基于NEDC工况的发动机能量利用率分析方法

任平　王波

摘 要：发动机能量利用率是一种分析和评价燃油经济性匹配水平的方法。首先计算出NEDC工况试验时为克服行驶阻力所做的功，再通过NEDC工况试验得出实际油耗，并将油耗转化为完全燃烧所释放的能量。将克服行驶阻力所做功除以完全燃烧释放的能量便是该车型NEDC工况试验时的能量利用率。能量利用率可用于判断开发车型与竞争车型经济性匹配水平的优劣，也可用于判断不同级别车型经济性匹配水平的优劣。

关键词：能量利用率；NEDC工况；行驶阻力；油耗；经济性匹配水平

中图分类号：U461.2 文献标志码： A 文章编号：1005-2550（2014）02-0018-06

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6.9 L/100 km，到2020年则更降低到5 L/100 km；

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。然而，由于不同车型其自身物理特性（如整备质量、轮胎型号、行驶阻力等）不同，油耗对比的结果并不能代表经济性匹配水平的高低。本文介绍一种汽车发动机能量利用率的分析评价方法，可以一定程度上排除车辆自身物理特性对于对比分析结果的影响，从而解决上述问题。

1 采用发动机能量利用率的意义

汽车发动机能量利用率（后称能量利用率）是指车辆在行驶某段距离时为克服行驶过程中的行驶阻力所做的功占实际消耗燃油完全燃烧所释放的能量的比例，其公式如式（1）。能量利用率相对于发动机的热效率，排除了传动系内阻对于能量损失的影响，可以直接反映出车辆燃油经济性匹配的水平，这个比例越高说明车辆燃油经济性匹配的水平越高。

（1）

式中：ηe为能量利用率；Wr为车辆克服行驶阻力所做的功；Qin为车辆消耗燃油完全燃烧所释放的能量。

车辆的燃油经济性主要与以下方面有关：

（1）性能匹配水平：包括动力总成的选型、经济性开发目标的设定、变速箱速比的匹配、整车各子系统对燃油经济性影响因素的监控等方面，体现了整车经济性系统开发的设计水平；

（2）发动机自身的节油水平：这个水平主要与发动机的类型，节油技术的应用情况，零部件加工工艺与精度，所带负载的情况等有关，体现了发动机的设计水平；

（3）发动机电控系统设计：通过遍布整车各处的传感器提供的信号判断合理的喷油量，电控系统的匹配开发水平高低对车辆的燃油经济性至关重要；

（4）发动机的工作环境：包括进气温度、进气系统阻力、排气系统背压、冷却系统冷却能力、发动机舱热流场管理、喷油压力等，体现了发动机附件的设计水平；

（5）能量传递过程的效率：包括变速箱效率、驱动轴传递效率、制动残余阻力造成的效率损失、前束阻力造成的效率损失等，体现了整车底盘系统的设计水平；

（6）整车物理特性：主要是产生行驶阻力的车辆特性，包括迎风面积、风阻系数、整备质量、轮胎阻力特性等。

以上六方面影响因素中，整车物理特性往往是不受性能匹配开发工程师控制的，它主要受到车型定位、车辆配置、汽车厂家的技术开发水平等影响。因此，如果将整车物理特性纳入到经济性匹配水平的评价范畴中，将不能真实体现经济性匹配水平。

如果采用NEDC工况油耗作为经济性匹配水平的评价标准，实际就是将整车物理特性考虑在内，因为油耗受到整车物理特性的影响。

如果采用NEDC工况能量利用率作为评价标准，其关系式中分子实际就是整车行驶阻力的表征，分母是油耗的表征，包含了由于行驶阻力产生的油耗。两者相除就在一定程度上抵消了整车物理特性的影响，因此更能体现经济性匹配的水平。

2 相关分析说明

2.1 整车行驶阻力

在进行整车燃油经济性转毂试验时，一般采用道路滑行法来进行行驶阻力的加载，这个阻力对应着经济性试验的整车质量。

车辆在试验场跑道上进行滑行试验时，主要克服空气阻力、滚动阻力、加速阻力和坡度阻力，其中加速阻力只有在车辆加速时会产生，坡度阻力只有在车辆爬坡时会产生。而车辆在进行NEDC工况试验时，上述四种阻力中，由于没有爬坡，因此坡度阻力是没有的。

车辆的道路滑行阻力可以认为是与车速的一个二次函数关系，即：

Ff=Aν2+Bν+C （2）

式中：A，B，C为滑行阻力系数。

2.2 NEDC工况试验时的能量分解路径

车辆在进行NEDC工况试验时，发动机燃油完全燃烧后释放出的能量，其中很大一部分通过热量散失掉，散失的途径包括热辐射、热传导与热对流；另外一部分用于克服发动机自身内部零部件间的阻力，而较小的一部分最终通过传动系传递到驱动轮，用于克服工况行驶时的行驶阻力，燃油燃烧能量的分解路径如图1。

图1 汽车发动机燃油燃烧能量分解路径

从图1中可看出，能量利用率就是整车克服空气阻力、滚动阻力和加速阻力所做功占燃烧能量的比例。

2.3 NEDC工况说明

NEDC工况中包含城区15工况与郊区13工况，一个NEDC工况由四个城区工况与一个郊区工况组成，工况曲线如图2。

图2 NEDC工况运行图

NEDC工况中，按照行驶状态不同，分为六种工况类型：加速工况、等速工况、怠速工况、减速且不断开传动系工况、减速且离合器脱开工况和换挡工况。endprint

3 NEDC工况的能量利用率计算分析

3.1 各类工况做功分析

3.1.1 加速工况

在NEDC工况中，对加速工况有明确的定义，要求在一个确定的时间段使车辆完成从一个车速到另一个更高车速的加速过程；比如在城区工况的工况2区间段，要求车辆在4s的时间内，车速由0提升到15 km/h，如图3所示。

图3 加速工况分析示意图

车辆进入加速工况时，克服的主要阻力包括空气阻力、滚动阻力与加速阻力，其中加速阻力为：

（3）

车辆在进行加速工况试验时，受车辆及发动机状态的动态变化，其加速度不是恒定的，但是在进行理论分析时，我们可以认为车辆是在进行匀加速运动；

把加速过程分解为若干区间，如按照车速每增加1 km/h为一个区间，每个区间车辆所做的功可根据单位时间所做的功与行驶时间之积来求得。

单位时间所做功就是某一个时刻对应的车辆克服行驶阻力所消耗的功率Pe（此功率为轮边功率），由下式求得：

（4）

式中：v指某一个时刻对应的车速，km/h。

而汽车行驶速度每增加1 km/h所需的时间（s）为：

（5）

式中：ta为某个加速区间段要求的完成时间；va为该加速区间段起始车速；vb为该加速区间段终了车速。

则在某一个时间区间段，车辆克服阻力所做功（k·Wh）为：

（6）

从行驶初速v1加速至v1+1 km/h，车辆所做功（k·Wh）为：

（7）

式中：Pe0为行驶初速v1时，即t0时刻的功率，kW；Pe1为行驶初速v1+1 km/h时，即t1时刻的功率，kW。

由车速v1+1 km/h再增加1 km/h，车辆所做功（kW·h）为：

（8）

式中：Pe2为行驶初速v1+2 km/h时，即t2时刻的功率，kW。

依此，每个区间车辆所做功（kW·h）为：

（9）

式中：Pe（n-1），Pen为t（n-1），tn时刻的功率，kW。

该加速过程车辆所做的功（k·Wh）为：

（10）

3.1.2 等速工况

车辆在进入等速工况行驶时，克服的主要阻力包括空气阻力和滚动阻力；这两个阻力之和就是前述进行道路滑行试验时整车所承受的阻力，由式（2）可以看出，这个阻力只与车速有关，车速一定时，阻力之和是恒定的。

那么某一个时刻对应的车辆克服行驶阻力所消耗的功率Pc（kW），由下式求得：

（11）

式中：v指某一个时刻对应的车速，km/h。

那么从某个时间点t1等速行驶到t2时，车辆克服阻力所做功（kW·h）为：

（12）

3.1.3 怠速工况

车辆在进入怠速工况时，发动机与传动系断开，发动机怠速喷油主要用于克服发动机自身内阻，并维持发动机的稳定运转。

怠速工况小时怠速油耗Qie（L/h）可在试验时直接测得，则发动机从某个时间点t1怠速运转到t2时，其耗油量（L）为：

（13）

利用燃油密度与燃油燃烧热值，可换算出这段时间发动机燃烧燃油所释放出的能量（kW·h）为：

（14）

式中：ρ为燃油密度，理论分析时，推荐汽油取0.725 kg/L，柴油取0.84 kg/L；q为燃油燃烧热值，理论分析时，推荐汽油取11.96 kWh/kg，柴油取11.82 kWh/kg。

从式（13）和式（14）可以看出，此工况发动机所做功与行驶阻力无关。

3.1.4 减速且不断开传动系工况

车辆在进入减速且不断开传动系工况时，电控系统发动机均增加了断油的控制策略，在发动机转速未降低到某一个较低转速（这个转速一般在1000 rpm-1400 rpm）之前，均不对发动机喷油，依靠行驶的车速反拖发动机运转，以此达到省油的目的。

在NEDC工况中，由于发动机转速降到重新喷油转速后的时间很短，其燃油消耗量很小，基本可以忽略。因此，在进行理论分析时，可以认为减速且不断开传动系工况没有油耗产生，即发动机不做功。

3.1.5 减速且离合器脱开工况

离合器脱开后，发动机与传动系断开，此时发动机的运行状态与怠速工况相同，则车辆从某个时间点t1减速行驶到t2时，其耗油量（L）为：

（15）

利用燃油密度与燃油燃烧热值，可换算出这段时间发动机燃烧燃油所释放出的能量（kWh）为：

（16）

从式（15）和式（16）可以看出，此工况发动机所做功与行驶阻力无关。

3.1.6 换挡工况

车辆在换挡时，需要踩下离合器踏板，此时离合器脱开，发动机与传动系断开，理论分析时认为发动机的运行状态与怠速工况相同，则车辆从某个时间点t1减速行驶到t2时，其耗油量（L）为：

（17）

利用燃油密度与燃油燃烧热值，可换算出这段时间发动机燃烧燃油所释放出的能量（kWh）为：

（18）

从式（17）和式（18）可以看出，此工况发动机所做功与行驶阻力无关。

3.2 NEDC工况运行统计分析

从以上每个工况的做功情况可以看出，在NEDC工况试验时，克服行驶阻力做功主要是在加速工况和等速工况完成，其他工况或不做功或做功主要用于克服发动机内阻以维持发动机运转。

下面对城区工况和郊区工况中各工况的做功用时情况及做功总和进行分析。endprint

3.2.1 城市工况

对城市工况进行详细分解并统计分析，结果如表1。

表1 城区工况各工况用时

由表1可看出，城市工况试验总计用时195 s，其中克服行驶阻力做功总计用时93 s，克服发动机自身阻力做功总计用时77 s，未做功的时间是25 s；

将城区工况中所有加速工况与所有等速工况所做功相加，便是城区工况克服行驶阻力所做功的总和WUDC（kW·h）。

3.2.2 郊区工况

对城市工况进行详细分解并统计分析，结果如表2。

表2 郊区工况各工况用时

由上表可看出，郊区工况试验总计用时400 s，其中克服行驶阻力做功总计用时312 s，克服发动机自身阻力做功总计用时56 s，未做功的时间是32 s。

将郊区工况中所有加速工况与所有等速工况所做功相加，便是郊区工况克服行驶阻力所做功的总和WEUDC（kW·h）。

3.3 NEDC工况能量利用率计算

NEDC工况克服行驶阻力做功之和（kW·h）：

（19）

NEDC工况中，每个城区工况行驶距离为1.013 km，郊区工况行驶距离为6.955 km，总计行驶距离为11.007 km。试验时测得NEDC工况油耗为Qn（L/100km），则行驶完一个NEDC工况的耗油量（L）为：

（20）

则依据式（1）和式（14）可以计算出NEDC工况下的能量利用率：

（21）

4 能量利用率的分析应用

4.1 竞争车型对比分析

比如某公司要开发一款A级车，该车型匹配1.5 L汽油发动机，整备质量为1 205 kg，经过NEDC工况经济性试验，得到试验结果是：城市工况油耗为9 L/100km，郊区工况油耗为6.1 L/100km，综合工况油耗为7.2 L/100km；

该公司为评价该车型燃油经济性匹配的优劣，对市场上同级别的八款竞争车型进行了NEDC工况燃油经济性试验，结果如表3。

从开发车型与竞争车型的对比结果来看，开发车型油耗在同级别竞争车型中，处于比较省油的位置。但是，由于开发车型发动机排量相对较小，整备质量相对较低，其油耗较低并不能代表该车型经济性匹配水平就好。

为此，采用能量利用率方法进行对比和评价，结果如表4。

从上对比可看出，虽然开发车型的NEDC工况油耗较低燃油经济性较好，但其能量利用率在同级别车型中偏低，说明开发车型的经济性匹配的水平较差，仍需要进行优化。

4.2 不同级别车型的性能匹配水平对比

比如A公司开发了一款A级车，匹配1.5 L汽油发动机，整备质量1 205 kg，其NEDC工况综合油耗为7.2 L/100 km。该公司希望与另一家汽车公司B公司比较其车型的经济性匹配水平，但A公司只有B公司的一款C级车可供试验分析，该车匹配3.0 L汽油发动机，整备质量1 700 kg，NEDC工况综合油耗为10.3 L/100km。

由于两款车型级别相差很大，在进行NEDC工况试验时，为克服行驶阻力所做的功差别就很大，因此没法直接用综合油耗来进行比较。

这时，就可以用能量利用率来进行比较，能量利用率排除了车型物理特性的差别，可以进行直观的对比。经过分析，A公司的A级车能量利用率为23.8%，B公司的C级车能量利用率为21.2%，可以说明A公司的车型经济性匹配水平更高。

5 结论

（1）能量利用率的评价方法排除了车辆自身物理特性（重量、阻力等）对于整车油耗的影响，体现了整车经济性能的匹配水平；

（2）通过对NEDC工况中各类工况的做功分析，可以得出在NEDC工况中克服行驶阻力做功之和，除以所消耗燃油（通过试验得到）完全燃烧释放的能量，便可求得在NEDC工况试验中的能量利用率；

（3）汽车企业在进行竞品分析时，采用能量利用率作为评价指标，可以排除车辆自身物理特性对于评价结果的影响；在进行不同级别车型性能匹配水平对比时，采用能量利用率可以排除不同级别车型的差异而进行直观的对比。因此，其实际应用是比较广泛的。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].第3版.北京：机械工业出版社，2000，10.

[2]彭莫，刁增祥.汽车动力系统计算匹配及评价[M].第1版，北京：北京理工大学出版社，2009，11.endprint

3.2.1 城市工况

对城市工况进行详细分解并统计分析，结果如表1。

表1 城区工况各工况用时

由表1可看出，城市工况试验总计用时195 s，其中克服行驶阻力做功总计用时93 s，克服发动机自身阻力做功总计用时77 s，未做功的时间是25 s；

将城区工况中所有加速工况与所有等速工况所做功相加，便是城区工况克服行驶阻力所做功的总和WUDC（kW·h）。

3.2.2 郊区工况

对城市工况进行详细分解并统计分析，结果如表2。

表2 郊区工况各工况用时

由上表可看出，郊区工况试验总计用时400 s，其中克服行驶阻力做功总计用时312 s，克服发动机自身阻力做功总计用时56 s，未做功的时间是32 s。

将郊区工况中所有加速工况与所有等速工况所做功相加，便是郊区工况克服行驶阻力所做功的总和WEUDC（kW·h）。

3.3 NEDC工况能量利用率计算

NEDC工况克服行驶阻力做功之和（kW·h）：

（19）

NEDC工况中，每个城区工况行驶距离为1.013 km，郊区工况行驶距离为6.955 km，总计行驶距离为11.007 km。试验时测得NEDC工况油耗为Qn（L/100km），则行驶完一个NEDC工况的耗油量（L）为：

（20）

则依据式（1）和式（14）可以计算出NEDC工况下的能量利用率：

（21）

4 能量利用率的分析应用

4.1 竞争车型对比分析

比如某公司要开发一款A级车，该车型匹配1.5 L汽油发动机，整备质量为1 205 kg，经过NEDC工况经济性试验，得到试验结果是：城市工况油耗为9 L/100km，郊区工况油耗为6.1 L/100km，综合工况油耗为7.2 L/100km；

该公司为评价该车型燃油经济性匹配的优劣，对市场上同级别的八款竞争车型进行了NEDC工况燃油经济性试验，结果如表3。

从开发车型与竞争车型的对比结果来看，开发车型油耗在同级别竞争车型中，处于比较省油的位置。但是，由于开发车型发动机排量相对较小，整备质量相对较低，其油耗较低并不能代表该车型经济性匹配水平就好。

为此，采用能量利用率方法进行对比和评价，结果如表4。

从上对比可看出，虽然开发车型的NEDC工况油耗较低燃油经济性较好，但其能量利用率在同级别车型中偏低，说明开发车型的经济性匹配的水平较差，仍需要进行优化。

4.2 不同级别车型的性能匹配水平对比

比如A公司开发了一款A级车，匹配1.5 L汽油发动机，整备质量1 205 kg，其NEDC工况综合油耗为7.2 L/100 km。该公司希望与另一家汽车公司B公司比较其车型的经济性匹配水平，但A公司只有B公司的一款C级车可供试验分析，该车匹配3.0 L汽油发动机，整备质量1 700 kg，NEDC工况综合油耗为10.3 L/100km。

由于两款车型级别相差很大，在进行NEDC工况试验时，为克服行驶阻力所做的功差别就很大，因此没法直接用综合油耗来进行比较。

这时，就可以用能量利用率来进行比较，能量利用率排除了车型物理特性的差别，可以进行直观的对比。经过分析，A公司的A级车能量利用率为23.8%，B公司的C级车能量利用率为21.2%，可以说明A公司的车型经济性匹配水平更高。

5 结论

（1）能量利用率的评价方法排除了车辆自身物理特性（重量、阻力等）对于整车油耗的影响，体现了整车经济性能的匹配水平；

（2）通过对NEDC工况中各类工况的做功分析，可以得出在NEDC工况中克服行驶阻力做功之和，除以所消耗燃油（通过试验得到）完全燃烧释放的能量，便可求得在NEDC工况试验中的能量利用率；

（3）汽车企业在进行竞品分析时，采用能量利用率作为评价指标，可以排除车辆自身物理特性对于评价结果的影响；在进行不同级别车型性能匹配水平对比时，采用能量利用率可以排除不同级别车型的差异而进行直观的对比。因此，其实际应用是比较广泛的。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].第3版.北京：机械工业出版社，2000，10.

[2]彭莫，刁增祥.汽车动力系统计算匹配及评价[M].第1版，北京：北京理工大学出版社，2009，11.endprint

3.2.1 城市工况

对城市工况进行详细分解并统计分析，结果如表1。

表1 城区工况各工况用时

由表1可看出，城市工况试验总计用时195 s，其中克服行驶阻力做功总计用时93 s，克服发动机自身阻力做功总计用时77 s，未做功的时间是25 s；

将城区工况中所有加速工况与所有等速工况所做功相加，便是城区工况克服行驶阻力所做功的总和WUDC（kW·h）。

3.2.2 郊区工况

对城市工况进行详细分解并统计分析，结果如表2。

表2 郊区工况各工况用时

由上表可看出，郊区工况试验总计用时400 s，其中克服行驶阻力做功总计用时312 s，克服发动机自身阻力做功总计用时56 s，未做功的时间是32 s。

将郊区工况中所有加速工况与所有等速工况所做功相加，便是郊区工况克服行驶阻力所做功的总和WEUDC（kW·h）。

3.3 NEDC工况能量利用率计算

NEDC工况克服行驶阻力做功之和（kW·h）：

（19）

NEDC工况中，每个城区工况行驶距离为1.013 km，郊区工况行驶距离为6.955 km，总计行驶距离为11.007 km。试验时测得NEDC工况油耗为Qn（L/100km），则行驶完一个NEDC工况的耗油量（L）为：

（20）

则依据式（1）和式（14）可以计算出NEDC工况下的能量利用率：

（21）

4 能量利用率的分析应用

4.1 竞争车型对比分析

比如某公司要开发一款A级车，该车型匹配1.5 L汽油发动机，整备质量为1 205 kg，经过NEDC工况经济性试验，得到试验结果是：城市工况油耗为9 L/100km，郊区工况油耗为6.1 L/100km，综合工况油耗为7.2 L/100km；

该公司为评价该车型燃油经济性匹配的优劣，对市场上同级别的八款竞争车型进行了NEDC工况燃油经济性试验，结果如表3。

从开发车型与竞争车型的对比结果来看，开发车型油耗在同级别竞争车型中，处于比较省油的位置。但是，由于开发车型发动机排量相对较小，整备质量相对较低，其油耗较低并不能代表该车型经济性匹配水平就好。

为此，采用能量利用率方法进行对比和评价，结果如表4。

从上对比可看出，虽然开发车型的NEDC工况油耗较低燃油经济性较好，但其能量利用率在同级别车型中偏低，说明开发车型的经济性匹配的水平较差，仍需要进行优化。

4.2 不同级别车型的性能匹配水平对比

比如A公司开发了一款A级车，匹配1.5 L汽油发动机，整备质量1 205 kg，其NEDC工况综合油耗为7.2 L/100 km。该公司希望与另一家汽车公司B公司比较其车型的经济性匹配水平，但A公司只有B公司的一款C级车可供试验分析，该车匹配3.0 L汽油发动机，整备质量1 700 kg，NEDC工况综合油耗为10.3 L/100km。

由于两款车型级别相差很大，在进行NEDC工况试验时，为克服行驶阻力所做的功差别就很大，因此没法直接用综合油耗来进行比较。

这时，就可以用能量利用率来进行比较，能量利用率排除了车型物理特性的差别，可以进行直观的对比。经过分析，A公司的A级车能量利用率为23.8%，B公司的C级车能量利用率为21.2%，可以说明A公司的车型经济性匹配水平更高。

5 结论

（1）能量利用率的评价方法排除了车辆自身物理特性（重量、阻力等）对于整车油耗的影响，体现了整车经济性能的匹配水平；

（2）通过对NEDC工况中各类工况的做功分析，可以得出在NEDC工况中克服行驶阻力做功之和，除以所消耗燃油（通过试验得到）完全燃烧释放的能量，便可求得在NEDC工况试验中的能量利用率；

（3）汽车企业在进行竞品分析时，采用能量利用率作为评价指标，可以排除车辆自身物理特性对于评价结果的影响；在进行不同级别车型性能匹配水平对比时，采用能量利用率可以排除不同级别车型的差异而进行直观的对比。因此，其实际应用是比较广泛的。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].第3版.北京：机械工业出版社，2000，10.

[2]彭莫，刁增祥.汽车动力系统计算匹配及评价[M].第1版，北京：北京理工大学出版社，2009，11.endprint