低溫環(huán)境對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及排放的影響

李志廣，盧振東，孫蕭，叢日振，劉曉瑩

寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司,浙江寧波 315336

0 引言

用戶在車輛實(shí)際使用時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)：低溫環(huán)境下行駛時(shí)，燃油消耗量會(huì)增加，通常環(huán)境溫度越低，燃油消耗量越高。本文模擬用戶在不同低溫環(huán)境下進(jìn)行綜合工況駕駛，分析低溫環(huán)境對(duì)整車油耗和排放污染物情況，找出油耗及排放的變化規(guī)律，探究低溫環(huán)境溫度對(duì)排放及油耗的影響機(jī)制，挖掘整車低溫工況下降低油耗及排放的潛力。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 試驗(yàn)樣車

本次試驗(yàn)選擇一款國(guó)內(nèi)主流的A級(jí)轎車進(jìn)行整車低溫轉(zhuǎn)轂測(cè)試，排放標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)VI,發(fā)動(dòng)機(jī)為14TD,變速箱采用干式TDCT。車輛基本參數(shù)見(jiàn)表1 。

表1 車輛基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)條件：低溫環(huán)境模擬測(cè)試系統(tǒng)的底盤測(cè)功機(jī)、排氣稀釋和取樣系統(tǒng)、分析設(shè)備及其標(biāo)定應(yīng)符合GB 18352.6—2016附件CD的規(guī)定，氣體應(yīng)符合GB 18352.6—2016中附件CD.3中相關(guān)部分的規(guī)定[1]。

試驗(yàn)具體要求如下：

(1)要求的環(huán)境溫度(靜態(tài))偏差不應(yīng)超過(guò)±3.0 ℃。車輛在要求的環(huán)境溫度的環(huán)境倉(cāng)內(nèi)浸車不少于8 h，水溫、機(jī)油溫度與環(huán)境溫度一致。

(2)自動(dòng)控制系統(tǒng)的暖風(fēng)裝置和除霜裝置設(shè)置，關(guān)閉制冷空調(diào)，設(shè)置溫度為22 ℃，AUTO模式。關(guān)閉后排出風(fēng)口及控制開(kāi)關(guān)。

(3)車輛關(guān)閉啟停功能，使用NORMAL模式進(jìn)行試驗(yàn)。

(4) 在前排座椅每個(gè)乘員座布置溫度測(cè)量點(diǎn)，位置如圖1所示，試驗(yàn)過(guò)程中以不小于1 Hz的采集頻率實(shí)時(shí)連續(xù)記錄測(cè)量點(diǎn)的溫度變化。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到10 min時(shí)，記錄前排頭部平均溫度。

圖1 溫度測(cè)量點(diǎn)位置

試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)采用模擬用戶實(shí)際駕駛的綜合工況路譜曲線，如圖2所示。

測(cè)試循環(huán)由Ⅰ部(市區(qū))和Ⅱ部(市郊、高速循環(huán))兩部分組成。工況時(shí)長(zhǎng)共計(jì)1 800 s，其中Ⅰ部為1 375 s，Ⅱ部為425 s，平均車速為29.4 km/h，最大速度為120 km/h。

圖2 綜合工況路譜曲線

1.4 試驗(yàn)步驟

按照GB/T 19233—2020《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》附錄A：低溫環(huán)境下燃料消耗量試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)[2]，試驗(yàn)步驟如下：

(1)環(huán)境溫度設(shè)置按表2進(jìn)行設(shè)置,冷機(jī)狀態(tài)的車輛在目標(biāo)環(huán)境溫度環(huán)境倉(cāng)內(nèi)浸車不少于8 h，熱機(jī)狀態(tài)的車輛在目標(biāo)環(huán)境溫度環(huán)境倉(cāng)內(nèi)浸車8 h后，先以車速(90±2)km/h，等速行駛20 min后開(kāi)始試驗(yàn)。

(2)不考慮10 min 時(shí)車內(nèi)頭部平均溫度的有效性判定。

(3) 每輪測(cè)試開(kāi)始前將車輛蓄電池充電達(dá)到100%狀態(tài)。

(4)按照GB 18352.6—2016附件CE測(cè)得的CO2、CO和HC排放量，分別計(jì)算各速度段和綜合燃料消耗量。

燃料消耗量計(jì)算公式為：

(0.273×QCO2)]

(1)

式中：QFC為燃料消耗量，L/km；

QHC為碳?xì)渑欧帕浚琯/km；

QCO為一氧化碳排放量，g/km；

QCO2為二氧化碳排放量，g/km；

ρ為288 K下試驗(yàn)燃料的密度,kg/L。

2 排放及油耗試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低溫對(duì)排放污染物的影響

排放污染物按照GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》的測(cè)試方法進(jìn)行[1]，整車公告認(rèn)證測(cè)試時(shí)需要進(jìn)行Ⅵ型低溫(-7 ℃)冷啟動(dòng)后排氣中CO、THC和NOx排放試驗(yàn)。此次試驗(yàn)為了研究低溫環(huán)境對(duì)車輛排放污染物的影響，仿照Ⅵ型試驗(yàn)對(duì)不同低溫環(huán)境下的氣體污染物排放量進(jìn)行對(duì)比，由于采集設(shè)備有低溫限制，PN未測(cè)量。

污染物排放增量如圖3所示，低溫對(duì)整車污染物排放量的影響見(jiàn)表3。由圖和表可知，整車在常溫?zé)釕B(tài)的污染物排放量較低，在冷機(jī)狀態(tài)下污染物排放量增幅較大：THC排放量增加29～305 mg/km，增幅為1 636%～17 092%；CO排放量增加83～763 mg/km，增幅為2 336%～21 376%；NOx排放量增加4～22 mg/km，增幅為79%～482%；NMHC排放量增加16～276 mg/km，增幅為160%～2 760%。

污染物排放量秒采數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖可以看到，主要的排氣污染物在前200 s內(nèi)產(chǎn)生。環(huán)境溫度越低，污染物的峰值越高，持續(xù)時(shí)間就越長(zhǎng)。

圖3 污染物排放增量

表3 低溫對(duì)整車污染物排放量的影響

圖4 污染物排放量秒采數(shù)據(jù)

2.2 低溫對(duì)油耗的影響

為了研究低溫環(huán)境對(duì)車輛油耗的影響，對(duì)不同低溫環(huán)境下的油耗量進(jìn)行對(duì)比，由表4和圖5可知，綜合工況常溫?zé)釞C(jī)狀態(tài)的油耗量較低，在冷機(jī)狀態(tài)下環(huán)境溫度越低油耗增幅越大：10 ℃油耗量增加0.007 L/km，增幅為11%；0 ℃油耗量增加0.013 L/km，增幅為19%；-15 ℃油耗量增加0.02 L/km，增幅為30%。當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí)，每降低5 ℃，綜合工況下整車油耗升高為0.002～0.003 L/km。

表4 低溫對(duì)整車油耗的影響

圖5 低溫整車油耗增量

對(duì)比市區(qū)工況和市郊工況，市區(qū)油耗增加0.009 5～0.030 6 L/km,增幅13%～42%,是油耗差異的主要來(lái)源;市郊油耗增加0.000 3～0.004 2 L/km,是油耗增幅0.5%～7%,市郊工況屬于熱機(jī)行駛，對(duì)油耗結(jié)果影響相對(duì)很小。

圖6為低溫燃油消耗量秒采數(shù)據(jù)。由圖可知，累計(jì)油耗量差值線性變化趨勢(shì)，說(shuō)明各運(yùn)行工況油耗均存在差異，導(dǎo)致累計(jì)油耗量差異逐漸變大。

圖6 低溫燃油消耗量秒采數(shù)據(jù)

3 油耗排放影響分析

環(huán)境溫度-15、0、10 ℃冷機(jī)開(kāi)暖風(fēng)油耗變化量為11%～30%,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，主要影響因素為：整車行駛阻力、整車電耗、怠速油耗、暖機(jī)過(guò)程。

3.1 整車行駛阻力對(duì)油耗的影響

道路行駛阻力的大小直接影響綜合油耗的結(jié)果，準(zhǔn)確測(cè)量行駛阻力是確保轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)?zāi)芊裾鎸?shí)反映車輛實(shí)際狀況的前提和關(guān)鍵。道路行駛阻力通過(guò)道路上測(cè)量滑行時(shí)間，計(jì)算能量變化的方法獲得試驗(yàn)狀態(tài)下的阻力功率，然后通過(guò)溫度和大氣壓力，把試驗(yàn)狀態(tài)下的阻力功率校正到基準(zhǔn)狀態(tài)下的阻力功率，從而獲得基準(zhǔn)狀態(tài)下各速度點(diǎn)的行駛阻力[3]。現(xiàn)行試驗(yàn)方法校正過(guò)程的總行駛阻力包括滾動(dòng)阻力和空氣阻力，通常忽略汽車內(nèi)部阻力。

試驗(yàn)基于常溫整車實(shí)際滑行阻力數(shù)據(jù)擬合出常溫轉(zhuǎn)轂需加載的阻力，低溫試驗(yàn)保持常溫的轉(zhuǎn)轂加載阻力不變，即滾動(dòng)阻力和空氣阻力保持不變，變量為低溫狀態(tài)下汽車內(nèi)部阻力。該車不同環(huán)境溫度下的綜合工況克服阻力做功和油耗見(jiàn)表5。環(huán)境溫度越低，克服阻力做功越大，對(duì)油耗的影響越多。

表5 不同環(huán)境溫度下的綜合工況克服阻力做功和油耗

3.2 整車電耗對(duì)油耗的影響

整車電耗通常指車輛用電器的總耗電量，即發(fā)電機(jī)發(fā)電量，通過(guò)電流表測(cè)量發(fā)電機(jī)的電流，電壓表測(cè)量蓄電池電壓，計(jì)算出綜合工況發(fā)電機(jī)的總發(fā)電量。由表6試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知：環(huán)境溫度越低，發(fā)電機(jī)電耗量越大，對(duì)油耗的影響越多?？刹捎弥悄馨l(fā)電機(jī)、IBS傳感器、優(yōu)化用電設(shè)備匹配等技術(shù)降低整車電耗，優(yōu)化整車油耗、排放水平。

表6 不同溫度整車電耗值

3.3 怠速對(duì)油耗的影響

綜合工況中的怠速累計(jì)時(shí)長(zhǎng)255 s，將怠速燃油消耗量秒采數(shù)據(jù)提取出來(lái)進(jìn)行分析,如圖7所示，低溫怠速總油耗量增加為0.022～0.035 L，增幅為42%～68%。環(huán)境溫度越低，怠速油耗量越大，對(duì)油耗的影響也越大。可通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功、怠速轉(zhuǎn)速、怠速扭矩儲(chǔ)備、怠速點(diǎn)火角等技術(shù)降低怠速油耗。

圖7 怠速油耗秒采累計(jì)曲線

3.4 暖機(jī)過(guò)程對(duì)油耗的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)暖機(jī)過(guò)程指的是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功后，機(jī)內(nèi)冷卻水和機(jī)油從較低溫度上升至正常溫度的過(guò)程，該過(guò)程主要包括拖動(dòng)、起動(dòng)、后起動(dòng)和暖機(jī)4 個(gè)階段[4]。該過(guò)程歷時(shí)較長(zhǎng)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)各總成的磨損和整機(jī)的油耗和排放。

暖機(jī)時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7，暖機(jī)過(guò)程溫升變化曲線如圖8所示。由表和圖可以看到，環(huán)境溫度越低，暖機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)油耗的影響越大?？刹捎酶咨w集成排氣歧管、雙節(jié)溫器、電子水泵等技術(shù)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)時(shí)間，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)油耗和排放，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

表7 暖機(jī)時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

圖8 暖機(jī)過(guò)程溫升變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)模擬整車在低溫環(huán)境狀態(tài)下的試驗(yàn)測(cè)試，分析低溫環(huán)境對(duì)汽車油耗和排放污染物的變化規(guī)律，探究低溫環(huán)境溫度對(duì)排放及油耗的影響機(jī)制和降低油耗及排放的潛力。測(cè)試結(jié)果表明：低溫環(huán)境溫度下油耗變化量相對(duì)25 ℃常溫?zé)釞C(jī)工況增加10%～30%,排放變化量增加79%～21 376%，分析主要影響因素為整車行駛阻力、整車電耗、怠速油耗、暖機(jī)過(guò)程。當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí)，每降低5 ℃，綜合工況下整車油耗升高為0.002～0.003 L/km。