不同发动机排量和循环工况对整车综合油耗的影响

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

燃油经济性是衡量整车性能的一项重要指标，随着GB 27999—2014 乘用车燃料消耗量评价方法及指标[1]的实施，国家对乘用车的油耗要求越来越严格，消费者也对燃油经济性的要求越来越高，所以在整车开发前期，进行性能仿真工作是十分必要的。开发过程中需要考虑影响燃油经济性的因素有很多，其中发动机排量和车辆运行的循环工况对整车综合油耗均有较大影响，因此，展开发动机排量和循环工况与整车综合油耗间关系的研究具有重要意义。

本文以一款1.0 L 三缸直喷增压发动机为研究对象，通过两种技术路线将其增缸扩容为1.33 L 和1.4 L。建立3 款不同配置的整车模型，将1.0 L、1.33 L、1.4 L 的发动机放在同一模型中，对比综合油耗的差异，计算排量对于综合油耗的影响；同时，为了研究不同循环工况对于整车油耗的影响，在建立的两款整车模型中，选择运行3 个不同的循环工况，分别为：NEDC[2]（New European Driving Cycle）循环、WLTC[3]（Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle）循环和CLTC[4]（China Light-duty vehicle Test Cycle）循环，对比油耗结果，并分析差异产生的原因。

1 模型的建立与校核

1.1 模型参数输入

使用高级仿真分析软件AVL CRUISE 来建立模型，为了使计算结果更准确，建立两款不同配置的整车模型，分别用车型A 和车型B 来表示，其中车型A搭载该1.0 L 发动机的配置是已上市车型配置，车型B 的配置是在车型A 的基础上修改得到的。两款车型搭配同型号的6DCT 变速箱，主要差别体现在整车属性方面，如表1 所示。

表1 整车参数

作为研究对象的1.0 L 三缸直喷增压发动机以及其增缸扩容而成的1.33 L 和1.4 L 发动机的主要参数如表2 所示。

表2 发动机主要参数

在使用CRUISE 建立模型的过程中，为了排除其他参数对仿真结果的影响，除表1、表2 以及发动机外特性和万有特性参数外，其他参数均设置相同，所建立的模型如图1 所示。

图1 CRUISE 建立的整车模型

1.2 模型校核

使用试验数据对建立的模型进行校准，由于车型A 是已上市车型，容易获取试验数据，且车型B 的模型是基于车型A 模型修改得到，所以只需校准车型A 的模型即可。以实测的ECE、EUDC、NEDC 油耗值和0～100 km/h 加速时间为校准目标。

经过校准后，车型A 匹配1.0 L 发动机的仿真计算结果与试验数据的对比如表3 所示。各项指标仿真结果与试验数据差异均在3%以内，仿真模型有效，可以用于后续的分析计算。

表3 车型A 匹配1.0L 发动机的仿真值与试验值

2 循环工况设置

关于NEDC、WLTC 和CLTC 循环，循环工况说明如下。

NEDC 循环，即“新欧洲驾驶循环”，始于1980年，包含市区循环（ECE）和市郊循环（EUDC），总时长1 180 s，怠速时间约占33%，最高车速120 km/h，也是目前我国工信部使用的油耗测试循环，但由于标准制定时间较早，测试过于简单，多以匀速行驶为主，已不适用于目前的实际路况，NEDC 循环如图2所示。

图2 NEDC 循环

WLTC 循环是联合国推行的轻型汽车测试程序，由多国专家共同制定，是目前欧洲正在使用的测试标准，同时也是我国国六排放法规规定的测试循环，2020 年7 月1 日起实施，包括低速、中速、高速、超高速4 个阶段，总时长1 800 s，加速、减速、匀速及怠速的占比约为30%、27%、28%及12%，最高车速为131.6 km/h。对比NEDC 与WLTC 循环的车速变化，WLTC 循环车速波动相对频繁，运行工况较复杂，更贴近真实的行驶工况，WLTC 循环如图3 所示。

CLTC 循环是由中汽研中心牵头，建立包含3 832 辆车的采集车队，覆盖传统乘用车、轻型商用车和新能源汽车，行驶超过41 个中国代表性城市，收集了约3 278×104km 的车辆运动特征、动力特征和环境特征数据，据此编制而成，因此，CLTC 循环又称为中国工况循环。目前制定的CLTC 循环总时长1 800 s，包含低速、中速和高速3 个速度区间，最高车速114 km/h，怠速占比为22.1%，如图4 所示，但CLTC 循环并未定稿，正在征求意见中，距离实施可能还要几年时间。

图3 WLTC 循环

图4 CLTC 循环

以上3 种循环的具体参数对比如表4 所示，把各循环参数录入CRUISE 中，形成路谱文件。

表4 NEDC、WLTC 和CLTC 循环对比

3 循环油耗仿真结果及分析

3.1 各循环油耗仿真结果

各循环油耗仿真结果如表5 所示。

表5 各循环油耗仿真结果

3.2 发动机排量与油耗的关系

针对表5 中的仿真结果，在同一车型运行同一循环工况的条件下，以搭载1.0 L 发动机的油耗结果为基准，对比搭载3 款发动机的仿真结果，得到以下结论：

当排量增加0.1 L 时，NEDC 循环的油耗上升0.10～0.13 L/100 km；WLTC 循环的油耗上升0.04～0.08 L/100 km；CLTC 循环的油耗上升0.10～0.14 L/100 km；3 个循环的油耗上升值中，WLTC 循环上升最少，与其他两循环差异明显，NEDC 和CLTC循环基本一致。

对于WLTC 循环油耗随排量上升较少的原因，在其他边界条件均相同的情况下，影响油耗的因素只有发动机万有特性，对比3 款发动机的万有特性Map，如图5、图6 所示。

图5 （1.0 L 万有特性-1.33 L 万有特性）/1.0 L 万有特性×100%

图6 （1.0L 万有特性-1.4 L 万有特性）/1.0 L 万有特性×100%

由图5 万有特性对比图可以看到，红色区域为1.33 L 发动机经济性较好区域，绿色区域为1.0 L 发动机经济性较好区域，即在中低负荷区域是1.0 L 发动机的经济性较好，高负荷区域则是1.33 L 发动机经济性较好。图6 中，1.4 L 发动机油耗率分布规律与1.33 L 发动机类似。

不同循环的14 工况点分布如图7 所示，工况点数据代表相应循环在该点附近运行的时间占比，各循环的14 工况点数据如表6 所示，去除1 000 r/min以下及转矩小于零的点。

根据14 工况点，将NEDC 和WLTC 循环的主要运行区域标出，CLTC 循环运行区域与NEDC 基本一致。在50 N·m 以上的区域中，NEDC 循环运行时间占比为18.8%，WLTC 循环占比为44.5%，CLTC 循环占比为16.6%。与NEDC 和CLTC 循环对比，WLTC循环向中高负荷区域移动。1.0 L 发动机与1.33 L 发动机在中高负荷油耗率基本无差异，导致在排量增加到1.33 L 时，WLTC 循环油耗增加较少。

图7 循环工况在油耗对比MAP 上的分布

表6 3 个循环的14 工况点转矩分布

3.3 循环工况与油耗的关系

以车型A 搭载1.0 L 发动机的配置为研究对象，分析不同循环以及循环内不同速段对油耗的影响。

3.3.1 不同循环油耗差异

由表5 中的仿真结果显示，在同一车型、同一发动机的情况下，3 种循环间的油耗关系为：

WLTC>CLTC>NEDC

其中，车型A 搭载1.0 L 发动机的WLTC 油耗比NEDC 高6%左右，CLTC 油耗比NEDC 高2%左右。作出3 种循环在发动机Map 上的分布对比（图8所示），等势线代表燃油消耗量，单位为g/h。

如图8 所示，WLTC 循环在较高燃油消耗量区域（3 g/h 以上）运行时间占比最大，CLTC 循环相比NEDC，在高燃油消耗量区域（5 g/h 以上）运行时间占比更大。

图8 循环工况在发动机Map 上的分布

对比不同循环的怠速、加速、匀速和减速油耗占比，如表7 所示。

表7 不同循环油耗分布%

NEDC 循环由于匀速运行时间较多，所以匀速油耗占比较大，WLTC 循环和CLTC 循环由于车速变化频繁，加速和减速油耗较NEDC 循环占比大。

3.3.2 同一循环不同路段油耗差异

计算3 个循环的分段油耗，计算结果如表8 所示。

3 个循环的分段油耗中，中速段和高速段经济性较好，低速段和超高速段的经济性较差。3 个循环的低速段和WLTC 循环超高速段在发动机万有特性图上的主要运行区域如图9 所示。低速段车速低，阻力小，需求的功率小，所对应区域的转速和转矩均较低，但该区域油耗率高，导致低速段经济性差；WLTC循环超高速段运行区域的油耗率较低，但该段的车速最高，行驶阻力大，克服阻力所需的功率也大，所对应区域的转速和转矩均较高，结合图8 燃油消耗量Map，该区域单位时间油耗量较高，导致超高速段经济性较差。

表8 3 个循环的分段油耗L/100 km

图9 低速段和超高速段主要运行区域

4 结论

本文以一台1.0 L 三缸直喷增压发动机为研究对象，将其排量增大为1.33 L 和1.4 L，使用AVL CRUISE 建立整车模型，设定3 种不同循环工况，研究不同发动机排量和不同工况循环对于整车油耗的影响，结论如下：

1）当排量增加0.1 L 时，NEDC 循环百公里油耗上升0.10～0.13 L，WLTC 循环百公里油耗上升0.04～0.08 L，CLTC 循环百公里油耗上升0.10～0.14 L。

2）3 个循环中，WLTC 循环油耗最高，CLTC 循环油耗次之，NEDC 循环油耗最低，原因为WLTC 循环平均车速远高于NEDC 与CLTC 循环，行驶阻力大，需求的功率高，燃油消耗量高，所以油耗最高；NEDC 循环与CLTC 循环平均车速差异较小，但CLTC 循环车速变化频繁，加速工况多，加速度大，使得发动机负荷更大，油耗更高。