发动机台架试验与整车工况油耗对比研究
目录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题研究的背景和意义 1
1.3 国内外汽车经济性研究现状 2
1.4 本章小结 4
2 汽车发动机台架试验 5
2.1 发动机台架试验的目的与意义 5
2.2 发动机台架试验的发展状况 5
2.3 发动机试验台架的特点 7
2.4 本章小结 7
3 系统总体设计 8
3.1 系统的目标功能 8
3.2 软件的选用 8
3.3 Origin简介 8
3.4 本章小结 9
4 整车经济性工况转化模型的建立 9
4.1 试验循环工况分析 9
4.2 NEDC循环阐述 9
4.3 发动机万有特性简介 12
4.4 转化模型的建立 13
4.5 数据处理与分析 15
4.6 本章小结 17
结 论 18
参 考 文 献 19
致 谢 20
附录 21
1 绪论
1.1 引言
汽车工业发展至21世纪以来，受到越来越多的挑战，随着世界能源紧缺的加剧，油价的逐年上涨，车辆的燃油经济性越来越成为消费者在购车时考虑的重要因素之一。而与此同时，为应对气候变化危机，中国在国家层面上也提出了汽车行业的整体节能减排目标，即到2015年行业平均油耗达到6.9L/100km，到2020年则更降低到5L/100km；受市场环境与国家政策的影响，国内的各家汽车企业，在新产品开发过程中，不得不将车辆的燃油经济性放在首 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
要位置加以重视，车辆的经济性能匹配也朝着更精益、更全面和更符合市场需求的方向发展。
如今国内的汽车企业，在评价某款开发车型相对同级别其他竞争车型的燃油经济性优劣时，通常采用NEDC循环工况油耗来进行对比分析，所谓NEDC循环即为城市行驶循环(CityDrivingCycle)加上公路行驶循环(ExtraUrbanDrivingCycle)。整车油耗水平由换档策略、整车重量、发动机油耗水平等因素决定[1]，在影响整车油耗的众多因素中，发动机油耗是决定整车油耗最核心的部分[2]。因此，为整车匹配合理的发动机以及如何在发动机开发过程中正确评估该发动机在所匹配车型的油耗水平，显得尤其重要。本文主要介绍通过发动机台架试验与整车工况油耗进行对比研究进而获得汽车的最优油耗水平，提高汽车的经济性能，为解决诸多实际问题提供有效的科学合理性依据。
1.2 课题研究的背景和意义
影响汽车燃油消耗的因素有30多种,概括起来主要包括汽车自身特性、道路交通状况、自然环境和驾驶水平及习惯[3]四大类。
汽车的燃油经济性的概念是指在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力[4]，汽车的燃油经济性是汽车在生产和使用过程中需要关注的主要性能之一，影响着石油资源的消耗，公路运输的成本以及排气污染的程度。这种被喻为“黑金”的不可再生资源便成为了世界各国十分关注的焦点。随着能源的日益短缺，对于汽车的燃油经济性的要求会愈发严格[5]。
能源问题是当今世界所面临最关键的问题之一，在石油资源日益枯竭和汽车数量不断增加的形势下，有效地节约能源是大势所趋[6]。目前，降低整车油耗的研究已经成为各整车厂、科研院所和高校研究的热点课题[7]。中国轻型车燃油消耗量试验方法所使用的行驶工况是参照欧洲的NewEuropeanDrivingCycle（下文简称NEDC）循环制定的，所谓NEDC循环即为城市行驶循环(CityDrivingCycle)加上公路行驶循环(ExtraUrbanDrivingCycle)[8]。
采用NEDC循环工况计算整车油耗是目前评估整车厂新开发车型经济性水平的重要手段之一[9]。然而，在发动机开发前期，缺少完整的万有特性标定数据，发动机厂无法提供完整的万有特性数据支撑整车油耗评估，如果能够合理准确地找到能够代表该发动机水平的关键工况点，则可以通过测试关键工况点的方法来评估发动机油耗水平和拟合万有特性数据，用于整车油耗计算。但在发动机前期开发研究中，由于不知道哪个工况对整车油耗贡献大，通常是均匀用力，没有挖掘出关键工况的最优油耗水平。本文结合NEDC循环计算的特点，制定寻找关键工况点的方案，并结合试验研究对该方案的科学合理性进行分析。
1.3 国内外汽车经济性研究现状
1.3.1国外研究现状
1）美国的油耗及排放评定标准——CAFE
美国的油耗及排放评定标准——CAFE，这个标准被业内奉为准绳，其科学性以及可信度都是业内最负盛名的。CAFE包括城市行驶循环(FTP)以及公路行驶循环(SFTP)两部分，其中FTP所占比例分子为0.55，而SFTP则是0.45，经过运算能够得到综合燃油经济性。城市行驶循环以及公路行驶循环路径如下图1.1所示：
图1.1 美国CAFé市区油耗测试 车速—时间曲线
FTP城市行驶循环总测试时间为1877s，包括505s冷启动(发动机周围平均温度20-30℃)、867s稳定状态以及505s热启动三个阶段。通过测算每个阶段的碳排放量从而得到城市行驶燃油经济性，其中冷启动占有0.43比重因子，稳定状态占1个比重因子，而热启动则占0.57比重因子。FTP测试总行程17.77公里，平均车速34.12公里/小时，最高91.25公里/小时。
图1.2 美国CAFé市区油耗测试 车速—时间曲线
相对FTP，SFTP的曲线轮廓也更加地平缓，震荡幅度与频次都明显小过FTP，这也容易理解，毕竟公路上行车要流畅得多。SFTP总测试时间为1545s，包括765s正式测试时间、15s怠速时间以及765s取样时间，测试总行程33公里，平均车速77.4公里/小时，最高车速96.4公里/小时。
2）欧洲油耗及排放评定标准NEDC
欧洲的燃油和排放测试标准按时间为节点大致上可以划分为三个阶段：1992年前，1992年至2000年前(此间正值欧盟实施欧I和欧II排放法规)以及2000年后(此间正值欧盟实施欧III和欧IV排放法规)。具体三个阶段的车速—时间曲线图如下所示：
图1.3 欧洲第一阶段油耗测试 车速—时间曲线
1992年前欧洲燃油耗测试分为模拟市区工况测试以及90km/h和120km/h等速怠速，从排放效果来看，车辆按照第三阶段测试出来的结果明显比第二阶段好，这样也应付了欧盟从2000年开始实施的欧III和欧IV排放法规。
图1.5 中国油耗测试 车速—时间曲线
再来看看我国燃油排放法规情况——基本上是沿用了1992年始欧洲的那套测试。如图所示为我国车辆燃油循环测试的车速—时间曲线，和欧洲第三阶段的测试雷同。
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题研究的背景和意义 1
1.3 国内外汽车经济性研究现状 2
1.4 本章小结 4
2 汽车发动机台架试验 5
2.1 发动机台架试验的目的与意义 5
2.2 发动机台架试验的发展状况 5
2.3 发动机试验台架的特点 7
2.4 本章小结 7
3 系统总体设计 8
3.1 系统的目标功能 8
3.2 软件的选用 8
3.3 Origin简介 8
3.4 本章小结 9
4 整车经济性工况转化模型的建立 9
4.1 试验循环工况分析 9
4.2 NEDC循环阐述 9
4.3 发动机万有特性简介 12
4.4 转化模型的建立 13
4.5 数据处理与分析 15
4.6 本章小结 17
结 论 18
参 考 文 献 19
致 谢 20
附录 21
1 绪论
1.1 引言
汽车工业发展至21世纪以来，受到越来越多的挑战，随着世界能源紧缺的加剧，油价的逐年上涨，车辆的燃油经济性越来越成为消费者在购车时考虑的重要因素之一。而与此同时，为应对气候变化危机，中国在国家层面上也提出了汽车行业的整体节能减排目标，即到2015年行业平均油耗达到6.9L/100km，到2020年则更降低到5L/100km；受市场环境与国家政策的影响，国内的各家汽车企业，在新产品开发过程中，不得不将车辆的燃油经济性放在首 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
要位置加以重视，车辆的经济性能匹配也朝着更精益、更全面和更符合市场需求的方向发展。
如今国内的汽车企业，在评价某款开发车型相对同级别其他竞争车型的燃油经济性优劣时，通常采用NEDC循环工况油耗来进行对比分析，所谓NEDC循环即为城市行驶循环(CityDrivingCycle)加上公路行驶循环(ExtraUrbanDrivingCycle)。整车油耗水平由换档策略、整车重量、发动机油耗水平等因素决定[1]，在影响整车油耗的众多因素中，发动机油耗是决定整车油耗最核心的部分[2]。因此，为整车匹配合理的发动机以及如何在发动机开发过程中正确评估该发动机在所匹配车型的油耗水平，显得尤其重要。本文主要介绍通过发动机台架试验与整车工况油耗进行对比研究进而获得汽车的最优油耗水平，提高汽车的经济性能，为解决诸多实际问题提供有效的科学合理性依据。
1.2 课题研究的背景和意义
影响汽车燃油消耗的因素有30多种,概括起来主要包括汽车自身特性、道路交通状况、自然环境和驾驶水平及习惯[3]四大类。
汽车的燃油经济性的概念是指在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力[4]，汽车的燃油经济性是汽车在生产和使用过程中需要关注的主要性能之一，影响着石油资源的消耗，公路运输的成本以及排气污染的程度。这种被喻为“黑金”的不可再生资源便成为了世界各国十分关注的焦点。随着能源的日益短缺，对于汽车的燃油经济性的要求会愈发严格[5]。
能源问题是当今世界所面临最关键的问题之一，在石油资源日益枯竭和汽车数量不断增加的形势下，有效地节约能源是大势所趋[6]。目前，降低整车油耗的研究已经成为各整车厂、科研院所和高校研究的热点课题[7]。中国轻型车燃油消耗量试验方法所使用的行驶工况是参照欧洲的NewEuropeanDrivingCycle（下文简称NEDC）循环制定的，所谓NEDC循环即为城市行驶循环(CityDrivingCycle)加上公路行驶循环(ExtraUrbanDrivingCycle)[8]。
采用NEDC循环工况计算整车油耗是目前评估整车厂新开发车型经济性水平的重要手段之一[9]。然而，在发动机开发前期，缺少完整的万有特性标定数据，发动机厂无法提供完整的万有特性数据支撑整车油耗评估，如果能够合理准确地找到能够代表该发动机水平的关键工况点，则可以通过测试关键工况点的方法来评估发动机油耗水平和拟合万有特性数据，用于整车油耗计算。但在发动机前期开发研究中，由于不知道哪个工况对整车油耗贡献大，通常是均匀用力，没有挖掘出关键工况的最优油耗水平。本文结合NEDC循环计算的特点，制定寻找关键工况点的方案，并结合试验研究对该方案的科学合理性进行分析。
1.3 国内外汽车经济性研究现状
1.3.1国外研究现状
1）美国的油耗及排放评定标准——CAFE
美国的油耗及排放评定标准——CAFE，这个标准被业内奉为准绳，其科学性以及可信度都是业内最负盛名的。CAFE包括城市行驶循环(FTP)以及公路行驶循环(SFTP)两部分，其中FTP所占比例分子为0.55，而SFTP则是0.45，经过运算能够得到综合燃油经济性。城市行驶循环以及公路行驶循环路径如下图1.1所示：
图1.1 美国CAFé市区油耗测试 车速—时间曲线
FTP城市行驶循环总测试时间为1877s，包括505s冷启动(发动机周围平均温度20-30℃)、867s稳定状态以及505s热启动三个阶段。通过测算每个阶段的碳排放量从而得到城市行驶燃油经济性，其中冷启动占有0.43比重因子，稳定状态占1个比重因子，而热启动则占0.57比重因子。FTP测试总行程17.77公里，平均车速34.12公里/小时，最高91.25公里/小时。
图1.2 美国CAFé市区油耗测试 车速—时间曲线
相对FTP，SFTP的曲线轮廓也更加地平缓，震荡幅度与频次都明显小过FTP，这也容易理解，毕竟公路上行车要流畅得多。SFTP总测试时间为1545s，包括765s正式测试时间、15s怠速时间以及765s取样时间，测试总行程33公里，平均车速77.4公里/小时，最高车速96.4公里/小时。
2）欧洲油耗及排放评定标准NEDC
欧洲的燃油和排放测试标准按时间为节点大致上可以划分为三个阶段：1992年前，1992年至2000年前(此间正值欧盟实施欧I和欧II排放法规)以及2000年后(此间正值欧盟实施欧III和欧IV排放法规)。具体三个阶段的车速—时间曲线图如下所示：
图1.3 欧洲第一阶段油耗测试 车速—时间曲线
1992年前欧洲燃油耗测试分为模拟市区工况测试以及90km/h和120km/h等速怠速，从排放效果来看，车辆按照第三阶段测试出来的结果明显比第二阶段好，这样也应付了欧盟从2000年开始实施的欧III和欧IV排放法规。
图1.5 中国油耗测试 车速—时间曲线
再来看看我国燃油排放法规情况——基本上是沿用了1992年始欧洲的那套测试。如图所示为我国车辆燃油循环测试的车速—时间曲线，和欧洲第三阶段的测试雷同。
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