美國(guó)傳統(tǒng)汽車(chē)5工況城市燃油經(jīng)濟(jì)性公式淺析

郭千里，劉 勇

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

美國(guó)5工況燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算公式服務(wù)于輕型汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)識(shí)[1-3]，操作上是把在實(shí)驗(yàn)室5種不同工況下測(cè)得的單一完整工況或其細(xì)分階段的燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的實(shí)際道路行駛規(guī)律，按照最佳符合性原則確定相關(guān)權(quán)重，再按公式計(jì)算出一個(gè)更加貼近于實(shí)際道路行駛的全年平均結(jié)果[4]。

對(duì)該系列計(jì)算公式的剖析，有助于增強(qiáng)對(duì)不同工況下實(shí)際道路行駛能耗差異的認(rèn)識(shí)，有助于相關(guān)方法論的學(xué)習(xí)與借鑒，有助于我國(guó)有可能開(kāi)展的建立多種工況汽車(chē)能耗評(píng)價(jià)體系的研究工作。

目前，通過(guò)百度等搜索引擎，可以方便地搜索到《EPA燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法》（V1.0版，草稿）[5]，成果單位為中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心。該草稿言簡(jiǎn)意賅，表述清晰，有很高的參考價(jià)值。在未與成果方交流的情況下，僅就網(wǎng)上看到的版本，在計(jì)算城市燃油經(jīng)濟(jì)性公式中，對(duì)于附加啟動(dòng)油耗比例系數(shù)0.330，以及附加空調(diào)油耗與工況平均車(chē)速呈反比例關(guān)系的原因解釋等方面有待進(jìn)一步明確。此外，該評(píng)價(jià)方法以類似于標(biāo)準(zhǔn)的形式展現(xiàn)，省略了部分推導(dǎo)和剖析內(nèi)容。

本文采用論文形式，增加了較多分析和評(píng)論的內(nèi)容，還包括一些總結(jié)和思考。

本文僅對(duì)整套系列公式中的傳統(tǒng)能源汽車(chē)的城市燃油經(jīng)濟(jì)性公式進(jìn)行分析。

1 5工況燃油經(jīng)濟(jì)性相關(guān)知識(shí)

1.1 5工況基本特征

1975年，美國(guó)開(kāi)始實(shí)施企業(yè)平均燃油經(jīng)濟(jì)性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局（U.S. Environmental Protection Agency，EPA）進(jìn)行2工況測(cè)試：FTP城市工況和HFET高速工況。目前，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的2工況燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試數(shù)據(jù)仍直接作為CAFE標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判依據(jù)。

表1 美國(guó)5工況基本特征[2]

隨著時(shí)間的推移，道路交通狀況在發(fā)生改變，車(chē)輛技術(shù)和測(cè)試設(shè)備也在不斷進(jìn)步，致使2工況燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)與實(shí)際道路行駛數(shù)據(jù)的偏差越來(lái)越大。

為減小汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)識(shí)的偏差，1986年，EPA將FTP的試驗(yàn)值向下調(diào)整了10%，HFET試驗(yàn)值向下調(diào)整了22%。2006年，EPA發(fā)布了具有質(zhì)變性質(zhì)的完整的基于5工況的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)識(shí)計(jì)算公式。

1.2 FTP工況階段劃分與取樣袋

由圖1可知，F(xiàn)TP城市工況曲線由3部分構(gòu)成，即3個(gè)階段，對(duì)應(yīng)3個(gè)尾氣取樣袋，分別是：（1）取樣袋1對(duì)應(yīng)505 s時(shí)長(zhǎng)的冷啟動(dòng)階段。（2）取樣袋2對(duì)應(yīng)864 s時(shí)長(zhǎng)的冷啟動(dòng)后的穩(wěn)定行駛階段。（3）取樣袋3，對(duì)應(yīng)505 s時(shí)長(zhǎng)的熱啟動(dòng)階段，該階段工況曲線與取樣袋1完全相同。在取樣袋2和3之間，有10 min的停止靜候時(shí)間，以模擬進(jìn)行了一次加油或是便捷購(gòu)物后，發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于熱態(tài)，再次啟動(dòng)后的取樣袋3為熱啟動(dòng)階段。

圖1 FTP工況階段劃分

1.3 US06工況階段劃分——城市與高速

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]和[6]，以72.4 km/h（45 mi/h）為界，平均車(chē)速低于72.4 km/h（45 mi/h）的屬于城市工況，高于72.4 km/h（45 mi/h）的為高速工況[4]。

由圖2可知，US06野蠻駕駛工況曲線包括5個(gè)短行程，劃分成5個(gè)片段，其構(gòu)成見(jiàn)表2。

圖2 US06工況曲線

表2 美國(guó)US06工況構(gòu)成[4]

1.4 基于實(shí)際道路行駛統(tǒng)計(jì)信息的FTP、HFET和US06回歸系數(shù)

表3為基于實(shí)際道路行駛統(tǒng)計(jì)信息，即反映實(shí)際道路行駛統(tǒng)計(jì)特征的3工況組合的時(shí)間和里程回歸系數(shù)，該比例系數(shù)不等同于在實(shí)驗(yàn)室里完全按照3工況曲線測(cè)試得到的時(shí)間和里程比例。

表3 美國(guó)FTP、HFET和US06工況回歸系數(shù)[4] %

Bag 3 FTP、Bag2 FTP和US06 City的燃油經(jīng)濟(jì)性分別按照各自的里程回歸系數(shù)0.41、0.48和0.11進(jìn)行加權(quán)求和后，即為常規(guī)和野蠻駕駛模式下的城市單位里程油耗，這將在下文中做進(jìn)一步闡述。

2 5工況城市燃油經(jīng)濟(jì)性公式分析

2.1 公式全貌與整體架構(gòu)

2.1.1 公式全貌

對(duì)于傳統(tǒng)能源輕型汽車(chē)，5工況城市燃油經(jīng)濟(jì)性公式[1]為：

式中：City FE為5工況城市燃油經(jīng)濟(jì)性，100 km/L；Start FC為附加啟動(dòng)單位里程油耗，L/100 km；Running FC為行駛單位里程油耗，L/100 km。

Start FC的計(jì)算公式為：

式中：BagyFEx為x環(huán)境溫度下，第y個(gè)取樣袋的燃油經(jīng)濟(jì)性，100 km/L，x取值75 ℉（24 ℃）或20 ℉（-7 ℃），y取值 1或 3。

Running FC的計(jì)算公式[1]為：

式中：US06 City FE為野蠻駕駛工況城市階段燃油經(jīng)濟(jì)性，100 km/L；SC03 FE為空調(diào)工況燃油經(jīng)濟(jì)性，100 km/L。

2.1.2 公式整體架構(gòu)

由式（1）可知，5工況城市燃油經(jīng)濟(jì)性等于附加啟動(dòng)單位里程油耗與行駛單位里程油耗之和的倒數(shù)，再乘以0.905。有關(guān)0.905的解釋：5工況之外的因素導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性下降9.5%。這些因素包括：道路坡度、風(fēng)、胎壓、載荷、冰雪和汽油中的乙醇等，0.905即為扣除5工況之外因素影響的結(jié)果。

由式（4）可知，行駛單位油耗又由3部分構(gòu)成：（1）“常規(guī)和野蠻駕駛”行駛單位里程油耗，與第1組方括號(hào)數(shù)據(jù)相關(guān)。（2）附加低溫單位里程油耗，與第2組和第1組方括號(hào)數(shù)據(jù)均相關(guān)。（3）附加空調(diào)單位里程油耗與第3組方括號(hào)數(shù)據(jù)相關(guān)。

下面分別對(duì)附加啟動(dòng)單位里程油耗以及行駛單位里程油耗中的3部分內(nèi)容進(jìn)行具體介紹和分析。

2.2 附加啟動(dòng)單位里程油耗

附加啟動(dòng)單位里程油耗Start FC涉及式（1）～（3）。

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

式（2）中，6.6 km（4.1 mi）代表通過(guò)大量實(shí)際道路行駛統(tǒng)計(jì)信息得到的城市平均行駛里程。

式（2）中，0.76和0.24分別為75 ℉（24 ℃）和20 ℉（-7 ℃）的權(quán)重系數(shù)。

式（2）中，有關(guān)0.330的解釋：FTP試驗(yàn)條件是車(chē)輛啟動(dòng)前熱浸12 h，而在實(shí)際行駛中車(chē)輛熱浸時(shí)間有長(zhǎng)有短，統(tǒng)一向標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件即經(jīng)過(guò)12 h熱浸狀態(tài)進(jìn)行折合，整體折合系數(shù)為0.330。

分析式（3），取樣袋1受冷啟動(dòng)的影響大，Bag1 FEx數(shù)值較小，取樣袋3受冷啟動(dòng)的影響忽略不計(jì)，Bag3 FEx數(shù)值較大，兩者倒數(shù)之差再乘以實(shí)驗(yàn)室測(cè)試行駛里程即為某一環(huán)境溫度下FTP試驗(yàn)所產(chǎn)生的附加啟動(dòng)多消耗的油耗量。

再經(jīng)過(guò)式（2）加權(quán)等處理，最終得到反映大量實(shí)際道路行駛特征的附加啟動(dòng)單位里程油耗數(shù)值。

2.3 “常規(guī)和野蠻駕駛”行駛單位里程油耗

式（4）中，0.48、0.41和0.11代表的含義見(jiàn)表3，分別代表FTP取樣袋2、FTP取樣袋3和野蠻駕駛工況城市部分等3部分的代表性回歸系數(shù)，將該方括號(hào)中的內(nèi)容乘以1倍即為“常規(guī)和野蠻駕駛”行駛單位里程油耗。

2.4 附加低溫單位里程油耗

低溫下只進(jìn)行Cold FTP工況試驗(yàn)，工況曲線同F(xiàn)TP，同樣包括3個(gè)取樣袋階段，取樣袋2和取樣袋3合計(jì)的代表符合性也已超過(guò)全部城市行駛工況的80%，因此，選取取樣袋2和取樣袋3兩個(gè)階段的燃油經(jīng)濟(jì)性組合構(gòu)成低溫城市工況行駛的單位里程油耗。該兩個(gè)階段的回歸系數(shù)均為0.5，該部分的城市工況行駛單位里程油耗可表示為式（4）中第2組方括號(hào)中的內(nèi)容。

0.18為低溫行駛的權(quán)重系數(shù)。因此，附加低溫單位里程油耗公式為：

2.5 附加空調(diào)單位里程油耗

附加空調(diào)單位里程油耗即為式（4）中，第3組方括號(hào)中的內(nèi)容乘以0.133和1.083后的結(jié)果。

首先，圓括號(hào)中的內(nèi)容本應(yīng)為不含空調(diào)的“常規(guī)和野蠻駕駛”行駛單位里程油耗，即2.3節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，但是US06 City參與進(jìn)來(lái)后的回歸誤差遠(yuǎn)比僅有FTP中的取樣袋3和取樣袋2進(jìn)行回歸的誤差大，為保持更好的代表性，僅選取FTP取樣袋3和取樣袋2進(jìn)行組合，回歸系數(shù)分別為0.61和0.39。

其次，方括號(hào)中的內(nèi)容為空調(diào)開(kāi)啟和關(guān)閉產(chǎn)生的單位里程油耗差值。

再次，系數(shù)1.083為SC03工況平均車(chē)速34.6 km/h（21.5 mi/h）與統(tǒng)計(jì)信息得到的城市工況平均車(chē)速32.0 km/h（19.9 mi/h）的比值[4]。

假設(shè)空調(diào)處于100%開(kāi)啟狀態(tài)，且環(huán)境溫度為95 ℉（35 ℃），空調(diào)增加的油耗與行駛時(shí)間成正比，與車(chē)速成反比，現(xiàn)采用了速度比例系數(shù)。

最后，系數(shù)0.133為空調(diào)開(kāi)啟并折合到95 ℉（35℃）的比例系數(shù)。

總之，2.3節(jié)、2.4節(jié)和2.5節(jié)三部分之和即為式（4）。

3 對(duì)美國(guó)相關(guān)測(cè)試工況和公式的思考

3.1 附加啟動(dòng)單位里程油耗與行駛里程之間的關(guān)系

附加啟動(dòng)單位里程油耗與FTP取樣袋1和取樣袋3的行駛里程5.8 km（3.6 mi）無(wú)關(guān)（在該里程大于某一限值后），但與統(tǒng)計(jì)平均行駛里程6.6 km（4.1 mi）成反比。

式（3）中雖然出現(xiàn)了FTP取樣袋1和取樣袋3的行駛里程5.8 km（3.6 mi）的字樣，但其實(shí)式（3）整體上就是取樣袋1和取樣袋3之間的油耗差值。在行駛超過(guò)一定時(shí)間和距離，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，該差值是恒定的，里程再增加多少數(shù)值都沒(méi)有影響，因?yàn)橹笤僭黾拥挠秃牟钍冀K為0。因此，實(shí)驗(yàn)室工況只要滿足該臨界值即可。FTP工況測(cè)試行駛距離為5.8 km（3.6 mi）。一般情況下，傳統(tǒng)能源車(chē)輛啟動(dòng)后行駛不到5.8 km，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度就已達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)了。

再分析式（2），6.6 km（4.1 mi）為統(tǒng)計(jì)城市平均行駛里程，該值越大，Start FC的數(shù)值越小，即里程越長(zhǎng)，冷啟動(dòng)的影響程度越低。

3.2 附加啟動(dòng)中熱浸時(shí)間系數(shù)的引入更切合實(shí)際

附加啟動(dòng)油耗計(jì)算中的熱浸時(shí)間比例系數(shù)的引入比NEDC等工況更加細(xì)致客觀。

NEDC等工況試驗(yàn)，相當(dāng)于式（2）中熱浸時(shí)間比例系數(shù)為1，即全部熱浸12 h后再啟動(dòng)，而美國(guó)5工況計(jì)算式（2）中系數(shù)0.330的引入更加符合實(shí)際。

3.3 權(quán)重系數(shù)多為模擬實(shí)際道路行駛的回歸系數(shù)

公式中絕大多數(shù)權(quán)重系數(shù)不是5工況實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的比例系數(shù)，而是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)通過(guò)權(quán)重加權(quán)后，其特征分布能夠更好地反映實(shí)際道路行駛統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

3.4 5工況公式值得揚(yáng)棄

5工況中的常規(guī)行駛、低溫、空調(diào)，以及多種形式的拆分和組合等都有非常高的科學(xué)性，值得深入學(xué)習(xí)和借鑒，但同時(shí)要努力避免比較多的工況組合和復(fù)雜的表達(dá)形式。

FTP和Cold FTP是很好的組合形式，空調(diào)工況為什么不能與FTP采用相同的工況曲線呢？野蠻駕駛工況為什么要完全獨(dú)立而不是全部或部分融入已有工況呢？若如此，工況和公式豈不是可以大大簡(jiǎn)化？

3.5 FTP和HFET急需替換更新

美國(guó)是世界上公認(rèn)的創(chuàng)新能力最強(qiáng)的國(guó)家，5工況燃油經(jīng)濟(jì)性體系也屬于很好的創(chuàng)新。但FTP和HFET的工況曲線從1975年使用至今一直未變，F(xiàn)TP工況中的加速度和HFET工況中的最大速度，都已嚴(yán)重背離了當(dāng)今的實(shí)際，嚴(yán)重阻礙了汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展，需要盡早予以替換更新，卻因受多方面掣肘，仍在超齡服役，并擔(dān)任著重要角色，從中也暴露出美國(guó)傳統(tǒng)的汽車(chē)工業(yè)中因循守舊的一面。抱殘守缺終將落后，只有勇于改革和創(chuàng)新，才能煥發(fā)出生機(jī)和活力。

4 結(jié)論

（1）美國(guó)輕型汽車(chē)5工況燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算公式，是基于對(duì)5種不同工況下測(cè)試數(shù)據(jù)的拆分與組合。FTP城市工況曲線分為3個(gè)階段，US06野蠻駕駛工況分為城市和高速兩個(gè)部分。常規(guī)和野蠻駕駛模式下的城市單位里程油耗，加上附加低溫單位里程油耗和附加空調(diào)單位里程油耗，再加上附加啟動(dòng)單位里程油耗，再扣減9.5%的非工況因素的影響，最終得到5工況城市燃油經(jīng)濟(jì)性。

（2）5工況計(jì)算公式中絕大多數(shù)權(quán)重系數(shù)為實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際道路行駛統(tǒng)計(jì)信息的代表性回歸系數(shù)，此類系數(shù)不等同于5工況實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的比例系數(shù)。

（3）附加啟動(dòng)油耗計(jì)算中的熱浸時(shí)間比例系數(shù)0.330的引入比NEDC等工況更加細(xì)致客觀。

（4）5工況中的常規(guī)行駛、低溫、空調(diào)，以及多種形式的拆分和組合等都有非常高的科學(xué)性，值得深入學(xué)習(xí)和借鑒；而比較多的工況組合和復(fù)雜的表達(dá)形式又是研究者需要努力避免的。

（5）FTP和HFET的工況曲線從1975年使用至今一直未變，F(xiàn)TP工況中的加速度和HFET工況中的最大速度，都已嚴(yán)重背離了目前的實(shí)際情況，急需替換更新。