通過降低摩擦以改善乘用車的燃油耗及混合動(dòng)力車展望

【日】 中村

1 概述

對(duì)于減少溫室氣體排放，減少汽車的CO2排放量作為重要課題引起了人們關(guān)注。如果使汽油機(jī)的燃燒效率從35%提高到40%，則汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性能改善多少?輪胎的滾動(dòng)損失減少10%，則燃油經(jīng)濟(jì)性可改善多少?日本摩擦學(xué)會(huì)的第一研究會(huì)“利用汽車的摩擦學(xué)以開展節(jié)能預(yù)測(cè)調(diào)查研究會(huì)(2011～2013年)”(以下簡稱研究會(huì))，調(diào)查了削減動(dòng)力傳動(dòng)系各部件的損失時(shí)對(duì)改善燃油耗的影響。本文以該研究成果為基本內(nèi)容，例舉減少汽車輪胎的滾動(dòng)阻力，用以說明配裝了內(nèi)燃機(jī)的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，減少了各部件摩擦損失時(shí)對(duì)燃油耗的影響［1］。另外，關(guān)于目前在日本作為主流環(huán)保車型的混合動(dòng)力車(HEV)，也包含了減少了HEV動(dòng)力傳動(dòng)系的摩擦損失情況［2］。另外，本文將發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失及輪胎的滾動(dòng)摩擦損失等與動(dòng)力傳動(dòng)有關(guān)的全部部件的損失作為摩擦損失處理，而車體的空氣阻力不列為減少對(duì)象，需另行計(jì)算。

2 基于降低輪胎滾動(dòng)摩擦損失的燃油耗改善

各輪胎生產(chǎn)商都在開發(fā)降低汽車行駛中的滾動(dòng)摩擦損失的輪胎(環(huán)保輪胎)。如果能減少輪胎的滾動(dòng)摩擦損失，則可以減少燃油耗，但效果尚未明確。日本汽車輪胎協(xié)會(huì)，將降低輪胎的滾動(dòng)摩擦損失時(shí)的燃油耗改善作為“貢獻(xiàn)率”，表1列出了該貢獻(xiàn)率的數(shù)值［3］。例如，貢獻(xiàn)率為10%時(shí)，如降低20%的輪胎滾動(dòng)摩擦損失，則能夠減少2%的燃油耗。表1中表示符合行駛條件的貢獻(xiàn)率，隨著車型和車型質(zhì)量不同，貢獻(xiàn)率會(huì)有所變動(dòng)。所以，該數(shù)值的范圍寬廣，在平坦的道路上，以勻速行駛的車輛貢獻(xiàn)率超過20%。

表1 日本汽車輪胎協(xié)會(huì)列出的乘用車用輪胎的貢獻(xiàn)率

3 2010年乘用車與各部件的負(fù)荷率

考慮到乘用車的燃油耗時(shí)，有必要確定使用標(biāo)準(zhǔn)的乘用車規(guī)格。研究會(huì)將表2所示的規(guī)格作為標(biāo)準(zhǔn)的2010年乘用車的規(guī)格［4］。在研究會(huì)制定表2的標(biāo)準(zhǔn)乘用車規(guī)格方面，將用60 km/h的恒定速度在平坦的路面行駛時(shí)的燃油耗值設(shè)定為100，推定了各部件消耗的負(fù)荷率，圖1表示其結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)的理論機(jī)械輸出功率是30 kW(占燃油耗100中的40%)，排氣、冷卻損失占60%，機(jī)械輸出功率占50%，也就是在60 km/h的平坦道路行駛中，純輸出功率為20%，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的摩擦損失20%，其分布明細(xì)中，泵氣損失所占比最大。純輸出功率中變速器、差動(dòng)裝置的摩擦損失為5%，15%的功率傳遞到車輪上，而輪胎的滾動(dòng)摩擦損失最大。另外，制動(dòng)損失是在行駛中，制動(dòng)襯片由于與制動(dòng)盤接觸而產(chǎn)生的損失，稱為拖曳(打滑)阻力。最后是5%的空氣動(dòng)力阻力，全部的燃油能量被消耗。

表3列出動(dòng)力傳動(dòng)裝置各部件的燃油(能量)消耗負(fù)荷率。輪胎的滾動(dòng)摩擦損失占7．5%，在動(dòng)力傳動(dòng)裝置各部件中負(fù)荷率最大。就該負(fù)荷率而言，假如考慮對(duì)燃油耗的影響，那么，貢獻(xiàn)率不到7.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本汽車輪胎協(xié)會(huì)要求的20% ～25%，可推測(cè)受到其他效果的影響。

表2 2010年乘用車規(guī)格與基本行駛條件

4 報(bào)告分析

課題組以全世界汽車為對(duì)象，對(duì)平均速度為60 km/h的實(shí)際行駛進(jìn)行分析，獲得關(guān)于減少燃油耗的以下結(jié)論［5］:

(1)燃料能量的33%被用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、輪胎和制動(dòng)中克服摩擦損失。

(2)總摩擦損失(含空氣阻力5%)的減少，以三重效果對(duì)燃油耗產(chǎn)生影響，采用相同的比例減少排氣損失與冷卻損失。

(3)以平均速度60 km/h進(jìn)行實(shí)際勻速行駛，與2010年的車輛行駛情況相比，2020年的車輛行駛情況可減少52%的燃油耗。

課題組的分析是將市區(qū)道路到高速公路的平均行駛車速設(shè)定為60 km/h，而課題組的結(jié)論中，與作為平坦道路行駛的研究會(huì)顯示大致相同的負(fù)荷率(研究會(huì)為35%)。值得關(guān)注的是，包括空氣阻力在內(nèi)的總摩擦損失的減少，是以同樣的比例，減少排氣、冷卻損失(圖1)。在減少摩擦損失前后，假如燃燒效率沒有較大的變化，那么，作為最大的損失估計(jì)是可以被認(rèn)可的。因此，假設(shè)其為適應(yīng)于輪胎的摩擦損失減少的實(shí)例。由圖1可知，由于總摩擦損失為40%，則輪胎摩擦損失占總摩擦損失的18．75%，形成在總摩擦損失(含空氣阻力)的削減比例。排氣、冷卻損失也按相同比例減少。但是，作為最大的損失估計(jì)，仍未達(dá)到日本汽車輪胎協(xié)會(huì)認(rèn)可的損失率20%～25%。

圖1 摩擦損失在以60 km/h于平坦道路上行駛時(shí)所占燃油耗的負(fù)荷率(%)

5 追溯效果

在貢獻(xiàn)率的推定中，在減少了輪胎滾動(dòng)摩擦損失的情況下，設(shè)定其他動(dòng)力傳動(dòng)各部件的摩擦損失不變，并對(duì)比進(jìn)行了計(jì)算，限定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，機(jī)油泵及離合器的摩擦損失不變。但是，在齒輪及軸承等部件方面，如果輪胎的滾動(dòng)摩擦損失減少，則傳遞的動(dòng)力也隨之減少，摩擦損失也會(huì)相應(yīng)減少。因此，如圖2所示，為調(diào)查減少了輪胎滾動(dòng)損失的10%時(shí)的影響，從動(dòng)力傳動(dòng)上游的一部分零部件(有影響的部件)的損失中扣除各組件(部件)的損失，計(jì)算出了最終的燃油耗。在此，表示數(shù)值作為燃油耗進(jìn)行換算。另外，在曲軸軸承中，由于對(duì)轉(zhuǎn)速的依存度高，減少了影響量。計(jì)算結(jié)果表明，燃油耗減少了2.77%，損失率為27．7%。在日本汽車輪胎協(xié)會(huì)的數(shù)值中，20% ～25%(損失率)中的20%是在空氣動(dòng)力阻力較大的高速公路上勻速行駛時(shí)的損失率值。而25%是為研究會(huì)設(shè)定的以60 km/h左右的中速行駛的損失率值，上述的計(jì)算是最大的估計(jì)值。因此，貢獻(xiàn)率27．7%是理想化的推定，將動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)下游部件的損失減少對(duì)于上游部件損失的影響稱為追溯效果。

6 近似實(shí)際行駛?cè)加秃?/h2>

在60 km/h的平坦道路行駛中，如表2所示，每升燃油的行駛路程假定為20 km(燃油耗為百公里5 L)。作為排量1．8 L的2010年乘用車，打破實(shí)用經(jīng)驗(yàn)常規(guī)，燃油經(jīng)濟(jì)性良好。另一方面，工況(如IC08工況)燃油耗規(guī)定復(fù)雜的加、減速要求，利用計(jì)算來推定燃油耗是較為困難的。因此，利用下面的假定，計(jì)算近似實(shí)際行駛的燃油耗。如表2所示，標(biāo)準(zhǔn)乘用車在坡度5°的坡道上，以60 km/h的恒定速度上坡行駛時(shí)，在交叉點(diǎn)等處的加速也與此相似。相反，以同樣的恒定速度，在相同坡道上下坡時(shí)，減速也與此相似。行駛里程為100 km時(shí)，設(shè)定上坡里程占比為30%，以60 km/h在平坦道路上行駛里程占比為40%，下坡里程占比為30%，假設(shè)這種分配近似于實(shí)際行駛情況。排量為1．8 L的車輛，在坡度5°的坡道上坡行駛，在直接傳動(dòng)為零時(shí)，并不能維持60 km/h行駛，車輛會(huì)下滑。另外，在坡度為5°的坡道下坡，離開加速踏板會(huì)產(chǎn)生加速，用這種假定計(jì)算燃油耗時(shí)，有必要估算上坡時(shí)增加的摩擦損失。表3表示以標(biāo)準(zhǔn)乘用車的負(fù)荷及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大為基礎(chǔ)，由研究會(huì)估計(jì)的在坡度超過5°的坡道，上坡時(shí)的摩擦損失比例增大。利用該值及在坡度為5°的坡道上連續(xù)上坡100 m所積累的純功換算值，可得到圖3的能量分配。需要將整備質(zhì)量1 500 kg的車體提升上坡5 000 m時(shí)，2．2 L汽油(熱值)做的純功。由于摩擦損失也會(huì)增大，燃油耗為百公里13．45 L。平坦道路上行駛為百公里5 L，下坡時(shí)利用燃油切斷裝置，由于燃油耗為百公里0 L，近似實(shí)際行駛的燃油耗相當(dāng)于16．6 km/L，作為1．8 L的2010年車輛在郊外安全行駛時(shí)的燃油耗是較為妥當(dāng)?shù)模咏贘C08工況燃油耗值。

表3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的道路行駛負(fù)荷比例

圖2 以60 km/h速度在平坦道路上行駛，由于削減輪胎摩擦損失10%，獲得燃油耗改善［1］(L/100 km)

7 各部件的摩擦損失率

圖1和圖3中，設(shè)定輪胎的負(fù)荷率為零(摩擦損失減少率100%)，考慮到追溯效果，如計(jì)算上述的近似實(shí)際行駛，則燃油耗為百公里5．06 L。其結(jié)果根據(jù)輪胎損失減少前的百公里6．03 L的減少率16.1%，成為輪胎近似實(shí)際行駛的摩擦損失率。由于表1的工況行駛的貢獻(xiàn)率是10% ～20%，是較為妥當(dāng)?shù)?。?表示用同樣的方法計(jì)算了動(dòng)力傳動(dòng)各部件摩擦損失率的結(jié)果。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞貢獻(xiàn)率是7．2%，如果削減其摩擦損失30%，則燃油耗削減2．16%，在近似實(shí)際行駛中是有可能的，如可以使用表3簡單地進(jìn)行計(jì)算。

圖3 摩擦損失在坡度5%坡道上上坡行駛時(shí)的燃同耗中所占比例(L/100 km)

8 利用減少摩擦損失以改善2020年車輛的燃油耗

研究會(huì)進(jìn)行了研究討論，即相比表2的2010年車輛，到2020年，能夠減少動(dòng)力傳動(dòng)系各部件的摩擦損失。由研究會(huì)成員的汽車零件制造商及汽車生產(chǎn)商的研究人員，提出了表3的預(yù)想值，它不僅可作為技術(shù)上的參考值，而且也可作為市場(chǎng)上可以實(shí)現(xiàn)的值。

考慮到總摩擦損失的三重效果及研究會(huì)的追溯效果，如果根據(jù)表3所示各部件的損失減少來計(jì)算燃油耗，則2020年車輛的平坦道路行駛中燃油耗為百公里3．25 L，可獲得約35%的燃油經(jīng)濟(jì)性改善。另外，加上坡道行駛的燃油耗，2020年車輛的近似實(shí)際行駛的燃油耗成為百公里4．30 L，相比于2010年車輛的百公里6．04 L，改善燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)29%。日本政府在2015年的G7法規(guī)中提出了新的目標(biāo)，到2030年時(shí)，使溫室效應(yīng)氣體排放量比2013年減少了26%。雖然年度不同，可是對(duì)于普通乘用車而言，由于摩擦學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，能夠達(dá)到削減溫室效應(yīng)氣體的排放目標(biāo)。

9 利用削減HEV的摩擦損失以改善燃油經(jīng)濟(jì)性

HEV車輛在減速下坡行駛時(shí)，利用制動(dòng)再生發(fā)電回收加速后的動(dòng)能，幫助蓄電池進(jìn)行充電，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率較低的時(shí)候，借助電動(dòng)機(jī)輔助(為加速提供輔助動(dòng)力)方式以改善燃油經(jīng)濟(jì)性。在此，按照表2列出的規(guī)格，認(rèn)為是只帶有蓄電池組，以及電動(dòng)機(jī)的理想化的HEV［2］。至于上述的近似實(shí)際行駛中，以高負(fù)荷工況為代表，假定將勢(shì)能的50%用于電動(dòng)機(jī)的功率。但是，這是利用電動(dòng)車(EV)的電動(dòng)機(jī)下坡行駛。如果利用EV的電動(dòng)機(jī)上坡行駛，蓄電池提供的電力可在上坡道上到高度的一半。不能完全定論，因?yàn)橛休喬サ臐L動(dòng)損失及空氣動(dòng)力阻力等損失。還是能上到1/4左右的高度，這與實(shí)際上乘坐HEV的感受一致。另外，在平坦道路行駛時(shí)，不能得到再生制動(dòng)效果。因此，設(shè)定與一般車輛的燃油耗相同。

在這類假定的基礎(chǔ)上，相比表2列出的2010年一般車輛，計(jì)算出2010年HEV的燃油耗，以及削減了摩擦損失的2020年普通車的燃油耗。而且，設(shè)定了普通車為HEV時(shí)近似實(shí)際行駛中的燃油耗，其結(jié)果示于圖4。減少了摩擦損失的2020年的HEV，與2010年的相比，計(jì)算出其燃油經(jīng)濟(jì)性改善了32%。另外，在2010年，與一般車輛相比，HEV減少了25%的燃油耗。對(duì)此而言，到了2020年，HEV比一般車輛減少了28%的燃油耗，可預(yù)想其差異變大。HEV減少摩擦效果之所以優(yōu)于一般車輛，是因?yàn)槠淅昧嗽谥苿?dòng)減速(包括發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng))中消耗的能量。如果除去空氣動(dòng)力損失，燃料只用于動(dòng)力傳動(dòng)的摩擦損失上，減少該摩擦損失，直接關(guān)系到燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。

圖4 近似實(shí)際行駛中的燃油耗減少比較

10 結(jié)語

以減少輪胎的滾動(dòng)損失對(duì)裝有內(nèi)燃機(jī)的乘用車的燃油耗減少的影響為實(shí)例，研究了其推斷方法的結(jié)果，并得到了以下結(jié)論:

(1)包括空氣阻力的總摩擦損失的減少率，由于考慮用同樣的比例來減少排氣、冷卻損失，以及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)下游部件的損失減少對(duì)于上游部件損失的影響的追溯效果，可以推定各部件的損失減少對(duì)減少燃油耗的影響。

(2)在以60 km/h的勻速行駛中，設(shè)定在坡度為5°的坡道上，上坡行駛比例30%，平坦道路行駛比例40%，下坡行駛比例30%的近似實(shí)際行駛，能夠利用簡便的計(jì)算推定接近于實(shí)用的燃油耗水平。另外，在2010年的普通乘用車的近似實(shí)際行駛中，可以得到動(dòng)力傳動(dòng)各部件對(duì)燃油耗的貢獻(xiàn)率。

(3)根據(jù)研究會(huì)預(yù)測(cè)的動(dòng)力傳動(dòng)系各部件的損失減少，在近似實(shí)際行駛方面，2020年車輛的燃油耗相比2010年車輛燃油耗減少了29%。

(4)2020年的HEV由于摩擦損失的削減，相比于2010年的HEV的近似實(shí)際行駛的燃油耗改善了32%，可預(yù)計(jì)與一般車輛的燃油耗差異會(huì)變大。

以2010年的標(biāo)準(zhǔn)的汽油機(jī)乘用車為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)出動(dòng)力傳動(dòng)系各部件的損失削減對(duì)于燃油耗影響的結(jié)果。對(duì)于汽車零件生產(chǎn)商而言，減少每個(gè)部件的損失時(shí)，表3所示的摩擦損失率，確信對(duì)于目標(biāo)的設(shè)定會(huì)發(fā)揮較大的作用。然而，近些年變速器及發(fā)動(dòng)機(jī)有所改進(jìn)，科研人員也在努力推進(jìn)減少功率損失的工作。展望未來，有必要就每個(gè)部件進(jìn)行再調(diào)查，而本文論述的方法也是有效的。

［3］［OL］．http://www．jatma．or．jp/labeling/faq02html．

［5］Holmberg K，Andersson P，Erdemir A．Global energy consumption due to friction in passenger cars［J］．Tribology International，2012，47:221-234．