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空調(diào)對輕型乘用車油耗影響的試驗研究

2020-06-26 12:22:33·  來源：汽車熱管理之家  
　
【摘要】為研究車內(nèi)空調(diào)對輕型乘用車油耗的影響，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對6 輛乘用車進行NEDC 循環(huán)下的試驗研究，并基于國家標(biāo)準(zhǔn)對空調(diào)能耗的評價方法研究了汽車空調(diào)能耗
【摘要】為研究車內(nèi)空調(diào)對輕型乘用車油耗的影響，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對6 輛乘用車進行NEDC 循環(huán)下的試驗研究，并基于國家標(biāo)準(zhǔn)對空調(diào)能耗的評價方法研究了汽車空調(diào)能耗與車廂容積的關(guān)系，最后對比了NEDC、WLTC 和CLTC 循環(huán)下汽車空調(diào)對整車油耗的影響。 結(jié)果表明： 汽車空調(diào)開啟時整車平均油耗增幅為28%，主要集中在怠速段和低速段； 空調(diào)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)一致時，空調(diào)油耗增幅與車廂容積可按線性關(guān)系表示； CLTC 循環(huán)下，空調(diào)高負(fù)荷工作時間長，空調(diào)油耗增幅最大，更適合評價空調(diào)系統(tǒng)能耗和其節(jié)能技術(shù)效果。
 
1 前言
法規(guī)認(rèn)證的油耗無法體現(xiàn)車輛的真實油耗水平一直是汽車行業(yè)的痛點之一。2017 年發(fā)布的《乘用車實際油耗與工況油耗差異發(fā)展年度報告》[1]指出，輕型車用戶實際油耗比公告油耗平均高29%，油耗差距主要來自循環(huán)工況的差異和空調(diào)的使用，多個典型城市的車輛夏季油耗最高，比最低月份高15%左右[1]。汽車空調(diào)制冷時的功率約占發(fā)動機輸出功率的10%～15%[2]。作為整車內(nèi)部耗能最多的附件，汽車空調(diào)對整車油耗的影響尚未得到足夠的重視。同時，它有著很大的節(jié)能潛力[3]，降低汽車空調(diào)能耗被認(rèn)為是極具性價比的節(jié)能措施之一。
 
為了反映空調(diào)對整車油耗的影響，并鼓勵空調(diào)節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，美國和歐洲都實施了有針對性的油耗法規(guī)。美國從2008年起就在油耗測試五工況法中引入SC03 空調(diào)循環(huán)，從2013 年起進一步引入AC17 循環(huán)測試并實施節(jié)能空調(diào)獎勵法規(guī)[5]。歐洲同樣提出了類似的MACTP（Mobile Air Conditioning Test Procedure）循環(huán)對空調(diào)的使用進行油耗測試[6]。
 
中國于2017 年1 月起草了《乘用車循環(huán)外技術(shù)/裝置節(jié)能效果評價方法第3 部分汽車空調(diào)》國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿[7]（簡稱“征求意見稿”），規(guī)定使用NEDC循環(huán)，首次提出了開啟空調(diào)制冷狀態(tài)下汽車燃料消耗量的試驗方法，相較于常規(guī)的整車油耗測試，該方法提高了試驗的環(huán)境溫度，并引入了陽光模擬系統(tǒng)，該試驗方法在《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿[8]中繼續(xù)保留，但將試驗循環(huán)從NEDC替換為全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）或中國工況測試循環(huán)（China Light-duty Test Cycle，CLTC）。
 
循環(huán)工況的差異會導(dǎo)致整車油耗測試結(jié)果不同，同樣也會影響空調(diào)油耗的測試結(jié)果，因此選擇合適的循環(huán)對空調(diào)系統(tǒng)能耗進行評價至關(guān)重要。研究結(jié)果表明[9]，WLTC空調(diào)油耗增幅小于歐洲實際道路情況，其準(zhǔn)確性仍有提高的空間。CLTC 工況下測得的油耗比NEDC 工況下測得的油耗平均高14%，更接近用戶實際油耗。CLTC 油耗與用戶實際油耗的差別主要來自空調(diào)耗能[10]，而目前CLTC 工況下空調(diào)對整車油耗影響的研究還未見報道。
 
基于以上研究現(xiàn)狀，本文以6 輛搭載變排量空調(diào)的汽車為試驗對象，研究汽車空調(diào)對整車油耗特性的影響，并考察WLTC 和CLTC 是否適合空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價。
 
2 試驗方案
2.1 樣車參數(shù)及試驗設(shè)備
考慮到車型尺寸、動力總成和空調(diào)系統(tǒng)的差異可能影響整車油耗結(jié)果，選擇了滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的6輛汽油車作為試驗車輛，主要參數(shù)如表1所示。車廂容積通過三維建模近似計算得到，其中車型B+、車型D+分別為車型B和車型D的動力總成高配版，車型A、B、D的空調(diào)和動力系統(tǒng)零部件均相同，車型B+、D+的空調(diào)和動力系統(tǒng)零部件相同。
表1 試驗車輛主要技術(shù)參數(shù)
 
試驗設(shè)備包括4WD VULCAN EMS-CD48L 雙軸四驅(qū)底盤測功試驗系統(tǒng)、SolarConstant 4000 陽光模擬系統(tǒng)、MEXA-7400LE尾氣采樣分析系統(tǒng)、CANoe設(shè)備和高靈敏度溫度傳感器，試驗系統(tǒng)如圖1所示。車內(nèi)的溫度傳感器按法規(guī)要求布置，以測量駕駛員及乘員呼吸位置的平均溫度，測點位置如圖2所示。
 
2.2 試驗方案
油耗測試根據(jù)征求意見稿進行。試驗流程如圖3所示，每組試驗進行3 次，滿足重復(fù)性要求后對試驗結(jié)果取平均值作為最終結(jié)果。
 
圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
 
圖2 車內(nèi)溫度傳感器實物及測點位置示意
 
圖3 試驗流程
 
試驗可分為預(yù)處理、浸車、開啟空調(diào)條件下車輛油耗試驗和關(guān)閉空調(diào)條件下車輛油耗試驗4 個部分。預(yù)處理階段的目標(biāo)是對試驗車輛和底盤測功機進行充分預(yù)熱，同時保證車內(nèi)溫度、空調(diào)管路溫度與環(huán)境溫度一致；浸車階段的目的是模擬夏季車輛停放在室外的狀態(tài)，從而更真實地反映汽車空調(diào)工作狀態(tài)。實驗室環(huán)境、空調(diào)設(shè)定等試驗條件是根據(jù)征求意見稿設(shè)定的，征求意見稿在借鑒國外法規(guī)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上充分考慮了我國實際氣候、車輛情況和駕駛員駕駛習(xí)慣。
 
3 試驗結(jié)果與分析
 
3.1 NEDC工況下空調(diào)對整車油耗的影響
圖4所示為NEDC工況下6輛車的整車平均油耗試驗結(jié)果，開啟空調(diào)后整車油耗的增幅φ為：
 
式中，F(xiàn)ACon為開啟空調(diào)時的整車油耗；FACoff為關(guān)閉空調(diào)時的整車油耗。
圖4 NEDC工況下各車輛油耗結(jié)果
 
對試驗數(shù)據(jù)進行計算分析后得到開啟空調(diào)狀態(tài)下整車油耗增幅在為20%～35%，可見空調(diào)對油耗的影響十分顯著。以車型A為例，空調(diào)開啟后的瞬態(tài)油耗結(jié)果如圖5所示，NEDC工況由4個相同的城市單元（ECE Ⅰ～ECE Ⅳ）和1個城郊單元（EUDC）構(gòu)成。從圖5中可定性發(fā)現(xiàn)：城市工況空調(diào)油耗大于市郊工況空調(diào)油耗；怠速工況空調(diào)油耗大于其他行駛工況空調(diào)油耗。
圖5 NEDC工況下車輛A的瞬態(tài)油耗結(jié)果
 
圖6所示為6輛試驗車輛在NEDC不同行駛模式和工況下的平均油耗結(jié)果，定義油耗累計貢獻率為空調(diào)開啟條件下，某一階段油耗占總油耗的比例。結(jié)果顯示，在發(fā)動機處于怠速工況或車輛行駛在市區(qū)低速工況下，空調(diào)對整車油耗影響較明顯，空調(diào)油耗增幅分別為55%和41%，油耗累計貢獻率分別為11%和50%，NEDC綜合油耗增幅為28%。
怠速時空調(diào)油耗發(fā)生顯著提升的主要原因是，開啟空調(diào)后，為了提高發(fā)動機怠速穩(wěn)定性，并為起步加速提供一定的功率儲備，需要提高發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速。以車型A為例，如圖7所示，空調(diào)開啟后，發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速需提高200 r/min，輸出功率相應(yīng)增加約2.5 kW，轉(zhuǎn)速的提高和負(fù)載的增大導(dǎo)致發(fā)動機在怠速段的油耗明顯上升[11]。從圖6中還可得到，市區(qū)工況下空調(diào)所導(dǎo)致的油耗增幅明顯高于市郊工況，其原因是：
 
a.市區(qū)工況發(fā)動機熱效率較低。由于市區(qū)工況下車輛擋位切換頻繁，轉(zhuǎn)速波動較大，此時典型發(fā)動機的平均熱效率（指發(fā)動機有效功率的熱當(dāng)量與單位時間所消耗燃料的含熱量的比值）約為15%，而市郊工況下發(fā)動機的平均熱效率約為30%[12]。因此，在市區(qū)工況下發(fā)動機驅(qū)動空調(diào)所需的額外功率的燃料消耗量更高。
 
b.冷凝器的換熱量與車速間近似呈正比關(guān)系[13]，高車速有利于改善空調(diào)冷凝器空氣側(cè)的換熱效率[14]，從而降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。
 
c.市郊工況下，發(fā)動機輸出功率高，空調(diào)負(fù)荷占發(fā)動機輸出功率比例下降。
 
圖6 NEDC循環(huán)6輛車在不同行駛模式和工況下的平均油耗增幅和累計貢獻率
 
圖7 NEDC循環(huán)ECE Ⅰ階段車型A的發(fā)動機輸出功率和轉(zhuǎn)速
 
空調(diào)能耗除了與行駛模式和工況有關(guān)，也與車內(nèi)溫度下降過程有緊密聯(lián)系。以車型A為例，車內(nèi)溫度下降過程對整車油耗影響的具體過程如圖8所示，其中空調(diào)功率由空調(diào)開啟狀態(tài)下發(fā)動機輸出功率與空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)下發(fā)動機輸出功率作差間接計算得到。NEDC 工況下車型A 的車內(nèi)溫度在ECE Ⅰ階段就已達到設(shè)定值23 ℃，此時壓縮機處于低排量模式，空調(diào)負(fù)載也隨之下降。ECE Ⅰ到ECE Ⅱ階段，空調(diào)油耗增幅從43%降至34%，顯著下降。文獻[15]使用扭矩計直接測量基于整車試驗的汽車壓縮機功率，結(jié)果顯示，在試驗循環(huán)下空調(diào)高負(fù)荷工作時壓縮機平均功率為3.4 kW 左右，當(dāng)車內(nèi)溫度降至設(shè)定溫度后，壓縮機平均功率約下降30%。
 
圖8 NEDC工況下車型A車內(nèi)溫度及壓縮機排量控制電流
 
3.2 駕駛循環(huán)對空調(diào)能耗的影響
 
由3.1節(jié)研究結(jié)論可得，不同行駛工況下，空調(diào)對整車油耗影響差異較大，因此本文進一步研究不同循環(huán)下空調(diào)對整車油耗的影響，以得到最適合評價汽車空調(diào)能耗的試驗循環(huán)。
 
各循環(huán)的主要特性如表2所示。圖9所示為不同循環(huán)下空調(diào)對車型A油耗的影響。在平均車速高、怠速比例低的WLTC 工況下，空調(diào)對整車油耗影響為15%；但在平均車速低、怠速比例高的CLTC 工況下，空調(diào)對整車油耗的影響為26%，明顯高于WLTC工況。
 
表2 NEDC、WLTC、CLTC工況主要特性
 
 
圖9 不同循環(huán)下空調(diào)對整車油耗的影響
 
將各循環(huán)按車速分類為怠速段、低速段（＞0～40 km/h）、中低速段（＞40～80 km/h）和中高速段（＞80 km/h），不同循環(huán)下各車速段空調(diào)對整車油耗影響結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：與NEDC工況類似，各循環(huán)下空調(diào)對整車油耗影響主要在怠速和低速段，由于CLTC 工況低速和怠速占比大，累計油耗貢獻率為51%，因此CLTC 工況下，空調(diào)對整車油耗影響也最大；WLTC工況中低速和中高速占比大，累計油耗貢獻率達到了74%，因此該工況下空調(diào)對整車油耗影響最小。
 
各循環(huán)下車內(nèi)降溫曲線如圖11所示：NEDC工況車內(nèi)溫度下降最快，約180 s后空調(diào)降至低負(fù)荷狀態(tài)；其次為WLTC 工況，用時約為240 s；CLTC 工況下車內(nèi)降溫過程最慢，約450 s空調(diào)降至低負(fù)荷狀態(tài)。
 
除了平均車速低和怠速比例高的影響，車內(nèi)降溫過程慢也是造成CLTC 工況下空調(diào)對整車油耗影響較顯著的原因之一。在環(huán)境條件和空調(diào)設(shè)置相同的情況下，空調(diào)制冷量只受壓縮機轉(zhuǎn)速和車速影響，壓縮機轉(zhuǎn)速和車速越高，空調(diào)制冷量越大。其中，壓縮機轉(zhuǎn)速對制冷量的影響超過50%，冷凝器風(fēng)速對制冷量的影響小于15%[16]。表3所示為不同循環(huán)下試驗車輛的空調(diào)壓縮機平均轉(zhuǎn)速和平均車速。CLTC工況下壓縮機平均轉(zhuǎn)速和平均車速較NEDC 和WLTC 工況低，造成CLTC 工況下空調(diào)制冷量較小，車內(nèi)降溫過程較慢。
 
圖10 不同循環(huán)下各車速段空調(diào)對整車油耗的影響
 
圖11 各循環(huán)下車內(nèi)降溫曲線
表3 不同循環(huán)下車型A的壓縮機平均轉(zhuǎn)速和平均車速
 
CLTC 工況更接近中國用戶真實的行駛工況，且在該工況下車內(nèi)降溫較慢，空調(diào)高負(fù)荷工作時間長，空調(diào)油耗增幅最大，更有利于反映不同空調(diào)節(jié)能技術(shù)對整車油耗帶來的影響?；谝陨蟽牲c，CLTC 工況更適合評價空調(diào)系統(tǒng)及其節(jié)能技術(shù)的效果。
 
3.3 車廂容積對空調(diào)能耗的影響
征求意見稿中規(guī)定了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果評價方法：
 
式中，F(xiàn)J為汽車空調(diào)的節(jié)能效果，F(xiàn)J＞0 表明該空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能效果；TAC為汽車空調(diào)燃料消耗量目標(biāo)值，為按試驗結(jié)果統(tǒng)計得到的某一整車質(zhì)量下典型車輛的空調(diào)油耗基準(zhǔn)值；FAC為汽車空調(diào)燃料消耗量；K=0.25為空調(diào)使用比例系數(shù)；FACon、FACoff分別為空調(diào)開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的整車燃料消耗量；VM為整車整備質(zhì)量。
 
試驗車輛的空調(diào)油耗與整車整備質(zhì)量的關(guān)系如圖12 所示。同一空調(diào)系統(tǒng)的能耗與整車整備質(zhì)量并未呈現(xiàn)出與式（4）相似的趨勢，即同一空調(diào)系統(tǒng)，按法規(guī)方法并不能評價出相同的節(jié)能效果，因此法規(guī)依據(jù)整車質(zhì)量計算空調(diào)油耗目標(biāo)值缺少一定的科學(xué)合理性。
 
圖12 空調(diào)油耗與整車整備質(zhì)量關(guān)系
 
圖13所示為試驗得到的車輛A、B、D的車內(nèi)溫度曲線，試驗結(jié)果表明，車廂容積越大，車內(nèi)降溫過程越慢。車廂內(nèi)空氣吸收熱量的計算公式為[17]：
 
式中，QT為車廂內(nèi)空氣獲得的總熱量；ρ為空氣密度；VV為車廂容積；Cp為空氣的比熱容；ΔT′為車內(nèi)氣體溫度變化值；QB為車體外圍結(jié)構(gòu)熱傳遞傳入的熱量；Qf為空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)熱交換裝置帶入車廂內(nèi)的制冷量；QI為陽光照射到車室內(nèi)的輻射熱量；QP為車廂內(nèi)乘員散發(fā)的熱量；QE為發(fā)動機艙傳入車廂內(nèi)的熱量；QA為室外新風(fēng)傳入的熱量。
 
由式（5）可知，在QT相近的情況下，車內(nèi)溫度變化ΔT′與車廂容積VV成反比。
 
車內(nèi)降溫過程慢，意味著空調(diào)高負(fù)荷工作時間長，也導(dǎo)致車型B 的空調(diào)油耗增幅大于車型D 和車型A?；谲囆虯、B、D 的試驗結(jié)果分析可得，空調(diào)型號和動力系統(tǒng)一致的輕型乘用車，空調(diào)油耗增幅與車廂容積存在相關(guān)性，為了便于空調(diào)油耗目標(biāo)值的計算，將試驗數(shù)據(jù)點按一次函數(shù)擬合，如圖14所示，關(guān)系式為：
 
式中，k為漏風(fēng)量修正系數(shù)，與整車氣密性有關(guān)，不同車輛的差異較大[18]，但同一平臺車輛相同。
 
圖13 NEDC循環(huán)下車型A、B、D車內(nèi)降溫曲線
 
圖14 空調(diào)油耗增幅與車廂容積間的關(guān)系
 
4 結(jié)束語
本文利用環(huán)境艙開展整車油耗試驗，研究了空調(diào)對整車油耗的影響，得到以下結(jié)論：
a.空調(diào)對整車油耗影響顯著，在各循環(huán)下空調(diào)油耗增幅約為15%～26%，空調(diào)對整車油耗的影響主要集中在怠速段和低速段，在各循環(huán)下油耗增幅分別可達50%以上和30%以上，在高速段增幅只有5%左右。
b.CLTC 工況下空調(diào)對整車油耗的影響大于NEDC 和WLTC 工況，車內(nèi)降溫過程最慢，且最接近中國實際道路工況。因此，CLTC 工況更適合用于評價空調(diào)系統(tǒng)能耗及其節(jié)能技術(shù)效果。
c.在空調(diào)和動力系統(tǒng)一致的情況下，空調(diào)油耗增幅與車廂容積可按線性關(guān)系表示，車廂容積越大，空調(diào)油耗增幅也越大。本文建議法規(guī)在計算空調(diào)油耗目標(biāo)值時使用車廂容積代替整車整備質(zhì)量。
 
作者：張旭陽1 胡志遠(yuǎn)1 韓維維2 康建3 湯尚水3
單位：
1.同濟大學(xué)
2.上海機動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司
3.上汽大眾汽車有限公司
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