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空调对轻型乘用车油耗影响的试验研究
2020-06-26 12:22:33· 来源：汽车热管理之家
【摘要】为研究车内空调对轻型乘用车油耗的影响，根据国家标准对6 辆乘用车进行NEDC 循环下的试验研究，并基于国家标准对空调能耗的评价方法研究了汽车空调能耗
【摘要】为研究车内空调对轻型乘用车油耗的影响，根据国家标准对6 辆乘用车进行NEDC 循环下的试验研究，并基于国家标准对空调能耗的评价方法研究了汽车空调能耗与车厢容积的关系，最后对比了NEDC、WLTC 和CLTC 循环下汽车空调对整车油耗的影响。 结果表明： 汽车空调开启时整车平均油耗增幅为28%，主要集中在怠速段和低速段； 空调系统、动力系统一致时，空调油耗增幅与车厢容积可按线性关系表示； CLTC 循环下，空调高负荷工作时间长，空调油耗增幅最大，更适合评价空调系统能耗和其节能技术效果。
1 前言
法规认证的油耗无法体现车辆的真实油耗水平一直是汽车行业的痛点之一。2017 年发布的《乘用车实际油耗与工况油耗差异发展年度报告》[1]指出，轻型车用户实际油耗比公告油耗平均高29%，油耗差距主要来自循环工况的差异和空调的使用，多个典型城市的车辆夏季油耗最高，比最低月份高15%左右[1]。汽车空调制冷时的功率约占发动机输出功率的10%～15%[2]。作为整车内部耗能最多的附件，汽车空调对整车油耗的影响尚未得到足够的重视。同时，它有着很大的节能潜力[3]，降低汽车空调能耗被认为是极具性价比的节能措施之一。
为了反映空调对整车油耗的影响，并鼓励空调节能技术的开发与应用，美国和欧洲都实施了有针对性的油耗法规。美国从2008年起就在油耗测试五工况法中引入SC03 空调循环，从2013 年起进一步引入AC17 循环测试并实施节能空调奖励法规[5]。欧洲同样提出了类似的MACTP（Mobile Air Conditioning Test Procedure）循环对空调的使用进行油耗测试[6]。
中国于2017 年1 月起草了《乘用车循环外技术/装置节能效果评价方法第3 部分汽车空调》国家标准征求意见稿[7]（简称“征求意见稿”），规定使用NEDC循环，首次提出了开启空调制冷状态下汽车燃料消耗量的试验方法，相较于常规的整车油耗测试，该方法提高了试验的环境温度，并引入了阳光模拟系统，该试验方法在《轻型汽车燃料消耗量试验方法》国家标准征求意见稿[8]中继续保留，但将试验循环从NEDC替换为全球统一轻型车辆测试循环（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）或中国工况测试循环（China Light-duty Test Cycle，CLTC）。
循环工况的差异会导致整车油耗测试结果不同，同样也会影响空调油耗的测试结果，因此选择合适的循环对空调系统能耗进行评价至关重要。研究结果表明[9]，WLTC空调油耗增幅小于欧洲实际道路情况，其准确性仍有提高的空间。CLTC 工况下测得的油耗比NEDC 工况下测得的油耗平均高14%，更接近用户实际油耗。CLTC 油耗与用户实际油耗的差别主要来自空调耗能[10]，而目前CLTC 工况下空调对整车油耗影响的研究还未见报道。
基于以上研究现状，本文以6 辆搭载变排量空调的汽车为试验对象，研究汽车空调对整车油耗特性的影响，并考察WLTC 和CLTC 是否适合空调系统的能耗评价。
2 试验方案
2.1 样车参数及试验设备
考虑到车型尺寸、动力总成和空调系统的差异可能影响整车油耗结果，选择了满足国Ⅴ排放标准的6辆汽油车作为试验车辆，主要参数如表1所示。车厢容积通过三维建模近似计算得到，其中车型B+、车型D+分别为车型B和车型D的动力总成高配版，车型A、B、D的空调和动力系统零部件均相同，车型B+、D+的空调和动力系统零部件相同。
表1 试验车辆主要技术参数
试验设备包括4WD VULCAN EMS-CD48L 双轴四驱底盘测功试验系统、SolarConstant 4000 阳光模拟系统、MEXA-7400LE尾气采样分析系统、CANoe设备和高灵敏度温度传感器，试验系统如图1所示。车内的温度传感器按法规要求布置，以测量驾驶员及乘员呼吸位置的平均温度，测点位置如图2所示。
2.2 试验方案
油耗测试根据征求意见稿进行。试验流程如图3所示，每组试验进行3 次，满足重复性要求后对试验结果取平均值作为最终结果。
图1 试验系统结构示意
图2 车内温度传感器实物及测点位置示意
图3 试验流程
试验可分为预处理、浸车、开启空调条件下车辆油耗试验和关闭空调条件下车辆油耗试验4 个部分。预处理阶段的目标是对试验车辆和底盘测功机进行充分预热，同时保证车内温度、空调管路温度与环境温度一致；浸车阶段的目的是模拟夏季车辆停放在室外的状态，从而更真实地反映汽车空调工作状态。实验室环境、空调设定等试验条件是根据征求意见稿设定的，征求意见稿在借鉴国外法规经验的基础上充分考虑了我国实际气候、车辆情况和驾驶员驾驶习惯。
3 试验结果与分析
3.1 NEDC工况下空调对整车油耗的影响
图4所示为NEDC工况下6辆车的整车平均油耗试验结果，开启空调后整车油耗的增幅φ为：
式中，FACon为开启空调时的整车油耗；FACoff为关闭空调时的整车油耗。
图4 NEDC工况下各车辆油耗结果
对试验数据进行计算分析后得到开启空调状态下整车油耗增幅在为20%～35%，可见空调对油耗的影响十分显著。以车型A为例，空调开启后的瞬态油耗结果如图5所示，NEDC工况由4个相同的城市单元（ECE Ⅰ～ECE Ⅳ）和1个城郊单元（EUDC）构成。从图5中可定性发现：城市工况空调油耗大于市郊工况空调油耗；怠速工况空调油耗大于其他行驶工况空调油耗。
图5 NEDC工况下车辆A的瞬态油耗结果
图6所示为6辆试验车辆在NEDC不同行驶模式和工况下的平均油耗结果，定义油耗累计贡献率为空调开启条件下，某一阶段油耗占总油耗的比例。结果显示，在发动机处于怠速工况或车辆行驶在市区低速工况下，空调对整车油耗影响较明显，空调油耗增幅分别为55%和41%，油耗累计贡献率分别为11%和50%，NEDC综合油耗增幅为28%。
怠速时空调油耗发生显著提升的主要原因是，开启空调后，为了提高发动机怠速稳定性，并为起步加速提供一定的功率储备，需要提高发动机的怠速转速。以车型A为例，如图7所示，空调开启后，发动机怠速转速需提高200 r/min，输出功率相应增加约2.5 kW，转速的提高和负载的增大导致发动机在怠速段的油耗明显上升[11]。从图6中还可得到，市区工况下空调所导致的油耗增幅明显高于市郊工况，其原因是：
a.市区工况发动机热效率较低。由于市区工况下车辆挡位切换频繁，转速波动较大，此时典型发动机的平均热效率（指发动机有效功率的热当量与单位时间所消耗燃料的含热量的比值）约为15%，而市郊工况下发动机的平均热效率约为30%[12]。因此，在市区工况下发动机驱动空调所需的额外功率的燃料消耗量更高。
b.冷凝器的换热量与车速间近似呈正比关系[13]，高车速有利于改善空调冷凝器空气侧的换热效率[14]，从而降低了空调系统的能耗。
c.市郊工况下，发动机输出功率高，空调负荷占发动机输出功率比例下降。
图6 NEDC循环6辆车在不同行驶模式和工况下的平均油耗增幅和累计贡献率
图7 NEDC循环ECE Ⅰ阶段车型A的发动机输出功率和转速
空调能耗除了与行驶模式和工况有关，也与车内温度下降过程有紧密联系。以车型A为例，车内温度下降过程对整车油耗影响的具体过程如图8所示，其中空调功率由空调开启状态下发动机输出功率与空调关闭状态下发动机输出功率作差间接计算得到。NEDC 工况下车型A 的车内温度在ECE Ⅰ阶段就已达到设定值23 ℃，此时压缩机处于低排量模式，空调负载也随之下降。ECE Ⅰ到ECE Ⅱ阶段，空调油耗增幅从43%降至34%，显著下降。文献[15]使用扭矩计直接测量基于整车试验的汽车压缩机功率，结果显示，在试验循环下空调高负荷工作时压缩机平均功率为3.4 kW 左右，当车内温度降至设定温度后，压缩机平均功率约下降30%。
图8 NEDC工况下车型A车内温度及压缩机排量控制电流
3.2 驾驶循环对空调能耗的影响
由3.1节研究结论可得，不同行驶工况下，空调对整车油耗影响差异较大，因此本文进一步研究不同循环下空调对整车油耗的影响，以得到最适合评价汽车空调能耗的试验循环。
各循环的主要特性如表2所示。图9所示为不同循环下空调对车型A油耗的影响。在平均车速高、怠速比例低的WLTC 工况下，空调对整车油耗影响为15%；但在平均车速低、怠速比例高的CLTC 工况下，空调对整车油耗的影响为26%，明显高于WLTC工况。
表2 NEDC、WLTC、CLTC工况主要特性
图9 不同循环下空调对整车油耗的影响
将各循环按车速分类为怠速段、低速段（＞0～40 km/h）、中低速段（＞40～80 km/h）和中高速段（＞80 km/h），不同循环下各车速段空调对整车油耗影响结果如图10所示。由图10可知：与NEDC工况类似，各循环下空调对整车油耗影响主要在怠速和低速段，由于CLTC 工况低速和怠速占比大，累计油耗贡献率为51%，因此CLTC 工况下，空调对整车油耗影响也最大；WLTC工况中低速和中高速占比大，累计油耗贡献率达到了74%，因此该工况下空调对整车油耗影响最小。
各循环下车内降温曲线如图11所示：NEDC工况车内温度下降最快，约180 s后空调降至低负荷状态；其次为WLTC 工况，用时约为240 s；CLTC 工况下车内降温过程最慢，约450 s空调降至低负荷状态。
除了平均车速低和怠速比例高的影响，车内降温过程慢也是造成CLTC 工况下空调对整车油耗影响较显著的原因之一。在环境条件和空调设置相同的情况下，空调制冷量只受压缩机转速和车速影响，压缩机转速和车速越高，空调制冷量越大。其中，压缩机转速对制冷量的影响超过50%，冷凝器风速对制冷量的影响小于15%[16]。表3所示为不同循环下试验车辆的空调压缩机平均转速和平均车速。CLTC工况下压缩机平均转速和平均车速较NEDC 和WLTC 工况低，造成CLTC 工况下空调制冷量较小，车内降温过程较慢。
图10 不同循环下各车速段空调对整车油耗的影响
图11 各循环下车内降温曲线
表3 不同循环下车型A的压缩机平均转速和平均车速
CLTC 工况更接近中国用户真实的行驶工况，且在该工况下车内降温较慢，空调高负荷工作时间长，空调油耗增幅最大，更有利于反映不同空调节能技术对整车油耗带来的影响。基于以上两点，CLTC 工况更适合评价空调系统及其节能技术的效果。
3.3 车厢容积对空调能耗的影响
征求意见稿中规定了空调系统节能效果评价方法：
式中，FJ为汽车空调的节能效果，FJ＞0 表明该空调系统具有节能效果；TAC为汽车空调燃料消耗量目标值，为按试验结果统计得到的某一整车质量下典型车辆的空调油耗基准值；FAC为汽车空调燃料消耗量；K=0.25为空调使用比例系数；FACon、FACoff分别为空调开启和关闭状态下的整车燃料消耗量；VM为整车整备质量。
试验车辆的空调油耗与整车整备质量的关系如图12 所示。同一空调系统的能耗与整车整备质量并未呈现出与式（4）相似的趋势，即同一空调系统，按法规方法并不能评价出相同的节能效果，因此法规依据整车质量计算空调油耗目标值缺少一定的科学合理性。
图12 空调油耗与整车整备质量关系
图13所示为试验得到的车辆A、B、D的车内温度曲线，试验结果表明，车厢容积越大，车内降温过程越慢。车厢内空气吸收热量的计算公式为[17]：
式中，QT为车厢内空气获得的总热量；ρ为空气密度；VV为车厢容积；Cp为空气的比热容；ΔT′为车内气体温度变化值；QB为车体外围结构热传递传入的热量；Qf为空调系统经热交换装置带入车厢内的制冷量；QI为阳光照射到车室内的辐射热量；QP为车厢内乘员散发的热量；QE为发动机舱传入车厢内的热量；QA为室外新风传入的热量。
由式（5）可知，在QT相近的情况下，车内温度变化ΔT′与车厢容积VV成反比。
车内降温过程慢，意味着空调高负荷工作时间长，也导致车型B 的空调油耗增幅大于车型D 和车型A。基于车型A、B、D 的试验结果分析可得，空调型号和动力系统一致的轻型乘用车，空调油耗增幅与车厢容积存在相关性，为了便于空调油耗目标值的计算，将试验数据点按一次函数拟合，如图14所示，关系式为：
式中，k为漏风量修正系数，与整车气密性有关，不同车辆的差异较大[18]，但同一平台车辆相同。
图13 NEDC循环下车型A、B、D车内降温曲线
图14 空调油耗增幅与车厢容积间的关系
4 结束语
本文利用环境舱开展整车油耗试验，研究了空调对整车油耗的影响，得到以下结论：
a.空调对整车油耗影响显著，在各循环下空调油耗增幅约为15%～26%，空调对整车油耗的影响主要集中在怠速段和低速段，在各循环下油耗增幅分别可达50%以上和30%以上，在高速段增幅只有5%左右。
b.CLTC 工况下空调对整车油耗的影响大于NEDC 和WLTC 工况，车内降温过程最慢，且最接近中国实际道路工况。因此，CLTC 工况更适合用于评价空调系统能耗及其节能技术效果。
c.在空调和动力系统一致的情况下，空调油耗增幅与车厢容积可按线性关系表示，车厢容积越大，空调油耗增幅也越大。本文建议法规在计算空调油耗目标值时使用车厢容积代替整车整备质量。
作者：张旭阳1 胡志远1 韩维维2 康建3 汤尚水3
单位：
1.同济大学
1.同济大学
2.上海机动车检测认证技术研究中心有限公司
3.上汽大众汽车有限公司
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