淺談汽車研發(fā)過程降油耗措施及建議

呂葉葉

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

淺談汽車研發(fā)過程降油耗措施及建議

呂葉葉

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

明確車輛降油耗的必然性和緊迫性；提出幾種降油耗的措施，逐一分析幾種措施的優(yōu)缺點(diǎn)并舉例說明。

汽車；降油耗；燃油經(jīng)濟(jì)性；措施

0 前言

近年來，伴隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的改善，汽車逐漸走進(jìn)了千家萬戶，成為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，而石油資源正在日益減少，隨著國家第三階段油耗限值的發(fā)布，燃油消耗限值進(jìn)一步縮緊，國家對整車的燃油消耗量的要求越來越高，且懲罰措施越來越嚴(yán)厲，降低車輛油耗已經(jīng)成為刻不容緩的任務(wù)，各大汽車廠商也將很大一部分精力投入在降油耗上，以此作為占領(lǐng)汽車銷售市場的重大亮點(diǎn)。我國目前乘用車燃油經(jīng)濟(jì)性要求大致見圖1。

1 降油耗措施

1.1 燃油經(jīng)濟(jì)性

汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性用汽車在水平的水泥或者瀝青路面上，以經(jīng)濟(jì)車速或多工況滿載行駛百公里的燃油消耗量(L/100 km)來評價(jià)。該值越小燃油經(jīng)濟(jì)性越好。發(fā)動機(jī)排量小的乘用車百公里燃油消耗量要低于排量大的乘用車[1]。

1.2 降油耗措施

降低油耗的措施是多方面的，作者這里主要是從汽車設(shè)計(jì)的角度去降低油耗，并非是從消費(fèi)者使用的角度降低油耗，如下主要是從4個方面著手：

1.2.1 降低行駛阻力

車輛在行駛時(shí)，所要克服的阻力有機(jī)件損耗阻力、輪胎產(chǎn)生的滾動阻力(一般也稱做路阻)及空氣阻力。隨著車輛行駛速度的增加，空氣阻力逐漸成為最主要的行車阻力，在時(shí)速200 km/h以上時(shí)，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%。

可采用以下幾種方法降低行駛阻力:

(1)車身采用輕型材料，底盤采用輕型驅(qū)動構(gòu)造

汽車總質(zhì)量影響到汽車的滾動阻力、坡道阻力和加速阻力，對汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大。如整車質(zhì)量為1 360 kg 的汽車，當(dāng)汽車總質(zhì)量減少10%，油耗降低8.8%。因此，在汽車上廣泛采用工程塑料、鋁鎂合金、有機(jī)玻璃、石墨纖維等高強(qiáng)度、低質(zhì)量的復(fù)合材料，以減輕汽車自重，是提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的一個主要方向[2]。

(2)降低空氣阻力系數(shù)

空氣阻力是汽車行駛時(shí)所遇到最大的也是最重要的外力，空氣阻力系數(shù)又稱風(fēng)阻系數(shù)，風(fēng)阻系數(shù)α=F×2÷(ρ空氣×S×ν2)(其中：F為正面風(fēng)阻力；S為車頭正面投影面積)，它是計(jì)算汽車空氣阻力的一個重要系數(shù)，通常用于計(jì)算汽車在行駛時(shí)的空氣阻力。風(fēng)阻系數(shù)的大少取決于汽車的外形。風(fēng)阻系數(shù)愈大，則空氣阻力愈大。現(xiàn)代汽車的風(fēng)阻系數(shù)一般在0.3～0.5之間。

關(guān)于風(fēng)阻對油耗的影響，數(shù)據(jù)顯示：空氣阻力系數(shù)每降10%，燃油就可省7%。風(fēng)阻系數(shù)越低，代表車輛行駛時(shí)所受的空氣阻力越低，在高速行駛時(shí)越省油，也更容易跑出較高的極速。

主要從兩個方面來降低風(fēng)阻系數(shù)：一方面是流線型的車身比較容易獲得較低的風(fēng)阻系數(shù)，凱越是家用車型中公認(rèn)的油耗偏高車型，這和其0.338的較高風(fēng)阻系數(shù)不無關(guān)系，而方方正正的捷達(dá)，其風(fēng)阻系數(shù)也達(dá)到了0.34；另一方面就是改善汽車的空氣動力學(xué)性能，也可以降低風(fēng)阻系數(shù)。比如跑車的車身都很低，這樣就減小了截面積，有利于降低空氣阻力；此外，增加尾翼、導(dǎo)流板、底盤罩、前部進(jìn)風(fēng)口等配件，也能夠改善車身的風(fēng)阻系數(shù)。

(3)使用低滾動阻力輪胎(要使用滑行曲線法做排放)

輪胎結(jié)構(gòu)對滾動阻力的影響很大，改善輪胎結(jié)構(gòu)可以減少汽車油耗。滾動阻力每減小1 N，燃油消耗量減少0.01 L/100 km，或估算為滾動阻力系數(shù)減少10%，省油0.6%～1.2%。目前公認(rèn)子午線輪胎的綜合性能最好，由于其滾動阻力小，與一般斜交輪胎相比，可節(jié)油6%～8%[3]。

1.2.2 提高動力傳動效率

要提高動力傳動效率，主要是要使發(fā)動機(jī)高效率化、使用高效率區(qū)域，提高驅(qū)動傳動效率。

可采用以下方法改善熱效率：4氣門化；可變氣門正時(shí)-各種VVT；高壓縮比；改進(jìn)燃燒室；直噴&渦輪-GDI Turbo。

可采用以下方法減少損失：采用頂置氣門；減少泵氣損失——廢氣再循環(huán)EGR；降低摩擦；采用電動助力轉(zhuǎn)向。

下面詳細(xì)介紹以上方法中的幾種：

(1)VVT功能對發(fā)動機(jī)燃油消耗率的影響

對于VVT發(fā)動機(jī)，在怠速及低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，氣門開啟重疊角一般都被控制得相對較小，這能抑制排氣向進(jìn)氣道的倒流，降低缸內(nèi)殘余廢氣量，改善怠速穩(wěn)定性以及小負(fù)荷下發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；在中等負(fù)荷時(shí)，氣門重疊角一般都被適度增大，這能提高內(nèi)部EGR率，減小泵氣損失，從而降低燃油消耗率。

從圖3可以看出:某VVT發(fā)動機(jī)的節(jié)油效果在多數(shù)工況點(diǎn)都不超過6 g/(kW·h)，以百分比計(jì)算大都在2%以內(nèi)。

(2)Turbo功能對發(fā)動機(jī)燃油消耗率的影響

增壓可以提高發(fā)動機(jī)升功率，提高扭矩，縮小發(fā)動機(jī)排量，進(jìn)而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。一些研究結(jié)果表明：增壓可以帶來大約5%～10%的燃油經(jīng)濟(jì)性收益，縮小排量30%左右。1.3 L機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)和2.0 L常規(guī)發(fā)動機(jī)的升功率和輸出扭矩的對比見表1。

表1 1.3 L機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)和2.0 L常規(guī)發(fā)動機(jī)升功率和輸出扭矩的對比

同樣由圖4可看出：增壓可以帶來大約5%～10%的燃油經(jīng)濟(jì)性收益。

(3)EGR功能對發(fā)動機(jī)燃油消耗率的影響

EGR技術(shù)能夠通過降低缸內(nèi)最高燃燒溫度記憶缸內(nèi)混合氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，破壞NOx的生成環(huán)境，從而顯著降低NOx的排放。除此之外，由于EGR的吸入，還可以減少泵氣損失，EGR率適當(dāng)時(shí)，對發(fā)動機(jī)燃油消耗率的降低也是有好處的。

從數(shù)據(jù)比較的結(jié)果(圖5)來看：在同一臺發(fā)動機(jī)上，打開EGR相對于關(guān)閉EGR，大多數(shù)工況可省油5～20g/(kW·h)，發(fā)動機(jī)燃油消耗率的降低在6%以內(nèi)。

(4)擴(kuò)大AT鎖止區(qū)域，AT電子控制化

AT 是目前汽車上應(yīng)用最為廣泛的一種自動變速器，它主要由液力變矩器、行星齒輪及電子液壓控制系統(tǒng)三大部分組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來實(shí)現(xiàn)變速變矩。由于液力變矩器變速變矩范圍不夠大，因此在液力變矩器的渦輪后面再串聯(lián)幾排行星齒輪來提高效率，液壓操縱系統(tǒng)會根據(jù)發(fā)動機(jī)工況變化來自行操控行星齒輪進(jìn)行不同的組合，以實(shí)現(xiàn)自動變速變矩。由于行星齒輪是有級的，本質(zhì)上這種變速器也是有級變速器，是有級變速的自動控制，傳動效率較低，燃油消耗量較大。由于動液的能量不能充分利用，再加上泵輪和渦輪的摩擦和沖擊，使一部分能量轉(zhuǎn)變成油液的熱能而損失，所以油耗較高。從使用性能上看，AT的擋位越多技術(shù)就越先進(jìn)，汽車行駛也就越平順，加速性也越好，而且更省油。通過測試，目前應(yīng)用最多的4 擋和5擋的AT的確費(fèi)油，而用于中高級車的6擋AT的燃油經(jīng)濟(jì)性跟MT相差不大，目前最先進(jìn)的8擋AT可以更省油，但是其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，配合電子控制的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的支持，可提高燃油效率，達(dá)到節(jié)油的目的。

1.2.3 減少無謂的能源消耗：應(yīng)用電力能源

發(fā)動機(jī)啟停就是在車輛行駛過程中臨時(shí)停車(例如紅燈)的時(shí)候，自動熄火，當(dāng)需要繼續(xù)前進(jìn)的時(shí)候，系統(tǒng)自動重啟發(fā)動機(jī)的一套系統(tǒng)。這套系統(tǒng)是這幾年來發(fā)展迅猛的汽車環(huán)保技術(shù)，特別適用于走走停停的城市路況，能達(dá)到15%的節(jié)油能力。1.6～2.0 L排量節(jié)省3%左右，1.3 L以下不明顯不建議使用。

工作原理是：當(dāng)車輛因?yàn)閾矶禄蛘呗房谕Ｖ剐羞M(jìn)，駕駛員踩下制動踏板，停車摘擋，這時(shí)候該系統(tǒng)自動檢測：發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)且沒有掛檔；防鎖定系統(tǒng)的車輪轉(zhuǎn)速傳感器顯示為零；電子電池傳感器顯示有足夠的能量進(jìn)行下一次啟動；滿足這3個條件后，發(fā)動機(jī)自動停止轉(zhuǎn)動；而當(dāng)信號燈變綠后，駕駛員踩下離合器，隨即就可以啟動“啟動停止器”，并快速啟動發(fā)動機(jī)，駕駛員掛檔，踩油門，車輛快速啟動。在高效的蓄電池技術(shù)和相應(yīng)的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的支持下，啟停系統(tǒng)在較低的溫度下也能正常工作，只需短暫的預(yù)熱過程便可激活。

1.2.4 回收可利用的能源：回收利用制動能源

混合動力(HEV)中的制動能量回收——BSG代表了雙軸并聯(lián)低度混合式：發(fā)動機(jī)與電機(jī)之間采取皮帶傳動方式進(jìn)行動力傳輸，以發(fā)動機(jī)為整車的驅(qū)動動力源，電機(jī)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的快速啟動，在正常行駛工況下BSG電機(jī)和常規(guī)發(fā)電機(jī)一樣由發(fā)動機(jī)驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，給蓄電池充電。當(dāng)車輛停下時(shí)，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)停止，消除怠速狀態(tài)，再啟動時(shí)，BSG電機(jī)快速啟動發(fā)動機(jī)。在此結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)通過主傳動軸和變速器相聯(lián)，電機(jī)通過皮帶傳動與發(fā)動機(jī)曲軸相連，電機(jī)既可作為發(fā)動機(jī)，又可作為電動機(jī)。BSG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，對整車原有結(jié)構(gòu)改動小，成本低。

BSG是一項(xiàng)輕度混合動力技術(shù)，節(jié)油效果約為5%。不同于電動汽車技術(shù)，BSG只是對傳統(tǒng)汽柴油發(fā)動機(jī)的工況進(jìn)行優(yōu)化，在怠速、啟動等情況下提高燃油效率，因而節(jié)油效果只有5%。但BSG技術(shù)的成本很低，在大批量生產(chǎn)的前提下，為現(xiàn)有乘用車加裝BSG只需增加1 000元左右的成本。

2 整車降油耗實(shí)例

某車原基本配置：1.8T+5AT+BSG，整備質(zhì)量1 590 kg，結(jié)合上述降油耗內(nèi)容，表2是該車降油耗實(shí)測數(shù)據(jù)。

表2 整車降油耗實(shí)例

【1】 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

【2】 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

【3】 楊金展，張偉.汽車輪胎的選用與維護(hù)[J].汽車運(yùn)用，2009(4).

DiscussionontheAutomobileConsumptionReductionMeasuresandSuggestions

LV Yeye

(Automotive Engineering Institute,Gunggzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434，China)

The necessity and urgency of vehicle fuel consumption reduction were illustrated. Several measures of reducing fuel consumption were put forward. The advantages and disadvantages of the measures were analyzed and an example was given.

Automobile；Fuel consumption reduction；Fuel economy；Measures

2014-06-11

呂葉葉(1983—)，女，學(xué)士，研究方向?yàn)槠囯妵娤到y(tǒng)。E-mail：lvyeye@gaei.cn。