低温环境对增压发动机油耗及排放的影响

李志广，卢振东，孙萧，丛日振，刘晓莹

宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司,浙江宁波 315336

0 引言

用户在车辆实际使用时会发现：低温环境下行驶时，燃油消耗量会增加，通常环境温度越低，燃油消耗量越高。本文模拟用户在不同低温环境下进行综合工况驾驶，分析低温环境对整车油耗和排放污染物情况，找出油耗及排放的变化规律，探究低温环境温度对排放及油耗的影响机制，挖掘整车低温工况下降低油耗及排放的潜力。

1 试验验证

1.1 试验样车

本次试验选择一款国内主流的A级轿车进行整车低温转毂测试，排放标准为国VI,发动机为14TD,变速箱采用干式TDCT。车辆基本参数见表1 。

表1 车辆基本参数

1.2 试验条件和试验方案

试验条件：低温环境模拟测试系统的底盘测功机、排气稀释和取样系统、分析设备及其标定应符合GB 18352.6—2016附件CD的规定，气体应符合GB 18352.6—2016中附件CD.3中相关部分的规定[1]。

试验具体要求如下：

(1)要求的环境温度(静态)偏差不应超过±3.0 ℃。车辆在要求的环境温度的环境仓内浸车不少于8 h，水温、机油温度与环境温度一致。

(2)自动控制系统的暖风装置和除霜装置设置，关闭制冷空调，设置温度为22 ℃，AUTO模式。关闭后排出风口及控制开关。

(3)车辆关闭启停功能，使用NORMAL模式进行试验。

(4) 在前排座椅每个乘员座布置温度测量点，位置如图1所示，试验过程中以不小于1 Hz的采集频率实时连续记录测量点的温度变化。当试验进行到10 min时，记录前排头部平均温度。

图1 温度测量点位置

试验方案见表2。

表2 试验方案

1.3 试验曲线

试验采用模拟用户实际驾驶的综合工况路谱曲线，如图2所示。

测试循环由Ⅰ部(市区)和Ⅱ部(市郊、高速循环)两部分组成。工况时长共计1 800 s，其中Ⅰ部为1 375 s，Ⅱ部为425 s，平均车速为29.4 km/h，最大速度为120 km/h。

图2 综合工况路谱曲线

1.4 试验步骤

按照GB/T 19233—2020《轻型汽车燃料消耗量试验方法》附录A：低温环境下燃料消耗量试验方法进行试验[2]，试验步骤如下：

(1)环境温度设置按表2进行设置,冷机状态的车辆在目标环境温度环境仓内浸车不少于8 h，热机状态的车辆在目标环境温度环境仓内浸车8 h后，先以车速(90±2)km/h，等速行驶20 min后开始试验。

(2)不考虑10 min 时车内头部平均温度的有效性判定。

(3) 每轮测试开始前将车辆蓄电池充电达到100%状态。

(4)按照GB 18352.6—2016附件CE测得的CO2、CO和HC排放量，分别计算各速度段和综合燃料消耗量。

燃料消耗量计算公式为：

(0.273×QCO2)]

(1)

式中：QFC为燃料消耗量，L/km；

QHC为碳氢排放量，g/km；

QCO为一氧化碳排放量，g/km；

QCO2为二氧化碳排放量，g/km；

ρ为288 K下试验燃料的密度,kg/L。

2 排放及油耗试验结果

2.1 低温对排放污染物的影响

排放污染物按照GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》的测试方法进行[1]，整车公告认证测试时需要进行Ⅵ型低温(-7 ℃)冷启动后排气中CO、THC和NOx排放试验。此次试验为了研究低温环境对车辆排放污染物的影响，仿照Ⅵ型试验对不同低温环境下的气体污染物排放量进行对比，由于采集设备有低温限制，PN未测量。

污染物排放增量如图3所示，低温对整车污染物排放量的影响见表3。由图和表可知，整车在常温热态的污染物排放量较低，在冷机状态下污染物排放量增幅较大：THC排放量增加29～305 mg/km，增幅为1 636%～17 092%；CO排放量增加83～763 mg/km，增幅为2 336%～21 376%；NOx排放量增加4～22 mg/km，增幅为79%～482%；NMHC排放量增加16～276 mg/km，增幅为160%～2 760%。

污染物排放量秒采数据如图4所示。由图可以看到，主要的排气污染物在前200 s内产生。环境温度越低，污染物的峰值越高，持续时间就越长。

图3 污染物排放增量

表3 低温对整车污染物排放量的影响

图4 污染物排放量秒采数据

2.2 低温对油耗的影响

为了研究低温环境对车辆油耗的影响，对不同低温环境下的油耗量进行对比，由表4和图5可知，综合工况常温热机状态的油耗量较低，在冷机状态下环境温度越低油耗增幅越大：10 ℃油耗量增加0.007 L/km，增幅为11%；0 ℃油耗量增加0.013 L/km，增幅为19%；-15 ℃油耗量增加0.02 L/km，增幅为30%。当环境温度低于10 ℃时，每降低5 ℃，综合工况下整车油耗升高为0.002～0.003 L/km。

表4 低温对整车油耗的影响

图5 低温整车油耗增量

对比市区工况和市郊工况，市区油耗增加0.009 5～0.030 6 L/km,增幅13%～42%,是油耗差异的主要来源;市郊油耗增加0.000 3～0.004 2 L/km,是油耗增幅0.5%～7%,市郊工况属于热机行驶，对油耗结果影响相对很小。

图6为低温燃油消耗量秒采数据。由图可知，累计油耗量差值线性变化趋势，说明各运行工况油耗均存在差异，导致累计油耗量差异逐渐变大。

图6 低温燃油消耗量秒采数据

3 油耗排放影响分析

环境温度-15、0、10 ℃冷机开暖风油耗变化量为11%～30%,通过试验数据对比分析，主要影响因素为：整车行驶阻力、整车电耗、怠速油耗、暖机过程。

3.1 整车行驶阻力对油耗的影响

道路行驶阻力的大小直接影响综合油耗的结果，准确测量行驶阻力是确保转毂试验能否真实反映车辆实际状况的前提和关键。道路行驶阻力通过道路上测量滑行时间，计算能量变化的方法获得试验状态下的阻力功率，然后通过温度和大气压力，把试验状态下的阻力功率校正到基准状态下的阻力功率，从而获得基准状态下各速度点的行驶阻力[3]。现行试验方法校正过程的总行驶阻力包括滚动阻力和空气阻力，通常忽略汽车内部阻力。

试验基于常温整车实际滑行阻力数据拟合出常温转毂需加载的阻力，低温试验保持常温的转毂加载阻力不变，即滚动阻力和空气阻力保持不变，变量为低温状态下汽车内部阻力。该车不同环境温度下的综合工况克服阻力做功和油耗见表5。环境温度越低，克服阻力做功越大，对油耗的影响越多。

表5 不同环境温度下的综合工况克服阻力做功和油耗

3.2 整车电耗对油耗的影响

整车电耗通常指车辆用电器的总耗电量，即发电机发电量，通过电流表测量发电机的电流，电压表测量蓄电池电压，计算出综合工况发电机的总发电量。由表6试验测试结果可知：环境温度越低，发电机电耗量越大，对油耗的影响越多。可采用智能发电机、IBS传感器、优化用电设备匹配等技术降低整车电耗，优化整车油耗、排放水平。

表6 不同温度整车电耗值

3.3 怠速对油耗的影响

综合工况中的怠速累计时长255 s，将怠速燃油消耗量秒采数据提取出来进行分析,如图7所示，低温怠速总油耗量增加为0.022～0.035 L，增幅为42%～68%。环境温度越低，怠速油耗量越大，对油耗的影响也越大。可通过优化发动机摩擦功、怠速转速、怠速扭矩储备、怠速点火角等技术降低怠速油耗。

图7 怠速油耗秒采累计曲线

3.4 暖机过程对油耗的影响

发动机起动暖机过程指的是发动机点火成功后，机内冷却水和机油从较低温度上升至正常温度的过程，该过程主要包括拖动、起动、后起动和暖机4 个阶段[4]。该过程历时较长，直接影响发动机各总成的磨损和整机的油耗和排放。

暖机时长统计见表7，暖机过程温升变化曲线如图8所示。由表和图可以看到，环境温度越低，暖机时间越长，对油耗的影响越大。可采用缸盖集成排气歧管、双节温器、电子水泵等技术缩短发动机的暖机时间，优化发动机的暖机油耗和排放，延长发动机使用寿命。

表7 暖机时长统计

图8 暖机过程温升变化曲线

4 结束语

本文通过模拟整车在低温环境状态下的试验测试，分析低温环境对汽车油耗和排放污染物的变化规律，探究低温环境温度对排放及油耗的影响机制和降低油耗及排放的潜力。测试结果表明：低温环境温度下油耗变化量相对25 ℃常温热机工况增加10%～30%,排放变化量增加79%～21 376%，分析主要影响因素为整车行驶阻力、整车电耗、怠速油耗、暖机过程。当环境温度低于10 ℃时，每降低5 ℃，综合工况下整车油耗升高为0.002～0.003 L/km。