不同轉(zhuǎn)鼓加載阻力下的輕型汽車WLTC 油耗差異

殷健力，宮寶利，馬 毅，崔連波，胡 君，曹金珠

（1.中國汽車工程研究院，重慶 401122；2.廣東汽車檢測中心有限公司，廣東，佛山 528000）

1 背景及相關(guān)研究

中國現(xiàn)階段油耗及國六之前的排放型式認(rèn)證，均延續(xù)歐盟測試體系，采用新歐洲駕駛周期（New European Driving Cycle，NEDC），該循環(huán)持續(xù)時間為1 180 s，由4 個分別包含15 個穩(wěn)態(tài)工況的市區(qū)循環(huán)和一個包含13 個穩(wěn)態(tài)工況的市郊循環(huán)組成。然而，隨著汽車技術(shù)的不斷進步，影響汽車排放和油耗的因素變得復(fù)雜，再加上NEDC 測試法規(guī)較為寬松的限定，導(dǎo)致車輛實際行駛油耗和排放RDE與型式認(rèn)證結(jié)果偏差較大。為了改善此問題，國六排放標(biāo)準(zhǔn)于2016 年12 月23 日發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)引入WLTC，即全球輕型汽車測試循環(huán)（Worldwide Light-Duty Test Cycle）。該循環(huán)由低速段（Low）、中速段（Medium）、高速段（High）和超高速段（Extra High）組成，持續(xù)時間為1 800 s[1]。相比于NEDC，WLTC 為瞬態(tài)工況，且具有測試時長更長、最高車速增加等特點，其排放和油耗測試結(jié)果更接近于車輛實際行駛狀況。WLTC 大有取代NEDC 成為油耗型式認(rèn)證工況的趨勢，對車輛在WLTC 工況下的油耗研究很有必要。

輕型汽車的綜合油耗測試過程中，需要通過轉(zhuǎn)鼓實現(xiàn)汽車道路阻力的精準(zhǔn)重現(xiàn)。對轉(zhuǎn)鼓的設(shè)定方式，特別是阻力加載，對綜合油耗結(jié)果有著直接影響。目前國內(nèi)外相關(guān)方面的研究主要集中在以下幾方面：TSOKOLIS 等[2]根據(jù)多輛乘用車油耗測試結(jié)果，分析NEDC 和WLTC 循環(huán)在運動特性上的差異。GAO Jianbing 等[3]通過試驗得出車速及加速度對WLTC循環(huán)下的柴油車油耗的影響程度。ZACHIOTIS 等[4]分析了風(fēng)速、表面濕度、輪胎氣壓、輔助電源等對WLTC 下的柴油貨車油耗和排放的影響。郭千里[5]研究WLTC 與NEDC 的速度與加速度分布圖的差異，以及對油耗的影響。袁建軍等[6]研究不同的風(fēng)速和環(huán)境溫度對汽車的行駛阻力及轉(zhuǎn)鼓油耗的影響。關(guān)于不同的轉(zhuǎn)鼓設(shè)定方式，潘朋等[7]最早對比了不同熱車狀況、車輛固定方式、輪胎情況等因素對轉(zhuǎn)鼓加載阻力和油耗的影響。方盧耀等[8]比較了國五排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種載荷加載方式，即“國五滑行法”和“查表法”對油耗測試結(jié)果的影響，提出根據(jù)不同試驗?zāi)繕?biāo)選擇不同載荷阻力的設(shè)置方法。王霞等[9]對比了兩組加載阻力系數(shù)下，某車輛在WLTC 循環(huán)各個速度段的油耗及排放水平，但止步于定性分析階段。以上研究大多從不同的邊界條件及轉(zhuǎn)鼓設(shè)定方式，對WLTC 油耗測試結(jié)果進行了分析，但缺少對于轉(zhuǎn)鼓阻力加載對油耗影響的定量分析方法。

本文針對國六標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種阻力加載方法，即“國六滑行法”和“計算法”，對車輛在轉(zhuǎn)鼓上的運行過程進行受力分析，得出工況曲線的“受力臨界點”，根據(jù)不同的區(qū)間，分別采用不同方法計算車輛油耗，進而引出修正后的“循環(huán)能量需求”的概念。理論分析表明，循環(huán)能量需求同油耗成正比關(guān)系，并通過試驗驗證了該理論的合理性。在此基礎(chǔ)上，對不同參數(shù)車輛的循環(huán)能量需求進行分析，得出兩種加載方式下，WLTC 綜合油耗的差異情況及影響因素。

2 車輛在轉(zhuǎn)鼓上運行時的油耗計算

車輛在路面上行駛時，受到的阻力為車速v的二次函數(shù)。假設(shè)已知車輛的阻力系數(shù)分別為常數(shù)項系數(shù)f0、一次項系數(shù)f1、二次項系數(shù)f2，測試質(zhì)量為MT。則汽車在實際道路上行駛時所受總阻力Ft的表達式為：

其中f0、f1、f2的單位分別為N、N/(km·h-1)和N/(km·h-1)2；MT的單位為kg；δ為轉(zhuǎn)動慣量修正系數(shù)。當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)鼓上運行時，受到的總阻力為：

由式（1）～（3）得出車輛在轉(zhuǎn)鼓上運行的受力方程為：

令時的車速為循環(huán)的速度臨界點，離散的速度臨界點將測試循環(huán)分割為不同的時間區(qū)間：則在某區(qū)間內(nèi)必然存在兩種情況：假設(shè)在Ti區(qū)間中存在的關(guān)系，則該時間段內(nèi)汽車發(fā)動機為對外做功的狀態(tài)，此時單位時間內(nèi)燃油消耗量qi的計算公式為：

式中：qi的單位為 L/s；Pe為發(fā)動機有效功率，kW；ge為發(fā)動機有效燃油消耗率，是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，g/(kWh)； )ρ為燃油密度，g/ml。根據(jù)汽車動力學(xué)，Pe與Ft'的關(guān)系為：

式中：ηT為總傳動系數(shù)。結(jié)合式（4）～（6），Ti區(qū)間內(nèi)燃油消耗量Vi的計算公式為：

式中：Vi的單位為L；ti,start和ti,end分別為Ti的起始時刻。假設(shè)Tj內(nèi)存在的關(guān)系式，則該時間段內(nèi)發(fā)動機不對外做功，車輛處于怠速狀態(tài)或減速斷油狀態(tài)。設(shè)車輛單位時間內(nèi)的怠速油耗為qidle，ml/s。則有以下關(guān)系式：

設(shè)車輛在測試循環(huán)中行駛的里程為dcycle，km，則百公里油耗Qcycle的計算式為：

其中Qcycle單位為L/100 km，dcycle可通過以下公式計算：

3 車輛循環(huán)能量需求

令：

E'即為該車輛在該加載阻力下的循環(huán)能量需求，單位為J。由上述計算式可以看出，當(dāng)不考慮怠速階段產(chǎn)生的油耗時，E'與Qcycle成正比關(guān)系。將測試循環(huán)分割成?t為1 s 的單位時間段，設(shè)Tk為第（k-1）秒和第k秒之間的時間段。定義所有時間段的集合為Tcycle，vk為車輛在tk時刻的目標(biāo)速度，km/h。按照以下式子定義集合T+和T-：

則式（12）可以變?yōu)椋?/p>

為了補償發(fā)動機怠速階段的能量消耗，定義循環(huán)能量修正值K，根據(jù)式（8）及燃油能量計算公式，K的計算式如式（17）所示。令修正后的循環(huán)能量需求E為：

式中：ρ為燃油密度，g/ml；q為燃油熱值，J/g；?mη為發(fā)動機熱效率。修正后的循環(huán)能量需求反映了車輛在特定的轉(zhuǎn)鼓加載阻力下，行駛測試循環(huán)所需要對外做的功的總和。

4 試驗驗證循環(huán)能量需求同油耗的關(guān)系

根據(jù)國六標(biāo)準(zhǔn)，常用的車輛阻力加載有如下幾種方式：一是實際道路滑行法，即通過固定風(fēng)速儀或車載風(fēng)速儀，基于車輛在試驗道路上的滑行試驗得出。該方法能較為精確地模擬車輛實際道路的阻力載荷情況，是目前進行輕型車國六排放認(rèn)證的首選，但該方法受滑行場地條件、氣候、周期和成本的限制較大。另一種方法是基于車輛參數(shù)的計算法，具體為：根據(jù)車輛的測試質(zhì)量和外形尺寸，按照式（18）～（20）計算轉(zhuǎn)鼓加載的阻力系數(shù)

式中：W為車輛寬度，m；H為車輛高度，m。

通過計算法可以快速確定車輛的阻力加載系數(shù)，但在某些情況下與車輛實際道路行駛情況偏差較大。其它的加載方法，如采用風(fēng)洞與轉(zhuǎn)鼓或者平帶式測功機相結(jié)合的方式確定道路載荷，本文暫不討論。

為了驗證不同轉(zhuǎn)鼓加載阻力下， WLTC 循環(huán)能量需求同油耗測試的關(guān)系，選取10 臺不同參數(shù)的車輛，分別采用國六滑行法和計算法得出阻力加載系數(shù)，見表1。

對每臺車分別在兩種加載方式下的循環(huán)能量需求進行計算。以1 號車為例，用前文公式計算速度臨界點以及兩種加載下的WLTC 各速度段的T-分布，結(jié)果如圖1 ～8 所示?？梢姴捎没蟹ê陀嬎惴▋煞N加載方式，對應(yīng)的WLTC 各個速度段的T-及T+的分布比較接近。統(tǒng)計各個速度段下T-的時間長度及比例，如表2 所示：該車輛在各個速度段下，滑行法的T-長度要略大于計算法，表明滑行法加載下汽車怠速時間更長，發(fā)動機做功時間更短。

表1 測試車輛的參數(shù)及加載阻力

圖1 滑行法加載的低速段T-和T+分布

圖2 計算法加載的低速段T-和T+分布

圖3 滑行法加載的中速段T-和T+分布

圖4 計算法加載的中速段T-和T+分布

圖5 滑行法加載的高速段T-和T+分布

圖6 計算法加載的高速段T-和T+分布

圖7 滑行法加載的超高速段T-和T+分布

圖8 計算法加載的超高速段T-和T+分布

對單臺車在某種加載方式下各個速度段的結(jié)果進行縱向比較，由表2 可知，低速段T-的長度和比例最大，接近三分之一；其次為中速段和高速段；超高速段T-的長度和比例最小。表明車輛在WLTC 低速段和中速段中，怠速階段對油耗的影響最大，而高速和超高速階段的怠速時間總和較小，該部分的怠速油耗對綜合油耗的影響最小。

表2 某車輛在WLTC 各速度段的T-長度及比例

表3 WLTC 各速度段下滑行法和計算法的循環(huán)能量需求

根據(jù)式（15）～（17），計算每輛車在滑行法和計算法加載方式下的WLTC 各速度段的循環(huán)能量需求，分別定義為Ei,j,co和Ei,j,ca。其中i為車輛代號，j代表不同的速度段。計算結(jié)果見表3。

按照GB18352.6—2016 中的測試規(guī)程對10 輛車分別進行轉(zhuǎn)鼓油耗測試。采用日本Horiba 公司的CVS-7200S 定容采樣系統(tǒng)以及MEXA-7400HLE 分析儀、德國Maha 公司的AIP-ECDM-48M 轉(zhuǎn)鼓、德國Intech 公司的環(huán)境模擬倉。試驗前對表1 中的車輛進行準(zhǔn)備：所有車輛加入同一批次的國六基準(zhǔn)燃油，并在正式工況測試前15 小時左右對車輛進行WLTC 循環(huán)的預(yù)處理。隨后將車輛放置于溫度控制在23℃±3℃的浸車間。浸車結(jié)束時檢查發(fā)動機的油溫和水溫，保證其達到室內(nèi)溫度的±2℃。對于同一輛車的兩次測試，應(yīng)保證駕駛?cè)藛T、輪胎氣壓、車輛加固方式等一致。對測試結(jié)果采用碳平衡法計算WLTC 各個速度段下的百公里油耗，采用滑行法加載方式測得的百公里油耗定義為Qi,j,co，采用計算法加載方式測得的百公里油耗定義為Qi,j,ca，L/100 km，其中i和j分別為車輛代號和WLTC 循環(huán)速度段。為了比較油耗測試結(jié)果同循環(huán)能量需求的差異，定義以下變量：

統(tǒng)計油耗測試結(jié)果，如圖9 ～13 所示。低速段和中速段的D值差異比較大，而高速段和超高速段的D值差異較小，表明相比于低速段和中速段，循環(huán)能量需求在高速段和超高速段能更好地反映車輛油耗水平。分析其原因是由于低速段和中速段中T-的長度及比例較高，而T-部分的能量消耗是通過修正值K來補償。由于在本次試驗中，K的計算過程采用車輛經(jīng)驗怠速油耗及發(fā)動機熱效率參與計算，存在一定偏差。而高速段和超高速段中T-的長度和比例較小，由循環(huán)能量修正值引起的差異較小，所以準(zhǔn)確程度較高。從WLTC 綜合階段結(jié)果來看，車輛在不同加載阻力下循環(huán)能量需求的差異同油耗的差異基本一致，兩者的百分比差異基本在3%以內(nèi)。

圖9 WLTC 低速段下的Di, j, E 和Di, j,Q 對比

圖10 WLTC 中速段下的Di, j, E 和Di, j,Q 對比

圖11 WLTC 高速段下的Di, j, E 和Di, j,Q 對比

圖12 WLTC 超高速段下的Di, j, E 和Di, j,Q 對比

圖13 WLTC 綜合段下的Di, j, E 和Di, j,Q 對比

5 滑行法和計算法的油耗差異及影響因素

由圖13 中10 輛車的綜合油耗對比看出，7 輛M1 類車輛采用計算法所測得的油耗要高于滑行法，差異大部分在10%～20%之間。而兩輛N1 類車輛兩種加載方式的結(jié)果比較相近，差異小于5%，甚至其中一輛計算法的結(jié)果要小于滑行法。為了進一步探討滑行法和計算法下的WLTC 油耗差異以及影響因素，對兩種情況下的車輛阻力計算公式進行對比分析。

汽車在實際道路上行駛的阻力主要來自于滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、慣性力Fi和坡道阻力Fj。其中滾動阻力同車輛質(zhì)量m和滾動阻力系數(shù)f有關(guān)；空氣阻力同汽車迎風(fēng)面積A和空氣阻力系數(shù)CD、相對速度u（km/h）有關(guān)。Ft計算式如下所示。

式中：g為重力加速度；?為坡道與水平面的夾角?？紤]車輛在無坡度的平直、無風(fēng)路面上行駛的情況，結(jié)合式（23）、（24）可得出以下關(guān)系式：

比較式（28）和式（18）～（20），可以看出采用計算法得到的阻力系數(shù)只與車輛質(zhì)量和迎風(fēng)面積有關(guān)，并沒有體現(xiàn)出不同空氣阻力系數(shù)和滾動阻力系數(shù)車輛之間的差異。在不考慮滾動阻力系數(shù)的前提下，對 35 臺不同空氣阻力系數(shù)的車輛分別進行滑行法和計算法的阻力系數(shù)測量，得出WLTC 循環(huán)需求能量差異的百分比，即Di,j,E值。結(jié)果如圖14 ～18 所示。

圖14 WLTC 低速階段下的Di, j,E

圖15 WLTC 中速階段下的Di, j,E

圖16 WLTC 高速階段下的Di, j,E

圖17 WLTC 超高速階段下的Di, j,E

圖18 WLTC 綜合段的Di, j,E

對圖18 進行分析，當(dāng)空氣阻力系數(shù)小于0.4 時，大部分的車輛采用計算法加載的循環(huán)能量需求要高于滑行法，差異百分比大致在5%～20%之間；而當(dāng)空氣阻力系數(shù)大于0.4，兩種加載方法下的循環(huán)能量需求差異不大，甚至有部分車輛出現(xiàn)計算法略微小于滑行法的情況。整體上看，計算法相比于滑行法的循環(huán)能量需求的差異隨著空氣阻力系數(shù)的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。根據(jù)圖14 ～17，低速段和中速段的D值分布受空氣阻力系數(shù)的影響較小，且基本在±5%以內(nèi)，表明兩種加載方式下循環(huán)能量需求較接近；高速段和超高速段的D值分布受空氣阻力系數(shù)的影響較大，且隨著空氣阻力系數(shù)的增加而減小。由式（25）也可以看出，車輛的空氣阻力與車速成二次函數(shù)關(guān)系，對高速階段的影響比例較大。

6 結(jié)論

（1）通過對車輛在轉(zhuǎn)鼓上的受力進行分析得出：在WLTC 循環(huán)國六滑行法和計算法加載下，T-與T+區(qū)間分布較為接近。其中，低速段有30%左右的時間發(fā)動機沒有對外做功，而對于中速段、高速段和超高速段，這個比例分別大致是25%、20%和15%。

（2）通過10 臺車輛的WLTC 油耗試驗得出：對于同一款或同一系族車輛，兩種加載方式下，車輛的循環(huán)能量需求差異比同實測油耗差異比基本一致，表明循環(huán)能量需求同車輛油耗測試結(jié)果存在正比關(guān)系，為研究不同加載阻力對測試循環(huán)油耗的影響提供了定量分析方法。

（3）由試驗分析及同一輛車下循環(huán)能量需求和油耗的關(guān)系得出：WLTC 循環(huán)下采用滑行法和計算法測得的油耗差異同車輛的空氣阻力系數(shù)有關(guān)，一般來說空氣阻力系數(shù)越大，兩者油耗差異越小。當(dāng)空氣阻力系數(shù)小于0.4 時，大部分的車輛計算法油耗要比滑行法油耗高出5%～20%；當(dāng)空氣阻力系數(shù)大于0.4 時，兩種加載方式下的油耗差異不大，部分車輛出現(xiàn)計算法油耗大于滑行法的情況。此結(jié)論為WLTC 油耗測試的阻力加載選擇提供如下依據(jù)：對于空氣系數(shù)較小的轎車和多用途乘用車，采用滑行法測得的油耗更加接近于真實道路的油耗情況；而對于空氣阻力較大的車輛如某些載貨汽車，在綜合考慮準(zhǔn)確性和測試成本的基礎(chǔ)上，采用計算法是一種較好的選擇。