淺談汽車研發過程降油耗措施及建議

呂葉葉

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

淺談汽車研發過程降油耗措施及建議

呂葉葉

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

明確車輛降油耗的必然性和緊迫性；提出幾種降油耗的措施，逐一分析幾種措施的優缺點并舉例說明。

汽車；降油耗；燃油經濟性；措施

0 前言

近年來，伴隨著我國社會經濟的發展和人民生活的改善，汽車逐漸走進了千家萬戶，成為人們日常生活的必需品，而石油資源正在日益減少，隨著國家第三階段油耗限值的發布，燃油消耗限值進一步縮緊，國家對整車的燃油消耗量的要求越來越高，且懲罰措施越來越嚴厲，降低車輛油耗已經成為刻不容緩的任務，各大汽車廠商也將很大一部分精力投入在降油耗上，以此作為占領汽車銷售市場的重大亮點。我國目前乘用車燃油經濟性要求大致見圖1。

1 降油耗措施

1.1 燃油經濟性

汽車的燃油經濟性用汽車在水平的水泥或者瀝青路面上，以經濟車速或多工況滿載行駛百公里的燃油消耗量(L/100 km)來評價。該值越小燃油經濟性越好。發動機排量小的乘用車百公里燃油消耗量要低于排量大的乘用車[1]。

1.2 降油耗措施

降低油耗的措施是多方面的，作者這里主要是從汽車設計的角度去降低油耗，并非是從消費者使用的角度降低油耗，如下主要是從4個方面著手：

1.2.1 降低行駛阻力

車輛在行駛時，所要克服的阻力有機件損耗阻力、輪胎產生的滾動阻力(一般也稱做路阻)及空氣阻力。隨著車輛行駛速度的增加，空氣阻力逐漸成為最主要的行車阻力，在時速200 km/h以上時，空氣阻力幾乎占所有行車阻力的85%。

可采用以下幾種方法降低行駛阻力:

(1)車身采用輕型材料，底盤采用輕型驅動構造

汽車總質量影響到汽車的滾動阻力、坡道阻力和加速阻力，對汽車的燃油經濟性影響很大。如整車質量為1 360 kg 的汽車，當汽車總質量減少10%，油耗降低8.8%。因此，在汽車上廣泛采用工程塑料、鋁鎂合金、有機玻璃、石墨纖維等高強度、低質量的復合材料，以減輕汽車自重，是提高汽車燃油經濟性的一個主要方向[2]。

(2)降低空氣阻力系數

空氣阻力是汽車行駛時所遇到最大的也是最重要的外力，空氣阻力系數又稱風阻系數，風阻系數α=F×2÷(ρ空氣×S×ν2)(其中：F為正面風阻力；S為車頭正面投影面積)，它是計算汽車空氣阻力的一個重要系數，通常用于計算汽車在行駛時的空氣阻力。風阻系數的大少取決于汽車的外形。風阻系數愈大，則空氣阻力愈大。現代汽車的風阻系數一般在0.3～0.5之間。

關于風阻對油耗的影響，數據顯示：空氣阻力系數每降10%，燃油就可省7%。風阻系數越低，代表車輛行駛時所受的空氣阻力越低，在高速行駛時越省油，也更容易跑出較高的極速。

主要從兩個方面來降低風阻系數：一方面是流線型的車身比較容易獲得較低的風阻系數，凱越是家用車型中公認的油耗偏高車型，這和其0.338的較高風阻系數不無關系，而方方正正的捷達，其風阻系數也達到了0.34；另一方面就是改善汽車的空氣動力學性能，也可以降低風阻系數。比如跑車的車身都很低，這樣就減小了截面積，有利于降低空氣阻力；此外，增加尾翼、導流板、底盤罩、前部進風口等配件，也能夠改善車身的風阻系數。

(3)使用低滾動阻力輪胎(要使用滑行曲線法做排放)

輪胎結構對滾動阻力的影響很大，改善輪胎結構可以減少汽車油耗。滾動阻力每減小1 N，燃油消耗量減少0.01 L/100 km，或估算為滾動阻力系數減少10%，省油0.6%～1.2%。目前公認子午線輪胎的綜合性能最好，由于其滾動阻力小，與一般斜交輪胎相比，可節油6%～8%[3]。

1.2.2 提高動力傳動效率

要提高動力傳動效率，主要是要使發動機高效率化、使用高效率區域，提高驅動傳動效率。

可采用以下方法改善熱效率：4氣門化；可變氣門正時-各種VVT；高壓縮比；改進燃燒室；直噴&渦輪-GDI Turbo。

可采用以下方法減少損失：采用頂置氣門；減少泵氣損失——廢氣再循環EGR；降低摩擦；采用電動助力轉向。

下面詳細介紹以上方法中的幾種：

(1)VVT功能對發動機燃油消耗率的影響

對于VVT發動機，在怠速及低負荷工況下運行時，氣門開啟重疊角一般都被控制得相對較小，這能抑制排氣向進氣道的倒流，降低缸內殘余廢氣量，改善怠速穩定性以及小負荷下發動機的燃燒穩定性，提高燃油經濟性；在中等負荷時，氣門重疊角一般都被適度增大，這能提高內部EGR率，減小泵氣損失，從而降低燃油消耗率。

從圖3可以看出:某VVT發動機的節油效果在多數工況點都不超過6 g/(kW·h)，以百分比計算大都在2%以內。

(2)Turbo功能對發動機燃油消耗率的影響

增壓可以提高發動機升功率，提高扭矩，縮小發動機排量，進而提高燃油經濟性。一些研究結果表明：增壓可以帶來大約5%～10%的燃油經濟性收益，縮小排量30%左右。1.3 L機械增壓發動機和2.0 L常規發動機的升功率和輸出扭矩的對比見表1。

表1 1.3 L機械增壓發動機和2.0 L常規發動機升功率和輸出扭矩的對比

同樣由圖4可看出：增壓可以帶來大約5%～10%的燃油經濟性收益。

(3)EGR功能對發動機燃油消耗率的影響

EGR技術能夠通過降低缸內最高燃燒溫度記憶缸內混合氣中氧氣的體積分數，破壞NOx的生成環境，從而顯著降低NOx的排放。除此之外，由于EGR的吸入，還可以減少泵氣損失，EGR率適當時，對發動機燃油消耗率的降低也是有好處的。

從數據比較的結果(圖5)來看：在同一臺發動機上，打開EGR相對于關閉EGR，大多數工況可省油5～20g/(kW·h)，發動機燃油消耗率的降低在6%以內。

(4)擴大AT鎖止區域，AT電子控制化

AT 是目前汽車上應用最為廣泛的一種自動變速器，它主要由液力變矩器、行星齒輪及電子液壓控制系統三大部分組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來實現變速變矩。由于液力變矩器變速變矩范圍不夠大，因此在液力變矩器的渦輪后面再串聯幾排行星齒輪來提高效率，液壓操縱系統會根據發動機工況變化來自行操控行星齒輪進行不同的組合，以實現自動變速變矩。由于行星齒輪是有級的，本質上這種變速器也是有級變速器，是有級變速的自動控制，傳動效率較低，燃油消耗量較大。由于動液的能量不能充分利用，再加上泵輪和渦輪的摩擦和沖擊，使一部分能量轉變成油液的熱能而損失，所以油耗較高。從使用性能上看，AT的擋位越多技術就越先進，汽車行駛也就越平順，加速性也越好，而且更省油。通過測試，目前應用最多的4 擋和5擋的AT的確費油，而用于中高級車的6擋AT的燃油經濟性跟MT相差不大，目前最先進的8擋AT可以更省油，但是其結構更為復雜，配合電子控制的發動機管理系統的支持，可提高燃油效率，達到節油的目的。

1.2.3 減少無謂的能源消耗：應用電力能源

發動機啟停就是在車輛行駛過程中臨時停車(例如紅燈)的時候，自動熄火，當需要繼續前進的時候，系統自動重啟發動機的一套系統。這套系統是這幾年來發展迅猛的汽車環保技術，特別適用于走走停停的城市路況，能達到15%的節油能力。1.6～2.0 L排量節省3%左右，1.3 L以下不明顯不建議使用。

工作原理是：當車輛因為擁堵或者路口停止行進，駕駛員踩下制動踏板，停車摘擋，這時候該系統自動檢測：發動機空轉且沒有掛檔；防鎖定系統的車輪轉速傳感器顯示為零；電子電池傳感器顯示有足夠的能量進行下一次啟動；滿足這3個條件后，發動機自動停止轉動；而當信號燈變綠后，駕駛員踩下離合器，隨即就可以啟動“啟動停止器”，并快速啟動發動機，駕駛員掛檔，踩油門，車輛快速啟動。在高效的蓄電池技術和相應的發動機管理系統的支持下，啟停系統在較低的溫度下也能正常工作，只需短暫的預熱過程便可激活。

1.2.4 回收可利用的能源：回收利用制動能源

混合動力(HEV)中的制動能量回收——BSG代表了雙軸并聯低度混合式：發動機與電機之間采取皮帶傳動方式進行動力傳輸，以發動機為整車的驅動動力源，電機系統用于實現發動機的快速啟動，在正常行駛工況下BSG電機和常規發電機一樣由發動機驅動電機發電，給蓄電池充電。當車輛停下時，發動機運轉停止，消除怠速狀態，再啟動時，BSG電機快速啟動發動機。在此結構中，發動機通過主傳動軸和變速器相聯，電機通過皮帶傳動與發動機曲軸相連，電機既可作為發動機，又可作為電動機。BSG系統結構簡單、質量輕，對整車原有結構改動小，成本低。

BSG是一項輕度混合動力技術，節油效果約為5%。不同于電動汽車技術，BSG只是對傳統汽柴油發動機的工況進行優化，在怠速、啟動等情況下提高燃油效率，因而節油效果只有5%。但BSG技術的成本很低，在大批量生產的前提下，為現有乘用車加裝BSG只需增加1 000元左右的成本。

2 整車降油耗實例

某車原基本配置：1.8T+5AT+BSG，整備質量1 590 kg，結合上述降油耗內容，表2是該車降油耗實測數據。

表2 整車降油耗實例

【1】 王望予.汽車設計[M].4版.北京：機械工業出版社,2004.

【2】 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009.

【3】 楊金展，張偉.汽車輪胎的選用與維護[J].汽車運用，2009(4).

DiscussionontheAutomobileConsumptionReductionMeasuresandSuggestions

LV Yeye

(Automotive Engineering Institute,Gunggzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434，China)

The necessity and urgency of vehicle fuel consumption reduction were illustrated. Several measures of reducing fuel consumption were put forward. The advantages and disadvantages of the measures were analyzed and an example was given.

Automobile；Fuel consumption reduction；Fuel economy；Measures

2014-06-11

呂葉葉(1983—)，女，學士，研究方向為汽車電噴系統。E-mail：lvyeye@gaei.cn。