冷起动对汽车燃油经济性的影响

代向升 周金 沈铁军

（中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 130013）

主题词：燃油经济性 冷起动 燃料消耗量分析 修正系数

1 前言

随着第四阶段燃料消耗量标准[1-2]的导入，传统燃油车的燃油消耗量达标压力与日俱增。影响车辆燃油消耗量的因素包括发动机技术水平、传动效率、整车阻力和工作温度等。我国当前乘用车燃油消耗法规采用的是新欧洲标准行驶循环（New European Driving Cycle，NEDC）工况，规定车辆从常温（20～30 ℃）起动进行试验[3]，而发动机稳定工作温度基本在80 ℃以上。因此，冷起动性能极大影响了汽车燃油经济性水平。

冷起动对整车燃油消耗量的影响主要体现在以下几个方面[4]：发动机缸体和润滑油温度较低，发动机和传动系统的内部阻力偏大；轮胎温度较低，车辆滚动阻力偏大；为了使三元催化剂尽快达到起燃温度，降低有害气体排放，发动机需要推迟点火提前角，同时增大喷油量。由于车辆的动力总成不同，应用技术不同，冷起动对不同车型的影响也不尽相同。本文选取3 台匹配不同动力总成的典型车辆，在底盘测功机上进行试验研究，并建立了一种新的试验方案和分析方法，以期定量分析冷起动对汽车燃油经济性的影响。

2 试验方案

2.1 试验车辆

本文选取的3 台试验车辆的主要参数和采用的主要技术如表1所示。其中车型B配备起停系统，该系统对车辆暖机速度有显著影响。因此，该车辆分别进行了开启起停功能和关闭起停功能2种方案的试验。

由表1 可知，3 台试验车分别体现了不同类型动力总成的搭配，并应用了不同的暖机技术，具有一定的代表性。

2.2 试验设备和仪器

试验设备如表2和图1所示。

表1 试验车辆主要参数和采用的主要技术

表2 试验设备和仪器

图1 试验设备和仪器

2.3 试验规程

正式试验前，所有车辆均在20～30 ℃的环境舱中浸车不低于6 h。每台车在测功机上连续行驶2 个NEDC循环工况：定义第1 个NEDC 循环工况为冷起动，试验条件与燃油消耗量认证试验相同[3]；定义第2 个NEDC循环工况为热起动，作为热态试验结果进行参照。试验过程中，对车速、发动机转速、瞬时燃油消耗量等参数进行采集。NEDC 循环工况如图2 所示，分为市区工况和市郊工况。其中，市区工况由4 个相同的ECE-15 工况（市区1～市区4）组成，各195 s，共780 s，市郊工况共400 s。

图2 NEDC工况曲线

3 分析方法

分别对冷起动的市区1～市区4 的瞬时燃油消耗量进行积分，得到的累计燃油消耗量分别记为C1、C2、C3和C4。以热起动市区4作为热态基准，其积分燃油消耗量记为C4hot，将C1、C2、C3和C4分别与C4hot进行比较。定义市区1～市区4的冷起动系数为：

根据每个市区工况的冷起动系数，计算出4个市区工况的综合冷起动系数为：

本次试验中，每台车辆由同一驾驶员连续进行冷起动和热起动试验，每个工况驾驶习惯保持一致，故在分析时忽略了车速和行驶里程的微小差别。

4 试验结果及数据处理

4.1 车型A

车型A 的试验结果如图3 所示。冷起动市区1 前50 s 的怠速转速明显高于其他几个工况，与此同时，瞬时燃油消耗量也明显偏高。这是因为发动机刚刚起动，排气管温度较低。为了尽快使三元催化剂达到起燃温度，降低THC、CO 和NOx等有害气体排放量，需要推迟发动机点火提前角，同时增加喷油量。

图3 车型A转速和油耗对比曲线

在加速和等速区间，随着发动机温度逐渐升高，相同车速的瞬时燃油消耗量逐渐降低。值得注意的是，在减速区间，热起动市区4的断油时间明显长于其他几个工况，这与整车断油策略标定有关。当发动机达到正常工作温度时，内部阻力变小，减速断油时间会有所增加。

根据式（1），车型A 市区1～市区4 的冷起动系数计算结果分别为1.52、1.14、1.07和1.03。

4.2 车型B（关闭起停功能）

车型B（关闭起停功能）的试验结果如图4所示。与车型A 类似，在前50 s 三元催化剂起燃过程中，发动机怠速转速和油耗明显提升。此外，车型B的减速断油比车型A 更积极，在第23 s 处的第1 个减速段，发动机便出现了断油情况（冷起动市区1除外），而在变速器换挡过程，也可观察到明显的断油控制。

图4 车型B（关闭起停功能）转速和油耗对比曲线

车型B（关闭起停功能）市区1～市区4 的冷起动系数计算结果分别为1.47、1.11、1.07和1.02。

4.3 车型B（开启起停功能）

车型B（开启起停功能）的试验结果如图5所示。冷起动市区1的前2个怠速区间没有停机。第1个怠速区间发动机刚刚起动，车辆尚未行驶，故无法停机；第2个怠速区间未停机是因为发动机温度较低，未达到停机要求。这2 次不停机会造成市区1 的冷起动系数明显变大。另外，发动机在试验过程频繁停机，会造成暖机速度减缓，进而造成冷起动系数变大。

图5 车型B（开启起停功能）转速与油耗对比曲线

车型B（开启起停功能）市区1～市区4 的冷起动系数计算结果分别为1.52、1.15、1.08、1.05。

4.4 车型C

车型C的试验结果如图6所示。由于该车辆采用8挡CVT变速器，在整个市区工况，发动机转速均保持在较低值。在三元催化剂起燃前（前40 s），冷起动市区1的发动机转速明显偏高；三元催化剂起燃后，几个市区工况的发动机转速基本保持一致。这说明冷起动只影响了该车型前40 s的换挡策略。

图6 车型C转速与油耗对比曲线

由于发动机在等速工况转速较低，车型C减速断油次数和时间较前2 个车型明显变少，只有第155 s 处的减速出现了明显断油（不包括冷起动市区1和市区2）。

车型C 市区1～市区4 的冷起动系数计算结果分别为1.52、1.15、1.06、1.03。

5 综合冷起动系数计算与分析

利用式（2）计算出每个车型的市区工况综合冷起动系数KUDC如表3所示。

表3 市区工况综合冷起动系数

由表3 可知，车型B（关闭起停功能）的综合冷起动系数最小，车型A 和车型C 的综合冷起动系数基本相同，这说明车型B的冷起动燃油经济性优于其他2个车型。车型B 采用1.0 L 小排量增压直喷发动机，并使用发动机分体冷却和集成排气歧管技术，这些技术都有利于车辆快速暖机。对比车型B 关闭和开启起停功能的试验结果可知，开启起停功能时KUDC明显更大，这是因为频繁停机对热机速度的影响较大。

每个车型的市区4冷起动系数K4均不超过1.05，这说明进入市郊工况，发动机温度已基本达到正常运行温度，可以认为冷起动对市郊工况燃油消耗量没有影响。如果已知NEDC 工况中市区工况和市郊工况的燃油消耗量占比，就可以推算出整个NEDC 工况的冷起动系数。但是，由于发动机、变速器技术不同，以及燃油消耗量法规试验方法对挡位的规定存在差异等原因，不同车型NEDC 工况的冷起动系数并不相同。根据长期试验结果统计，NEDC 工况的冷起动系数大多分布在1.05～1.12范围内。

6 结束语

本文建立了一种新的冷起动燃油经济性的试验和分析方法，并选取3台匹配不同动力总成的车辆进行试验，分析了冷起动对车辆燃油经济性的影响。结果证明，在冷起动条件下，发动机的怠速转速、喷油量、换挡策略和减速断油策略等均受到影响。在NEDC工况下，市区工况综合冷起动系数的范围为1.17～1.20。该方法可用于车型开发前期预测车辆燃油消耗量水平，评价车辆冷起动性能，为车辆燃油经济性开发工作提供支持。