO2隨著溫度的遞增遞減趨勢不明顯。

表1　不同溫度下產(chǎn)生的排放和油耗

在實驗室排放測量過程中，試驗前樣車機油和冷卻水溫度的高低不同極易導(dǎo)致排放結(jié)果不一致。隨著機油和冷卻水溫度的升高，HC和CO排放物明顯減少（尤其在P1階段）。對試驗前發(fā)動機機油和冷卻水溫度的把握要嚴(yán)格并記錄，或者通過縮小溫度范圍，提高結(jié)果的重復(fù)性，試驗才具有可比性。

2.2底盤測功機加載阻力設(shè)定方法的影響

滑行能量變化法是計算道路行駛阻力最普遍采用的方法。試驗時，汽車在標(biāo)準(zhǔn)要求路面上加速直至車速穩(wěn)定后空擋減速滑行，根據(jù)汽車從V+△v減速到V-△v的時間計算出車速V時的道路行駛阻力并校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，然后在測功機上進行模擬后加載。查表法是標(biāo)準(zhǔn)中允許采用的，即經(jīng)制造廠同意可替代加載方法。

通過對試驗樣車進行底盤測功機道路滑行行駛阻力模擬，由圖3可以看出，針對所選試驗樣車，在車速小于100km/h時底盤測功機上的滑行法加載阻力比查表法的阻力大，車速大于100km/h時阻力相差不大。

表2　不同阻力設(shè)定方法下產(chǎn)生的排放和油耗

由表2數(shù)據(jù)得出該樣車綜合THC具有0.002g/km的差值；綜合CO具有0.025g/km的差值；而NOx具有0.002g/km的差值；CO2具有7g/km的差值；綜合工況油耗有0.30L/100km的差值。阻力加載方法的不同直接影響排放和油耗測量結(jié)果，方法不同歸根結(jié)底在于樣車驅(qū)動輪所受負(fù)荷大小不同。

底盤測功機阻力設(shè)定方法的選取要明確并記錄，避免產(chǎn)生不必要的誤差。2種常用方法在試驗過程各具優(yōu)勢。查表法操作簡便，同一慣量級別車輛可通過查表法統(tǒng)一比較；滑行法適用于具體車型的研發(fā)試驗，但求道路行駛阻力及模擬的過程往往存在誤差，操作步驟較復(fù)雜，不易控制。

2.3CVS稀釋流量的選擇不同的影響

CVS是用外界空氣以一定比例稀釋從被檢測的汽車上取得的排氣樣氣，并用專門的泵連續(xù)取出稀釋樣氣收集在樣袋中，體積流量在充灌樣袋階段保持不變的排氣取樣法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通常保證稀釋排氣取樣袋中CO2容積濃度保持在3%以下，并且有足夠的流量防止水冷凝，避免由此產(chǎn)生的NOx損失以及取樣氣體再次反應(yīng)。在實際試驗過程中，實驗室選取CVS稀釋流量在滿足標(biāo)準(zhǔn)的同時，大小存在一定差別，通過選取流量相差約4m3/min的3種流量來比較測量結(jié)果（見表3）。

表3　不同流量下產(chǎn)生的排放和油耗

表3試驗數(shù)據(jù)可以看出，該樣車試驗所選取的3種流量中，4.11m3/min 和11.95m3/minTHC的差值為0.001g/km；CO的差值為0.013g/km；NOx的差值為0.001g/km；3種流量中CO2的差值為1g/km，綜合工況油耗有0.04L/100km的差值。

隨著標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，在規(guī)定的檢測循環(huán)階段，稀釋排氣中的有害物濃度與稀釋空氣中的有害物濃度達(dá)到不相上下的程度，尤其是市郊循環(huán)，這就易產(chǎn)生測量方面的困難。在滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況下適當(dāng)降低CVS的稀釋度，提高樣氣袋中的尾氣氣體濃度，通過與空氣相關(guān)污染物濃度的差值來計算汽車排放物的方式較為常見，但前后結(jié)果一致性較低。因此，在進行產(chǎn)品比對、匹配或調(diào)試試驗過程中，需保證流量的統(tǒng)一，確保結(jié)果具有可比性。

2.4駕駛員的影響

在同一試驗條件下，實驗室隨機選取 2位具備標(biāo)準(zhǔn)操作能力要求的駕駛員A，B，試驗所得結(jié)果見表4。

表4　不同駕駛員產(chǎn)生的排放和油耗

由表4可看出，隨機選取的2位符合標(biāo)準(zhǔn)要求能力的駕駛員A，B進行試驗，THC有0.008g/km的差值，CO有0.022g/km的差值，NOx有0.003g/km的差值，CO2有4g/km的差值，綜合工況油耗A比B高0.17L/100km。

在實驗室排放及油耗測量時，駕駛員的隨機選擇隨著標(biāo)準(zhǔn)限值的降低，對試驗結(jié)果產(chǎn)生的差值影響不斷被放大。加強駕駛員的培訓(xùn)，尤其低速段的快速穩(wěn)定能力，嚴(yán)格要求駕駛員的操作步驟，熟悉曲線的節(jié)點，同時駕駛員可通過預(yù)處理試驗熟悉車輛狀況，或者通過開發(fā)自動駕駛機器人來提高結(jié)果的一致性。

3　總　結(jié)

I型排放及工況油耗試驗過程中，通過對以上4個影響因素分別進行討論，可以假設(shè)所選樣車在進行排放或者工況油耗試驗時，將樣車機油和冷卻水溫度、底盤測功機加載阻力設(shè)定方法、CVS稀釋流量以及駕駛員4個影響因素在上述各個方案下產(chǎn)生排放物及油耗的差值分別進行累計相加，測量結(jié)果理論上存在某種極限差值狀態(tài)：

對影響因素不嚴(yán)格記錄控制往往造成測量比對結(jié)果忽多忽少。研究其影響因素對I型排放及工況油耗的測量準(zhǔn)確性、重復(fù)性具有重要意義。所選試驗樣車僅對4個因素進行了分析討論，隨著標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，今后將繼續(xù)深入研究，同時擴大研究車輛類型。

[1]GB/T 18352.3-2005，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（國Ⅲ、Ⅳ階段）[S].

[2]GB/T 19233-2008，輕型汽車燃料消耗量試驗方法[S].

[3]周龍保、劉巽俊、高宗英，等.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]魏春源 譯.汽車工程手冊[M]，北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

U467.1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.04.009

1002-4581（2016）04-0038-04

2016-03-15