某發動機油耗優化研究

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

某發動機油耗優化研究

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

由于整車油耗限值要求，對某發動機進行油耗優化研究。綜合多方面考慮，采取低摩擦優化設計和增加冷卻EGR裝置兩種油耗優化措施，成功使整車油耗降低0.5 L/100 km，同時也為降低整車油耗提供了寶貴的經驗。

油耗低摩擦優化冷卻EGR

引言

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

1　某發動機基本參數

某5座乘用車整備質量1 370 kg，百公里油耗為7.5 L。根據《乘用車燃料消耗量限值》規定，1 320 kg≤整備質量≤1430kg的乘用車百公里油耗限值為7.3L，該車到2016年后將不能滿足國家強制法規的要求。因此需要在發動機上采用多種技術手段，提高發動機的效率，降低油耗，才能使之滿足油耗限值。

該車搭載的發動機為一款排量1.8 L、進氣道多點噴射、4缸4沖程、16氣門、雙頂置凸輪軸、進氣可變氣門正時的自然吸氣汽油發動機。發動機基本參數如表1所示。

表1　發動機基本參數

2　技術方案分析

在諸多發動機油耗優化的技術方案中，增壓小型化、汽油直噴技術、可變氣門升程技術等都是有效的手段，但相應的開發周期較長，同時與現有生產線的兼容性以及整車布置可行性可能產生矛盾。

通過對原型機各主要摩擦副摩擦水平的分析，對原型機進行低摩擦優化設計可以實現該目標［1］。且基于原型機只有進氣VVT的特點，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動機油耗的方案：先進行低摩擦優化設計，然后在此基礎上增加冷卻EGR裝置。

3　低摩擦優化設計

3.1降低摩擦分析

降低摩擦損失對減少發動機的能量損失具有非常重要的作用，發動機摩擦損失主要包括活塞組件摩擦損失、配氣機構摩擦損失、曲軸摩擦損失、機油泵損失、前端附件驅動損失等［2］。圖1給出了發動機在常用工況各系統摩擦損失分布，其中活塞組件及配氣機構所占比例最大。

圖1　發動機各系統摩擦損失分布圖

類金剛石碳膜（Diamond-like Carbon，DLC）是一種由碳元素構成，在性質上和金剛石類似，同時又具有石墨原子組成結構的物質，具有高硬度，低摩擦系數（DLC的摩擦系數隨制備工藝的不同和膜中成分的變化而變化，其摩擦系數最低可達0.005），高耐磨性等優異特性，利用其優異的摩擦學性能可以有效降低發動機摩擦損失，并提高零件的耐磨性能［3］。

根據以上分析，針對發動機摩擦損失比例最大的活塞組件及配氣機構使用DLC涂層進行了低摩擦優化設計，表2為涉及更改的零件。

表2　低摩擦優化設計更改零件

將原型機更換低摩擦優化設計的零件后進行摩擦損失對比試驗，見圖2。進行低摩擦優化設計后發動機的摩擦損失可降低約3 N·m。

3.2油耗對比試驗

發動機摩擦損失降低后，油耗也隨之降低，在整車常用的中低負荷工況，發動機油耗降低約2%，圖3為發動機萬有特性油耗對比。

圖2　摩擦損失對比

圖3　萬有特性油耗對比差值（原型機—低摩擦優化設計）

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

表3　整車油耗對比

4　冷卻EGR技術

冷卻EGR技術是將排氣側的廢氣經過冷卻器冷卻后，通過EGR閥導入進氣歧管，與新鮮充量混合后一同進入氣缸，再次參與缸內燃燒。冷卻EGR技術可以有效降低泵氣損失，改善燃燒，提高發動機的燃油經濟性。

4.1降低泵氣損失

EGR廢氣導入進氣歧管后，進氣歧管內的溫度和壓力都會有所升高。對于進氣道噴射的發動機，進氣歧管溫度的提高可以促進燃油的揮發，使油氣混合更加均勻。進氣歧管壓力提高是由于引入EGR之后，發動機的動力輸出受到影響，為了恢復未引入EGR時的動力表現，需要增大節氣門的開度，提高充氣效率。節氣門開度加大，其造成的節流作用減小，進氣歧管壓力相應提高。同時由于進氣歧管壓力的提高，發動機進氣行程時活塞下行的阻力減小，從而降低發動機泵氣損失。

選取整車常用的典型工況點2 000 r/min（0.2 MPa）進行分析，從圖4中可以看出隨著EGR率的提高，進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率對進氣歧管溫度與壓力的影響

4.2改善燃燒

汽油機工作時容易發生爆燃，通常通過降低壓縮比或減少點火提前角抑制爆燃的發生，但減小壓縮比會使燃燒熱效率降低，而推遲點火時間會導致油耗上升和大負荷時排氣溫度過高。因為EGR廢氣中的氧含量很小，進入進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，從而可以增大發動機的壓縮比和點火提前角，改善燃燒，降低油耗。

通過GT-POWER模擬計算，并綜合發動機的動力性及經濟性考慮，將發動機的壓縮比由10.0增大至10.8。選取整車常用的典型工況點2 000 r/min（0.2 MPa）進行分析，從圖5中可看出EGR率的提高，點火提前角也隨之增大。

4.3油耗對比試驗

發動機使用冷卻EGR技術后，泵氣損失降低，發動機的壓縮比和點火提前角增大，油耗也隨之降低，在整車常用的中低負荷工況，發動機油耗降低約6%，圖6為發動機萬有特性油耗對比。

將冷卻EGR加裝到之前的兩臺整車上，表4為整車油耗測量值，低摩擦優化設計與冷卻EGR同時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率對點火提前角的影響

圖6　萬有特性油耗對比差值（原型機—低摩擦優化設計&冷卻EGR）

表4　整車油耗對比

5　結論

1）使用降低摩擦技術后，發動機油耗降低約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）使用降低摩擦技術及冷卻EGR后，發動機油耗降低6%，整車油耗降低約0.5 L/100 km，為滿足之后更加嚴苛的油耗限值要求做準備。

1李駿.汽車發動機節能減排先進技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2011

2武彬，李駿，李康，等.發動機低摩擦優化設計及試驗［J］.吉林大學學報，2014（01）：81-85

3傅銀澤，崔陽.發動機油耗優化研究［J］.裝備制造技術，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，主要研究方向為發動機開發。