某發(fā)動(dòng)機(jī)油耗優(yōu)化研究

王泰晟　黃　勇　黃勇和（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心廣西柳州545007）

某發(fā)動(dòng)機(jī)油耗優(yōu)化研究

王泰晟黃勇黃勇和
（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心廣西柳州545007）

由于整車油耗限值要求，對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行油耗優(yōu)化研究。綜合多方面考慮，采取低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)和增加冷卻EGR裝置兩種油耗優(yōu)化措施，成功使整車油耗降低0.5 L/100 km，同時(shí)也為降低整車油耗提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

油耗低摩擦優(yōu)化冷卻EGR

引言

第三階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)已于2015年全面執(zhí)行，新一階段的油耗標(biāo)準(zhǔn)再次出臺(tái)。工信部最新修訂的《乘用車燃料消耗量限值》于2016年1月1日起執(zhí)行，且之后每年將設(shè)置油耗限值，直至2020年乘用車平均油耗降至5.0 L/100 km。

1　某發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

某5座乘用車整備質(zhì)量1 370 kg，百公里油耗為7.5 L。根據(jù)《乘用車燃料消耗量限值》規(guī)定，1 320 kg≤整備質(zhì)量≤1430kg的乘用車百公里油耗限值為7.3L，該車到2016年后將不能滿足國(guó)家強(qiáng)制法規(guī)的要求。因此需要在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用多種技術(shù)手段，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，降低油耗，才能使之滿足油耗限值。

該車搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)為一款排量1.8 L、進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射、4缸4沖程、16氣門、雙頂置凸輪軸、進(jìn)氣可變氣門正時(shí)的自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

2　技術(shù)方案分析

在諸多發(fā)動(dòng)機(jī)油耗優(yōu)化的技術(shù)方案中，增壓小型化、汽油直噴技術(shù)、可變氣門升程技術(shù)等都是有效的手段，但相應(yīng)的開發(fā)周期較長(zhǎng)，同時(shí)與現(xiàn)有生產(chǎn)線的兼容性以及整車布置可行性可能產(chǎn)生矛盾。

通過對(duì)原型機(jī)各主要摩擦副摩擦水平的分析，對(duì)原型機(jī)進(jìn)行低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)［1］。且基于原型機(jī)只有進(jìn)氣VVT的特點(diǎn)，使用冷卻EGR可以有效降低泵氣損失，改善燃燒效率。因此選擇了以下降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的方案：先進(jìn)行低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后在此基礎(chǔ)上增加冷卻EGR裝置。

3　低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1降低摩擦分析

降低摩擦損失對(duì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的能量損失具有非常重要的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失主要包括活塞組件摩擦損失、配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失、曲軸摩擦損失、機(jī)油泵損失、前端附件驅(qū)動(dòng)損失等［2］。圖1給出了發(fā)動(dòng)機(jī)在常用工況各系統(tǒng)摩擦損失分布，其中活塞組件及配氣機(jī)構(gòu)所占比例最大。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)摩擦損失分布圖

類金剛石碳膜（Diamond-like Carbon，DLC）是一種由碳元素構(gòu)成，在性質(zhì)上和金剛石類似，同時(shí)又具有石墨原子組成結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，具有高硬度，低摩擦系數(shù)（DLC的摩擦系數(shù)隨制備工藝的不同和膜中成分的變化而變化，其摩擦系數(shù)最低可達(dá)0.005），高耐磨性等優(yōu)異特性，利用其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失，并提高零件的耐磨性能［3］。

根據(jù)以上分析，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失比例最大的活塞組件及配氣機(jī)構(gòu)使用DLC涂層進(jìn)行了低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)，表2為涉及更改的零件。

表2　低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)更改零件

將原型機(jī)更換低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)的零件后進(jìn)行摩擦損失對(duì)比試驗(yàn)，見圖2。進(jìn)行低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)后發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失可降低約3 N·m。

3.2油耗對(duì)比試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失降低后，油耗也隨之降低，在整車常用的中低負(fù)荷工況，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低約2%，圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性油耗對(duì)比。

圖2　摩擦損失對(duì)比

圖3　萬有特性油耗對(duì)比差值（原型機(jī)—低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)）

將使用降低摩擦技術(shù)的零件分別更換到兩臺(tái)整車上，表3為整車油耗測(cè)量值，均可以滿足2016年油耗限值要求。

表3　整車油耗對(duì)比

4　冷卻EGR技術(shù)

冷卻EGR技術(shù)是將排氣側(cè)的廢氣經(jīng)過冷卻器冷卻后，通過EGR閥導(dǎo)入進(jìn)氣歧管，與新鮮充量混合后一同進(jìn)入氣缸，再次參與缸內(nèi)燃燒。冷卻EGR技術(shù)可以有效降低泵氣損失，改善燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

4.1降低泵氣損失

EGR廢氣導(dǎo)入進(jìn)氣歧管后，進(jìn)氣歧管內(nèi)的溫度和壓力都會(huì)有所升高。對(duì)于進(jìn)氣道噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣歧管溫度的提高可以促進(jìn)燃油的揮發(fā)，使油氣混合更加均勻。進(jìn)氣歧管壓力提高是由于引入EGR之后，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出受到影響，為了恢復(fù)未引入EGR時(shí)的動(dòng)力表現(xiàn)，需要增大節(jié)氣門的開度，提高充氣效率。節(jié)氣門開度加大，其造成的節(jié)流作用減小，進(jìn)氣歧管壓力相應(yīng)提高。同時(shí)由于進(jìn)氣歧管壓力的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣行程時(shí)活塞下行的阻力減小，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失。

選取整車常用的典型工況點(diǎn)2 000 r/min（0.2 MPa）進(jìn)行分析，從圖4中可以看出隨著EGR率的提高，進(jìn)氣歧管的溫度和壓力均有所提高。

圖42　000 r/min（0.2 MPa）不同EGR率對(duì)進(jìn)氣歧管溫度與壓力的影響

4.2改善燃燒

汽油機(jī)工作時(shí)容易發(fā)生爆燃，通常通過降低壓縮比或減少點(diǎn)火提前角抑制爆燃的發(fā)生，但減小壓縮比會(huì)使燃燒熱效率降低，而推遲點(diǎn)火時(shí)間會(huì)導(dǎo)致油耗上升和大負(fù)荷時(shí)排氣溫度過高。因?yàn)镋GR廢氣中的氧含量很小，進(jìn)入進(jìn)氣歧管與新鮮充量混合后可以降低燃燒溫度，有效抑制爆燃，從而可以增大發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和點(diǎn)火提前角，改善燃燒，降低油耗。

通過GT-POWER模擬計(jì)算，并綜合發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性考慮，將發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比由10.0增大至10.8。選取整車常用的典型工況點(diǎn)2 000 r/min（0.2 MPa）進(jìn)行分析，從圖5中可看出EGR率的提高，點(diǎn)火提前角也隨之增大。

4.3油耗對(duì)比試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)使用冷卻EGR技術(shù)后，泵氣損失降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和點(diǎn)火提前角增大，油耗也隨之降低，在整車常用的中低負(fù)荷工況，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低約6%，圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性油耗對(duì)比。

將冷卻EGR加裝到之前的兩臺(tái)整車上，表4為整車油耗測(cè)量值，低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)與冷卻EGR同時(shí)采用可降低整車油耗約0.5 L/100 km。

圖52　000 r/min（0.2 MPa）不同EGR率對(duì)點(diǎn)火提前角的影響

圖6　萬有特性油耗對(duì)比差值（原型機(jī)—低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)&冷卻EGR）

表4　整車油耗對(duì)比

5　結(jié)論

1）使用降低摩擦技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低約2%，整車油耗降低約0.2 L/100 km，可滿足2016年的油耗限值要求。

2）使用降低摩擦技術(shù)及冷卻EGR后，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低6%，整車油耗降低約0.5 L/100 km，為滿足之后更加嚴(yán)苛的油耗限值要求做準(zhǔn)備。

1李駿.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011

2武彬，李駿，李康，等.發(fā)動(dòng)機(jī)低摩擦優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（01）：81-85

3傅銀澤，崔陽(yáng).發(fā)動(dòng)機(jī)油耗優(yōu)化研究［J］.裝備制造技術(shù)，2014（1）：149-150，157

Optimization Study of Fuel Consumption of an Engine

Wang Taisheng，Huang Yong，Huang Yonghe
Technical Center，SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.（LiuZhou，Guangxi，545007，China）

Because of the vehicle fuel consumption limits，the optimization of the fuel consumption of an engine is studied.Via multiple comprehensive consideration，taking low friction design optimization and cooled EGR，the success makes the vehicle fuel consumption reduced 0.5 L/100 km，also provides valuable experience for vehicle fuel consumption reduction.

Fuel consumption，Low friction design optimization，Cooled EGR

TK411+.7

A

2095-8234（2016）04-0023-03

2016-06-17）

王泰晟（1985-），男，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)。