朱翔宇，童荣辉，康飞，李丽
（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海市嘉定区安研路201号）
[摘要]本文阐述了发动机工作温度对整车油耗的影响，以电子节温器和开关式水泵为例分析了电子水温控制系统在NEDC循环中的节油原理。将冷热启动油耗差异进行了分解，建立了用于评估电子水温控制系统节油比例的模型，并对结果进行了分析。
关键词：油耗仿真；电子节温器；开关式水泵；冷启动
主要软件：A VL CRUISE
Fuel Economy Simulation of vehicle with E-cooling
system during cold start cycle
Zhu XiangYu,Tong RongHui, Kang Fei, Li Li
SAIC Motor Technical Center, 201 AnyanRd. ,Jiading, Shanghai
[Abstract]This paper describes fuel economy affected by engine working temperature. Take MCT and SWP for example;analyze the principle of E-cooling system in NEDC cycle. Break down the difference of cold start and warm start into three parts. Build a model to evaluate the fuel economy ratio of E-cooling system, and shows the result of simulation.
Keywords:Fuel Economy Simulation；MCT；SWP；cold start
Software:AVL CRUISE
1.前言
为了应对能源供需矛盾，降低中国汽车的整体油耗水平，中国即将实施更为严格的乘用车平均燃油消耗标准，即第三阶段油耗标准，其中规定了2015年企业平均油耗目标6.9L/100km，为应对日益严格的车型油耗限制，各企业都从不同的技术角度提出了节油措施的应用。
在诸多节油措施中，提高发动机效率是至关重要的一环，而发动机效率与发动机工作的工作温度息息相关。随着技术的不断完善，更加先进的发动机温度控制手段在量产车上得到了应用。无论是在实际用户使用还是NEDC测试工况，一个良好的发动机热控制系统能够带来更经济的燃油消耗。
在实际测试过程中，由于发动机工作温度导致的油耗差异只占NEDC循环的1%-2%，转鼓试验因偶然
车辆抵押贷款误差较大，很难在少量试验中评估微小差异，A VL CRUISE作为一款优秀的整车仿真软件，通过发动机温度模型，在评估发动机工作温度差异带来的油耗贡献方面具有相当大的优势。本文基于公司某车型的油耗开发实例，针对电子节温器和开关式水泵在整车上应用，对于NEDC循环节油效果进行仿真，在开发过程中结合试验数据对两项节油措施
的节油效果进行了评估，并对后续项目的油耗开发提出了方向。
2.电子水温控制系统节油原理
发动机的指示功和有效功之差为机械摩擦损失功，在不同的工作温度下，由于发动机润滑油的黏度不同，机械摩擦损失也有所不同，通常情况下，对于越高的工作水温，机油黏度越低，机械损失越小，燃油经济性也就越高。油耗仿真中用机械损失平均压力（FMEP）来表征摩擦损失功，用FMEP和温度的关系，来计算工作温度对发动机油耗的影响。
2.1发动机燃油效率与温度的关系新款宝马5系
为确认发动机工作水温对燃油经济性的影响，我们在公司某发动机上进行了90℃-110℃不同水温对发动机燃油消耗率的台架试验，针对NEDC工况等速和加速的6个特征点，实验结果如下图所示。可以看出，随工作水温升高，燃油消耗率呈下降趋势，在小负荷的工况点，效果更为明显。综合考虑燃油经济性和发动机耐热要求，我们认为日常驾驶工况下，发动机控制水温宜设置为100℃-105℃。
图 1发动机比油耗和工作水温的关系
2.2电子节温器(MCT)的节油原理
从上述数据可以看出，对于水温稳定的情况，水温越高燃油经济性越好。传统的蜡式节温器通过蜡包熔化来打开大循环，限定工作水温在90℃左右。而电子节温器可以通过水温传感器和电子阀门，自由控制开启温度，也就是可以调节发动机工作的稳定温度，这样可以大幅度提高发动机的工作温度从而达到节油效果。同时另一个好处在于，可以针对不同工况分别设定水温，大负荷工况可以迅速开启外循环降低工作温度，而NEDC工况的小负荷区间工作在更高的温度下。操控好的车
2.3开关式水泵(SWP)的节油原理
事实上，在低水温区域，FMEP对油耗有更严重的影响，传统水泵（CWP）随发动机运转一直工作，也就意味着发动机内循环持续工作。在冷启动初期，这个过程对发动机的暖机过程并无益处。装备开关式水泵的意义在于，通过水泵内部的离合器控制水泵间歇性工作，在冷启动循环初期尽量控制冷却水不循环，以尽快提升水温，在实验中，可以看到温升优势十分明显，这部分温度贡献对油耗具有比较明显的影响。
理论上，由于水泵温升快的特性可以让水温更早达到控制温度，从而让电子节温器起作
用的时间更长，达到更好的节油效果。电子节温器和开关式水泵的实测温升对比情况如下图所示。
图 2采用不同E-cooling策略的NEDC温升曲线
美女香车3.NEDC循环冷热启动油耗差异的分解
软件仿真中使用的发动机台架万有特性，为冷却水温度恒定为90℃的测试结果，整车行驶的环境温度不同，相应的会有燃油消耗量的差异。NEDC工况油耗试验规定是从环境温度25℃开始试验，通常在市区工况接近结束时，发动机水温才会达到台架90℃的温度。因此，在进行NEDC油耗仿真时，需要对燃油消耗量进行修正。
在整车冷启动NEDC循环中，冷启动是一个复杂的过程，若对比冷启动和热启动的油耗差异，需要同时考虑发动机工况、变速箱效率、轮胎温度等多方面因素。本文中的仿真主要用于评估E-cooling对整车油耗的贡献，因此从原理上，需要将发动机水温相关油耗差异进行分解，包含如下三点：
3.1冷启动暖机加浓
在NEDC市区工况第一个循环中，通常有一部分额外的燃油消耗用于迅速暖机，这部分油耗是独立于水温对发动机效率影响之外的。迅速暖机虽然在循环初期增加了油耗，但能够减少发动机在冷机状态下的工作时间，改善NEDC循环中大部分时间的油耗和排放。这部分喷油加浓策略是由标定决定的，在仿真模型中，我们通过采用已有项目试验中采集到的油耗差异，提取出参数用于仿真。
3.2机械损失燃油消耗
s70如上所述，由于不同温度下发动机效率不同，燃油消耗量也存在差异。在CRUISE的发动机模型中，用FMEP（机械损失平均压力）来描述这种燃油消耗。在模型中，需要设置发动机油黏度随温度的变化情况，以计算油耗随温度的变化情况。电子节温器和开关式水泵对油耗的贡献，主要在这部分中体现。
3.3怠速转速和油耗分布
出于发动机怠速稳定等方面的考虑，在冷机状态下的发动机怠速转速通常会高于发动机额定怠速转速，同时也会带了燃油消耗量的差异。由于水温对油耗存在影响主要出现在小负
荷区域，因此怠速油耗差异也包含了开关式水泵的节油贡献。尽快暖机意味着可以尽量避免在出现冷机怠速，NEDC的平均怠速转速会降低，油耗也相应会有所改善。通过已有项目经验，我们从试验结果中提取了发动机怠速转速和油耗随温度变化的关系。从下图中可以看出，除第一个循环中出现的暖机加浓之外，发动机怠速转速和怠速油耗基本随水温升高线性下降。
图 3发动机怠速转速和怠速油耗与工作温度的关系
4.模型建立和仿真结果分析
基于电子节温器和开关式水泵的节油原理，以及温度对发动机油耗影响的机理分析，为了评估电子节温器和开关式水泵的节油效果，我们在A VL CRUISE中建立发动机温度模型。其中各部分仿真分解模块如下：
msn汽车
通过调整FMEP的参数，得到仿真与实测基本吻合的结论，对于本文所述某车型，由于暖机过程较为缓慢，MCT工作时间较短，因此与温升曲线显示的情况一致，SWP具有较好的节油效果（接近2%），而MCT节油率较低。试验和仿真数据对比如下表。
图 4油耗仿真CRUISE模型与仿真结果
4.结语
本文通过对电子节温器和开关式水泵节油原理的分析，将冷启动的温升过程进行了分解，搭建了用于评估E-cooling节油效果的CRUISE计算模型。基于与实验数据的对比，可以看出A VL CRUISE计算结果与实测数据匹配的较好，在节油措施评估方面具有显著的指导意义。
基于已有的研究结论，后续工作建议如下：
（1）由于人工驾驶的NEDC油耗测试偶然误差较大，在评估节油效果低于2%的措施对比方面，需要进行大量试验以得到稳定的数据。在已有车型经验数据的条件下，通过软件仿真的方法代替模拟样车试验，可节约试验成本并得到更加稳定准确的评估结论。
（2）本文只是对发动机温度模型的初步应用，为了计算更加准确，需要补充更加完善的发动机台架测试数据，如25℃-90℃的燃油消耗率和温度的关系等。只有在建立更加丰富的发动机和整车试验数据库后，才能提高新车型的油耗仿真精度。
参考文献
[1] A VL CRUISEUser Guide 2010.
[2] 王建昕，帅石金. 汽车发动机原理. 北京, 清华大学出版社.
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