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北汽 | WLTC与NEDC循环油耗差异性研究

2020-03-24 21:59:01·  来源:电动学堂  
 
作者单位:北京汽车股份有限公司汽车研究院引言国Ⅵ排放法规(轻型汽车) 将于2020 年7 月1 日在全国正式实施,油耗法规中的测试方法也将逐步向WLTC 工况过渡,工
作者单位:北京汽车股份有限公司汽车研究院
引 言
国Ⅵ排放法规(轻型汽车) 将于2020 年7 月1 日在全国正式实施,油耗法规中的测试方法也将逐步向WLTC 工况过渡,工况变化对整车油耗的影响需准确评估,以确定合适的降油耗路线,满足油耗法规的要求。
目前,国外研究机构在滑行阻力和测试质量不变的条件下,对WLTC 与NEDC 工况燃油消耗量进行了测试,结果表明WLTC 工况油耗要低于NEDC 工况。 国内部分学者也从定性角度分析了WLTC 与NEDC 工况油耗的差异。 以上研究未考虑测试质量及滑行阻力的变化,试验数据量偏少,常规降油耗措施节油效果差异尚不明确。
本文通过试验与仿真相结合的方式,定量地分析了工况变化对汽车燃油消耗以及对常规降油耗措施节油效果的影响,识别并分析了常规动力匹配过程油耗敏感因子及其贡献度,以确定合适的动力总成匹配方案,并为确定合适的降油耗路线提供指导,以满足油耗法规的要求。
1 试验方案
1.1 理论分析
根据汽车行驶方程可知,汽车百km 燃油消耗量主要与发动机燃油消耗率、传动系统效率及行驶阻力有关。 对特定的WLTC、NEDC 行驶循环而言,总燃油消耗还与车辆加减速、制动、怠速停车等工况以及附件消耗有关。
车速ua :
 
式中,n 是发动机转速;r 是轮胎滚动半径;ig是变速器传动比;i0 是主减速比。行驶功率Pe:
 
式中,ηT是传动系统效率;f 是轮胎滚阻系数;CD是风阻系数;A 是迎风面积;du/dt 是加速度;m 是整车质量;g 是重力加速度。行驶工况油耗Qs:
 
式中,b 是发动机燃油消耗率;ρ 是燃油密度
1.2 试验车辆
试验车辆选择某车型的MT、CVT 两台车,分别满足国V 排放标准,车辆搭载了怠速起停、智能发电机和电子节温器等降油耗技术,车辆基本参数信息见表1。
 
车辆磨合完成后,分别进行了国Ⅴ、国Ⅵ滑行试验,并应用滑行曲线在实验室转鼓台架进行了油耗试验。
1.3 试验工况
测试工况采用WLTC 和NEDC 循环。 其中,WLTC 循环由市区、市郊、高速和超高速四部分组成,NEDC 循环由市区、市郊两部分组成,测试中分别测取开关起停、智能发电机和电子节温器的条件下的各部分油耗及综合油耗,循环曲线如图1 所示。
 
1.4 仿真建模
本文采用AVL CRUISE 软件搭建了两款车型的仿真模型,并通过实测数据对模型进行了校正,动力性及油耗参数仿真精度在± 3% 以内。 其中,MT 车型仿真模型如图2 所示。 应用该模型,对主要油耗影响参数进行仿真分析。
 
2 工况差异性分析
2.1 循环各部组成变化对油耗影响分析
通过对比分析,WLTC 工况最高车速、最大加速度均大于NEDC 工况,说明WLTC 工况负荷率增加。 WLTC 工况不含停车的平均车速高于NEDC 工况,RPA 值高于NEDC 工况,说明WLTC 工况比NEDC 工况循环波动性更大。WLTC 与NEDC 工况基本参数对比见表2。
 
WLTC 循环各部组成比例相对SNEDC 循环也发生了一定变化,WLTC 与NEDC 循环各组成部分占比如图3 所示。WLTC 市郊和高速工况里程占比超过50%,超高速工况超过35%,市区里程占比低于15%。 NEDC 市郊工况里程占比超过60%。 基于此判断,NEDC 循环综合油耗市郊循环油耗影响力大。 WLTC 循环综合油耗受超高速工况、高速工况油耗影响最大,其次是郊区循环油耗,最后是市区循环油耗。 因此,对于WLTC 循环,降低车辆风阻、使用多档位变速器更有利于降低综合油耗。
 
2.2 加载阻力变化对不同循环油耗的影响
除工况有差异外,在转鼓阻力加载方面,国Ⅵ滑行试验在测试方法、加载质量及数据处理方面不同于国Ⅴ滑行。 本文选取了某车型的MT/ CVT 型进行国Ⅴ、国Ⅵ滑行,滑行结果见表3。 由滑行曲线可知同一辆车,国Ⅵ滑行阻力大于国Ⅴ滑行阻力。
 
分别采用国Ⅴ、国Ⅵ滑行阻力对MT、CVT 车进行NEDC、WLTC 循环油耗测试,测试结果如图4 所示。 由结果可知,同一车型采用相同的阻力,WLTC 油耗低于NEDC油耗,与JRC 研究结果一致。 同一车型采用相同循环,国Ⅵ滑行阻力测试油耗高于国Ⅴ。 油耗测试由NEDC 工况变更为WLTC 工况,阻力加载分别按照各自要求进行,MT 型综合油耗增加0.04L,CVT 型综合油耗降低0.11L,因此循环变化对实际车辆油耗的影响因车型而异。
 
20 ~ 120km/h 平均滑行阻力下降10N,NEDC 工况综合油耗可降低0.07L/100km,WLTC 工况综合油耗可降低0.08L/100km,因此WLTC 工况综合油耗对滑行阻力变化更敏感,降低整车阻力更有利于节油。
2.3 暖机时间对油耗影响分析
冷起动过程的转速及喷油补偿会增加燃油消耗量,因此暖机时间越长,整车燃油消耗越大。 本文将发动机冷却液温度达到80℃作为暖机时刻结束进行分析。 MT、CVT 车型暖机时间均小于300s,因此冷起动过程仅对市区工况油耗有影响。 WLTC 与NEDC 循环暖机时间对比见表4。 WLTC 工况暖机时间比NEDC 工况短,其中MT 型短16s,CVT 型短35s,暖机时间减少30s,仿真分析油耗降低0.04L/100km。在WLTC 循环下,车辆暖机时间占总循环时长的13% 左右,约为NEDC 工况的60%。 因此WLTC 工况下暖机过程对油耗的影响要小于NEDC 工况,冷、热机油耗差异将变小。
 
3 常规节油措施节油效果差异
在NEDC 循环基础上,已验证分析了许多汽车节能技术并评估了节油率及其技术成本,例如电子节温器、智能发电机、怠速起停和制动能量回收等先进电子电器技术。 本文主要对目前常用的怠速起停、智能发电机和电子节温器等三项技术进行了验证。
3.1 怠速起停节油效果差异分析
怠速起停是常用降油耗技术,其原理是在车辆停止怠速时发动机停机实现省油,WLTC 循环怠速时间为234s,NEDC 循环怠速时间为280s。 WLTC 循环中,怠速工况占比仅为NEDC 工况的56%,考虑到冷起动怠速起停进入条件,WLTC 循环实际停机时长为184s,NEDC 循环为227s,WLTC 循环实际停机时长占比仅为NEDC 工况的53%,因此怠速起停在WLTC 工况的理论节油效果约为NEDC 工况的53%,怠速起停停机时长对比见表5。
 
实际验证结果见表6,结果表明怠速起停在WLTC 循环的市区、郊区工况节油效果较明显,高速及超高速工况节油效果不明显。 MT 型怠速起停节油效果为NEDC 工况的60%,CVT 型怠速起停节油效果为NEDC 工况的51%,考虑试验误差,节油差异与理论分析结果基本一致。
 
3.2 智能发电机节油效果差异验证
智能发电机也是常用的降油耗技术,其工作原理是,蓄电池电量较高时不发电,加速工况少发电,减速工况发电回收能量。 通过控制发电机的工作状态降低发动机负荷,实现节油。 为验证智能发电机的节油效果,考虑在同一台车上变更发电机对结构及电控策略更改的影响,本次验证通过将智能发电机调整为非智能发电模式来评估普通发电机的油耗。
 
智能发电机在不同循环下节油效果见表7。 结果表明智能发电机在WLTC 工况中各分部均可实现节油。 MT 型在NEDC 循环下的节油量为0.18L,节油率为2.5%,WLTC 循环下的节油量为0.12L,节油率为1.7%;CVT 型在NEDC循环下的节油量为0.23L,节油率为3.3%,WLTC 循环下的节油量为0.14L,节油率为2%。 智能发电机在WLTC 循环下节油效果为NEDC 循环的60%左右。
智能发电机在WLTC 和NEDC 工况下的节油效果差异主要体现在市区工况,其他工况基本相似。 将智能发电机调整为14V 恒压发电的方式模拟普通发电机的工作,在WLTC 与NEDC 工况下,发电机的发电特性基本相同。NEDC 、WLTC 循环市区工况发电占空比如图5、图6 所示。 发电机主要工作特点如下: 加速、减速、匀速工况,发电机占空比在19% 左右发电维持系统需求。 怠速工况,因转速低,发电机效率低,发电机增加发电占空比,维持系统电量需求。
 
 
表8 为WLTC 与NEDC 循环市区工况对比,结果表明市区工况下,NEDC 工况的怠速比例高于WLTC 工况。 怠速工况发电机发电占空比提升以维持系统电量平衡,导致油耗增图6 WLTC 循环市区工况发电占空比加,因此智能发电机节油效果在WLTC 工况下降低。
综上所述,智能发电机在WLTC 与NEDC 工况中的节油效果差异主要体现在市区工况,主要缘于NEDC 工况的怠速比例高于WLTC 工况。
3.3 电子节温器节油效果差异
电子节温器的工作原理是控制发动机冷却液温度在最佳经济温度,降低燃油消耗量。 MT 型在NEDC 循环下的节油量为0.08L,节油率为1.1%,WLTC 循环下的节油量为0.08L,节油率为1.1%。 CVT 型在NEDC 循环下的节油量为0.04L,节油率为0.6%,WLTC 循环下的节油量为0.04L,节油率为2%。 电子节温器在WLTC 循环下节油效果与NEDC 循环相当。 电子节温器节油效果见表9。
 
电子节温器在WLTC 工况下节油率与NEDC 工况相当,图7 所示为CVT 型电子节温器与机械节温器在WLTC 工况下冷却液温度对比,机械节温器冷却液温度维持在80℃ 左右,电子节温器冷却夜温度维持在98℃左右。
 
4 敏感因子分析
由式(1) ~ 式(3)可知,影响油耗的主要因素为发动机燃油消耗率、行驶阻力及传动系统效率。 另外,在行驶条件下,怠速油耗也是重要影响因素。 因此基于建立的整车模型,根据影响油耗的主要因素对车辆各系统影响油耗的参数进行了分析,得到主要参数如下: 燃油消耗率、变速器效率、主减效率、整备质量、轮胎滚动半径、主减速比、风阻系数、迎风面积、滚阻系数、怠速油耗和发动机惯量等。
敏感因子CF 即油耗变化随敏感参数变化的关系。
 
式中,P 是参数值;Q 是油耗值
本文仿真了WLTC 与NEDC 循环下敏感参数变化5% 对应的油耗变化比例,详细参数的敏感因子变化如图8 所示。
 
发动机燃油消耗率、变速器效率、半轴及差速器效率是影响油耗的三个主要因素。 在WLTC 循环下,综合油耗对滚动半径、主减速比、怠速油耗敏感性降低,对其他参数敏感性增加。 这说明WLTC 循环油耗对传动系效率、发动机本体燃油经济性、整车阻力敏感性升高。 对传动系传动比敏感性降低。 因此在WLTC 循环下,降低综合油耗的方向更应着眼于提升发动机本体燃油经济性、提升变速器效率、降低整车阻力。 例如小型增压三缸机、DCT 变速器、低滚阻轮胎、零拖滞力制动钳、低风阻及轻量化等技术的应用。
5 结论
1) WLTC 工况比NEDC 工况循环波动性更大,同一辆车,国Ⅵ滑行阻力大于国Ⅴ滑行阻力。 WLTC 循环下,平均滑行阻力下降10N,综合油耗可降低0.08L/100km,降低整车阻力更有利于节油。
2) WLTC 工况暖机时间比NEDC 工况短,MT 短16s,CVT 短35s,暖机时间减少30s,仿真分析油耗降低0.04L/100km。 WLTC 暖机时间占比为13% 左右,约为NEDC 工况的60%。 因此WLTC 工况下暖机过程对油耗的影响要小于NEDC 工况。
3) WLTC 循环综合油耗受超高速工况、高速工况油耗影响最大,其次是郊区循环油耗,最后是市区循环油耗。 因此,对于WLTC 循环,降低车辆风阻、使用多档位变速器更有利于降低综合油耗。
4) 怠速起停在WLTC 工况下节油率约为2%,低于NEDC 工况,约为NEDC 工况50%。 智能发电机在WLTC 工况节油效果约为1.8%,为NEDC 工况的60%,电子节温器节油效果差异不大,约为0.5%。 节油贡献率: 怠速起停>智能发电机> 电子节温器。
5) 在WLTC 循环下,综合油耗对传动系效率、发动机本体燃油经济性、整车阻力敏感性升高。 对传动系传动比敏感性降低,因此降低综合油耗的方向更应着眼于提升发动机本体燃油经济性、提升变速器效率、降低整车阻力。 例如小型增压三缸机、DCT 变速器、低滚阻轮胎、零拖滞力制动钳、低风阻及轻量化等技术的应用。
 
 
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