國六輕型商用車節(jié)油技術研究

摘要：以國六輕型商用車為研究對象，基于用戶需求、法規(guī)建立了動力性、經(jīng)濟性目標，借助AVL Cruise軟件進行動力性及經(jīng)濟性多方案仿真計算，在動力性及經(jīng)濟性目標約束下優(yōu)化傳動系匹配。在此基礎上，對車輛燃油經(jīng)濟性影響因素和節(jié)油技術進行了分析，并結合車型實際情況以及輕型商用車特點開展了國六輕型商用車節(jié)油技術路徑和具體方案的研究以及實施，進行了相關的試驗驗證，在整車成本有效控制的前提下取得了較好的節(jié)油效果。

關鍵詞：國六；輕型商用車；動力系統(tǒng)；匹配優(yōu)化；節(jié)油技術

中圖分類號：U469 收稿日期：2023-10-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202311007

1 前言

隨著油耗標準不斷加嚴，加大節(jié)油技術的研究成為了企業(yè)關注的焦點。本文以某款國六輕型商用車為對象，研究降低汽車燃油消耗量的方法，通過動力鏈匹配優(yōu)化以及節(jié)油技術路徑和具體方案的研究和實施，高效經(jīng)濟地達成了節(jié)油目標。

2 動力鏈匹配

2.1 整車基本參數(shù)

該款輕型商用車安裝有3 L柴油機、6擋手動變速箱，整車基本參數(shù)如表1所示。

2.2 性能目標設定

為達成國六排放以及提升產(chǎn)品競爭力，主流輕型商用車國六柴油發(fā)動機額定功率平均提升8%，額定扭矩平均提升19%。根據(jù)基礎車及競品車型實測數(shù)據(jù)［1］，并結合對國六競品的預判，確定動力性、經(jīng)濟性目標即動力性在現(xiàn)有國五基礎車上提升10%，保持與競品國六產(chǎn)品相當，其油耗在國五基礎車上降低9%左右，滿足三階段法規(guī)限值要求，性能目標如表2所示。

2.3 傳動系選型

根據(jù)最高車速目標確定最小傳動比≤3.96，根據(jù)最大爬坡度確定最大總傳動比≥25.18，按傳動比邊界篩選，4個方案滿足要求，如表3所示。

2.4 仿真計算

借助AVL Cruise軟件進行動力性及經(jīng)濟性多方案仿真計算，4個方案中的方案2在滿足動力需求的提前下能使發(fā)動機工作在最優(yōu)經(jīng)濟區(qū)，油耗達到最優(yōu)（見圖1），仿真計算結果如表4所示。

2.5 小結

通過動力鏈匹配優(yōu)化確定了傳動系統(tǒng)最優(yōu)方案，但油耗超出目標值6.5%，需根據(jù)油耗影響因素進一步降低油耗來達成目標。

3 節(jié)油技術研究

3.1 節(jié)油路徑

影響油耗的主要因素包括發(fā)動機萬有特性、怠速及制動能量消耗、附件功耗、風阻系數(shù)、迎風面積、輪胎滾阻、傳動系速比、整車重量、傳遞效率9個方面［2-3］。根據(jù)燃油經(jīng)濟性影響因素，商用車節(jié)能技術可總結為五大技術類別，分別為高效發(fā)動機技術（包括發(fā)動機本體經(jīng)濟性提升及降低附件功耗）、傳動系效率提升及動力鏈匹配技術、降低整車阻力技術（包括滾阻和風阻）、整車輕量化技術、混合動力技術。綜合考慮各項節(jié)油技術的節(jié)油效果、成本變化、技術成熟度，以及行業(yè)先進水平，結合車型實際情況確定節(jié)油技術路徑和具體指標，發(fā)動機端降油耗3.5%，整車端降油耗4.5%，合計8%，目標分解如圖2所示。

3.2 高效發(fā)動機技術

3.2.1 燃燒優(yōu)化

a.提高軌壓：燃油噴射壓力越高，燃油在氣缸內(nèi)的霧化效果越好，燃燒越完全，碳煙排放相對較好，提高軌壓，可以實現(xiàn)更低的油耗［4］。軌壓與油耗、碳排放的關系如圖3所示，本項目發(fā)動機共軌壓力由160 MPa提升到180 MPa。

b.提高爆壓：發(fā)動機最大爆壓從14 MPa提升到15 MPa，提高了缸內(nèi)平均有效壓力，從而使燃燒效率提升，相同質(zhì)量的燃油能提供更大的輸出扭矩，節(jié)油效果map對比如圖4所示。

c.噴油器流量優(yōu)化：為了獲得更好的噴射霧化效果，需要縮小噴孔直徑，在要求循環(huán)噴油量不變的情況下，通過增加噴孔數(shù)來達到要求［5］。通過相關分析以及噴油器選型試驗、油嘴球頭溫度試驗、油嘴積碳試驗等，最終選取了一種9孔480 mL孔徑細至0.123 mm的噴油器作為發(fā)動機的噴油器，提高了燃油噴霧的質(zhì)量，從而有效地改善燃燒情況。不同噴油器油耗對比如圖5所示。

d.噴油提前角優(yōu)化：增大噴油提前角，燃油更早進入缸內(nèi)進行混合，油氣混合更充分，燃燒效率提升，發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性都有顯著提高。不同噴油提前角對節(jié)油效果對比如圖6所示。

3.2.2 進氣優(yōu)化

a.增壓器優(yōu)化：通過用戶典型工況路譜采集，分析得出整車常用工況多在中低轉(zhuǎn)速中小負荷，因此著重降低這些工況的油耗對于降低整車油耗貢獻度更大。選擇低速效率更高、加速響應更快的小渦輪增壓器方案，中低轉(zhuǎn)速工況的動力性和經(jīng)濟性都有顯著提升。外特性對比試驗結果表明，在中低轉(zhuǎn)速工況，小渦輪增壓器比大渦輪增壓器油耗降低約0.6%，如圖7所示。

b.進氣歧管帶可變渦流控制閥（SCV）：如圖8所示，發(fā)動機每缸的進氣道分為兩路，其中一路安裝了關閉閥體，當發(fā)動機處于中低負荷時，考慮到渦流比較低，ECU發(fā)出信號，通過控制真空閥關閉該閥門，從而提高發(fā)動機的總渦流比，達到油氣充分混合的目的。

3.2.3 降低附件功耗

采用電控硅油風扇替代機械硅油風扇，可以在發(fā)動機負荷較低時，更好地控制發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)速（降低），降低發(fā)動機風扇功耗。通過對電控硅油風扇的控制策略進一步優(yōu)化，風扇轉(zhuǎn)速采用階梯式上升的嚙合策略，平均降低風扇功耗0.3 kW·h，低于機械硅油風扇的0.89 kW·h。

3.3 降低風阻

通過流場（圖9）分析可以看出，影響風阻的主要因素有車身前圍正壓力、車廂前端正壓力、車廂頂部及兩側(cè)氣流分離及底盤部件干擾阻力。針對以上影響因素，通過增加氣動套件和對整車關鍵設計特征尺寸優(yōu)化析出改善方案如表5所示，考慮到成本壓力及量產(chǎn)難易度，優(yōu)先選擇導流罩優(yōu)化和車廂擋水檐優(yōu)化作為降低風阻的主要改善方案。

3.3.1 導流罩優(yōu)化

對于廂式貨車，導流罩是最為重要的氣動套件，增大車廂與導流罩的匹配度，可以顯著降低風阻。導流罩的設計原則［6］：根據(jù)導流罩整體斜率，導流罩高度與貨箱高度一致或稍低于貨箱高度（<100 mm）；導流罩最寬處寬度與車廂寬度一致或略窄于車廂（<50 mm）；導流罩型面弧度控制導流罩Z和Y向弧度，要求截面特征線的延長線與車廂頂面截面線（瓦楞凸起面連接作為廂頂截面線）前端相交且近似相切。通過多輪的尺寸微調(diào)分析，獲得最優(yōu)的導流罩優(yōu)化效果，優(yōu)化后車廂前端正壓力顯著降低，風阻降幅6.5%，如表6所示。

3.3.2 車廂擋水檐優(yōu)化

車廂后端的擋水檐為翻邊結構，但該翻邊造成尾渦增大，從而增大了車廂后端的負壓力，通過取消翻邊可降低風阻，如表7所示。

3.3.3 優(yōu)化結果

導流罩和車廂后擋雨檐的優(yōu)化后，通過仿真對比實現(xiàn)風阻降低8.3%，風阻系數(shù)為0.536。根據(jù)仿真計算預計整車油耗可降低0.41 L/100 km，降低率3.3%。

3.4 降低滾阻

通過調(diào)研行業(yè)低滾阻輪胎資源，選取4組不同滾阻輪胎進行滑行試驗和油耗試驗，試驗結果如圖10、圖11所示，最終選定1組各項性能指標。滿足要求且滾阻降低明顯的輪胎作為最終方案，如表8所示。

3.5 傳動效率提升

后橋采用高功率密度齒輪，如圖12、圖13所示，高功率密度齒采用等高齒及寬齒面設計技術，并且齒輪采用強噴工藝提高齒輪強度和承載能力以及縮小齒輪尺寸，從而提高傳動效率、降低噪聲。優(yōu)化后的后橋傳動效率臺架試驗測試表明，平均傳動效率達96.12%，提升了1%。

4 試驗驗證

4.1 樣車試制及滑行阻力測試

根據(jù)動力鏈匹配選型及降油耗方案，確定最終開發(fā)樣車方案并試制樣車，并按照GB/T 27840附錄C完成試驗樣車（GVW 4 495 kg）滑行阻力數(shù)據(jù)的采集和擬合，所得到的滑行阻力曲線如圖14所示。根據(jù)滑行阻力曲線比對表明，通過降低風阻及滾阻后，整車滑行阻力較優(yōu)化前平均降低10%左右。

4.2 整車動力性、經(jīng)濟性測試及達成情況

按照GB/T 12544《汽車最高車速試驗方法》、GB/T 12539《汽車爬陡坡試驗方法》、GB/T 12543《汽車加速能力試驗方法》，以及GB/T 27840-《重型商用車輛燃料消耗量測量》分別對試驗樣車進行整車動力性和油耗測試，結果如表9所示。結果表明，各項指標均達成目標，其中C-WTVC循環(huán)工況油耗為11.2 L/100 km，超越達成目標，低于三階段限值將近3%。

5 結語

本文以某款國六輕型商用車為研究對象，對動力鏈匹配進行優(yōu)化，并利用節(jié)能技術與實施燃油經(jīng)濟性進行效果提升，最終通過試驗達成預期效果。未來油耗法規(guī)會更加嚴格，因此節(jié)能技術需不斷升級，在不斷挖掘傳統(tǒng)節(jié)能技術潛力的同時還需加強新型節(jié)能技術的研究與應用。

參考文獻：

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作者簡介：

強小文，男，1975年生，正高級工程師，研究方向為輕型商用車整車技術。