美国传统汽车5工况城市燃油经济性公式浅析

郭千里，刘 勇

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

美国5工况燃油经济性计算公式服务于轻型汽车燃油经济性标识[1-3]，操作上是把在实验室5种不同工况下测得的单一完整工况或其细分阶段的燃油经济性数据，根据统计得到的实际道路行驶规律，按照最佳符合性原则确定相关权重，再按公式计算出一个更加贴近于实际道路行驶的全年平均结果[4]。

对该系列计算公式的剖析，有助于增强对不同工况下实际道路行驶能耗差异的认识，有助于相关方法论的学习与借鉴，有助于我国有可能开展的建立多种工况汽车能耗评价体系的研究工作。

目前，通过百度等搜索引擎，可以方便地搜索到《EPA燃油经济性评价方法》（V1.0版，草稿）[5]，成果单位为中国第一汽车股份有限公司技术中心。该草稿言简意赅，表述清晰，有很高的参考价值。在未与成果方交流的情况下，仅就网上看到的版本，在计算城市燃油经济性公式中，对于附加启动油耗比例系数0.330，以及附加空调油耗与工况平均车速呈反比例关系的原因解释等方面有待进一步明确。此外，该评价方法以类似于标准的形式展现，省略了部分推导和剖析内容。

本文采用论文形式，增加了较多分析和评论的内容，还包括一些总结和思考。

本文仅对整套系列公式中的传统能源汽车的城市燃油经济性公式进行分析。

1 5工况燃油经济性相关知识

1.1 5工况基本特征

1975年，美国开始实施企业平均燃油经济性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）标准，美国国家环境保护局（U.S. Environmental Protection Agency，EPA）进行2工况测试：FTP城市工况和HFET高速工况。目前，在实验室进行的2工况燃油经济性测试数据仍直接作为CAFE标准的评判依据。

表1 美国5工况基本特征[2]

随着时间的推移，道路交通状况在发生改变，车辆技术和测试设备也在不断进步，致使2工况燃油经济性数据与实际道路行驶数据的偏差越来越大。

为减小汽车燃油经济性标识的偏差，1986年，EPA将FTP的试验值向下调整了10%，HFET试验值向下调整了22%。2006年，EPA发布了具有质变性质的完整的基于5工况的燃油经济性标识计算公式。

1.2 FTP工况阶段划分与取样袋

由图1可知，FTP城市工况曲线由3部分构成，即3个阶段，对应3个尾气取样袋，分别是：（1）取样袋1对应505 s时长的冷启动阶段。（2）取样袋2对应864 s时长的冷启动后的稳定行驶阶段。（3）取样袋3，对应505 s时长的热启动阶段，该阶段工况曲线与取样袋1完全相同。在取样袋2和3之间，有10 min的停止静候时间，以模拟进行了一次加油或是便捷购物后，发动机尚处于热态，再次启动后的取样袋3为热启动阶段。

图1 FTP工况阶段划分

1.3 US06工况阶段划分——城市与高速

根据参考文献[4]和[6]，以72.4 km/h（45 mi/h）为界，平均车速低于72.4 km/h（45 mi/h）的属于城市工况，高于72.4 km/h（45 mi/h）的为高速工况[4]。

由图2可知，US06野蛮驾驶工况曲线包括5个短行程，划分成5个片段，其构成见表2。

图2 US06工况曲线

表2 美国US06工况构成[4]

1.4 基于实际道路行驶统计信息的FTP、HFET和US06回归系数

表3为基于实际道路行驶统计信息，即反映实际道路行驶统计特征的3工况组合的时间和里程回归系数，该比例系数不等同于在实验室里完全按照3工况曲线测试得到的时间和里程比例。

表3 美国FTP、HFET和US06工况回归系数[4] %

Bag 3 FTP、Bag2 FTP和US06 City的燃油经济性分别按照各自的里程回归系数0.41、0.48和0.11进行加权求和后，即为常规和野蛮驾驶模式下的城市单位里程油耗，这将在下文中做进一步阐述。

2 5工况城市燃油经济性公式分析

2.1 公式全貌与整体架构

2.1.1 公式全貌

对于传统能源轻型汽车，5工况城市燃油经济性公式[1]为：

式中：City FE为5工况城市燃油经济性，100 km/L；Start FC为附加启动单位里程油耗，L/100 km；Running FC为行驶单位里程油耗，L/100 km。

Start FC的计算公式为：

式中：BagyFEx为x环境温度下，第y个取样袋的燃油经济性，100 km/L，x取值75 ℉（24 ℃）或20 ℉（-7 ℃），y取值 1或 3。

Running FC的计算公式[1]为：

式中：US06 City FE为野蛮驾驶工况城市阶段燃油经济性，100 km/L；SC03 FE为空调工况燃油经济性，100 km/L。

2.1.2 公式整体架构

由式（1）可知，5工况城市燃油经济性等于附加启动单位里程油耗与行驶单位里程油耗之和的倒数，再乘以0.905。有关0.905的解释：5工况之外的因素导致燃油经济性下降9.5%。这些因素包括：道路坡度、风、胎压、载荷、冰雪和汽油中的乙醇等，0.905即为扣除5工况之外因素影响的结果。

由式（4）可知，行驶单位油耗又由3部分构成：（1）“常规和野蛮驾驶”行驶单位里程油耗，与第1组方括号数据相关。（2）附加低温单位里程油耗，与第2组和第1组方括号数据均相关。（3）附加空调单位里程油耗与第3组方括号数据相关。

下面分别对附加启动单位里程油耗以及行驶单位里程油耗中的3部分内容进行具体介绍和分析。

2.2 附加启动单位里程油耗

附加启动单位里程油耗Start FC涉及式（1）～（3）。

式（3）中，5.8 km（3.6 mi）代表Bag1 FTP和Bag3 FTP的行驶里程。

式（2）中，6.6 km（4.1 mi）代表通过大量实际道路行驶统计信息得到的城市平均行驶里程。

式（2）中，0.76和0.24分别为75 ℉（24 ℃）和20 ℉（-7 ℃）的权重系数。

式（2）中，有关0.330的解释：FTP试验条件是车辆启动前热浸12 h，而在实际行驶中车辆热浸时间有长有短，统一向标准试验条件即经过12 h热浸状态进行折合，整体折合系数为0.330。

分析式（3），取样袋1受冷启动的影响大，Bag1 FEx数值较小，取样袋3受冷启动的影响忽略不计，Bag3 FEx数值较大，两者倒数之差再乘以实验室测试行驶里程即为某一环境温度下FTP试验所产生的附加启动多消耗的油耗量。

再经过式（2）加权等处理，最终得到反映大量实际道路行驶特征的附加启动单位里程油耗数值。

2.3 “常规和野蛮驾驶”行驶单位里程油耗

式（4）中，0.48、0.41和0.11代表的含义见表3，分别代表FTP取样袋2、FTP取样袋3和野蛮驾驶工况城市部分等3部分的代表性回归系数，将该方括号中的内容乘以1倍即为“常规和野蛮驾驶”行驶单位里程油耗。

2.4 附加低温单位里程油耗

低温下只进行Cold FTP工况试验，工况曲线同FTP，同样包括3个取样袋阶段，取样袋2和取样袋3合计的代表符合性也已超过全部城市行驶工况的80%，因此，选取取样袋2和取样袋3两个阶段的燃油经济性组合构成低温城市工况行驶的单位里程油耗。该两个阶段的回归系数均为0.5，该部分的城市工况行驶单位里程油耗可表示为式（4）中第2组方括号中的内容。

0.18为低温行驶的权重系数。因此，附加低温单位里程油耗公式为：

2.5 附加空调单位里程油耗

附加空调单位里程油耗即为式（4）中，第3组方括号中的内容乘以0.133和1.083后的结果。

首先，圆括号中的内容本应为不含空调的“常规和野蛮驾驶”行驶单位里程油耗，即2.3节的相关内容，但是US06 City参与进来后的回归误差远比仅有FTP中的取样袋3和取样袋2进行回归的误差大，为保持更好的代表性，仅选取FTP取样袋3和取样袋2进行组合，回归系数分别为0.61和0.39。

其次，方括号中的内容为空调开启和关闭产生的单位里程油耗差值。

再次，系数1.083为SC03工况平均车速34.6 km/h（21.5 mi/h）与统计信息得到的城市工况平均车速32.0 km/h（19.9 mi/h）的比值[4]。

假设空调处于100%开启状态，且环境温度为95 ℉（35 ℃），空调增加的油耗与行驶时间成正比，与车速成反比，现采用了速度比例系数。

最后，系数0.133为空调开启并折合到95 ℉（35℃）的比例系数。

总之，2.3节、2.4节和2.5节三部分之和即为式（4）。

3 对美国相关测试工况和公式的思考

3.1 附加启动单位里程油耗与行驶里程之间的关系

附加启动单位里程油耗与FTP取样袋1和取样袋3的行驶里程5.8 km（3.6 mi）无关（在该里程大于某一限值后），但与统计平均行驶里程6.6 km（4.1 mi）成反比。

式（3）中虽然出现了FTP取样袋1和取样袋3的行驶里程5.8 km（3.6 mi）的字样，但其实式（3）整体上就是取样袋1和取样袋3之间的油耗差值。在行驶超过一定时间和距离，发动机工作温度达到稳定状态后，该差值是恒定的，里程再增加多少数值都没有影响，因为之后再增加的油耗差始终为0。因此，实验室工况只要满足该临界值即可。FTP工况测试行驶距离为5.8 km（3.6 mi）。一般情况下，传统能源车辆启动后行驶不到5.8 km，发动机温度就已达到稳定工作状态了。

再分析式（2），6.6 km（4.1 mi）为统计城市平均行驶里程，该值越大，Start FC的数值越小，即里程越长，冷启动的影响程度越低。

3.2 附加启动中热浸时间系数的引入更切合实际

附加启动油耗计算中的热浸时间比例系数的引入比NEDC等工况更加细致客观。

NEDC等工况试验，相当于式（2）中热浸时间比例系数为1，即全部热浸12 h后再启动，而美国5工况计算式（2）中系数0.330的引入更加符合实际。

3.3 权重系数多为模拟实际道路行驶的回归系数

公式中绝大多数权重系数不是5工况实验室实测数据之间的比例系数，而是实验室数据通过权重加权后，其特征分布能够更好地反映实际道路行驶统计规律。

3.4 5工况公式值得扬弃

5工况中的常规行驶、低温、空调，以及多种形式的拆分和组合等都有非常高的科学性，值得深入学习和借鉴，但同时要努力避免比较多的工况组合和复杂的表达形式。

FTP和Cold FTP是很好的组合形式，空调工况为什么不能与FTP采用相同的工况曲线呢？野蛮驾驶工况为什么要完全独立而不是全部或部分融入已有工况呢？若如此，工况和公式岂不是可以大大简化？

3.5 FTP和HFET急需替换更新

美国是世界上公认的创新能力最强的国家，5工况燃油经济性体系也属于很好的创新。但FTP和HFET的工况曲线从1975年使用至今一直未变，FTP工况中的加速度和HFET工况中的最大速度，都已严重背离了当今的实际，严重阻碍了汽车产业的进步和发展，需要尽早予以替换更新，却因受多方面掣肘，仍在超龄服役，并担任着重要角色，从中也暴露出美国传统的汽车工业中因循守旧的一面。抱残守缺终将落后，只有勇于改革和创新，才能焕发出生机和活力。

4 结论

（1）美国轻型汽车5工况燃油经济性计算公式，是基于对5种不同工况下测试数据的拆分与组合。FTP城市工况曲线分为3个阶段，US06野蛮驾驶工况分为城市和高速两个部分。常规和野蛮驾驶模式下的城市单位里程油耗，加上附加低温单位里程油耗和附加空调单位里程油耗，再加上附加启动单位里程油耗，再扣减9.5%的非工况因素的影响，最终得到5工况城市燃油经济性。

（2）5工况计算公式中绝大多数权重系数为实验室模拟实际道路行驶统计信息的代表性回归系数，此类系数不等同于5工况实验室实测数据之间的比例系数。

（3）附加启动油耗计算中的热浸时间比例系数0.330的引入比NEDC等工况更加细致客观。

（4）5工况中的常规行驶、低温、空调，以及多种形式的拆分和组合等都有非常高的科学性，值得深入学习和借鉴；而比较多的工况组合和复杂的表达形式又是研究者需要努力避免的。

（5）FTP和HFET的工况曲线从1975年使用至今一直未变，FTP工况中的加速度和HFET工况中的最大速度，都已严重背离了目前的实际情况，急需替换更新。