某車型降油耗的挑戰(zhàn)與突破研究

盧國(guó)華 李高堅(jiān) 盧銀 范永鵬 谷加佩

摘 要：本文對(duì)降低整車油耗消耗進(jìn)行了研究，挑戰(zhàn)了在低成本開發(fā)的情況下對(duì)降油耗方式的研究。無(wú)需額外能源輸入的情況下通過給機(jī)油加熱的方式實(shí)現(xiàn)整車油耗下降，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此項(xiàng)研究可以降低整車油耗4%，排放污染物下降10%。

關(guān)鍵詞：機(jī)油加熱 油耗 排放 4% 10%

1 引言

世界各國(guó)都在不斷提高汽車排放標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)法規(guī)，“高效，節(jié)能，減排”也成為當(dāng)今汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)。

2013年實(shí)際消耗7.3 L/100km，2015年達(dá)到6.9 L/100km，2020年是5 L/100km，2025年是4L/100km，2030是3.2 L/100km。低油耗技術(shù)是必然趨勢(shì)，比如：發(fā)動(dòng)機(jī)的混合噴射系統(tǒng)、3缸發(fā)動(dòng)機(jī)、停缸技術(shù)、啟停系統(tǒng)、混動(dòng)、純電動(dòng)、提高壓縮比、博世的燃燒室噴水系統(tǒng)，降低排氣背壓等等，難點(diǎn)就是如何在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的技術(shù)上有效的降低成本，本論文研究方向本著低成本、通過快速提高機(jī)油溫度的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，使油耗下降4%以上、污染物10%以上。

2 選取方案

研究表明僅有17.9%能量驅(qū)使汽車行駛，卻有熱損耗65.3%。所以本論文著重于如何利用65.3%中部分能量來(lái)節(jié)能降耗。

車輛冷機(jī)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行阻力一部分來(lái)自機(jī)油，機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度是隨著溫度的上升而變小，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行阻力會(huì)明顯減少，快速升高機(jī)油溫度能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行阻力，對(duì)車輛排放和油耗有利，但是溫度超過110℃，機(jī)油明顯變稀，反而會(huì)增大摩擦力，對(duì)車輛排放和油耗呈現(xiàn)相反的效果。所以，本文章主要研究控制機(jī)油溫度快速上升及控制機(jī)油在合適的溫度區(qū)域進(jìn)行運(yùn)行，最大程度上來(lái)減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中遇到的摩擦阻力，降低油耗及排放。

選取某公司銷售車作為研究對(duì)象，在保證低的成本下完成兩項(xiàng)研究：1、不增加額外能源輸入與改變車輛結(jié)構(gòu)的情況下如何快速提高機(jī)油溫度;2、控制機(jī)油溫度，選出合適的溫度區(qū)間。

汽車上能夠產(chǎn)生熱量，并對(duì)機(jī)油進(jìn)行加熱，一是蓄電池，二是排氣溫度。1.5排量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油有2.5L，可以通過計(jì)算將2.5L機(jī)油在500s時(shí)間內(nèi)從25℃加熱到80℃所需要的熱量。

機(jī)油比熱容數(shù)值1.87-1.88 KJ/（kg·℃），排氣的比熱容為1 KJ/（kg·℃）。

1L機(jī)油質(zhì)量：

m=ρv=0.856 kg/m3×1m3=0.856kg

加熱2.5L機(jī)油所需的熱量：

Q=CM△T=1.88KJ/（kg·℃）×2.5 ×0.856kg×（80℃-25℃）=221KJ

通過蓄電池獲得221KJ熱量所需要電流值：

U÷t=221×103÷12V÷500s=36.8A

如此大的電流線束無(wú)法承受。

排氣溫度在500s前的溫度是300℃，經(jīng)過熱量交換盒之后，排氣溫度會(huì)下降至100℃，以發(fā)動(dòng)機(jī)1000r/min負(fù)荷通過GT軟件計(jì)算得出排氣流量為7.2g/s，3200r/min的排氣流量為23.9g/s，轉(zhuǎn)速越高排氣流量值越大，在1000r/min的排氣在500s內(nèi)能夠提供排氣質(zhì)量為3.6Kg：

Q=CM△T=1 KJ/（kg·℃）×3.6kg×（300℃-100℃）=720 KJ

1000r/min的工況下總共可以提供的熱量大約720KJ，3200r/min工況下總共可以提供的熱量為2390KJ。

Q=CM△T;Q=Pt 其中Q為熱能，單位焦耳J;C為比熱容，單位焦耳/千克·攝氏度，字母J/Kg·℃;M為質(zhì)量，單位Kg;△t為溫度變化，單位攝氏度℃;P為電功率，單位W;t為時(shí)間，單位秒s。

結(jié)論是選取排氣熱量來(lái)加熱機(jī)油是可行的方案。

為了不影響催化器起燃時(shí)間，選擇將加熱裝置安裝在盡量靠近催化器的地方。機(jī)油加熱裝置由一個(gè)熱量交換盒，兩根輸油管，節(jié)溫器及散熱器組成，為獲得足夠多的加熱熱量，機(jī)油流動(dòng)方向是逆著排氣的氣流方向流動(dòng)，節(jié)溫器為控制機(jī)油溫度而改變機(jī)油流向，散熱器是用來(lái)冷卻超高溫的機(jī)油，如圖1所示，黑色箭頭是從發(fā)動(dòng)機(jī)出來(lái)的廢氣的流向，常溫啟動(dòng)時(shí)，機(jī)油是沿著紅色箭頭方向進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)機(jī)油溫度超過設(shè)定溫度，機(jī)油會(huì)經(jīng)過節(jié)溫器開關(guān)改變流向，沿藍(lán)色箭頭流進(jìn)熱量交換盒再回到機(jī)濾處。

3 機(jī)油特性（5W-30）

本次研究車輛使用的機(jī)油型號(hào)為5W-30，根據(jù)5W-30的特性值，機(jī)油的溫度并不是越高越好，必須要控制在機(jī)油廠家的建議溫度范圍內(nèi)80℃～100℃。

4 方案實(shí)施及數(shù)據(jù)分析

測(cè)試樣車：某大型車企生產(chǎn)的在售某車型，里程3000KM。

測(cè)試地點(diǎn)：某大型車企環(huán)保實(shí)驗(yàn)室。

測(cè)試方法：采用歐洲行駛工況 （New European Driving Cycle， NEDC）進(jìn)行油耗及排放測(cè)試。

樣車測(cè)試結(jié)果列于表1：

4.1 方案實(shí)施步驟流程

測(cè)試方法為不控制機(jī)油溫度，稱為試驗(yàn)一，測(cè)試結(jié)果如表2所示，比對(duì)分析整車油耗相對(duì)原車下降0.073，尤其市區(qū)階段，機(jī)油的迅速升溫對(duì)油耗起到了很好的效果，從9.84變化為9.6，反而是市郊工況，5.86變化為5.88，上升了0.02，分析發(fā)現(xiàn)市郊工況加熱裝置出油口機(jī)油溫度達(dá)到了120℃超出機(jī)油建議范圍。

調(diào)整測(cè)試方案，對(duì)市郊工況加熱裝置出油口油溫進(jìn)行控制，當(dāng)出油口油溫到達(dá)設(shè)定溫度點(diǎn)，馬上將機(jī)油改變流向，使其通過散熱器進(jìn)行散熱降溫，降溫后的機(jī)油再次進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)與油底殼內(nèi)的機(jī)油混合，使油底殼內(nèi)的機(jī)油溫度降低，在以下文中稱此操作為散熱操作。

在加熱裝置出油口油溫105℃時(shí)進(jìn)行散熱操作稱為試驗(yàn)二，實(shí)測(cè)油底殼內(nèi)的機(jī)油溫度大約在100℃～110℃區(qū)間。如表2，相對(duì)于試驗(yàn)1的測(cè)試結(jié)果，由5.88變?yōu)?.84，整車油耗為7.22下降了0.027。

加熱裝置出油口油溫在95℃進(jìn)行散熱操作稱為試驗(yàn)三，實(shí)測(cè)油底殼內(nèi)的機(jī)油溫度大約在90℃～100℃區(qū)間。市郊工況油耗5.66，整車油耗7.1，對(duì)比試驗(yàn)二的整車油耗7.22下降了0.12。

加熱裝置出油口油溫控制85℃稱為試驗(yàn)四，實(shí)測(cè)油底殼內(nèi)的機(jī)油溫度維持大約在80℃～90℃區(qū)間。市郊工況油耗為5.58，整車油耗6.91比較試驗(yàn)三油耗7.1下降0.21，相對(duì)原車油耗7.31已經(jīng)下降0.4，約5.47%，結(jié)果已經(jīng)達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)值4%。

對(duì)熱量交換盒進(jìn)行改良，增大加熱接觸面積并減少流動(dòng)阻力，加熱裝置出油口油溫控制85℃試驗(yàn)，稱為試驗(yàn)五，得出整車油耗6.87，對(duì)比原車油耗7.32下降0.45，達(dá)到6.15%，綜合測(cè)試及車輛散差的誤差值還有其他設(shè)備影響，保守值也能夠達(dá)到4%的目標(biāo)設(shè)定值，決定采用此套方案。

4.2 樣件測(cè)試結(jié)果分析

4.2.1 機(jī)油溫度對(duì)比

如圖2示，原車機(jī)油溫度上升緩慢，800s才到達(dá)80℃，相比較裝有機(jī)油加熱裝置的車型，油溫上升很快，在500s時(shí)加熱裝置出油口油溫就已經(jīng)達(dá)到80℃，油底殼處油溫在600s時(shí)達(dá)到80℃，比原車快了近200s。并將發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼內(nèi)的機(jī)油溫度控制在100℃以下，保證了機(jī)油處于最佳潤(rùn)滑溫度區(qū)域，低粘度減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力，間接減少了能耗的損失。計(jì)算得出平均溫升差6℃，500s前平均溫升差9℃，800s前平均溫升差11℃。

4.2.2 排氣溫度對(duì)比

如圖3示，圖中黑色曲線代表原車排氣溫度，對(duì)于加裝機(jī)油加熱裝置的車輛，裝置前排氣溫度明顯高于裝置后的排氣溫度，兩條曲線某一時(shí)間點(diǎn)之差的部分熱量用于加熱機(jī)油，直接導(dǎo)致機(jī)油溫度極速上升。對(duì)比在市區(qū)工況下，排氣溫差最大值近200℃，平均溫差值131℃，而市郊工況下排氣溫差值最大僅有100℃，平均溫差僅83℃，直接表現(xiàn)在測(cè)試結(jié)果中，油耗結(jié)果顯示第一階段油耗下降約6.9%，而第二階段約5.63%。

4.2.3 冷卻液溫度對(duì)比

圖4是冷卻液溫度曲線圖，在第一個(gè)市郊工況循環(huán)，裝有加熱裝置的冷卻液吸收機(jī)油熱量上升趨勢(shì)比原車要快，ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊總成）會(huì)根據(jù)冷卻液溫度來(lái)決定噴油脈寬，隨著冷卻液溫度的上升，噴油脈寬也隨著減少。

4.2.4 污染物排放對(duì)比

排出的尾氣主要成分是HC（碳?xì)浠衔铮?、CO（一氧化碳）、NOX（氮氧化物）、NMHC（非甲烷碳?xì)洌?為測(cè)試后得出來(lái)的排放物值，數(shù)據(jù)表明排放物比原車都有下降：HC下降0.003，約13.6%，CO下降0.032，約17.2%，NOX下降0.006，約22.2%，NMHC下降0.003，約15%。

通過圖5和圖6的排放秒采對(duì)比，HC在暖機(jī)中峰值降低了50，且短時(shí)間內(nèi)迅速降到正常值，是HC下降的主要階段。CO曲線也是一樣，機(jī)油的迅速升溫導(dǎo)致燃燒更好，爆震更少，在市郊階段和市區(qū)階段都減少了CO值。

4.2.5 排氣背壓的對(duì)比

通過圖7排氣背壓曲線對(duì)比，機(jī)油加熱系統(tǒng)后的排氣背壓值（紅色）明顯降低，相對(duì)于原車平均背壓值（黑色曲線）差下降312pa，市區(qū)工況背壓平均壓差229pa，市郊工況背壓平均壓差487pa，研究表明背壓下降能夠使油耗下降，數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出，裝有機(jī)油加熱系統(tǒng)的車輛在高速階段能夠獲得較經(jīng)濟(jì)的油耗。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)運(yùn)用圖表、INCA、MDA等軟件建立了數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了整理、分析和研究，通過對(duì)機(jī)油加熱使發(fā)動(dòng)機(jī)快速熱機(jī)能夠降低油耗及排放污染物。對(duì)比油耗，在裝有機(jī)油加熱的設(shè)備的車上測(cè)試能夠減少4%以上。對(duì)比排放，HC、CO、NMHC都下降達(dá)10%以上。測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析，都顯示了機(jī)油加熱這項(xiàng)研究達(dá)到了低成本、節(jié)能減排的效果。

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