某乘用车的冷机油耗分析

蔡海涛，贺子龙，解小超

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230000)



某乘用车的冷机油耗分析

蔡海涛，贺子龙，解小超

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230000)

梳理了冷机油耗的预测方法，重点分析了导入简单冷却、润滑系统后的燃油修正。以某乘用车为例，实现了冷机的油耗分析，并对比了冷/热机的发动机工作状态。

冷起动； 油耗分析； 燃油经济性

0　前言

按照GB18352.4-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》要求，轻型汽车在整车转毂上进行Ⅰ型试验(即常温下冷起动后排气污染物排放试验)测量油耗和排放污染物时，发动机的初始状态为冷机[1]。

按照GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》要求：汽车发动机在发动机台架上进行性能试验测量发动机转速、扭矩、功率和燃油消耗量等时，发动机的初始状态为热机[2]。

目前使用Cruise模拟整车动力性、经济性时，使用的发动机MAP是通过台架获取的，发动的工作状态为热机，其边界条件与整车油耗试验时发动机的工作状态是不符的。文中以某乘用车为例，对冷机油耗进行分析和探讨。

1　冷机油耗预测方法简介

目前，预测整车冷机油耗的方法有以下几种：

第一种方法是根据大量的试验数据统计，冷机油耗可在热机基础上按某一常数(一般在7%～10%之间)修正。此法可粗略地预测冷机油耗，但因匹配车型不同，油耗修正结果各不相同，存在较大差异，且无瞬时油耗的差异体现。

第二种方法是通过采集和对比同一车型冷/热机状态的瞬时油耗量，将修正因子拟合成曲线(线性/曲线形式)[3-5]。此法与第一种方法类似，可较精确地显示发动机的瞬时油耗变化，但未考虑发动机转速、扭矩的变化。

第三种方法是导入简单冷却、润滑等系统的性能，根据公式模拟发动机的温升特性和摩擦功的变化来预测整车油耗。此法能显示发动机的转速、扭矩和瞬时油耗的变化，相比方法一,方法二精度更高，但实时性较差。

第四种方法是集成发动机瞬态模型，冷却、润滑系统模型及固体结构的热网络模型，ECU控制策略等[6]。此法相比方法三实时性好，但模型复杂度高，搭建难度大。

从精度和难度的综合角度考虑，第三种方法能满足当前的使用要求。

2　基于方法三的冷机修正原理

不同冷却液温度下，发动机润滑油黏度不同，机械摩擦损失不同。通常情况下，冷却温度越高，机油黏度越低，机械摩擦损失越小，燃油经济性越好[7]。

发动机冷起动过程中，为了克服发动机各部件之间的摩擦损失，需参考发动机冷却液温度供给较浓的混合气，此时为空燃比开环控制。暖机过程中，为了使发动机维持运转而不停机，并迅速提高排气温度，使催化转化器和氧传感器尽快达到工作温度，从而改善排放及燃油特性，仍需要提供较浓的混合气，发动机此时的喷油量相比热机状态会增加。待发动机水温接近或达到正常工作温度后，不再对温度修正来修正燃油[8]。

AVLCRUISE内置一种“温度模型+油耗模型”的方式来考虑冷机对油耗的影响[9-10]。

2.1温度模型

发动机的热平衡关系可按下式(1)表示：

QT=QE+QS+QR+QB+QL

(1)

即发动机所消耗燃油具有的热量QT最终转化为有效功QE、传递给冷却介质的热量QS、不完全燃烧热损失QB和其他热量损失QL这5个部分。通常，不完全燃烧热损失QB和其他热量损失QL所占份比均较小，而前3项是最主要的部分[11]。发动机的热平衡关系如图1所示。

进入冷却系的能量，一部分通过冷却液温度升高的形式实现能量的存储，一部分则散失到周围环境中。冷却系处于小循环时，散失的热量较少；冷却系处于大循环时，散失的热量较大。根据冷却系统的冷却能力，结合发动机工作温度与环境温度的差值，发动机的温度变化可按式(2)求解：

(2)

式中：cρ,H2O为水的比热容，为一常数；mE,eq为等效水质量；∂A

为热容量系数，与冷却特性有关。

2.2油耗模型

相同转速下，冷/热机的机械损失[以摩擦功(FMEP)来衡量]是不同的。从原理上说，FMEP受润滑油的黏度影响，一般而言，油黏度随水温的升高而降低，对应的FMEP减小。发动机在相同转速相同输出扭矩时，通过计算不同温度下的FMEP，即可计算发动机相比热机状态增加或减少的FMEP[见公式(3)]。在热机油耗特性的基础上，实现对燃油的修正。

(3)

式中：PE,fric,add为额外FMEP；PE,fric,ref为参考FMEP；ηE,act为实际油黏度；ηE,ref为参考油黏度；cE,fric,exp为FMEP变化的曲率因子。

3　模型搭建

3.1热机模型搭建

以某乘用车为例，在模型中添加整车动力系统包含车辆、发动机、离合器、变速器、主减速器、轮胎等模块。针对DCT车型，增加GBControl(变速箱控制)、GBProgram(变速箱程序)和DCTController(DCT控制器)3个部件。针对NEDC工况，考虑车辆的负载损失，这里只需增加冷却机械风扇的功率消耗。按要求设置正确的总线连接，建立如图2所示的前置前驱(FF)模型。

对各部件输入相关的性能参数，通过调整减速断油控制策略、转动惯量等实现对热机模型的校核。

3.2发动机属性修改

相比热机，冷机的整车模型架构是相同的，只需要更改发动机的特性，其他部件参数不变，发动机的属性设置见图3。其中，“温度模型”选择“其他”，“温度”选择“计算获得”，“燃油消耗模型”选择“有效压力因子”。同时，发动机的怠速转速由“固定值”更改为“怠速特性曲线”。

3.3FMEP模型参数输入

FMEP模型参数见表1。

表1　FMEP输入参数

3.4冷却特性参数输入

冷却特性由冷却系统的能力决定。对水冷式的发动机而言，冷却能力主要受节温器开启程度的影响。冷却系统的冷却特性见图4， 冷却系统输入参数见表2。

3.5怠速特性参数输入

为保证发动机正常工作，冷机时的发动机怠速转速是高于热机状态的。随着水温上升，怠速转速逐渐降低。待水温上升至一定值后，怠速转速基本稳定。怠速特性在计算冷机油耗时也是必不可少的输入。不同水温下的怠速特性见图5。

4　整车经济性分析

图6为冷机NEDC工况下的发动机水温的上升过程，从结果上看:试验与计算结果还是比较吻合的。图7—9分别对比了冷/热机状态的发动机转速、扭矩和瞬时油耗，在发动机水温上升的过程中(前400s左右)，发动机的怠速转速逐渐降低，输出扭矩基本不变，额外的喷油逐渐减少;至水温达到75 ℃左右，发动机已基本处于热机状态时，发动机的怠速转速和瞬时油耗不再进行修正。此车型的NEDC油耗冷机相比热机高9.7%,见表3。

5　结束语

通过修改发动机的属性，输入简单冷却、润滑系统的性能，可实现冷机下的油耗分析，此时发动机转速、扭矩等的工作状况与实际也是比较接近的。此方法可以为开关式水泵、电子节温器等的节油效果分析提供依据，也可以为发动机台架上模拟整车提供支持。

【1】国家环境保护总局.GB18352.4-2013轻型汽车排放污染物限值及试验方法[S].北京:中国环境出版有限责任公司,2013.

【2】全国汽车标准化技术委员会.GB/T18297-2001汽车发动机性能试验方法[S].北京:中国标准出版社，2001.

【3】王琪,康飞.基于CRUISE软件的起停系统仿真分析[C]//2013AVL先进模拟技术中国用户大会论文,2013:31-37.

【4】贺子龙,刘闪闪.基于CRUISE的冷起动条件下的燃油经济性仿真分析[J].汽车制造业,2014(3/4):44-45.

【5】解小超,贺子龙.基于Cruise的车辆起停性能分析[J].汽车制造业,2014(9)：60-61.

【6】蔡志强,张功晖.仿真技术在发动机降油耗工作中的应用[C]//2013AVL先进模拟技术中国用户大会论文,2013:203-208.

【7】朱翔宇，童荣辉.电子水温控制系统冷启动节油效果仿真[C]//2013AVL先进模拟技术中国用户大会论文,2013:38-42.

【8】司利增.汽车计算机控制[M].北京:电子工业出版社,2007:71-74.

【9】李敏,牛大旭.车辆冷起动模式下速比优化对比分析[C]//2012AVL先进模拟技术中国用户大会论文,2012:108-112.

【10】AVLCruiseUser’sGuide[M].

【11】常思勤.汽车动力装置[M].北京：机械工业出版社,2006:31-32.

AnalysisofaPassengerCar’sEconomyunderCold-start

CAIHaitao,HEZilong,XIEXiaochao

(AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230000,China)

Thepredictionmethodsforfuelconsumptionundercold-startconditionwerereviewed.Theanalysisonfuelcorrectionwithsimplecoolingandlubricatingsystemwasfocusedon.Takingapassengercarasanexample,thefuelanalysiswasachieved,andthecold/heatengineworkingstateswerecompared.

Coldstart；Fuelconsumptionanalysis；Fueleconomy

2015-03-17

蔡海涛，男，本科，从事发动机研发管理工作。E-mail：jaccht@jac.com.cn。