Сравнительная характеристика методов оценки стандартизованного ездового цикла

АННОТАЦИЯ

В виду актуальности проблем энергосбережения и охраны окружающей среды в статье представлен анализ стандартизированных ездовых циклов. Изучены различные ездовые циклы, которыми в настоящее время руководствуются в Японии, Европе, США и России при определении расхода топлива и токсичности отработавших газов. На основании аналитического отчета ICCT о широком разбросе отклонений результатов лабораторного тестирования автомобилей от реальных условий езды сделан вывод о возможностях внедрения нового ездового цикла WLTC, как общепринятого стандарта для всех производителей автомобилей.

ABSTRACT

In view of the relevance of the problems of energy conservation and environmental protection, the article presents an analysis of standardized driving cycles. We studied various driving cycles, which are currently used in Japan, Europe, the USA, and Russia when determining fuel consumption and exhaust gas toxicity. Based on the ICCT analytical report on a wide range of deviations of laboratory test results from actual driving conditions, it is concluded that it is possible to introduce a new WLTC driving cycle as a generally accepted standard for all car manufacturers.

Ключевые слова: ездовой цикл, скорость движения, расход топлива, токсичность ОГ, экономичность автомобиля, экологичность автомобиля

Keywords: driving cycle, driving speed, fuel consumption, exhaust emissions, car economy, car environmental friendliness

Становящаяся все более актуальной проблема энергосбережения и охраны окружающей среды [1] заставляет специалистов активнее работать над поиском новых технических решений. Проводятся исследования, которые учитывают строительство дорожной инфраструктуры, оптимизацию конструкции автомобилей, автоматизированное управление дорожным движением и управление транспортным средством. Во многих случаях за основу исследований берется стандартизованный ездовой цикл, включающий основные фазы движения: разгон/торможение, езда с постоянной скоростью, холостой ход, переключение передач, остановка.

Ездовой цикл подбирается таким образом, чтобы его основные параметры (средняя и максимальная скорость, ускорение, продолжительность каждой фазы) были максимально приближены к параметрам реальной езды в городских условиях. Сегодня разные страны имеют собственные стандарты ездовых циклов.

Так, с 2011 года в Японии используется ездовой цикл JC08, предназначенный для оценки токсичности отработавших газов (ОГ) и топливной экономичности легковых автомобилей. Продолжительность цикла – чуть больше 20 минут. За этот период автомобиль проезжает 8,17 км со средней скоростью 24,4 км/ч. Самая высокая скорость в цикле – 81,6 км/ч. Данный цикл максимально приближен к езде в городе с активным движением, учитывая частые ускорения/снижения скорости, простаивания в пробках, остановки и быстрые разгоны на перекрестках. В то же время цикл JC08 не учитывает движения транспорта по магистралям с постоянной высокой скоростью.

В Европе с недавних пор применяется так называемый новый европейский ездовой цикл, обозначаемый NEDC и включающий в себя циклы ECE и EUDC. Он также направлен на оценку токсичности ОГ легкового транспорта [3]. Измеряется данный параметр в г/км. Можно встретить альтернативное название этого цикла – MVEG-A. Всего он включает в себя 5 сегментов: 4 ECE и 1 EUDC. До начала испытания автомобиль 6 ч прогревается при температуре от 20 до 300°С. Далее следует холостой ход в течение 40 с.

Ездовой цикл ECE (или UDC) моделирует исключительно городское движение. За стандарт здесь берется езда по крупным европейским столицам – Парижу и Риму. Такое движение отличается невысокой скоростью, небольшой нагрузкой на двигатель и низкой токсичностью ОГ.

Цикл EUDC (Extra Urban Driving Cycle) – предполагает движение с высокой скоростью. Стандартом предусмотрена максимальная скорость 120 км/ч. Однако существует и вариант для маломощных транспортных средств. Он предусматривает наибольшую скорость 90 км/ч.

В США популярен ездовой цикл FTP-75 (Federal Test Procedure), базовым разработчиком которого является Американское агентство по охране окружающей среды (EPA). Этот цикл отличается комплексностью, потому он особенно ценен при определении токсичности ОГ. FTP-75 отличается от японского и европейского аналогов тем, что предусматривает большую продолжительность теста – 31 минуту. За это время автомобиль со средней скоростью около 35 км/ч проезжает 17,8 км. Максимально в течение цикла скорость достигает чуть выше 91 км/ч. За время тестирования автомобиль 22 раза останавливается и столько же раз набирает скорость. Цикл отличается от описанных выше аналогов меньшим временем простоя – всего 20% от всей продолжительности испытания. Также EPA предлагает дополнительные циклы:

• движение по магистрали со средней скоростью 78 км/ч;

• US06 – стремительное ускорение с места, моделирующее проезд перекрестка со светофором;

• SC03 – езда с включенным кондиционером.

Как видно, методика, предложенная EPA, однозначно выигрывает благодаря тому, что учитывает массу параметров. Потому ее можно считать максимально приближенной к реальной езде, когда есть фазы быстрой езды, остановок и разгонов на светофорах, езды с кондиционером. Это отображает фактическую нагрузку на ДВС или электродвигатель.

Цикл НWFET (Highway Fuel Economy Test) предложен EPA для тестирования пассажирского транспорта и оценки корпоративной топливной экономичности CAFE. HWFET включает в себя 3 сегмента: начальный и завершающий – это цикл UDDS, между ними – 10-минутная фаза остановки двигателя.

Ездовой цикл NYCC (New York City Cycle) моделирует движение транспорта по улицам Нью-Йорка.

Цикл UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule) – это тестирование легкового транспорта в условиях городской езды.

Цикл US06 характеризует движение транспорта в городских условиях с достаточно высокими значениями скорости и стремительными разгонами.

Российский цикл РТМ 37.031.024 описывает езду в пределах города и направлен на определение топливной экономичности транспортного средства.

От того, какой ездовой цикл будет выбран, зависит эффективность рекуперации энергии торможения. Это связано с тем, что энергетический баланс транспортного средства в течение цикла определяется длительностью каждой фазы движения, интенсивностью разгона и торможения, а также средними и максимальными значениями скоростей. Как видно из описания каждого цикла, значения ключевых параметров (скорости, ускорения, продолжительности фаз) для них существенно отличаются [4].

Как правило, американские стандартизованные ездовые циклы имеют минимальные отклонения от реальных условий езды – не более 5%. В то же время японские циклы отличаются от фактических условий на 10-15%, а европейские – на 20-25%. При этом важно учесть, что все перечисленные циклы разрабатывались исключительно для анализа автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Для гибридов они подходят лишь в незначительной степени, а возможности электромобилей они совершенно не учитывают. Осенью 2014 года Международный совет по чистому транспорту (ICCT) представил данные, которые показали, что в Европе официальные и фактические показатели расхода топлива не совпадают на 38%. Десятью годами ранее разница не превышала 10%. Масштабным исследованием было охвачено более полумиллиона легковых автомобилей, находящихся в как в частной, так и в корпоративной собственности. В среднем, реальные выбросы NOx от испытанных транспортных средств были примерно в 7 раз выше пределов, установленных стандартом Euro 6. Но некоторые транспортные средства имели средние показатели вредных выбросов ниже пределов Евро-6 [2].

Такая значительная разница говорит о необходимости разработки нового стандартизованного ездового цикла, базирующегося на более совершенной методике. Осенью 2017 года Организацией Объединенных Наций была предложена Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLTP), обновленная методика, которая уже в 2018 году стала стандартом для стран Евросоюза. WLTP стала применяться для подсчета уровня расхода топлива и объемов выбросов ОГ на вышедших с конвейера автомобилях.

Новой методике соответствует принятый ездовой цикл WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle). Цикл WLTC состоит из 4 фаз, которые отличаются скоростью движения: Low (до 56,5 км/ч), Medium (до 76,6 км/ч), High (до 97,4 км/ч) и Extra High (до 131,6 км/ч). Между фазами предусмотрены кратковременные остановки. Ездовой цикл WLTC предполагает более высокие скорости движения, чем NEDC, а ускорения и торможения, согласно новому стандарту, плавно переходят друг в друга.

Тестирование по обеим методикам должно проводиться на беговых барабанах. При этом WLTC предусматривает более интенсивные ускорения: 1,58 м/с2 против 0,83 м/с2 по NEDC. Суммарное же время простоя в новом ездовом цикле почти в 2 раза меньше, чем в предыдущем: 13% против 25%. То есть при оценке экономичности транспортных средств фазы разгона/торможения теперь учитываются в меньшей степени. Такие особенности нового ездового цикла позволяют фиксировать больший расход топлива, а значит, и большие выбросы углекислого газа (примерно на 25-40%).

Новая методика тестирования позволяет более точно измерить потребление топлива и выбросы углекислого газа. Несмотря на то, что по-прежнему испытания проводятся в лабораторных условиях, обновленная система имеет ряд ключевых отличий. Так, следует обратить внимание на то, что теперь используется иная структура данных. В частности, изменена терминология для описания фаз движения транспорта с двигателями внутреннего сгорания. Вместо таких понятий, как "городской", "загородный" и "комбинированный", теперь используются термины "низкий", "средний", "высокий", "сверхвысокий" и "комбинированный" [5].

В исследованиях используется транспортное средство, имеющее комплектацию, которая создает наибольшее сопротивление движению. Специальные режимы, позволяющие экономить топливо, включаются только при условии, что это основные режимы в данной модели и производитель смог это подтвердить. В ходе испытаний капот автомобиля обязательно закрывается, что повышает расход энергии на работу вентилятора системы охлаждения.

Отдельно система регламентирует условия тестирования автомобилей с электродвигателями и автомобилей-гибридов. Для последних перед началом испытания требуется полный разряд АКБ, если производитель не сможет предоставить доказательства, что при повседневной эксплуатации АКБ автомобиля всегда полностью или частично заряжена. Если в ходе проведения тестирования заряд АКБ изменяется, то величину изменения прибавляют или отнимают от итогового результата, который измеряется в кВт·ч. Подзаряжаемые гибриды тестируются в четырех циклах: при полностью разряженной батарее, при частично заряженной (2 цикла) и езда в режиме электромобиля (без включения ДВС). Для электромобилей батарея полностью разряжается, затем в течение 12 часов она заряжается и выдерживается.

Таким образом, новый цикл WLTC остается неидеальным как для электромобилей и гибридов, так и для автомобилей с ДВС. Однако, основное его достоинство заключается в возможности привести испытания автомобилей всех производителей к единому стандарту, независимо от типа автомобиля.

Список литературы:
1. Regulation (EU) 2019/631 of the European Parliament and of the Council of 17 April 2019 setting CO2 emission performance standards for new passenger cars and for new light commercial vehicles, and repealing Regulations (EC) No 443/2009 and (EU) No 510/2011 [Электронный ресурс]. URL: http://data.europa.eu/eli/reg/2019/631/oj (дата обращения: 22.02.2020).
2. Mukhitdinov A.A, Ziyaev K.Z. Method for evaluating the energy efficiency of regulated driving cycles // European science review. 2016. №9-10. pp. 234-236.
3. Real-world exhaust emissions from modern diesel cars. A meta-analysis of pems emissions data from EU (EURO 6) and US (TIER 2 BIN 5/ULEV II) diesel passenger cars. White paper. October 2014. [Электронный ресурс]. URL: https://theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_PEMS-study_diesel-cars_20141013_0.pdf (дата обращения 22.02.2020).
4. Regulated emissions of a Euro 5 passenger car measured over different driving cycles. [Электронный ресурс]. URL: http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/doc/2010/wp29grpe/WLTP-DHC-04-03e.pdf (дата обращения 22.02.2020).
5. The Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure (WLTP). [Электронный ресурс]. URL: https://www.vehicle-certification-agency.gov.uk/fcb/wltp.asp (дата обращения 22.02.2020).