柴油機扭矩提升和降低油耗的研究

趙振興 石偉 張星辰 李文慶

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

柴油機扭矩提升和降低油耗的研究

趙振興1，2石偉1，2張星辰1，2李文慶1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

介紹了柴油機降油耗的機理。基于變速器速比優(yōu)化，同時提升發(fā)動機扭矩為研究目標，使之達到降油耗的目的。通過降低傳動比來實現(xiàn)降低整車油耗的最主要原因，是讓發(fā)動機運行在低油耗區(qū)；再通過發(fā)動機扭矩提升，彌補減小變速器傳動比來實現(xiàn)降油耗后，整車動力性變差的問題。使用此方案新開發(fā)的改型車，經(jīng)過ECE-EUDC循環(huán)工況法測試，其100 km降油耗約0.3 L。

柴油機增壓扭矩油耗

引言

“2015年我國生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至6.9 L/100 km”是工業(yè)和信息化部2014年發(fā)布的第三階段油耗標準。對于躍過“6.9 L”的車企將受到相關(guān)產(chǎn)品停產(chǎn)限產(chǎn)、不予辦理投資擴能等方面的懲罰。第四階段油耗標準2020年要降至5 L/100 km，降油耗幅度更大，降油耗工作更加艱巨。

發(fā)動機是汽車的“心臟”，通過發(fā)動機降油耗是必選途徑之一。考核乘用車油耗的方法之一是依據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（GB18352.3— 2005）[1]的要求，按照ECE—EUDC循環(huán)工況進行測試。

通過增壓器匹配提升扭矩[2]，重點優(yōu)化對整車油耗貢獻較大的發(fā)動機工況點，同時降低（優(yōu)化匹配）變速器速比，是本文研究的方向。

1降油耗項目描述

公司預(yù)對某柴油SUV車型進行改款，同時對新改款車型實行降油耗設(shè)計（車型賣點之一）。此文研究目標是通過扭矩提升的方法降低油耗。改款前此車型通過ECE—EUDC測得100 km油耗約為6.7 L。發(fā)動機參數(shù)見表1。

表1 柴油機輸入?yún)?shù)表

2理論分析

2.1 油耗特性

衡量車輛經(jīng)濟性指標的是車輛的綜合油耗。車輛進行ECE—EUDC測試循環(huán)測得的整車100 km油耗，ECE—EUDC循環(huán)是車速隨時間變化的一條固定曲線。

讓發(fā)動機運行在低油耗區(qū)，需結(jié)合發(fā)動機萬有特性曲線看（如圖1所示，車輛在進行ECE—EUDC循環(huán)時，發(fā)動機的運行區(qū)域見萬有特性曲線），藍線是按照ECE—EUDC循環(huán)，輸出的發(fā)動機扭矩分布曲線，大部分工況未分布在經(jīng)濟油耗區(qū)，最好的方式是將運行區(qū)域向萬有曲線的左上方移動。

2.2 扭矩提升與傳動比的關(guān)系

以車速120 km/h為例，減小速比后，為了保持車速的恒定，轉(zhuǎn)速雖然由2 400 r/min降低到2 160 r/min，但發(fā)動機的輸出功率不應(yīng)變化，所以在保持功率不變的前提下，發(fā)動機的扭矩會隨轉(zhuǎn)速的降低而提升（功率=扭矩×轉(zhuǎn)速/9 550），見表2。

圖1 扭矩特性分布曲線

表2 不同傳動比的參數(shù)對比表

發(fā)動機運行工況由紅圈變到藍圈，如圖2所示，油耗區(qū)由243 g/（kW·h），運行到229 g/（kW·h），這樣整車油耗便會降低，效果較明顯。

通過減小整車傳動比來實現(xiàn)降油耗后，整車的加速性和最大爬坡能力會變差，此時可以通過提升發(fā)動機扭矩來彌補傳動比的降低，帶來的動力不足問題。

3對策

3.1為扭矩提升選型增壓器

首先根據(jù)目前國際先進的發(fā)動機性能參數(shù)、經(jīng)驗數(shù)據(jù)、此發(fā)動機狀態(tài)，確定要開發(fā)的發(fā)動機性能目標，形成設(shè)計任務(wù)書。設(shè)計任務(wù)書包括：額定功率、最大扭矩、最大扭矩轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速持續(xù)的范圍[3]。扭矩一般取1 000 r/min轉(zhuǎn)速點的扭矩值，并且把從1 000 r/min開始，間隔200 r/min～500 r/min到額定轉(zhuǎn)速點的參數(shù)值列出。設(shè)計任務(wù)書還需提出最低燃油消耗率指標，初步計算或由經(jīng)驗確定額定功率點和最低轉(zhuǎn)速點的燃油消耗率，并形成外特性燃油消耗率目標值。

發(fā)動機開發(fā)目標的性能參數(shù)值，見表3，作為增壓器匹配開發(fā)的輸入。結(jié)合增壓器供應(yīng)商開發(fā)，作為選配增壓器的依據(jù)。

霍尼韋爾與我方對增壓器匹配方案，側(cè)重發(fā)動機低速段的動力性能，并兼顧高速段的動力性能，如圖3、表4所示。

圖2 降油耗示意圖

表3 初期定義外特性參數(shù)表

圖3 側(cè)重發(fā)動機低速段的動力性能的平原匹配結(jié)果

表4 新增壓器方案詳情

3.2 扭矩提升與傳動比的匹配

應(yīng)用GT-drive軟件對不同速比變速器（具體速比見表5）進行選型，根據(jù)輸入?yún)?shù)在GT-driver軟件中建立分析模型，如圖4、5所示。

圖4 經(jīng)濟性分析模型

圖5 動力性分析模型

表5 變速器速比選型表

整車動力性指標包括最高車速（按照GB/ T12544—2012汽車最高車速試驗方法）[4]、最大爬坡度（GB/T12539—2009汽車爬陡坡試驗方法）[5]、加速時間（GB/T12543—2009汽車加速性試驗方法）[6]。

按照ECE—EUDC循環(huán)工況試驗。選型結(jié)果是“變速器二”方案最適合見表6。

表6 動力性經(jīng)濟性仿真結(jié)果（兩驅(qū)）

4試驗結(jié)果

經(jīng)過大約兩年時間，此改款車型開發(fā)完成之后進行ECE-EUDC循環(huán)進行油耗測試，其多次測量的100km油耗平均結(jié)果，較原車型實際降低油耗約0.3L。

4.1 降油耗結(jié)果的扭矩解析

此車型開發(fā)完成之后，我們?nèi)砸攒囁?20 km/h、發(fā)動機功率40 kW為例，核實降油耗的效果及原理，如表7、圖6所示。

發(fā)動機運行“60 kW”工況，油耗變化見“圓形圈”，油耗區(qū)由214 g/（kW·h）運行，新萬有特性曲線上變?yōu)?03 g/（kW·h）運行；發(fā)動機運行“40 kW”工況，油耗變化見“菱形”（見圖6），油耗區(qū)由243 g/（kW·h）運行，新萬有特性曲線上變?yōu)?33 g/（kW·h）運行。這樣整車油耗降低較明顯。

表7 不同傳動比的參數(shù)對比表

圖6 扭矩提升之后的動力性分析模型

4.2 通過碳排放解析降油耗的結(jié)果

按照《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（GB18352.3—2005）的要求，通過測定此車在模擬市區(qū)和市郊工況的二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）排放量，并用碳平衡法計算油耗[7]。

因為此車CO2相對于CO、HC排放“相對高很多”，且新老車型的CO、HC排放量很接近（見表8），為此采用CO2的產(chǎn)生隨時間變化的狀態(tài)，簡單地對比新老車型的排放值，用以解析降油耗結(jié)果，如圖7所示。

表8 實際排放與油耗結(jié)果對比表

圖7 通過二氧化碳排放對比油耗

從圖7可以看出新發(fā)動機一擋因扭矩爬升需要，油耗降低并不明顯；新發(fā)動機二擋、三擋、四擋、五擋、六擋穩(wěn)定工況油耗均偏低。為此本文所采用降油耗方法正確、可行。

5結(jié)論

1）通過降速比的方法降油耗，關(guān)鍵在于發(fā)動機扭矩足夠大，以保證車輛的加速能力和爬坡能力。

2）一般情況下，匹配小的增壓器葉輪，這樣在中低速段，增壓器的效率更高。當(dāng)發(fā)動機扭矩和功率在設(shè)計初期目標值很大時，可考慮匹配雙級增壓器。

3）本文所采用降油耗方法，所產(chǎn)生的效果主要體現(xiàn)在二擋、三擋、四擋、五擋、六擋的扭矩和車速的“穩(wěn)定工況”。

1國家環(huán)境保護總局，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB 18352.3—2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國ⅢⅣ階段）[S].北京：中國標準出版社，2005

2周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999

3張莉莉.可變截面渦輪增壓器與柴油機的匹配研究[D].西安：西安工程大學(xué)，2016

4全國汽車標準化技術(shù)委員會.GB/T 12544—2012汽車最高車速試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2012

5全國汽車標準化技術(shù)委員會.GB/T 12539—2009汽車爬陡坡試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2009

6全國汽車標準化技術(shù)委員會.GB/T 12543—2009汽車加速性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2009

7全國汽車標準化技術(shù)委員會.GB/T 19233-2008輕型汽車燃料消耗量試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2008

Discussions on Improving Torque and Fuel Consumption of Diesel Engine

Zhao Zhenxing1,2,Shi Wei1,2,Zhang Xingchen1,2,Li Wenqing1,2
1-R&D Center of Great Wall Motor Co.,Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China) 2-Automotive Engineering Technical Center of HeBei Province

Fuel consumption reducing mechanism of diesel engine is introduced.The goal of reducing fuel consumption is to achieved based on the transmission ratio optimization,while increasing the engine torque. By reducing the transmission ratio to reduce vehicle fuel consumption,the main reason is to keep the engine running at low fuel consumption area;Through rising the engine torque,vehicle dynamic performance is compensated after transmission ratio reduction to reducing fuel consumption.The ECE-EUDC cycle test shows that,using this scheme,the fuel consumption per hundred kilometers of the newly developed retrofit of the car is reduced by 0.3 L.

Diesel engine,Spuer charging,Torque,Fuel consumption

TK421+.7

A

2095-8234（2016）06-0016-06

2016-10-11）

趙振興（1983-），男，本科，工程師，主要研究方向為柴油發(fā)動機性能設(shè)計。