通過降低摩擦以改善乘用車的燃油耗及混合動力車展望

【日】 中村

1 概述

對于減少溫室氣體排放，減少汽車的CO2排放量作為重要課題引起了人們關注。如果使汽油機的燃燒效率從35%提高到40%，則汽車的燃油經濟性能改善多少?輪胎的滾動損失減少10%，則燃油經濟性可改善多少?日本摩擦學會的第一研究會“利用汽車的摩擦學以開展節能預測調查研究會(2011～2013年)”(以下簡稱研究會)，調查了削減動力傳動系各部件的損失時對改善燃油耗的影響。本文以該研究成果為基本內容，例舉減少汽車輪胎的滾動阻力，用以說明配裝了內燃機的汽車動力傳動系統中，減少了各部件摩擦損失時對燃油耗的影響［1］。另外，關于目前在日本作為主流環保車型的混合動力車(HEV)，也包含了減少了HEV動力傳動系的摩擦損失情況［2］。另外，本文將發動機的泵氣損失及輪胎的滾動摩擦損失等與動力傳動有關的全部部件的損失作為摩擦損失處理，而車體的空氣阻力不列為減少對象，需另行計算。

2 基于降低輪胎滾動摩擦損失的燃油耗改善

各輪胎生產商都在開發降低汽車行駛中的滾動摩擦損失的輪胎(環保輪胎)。如果能減少輪胎的滾動摩擦損失，則可以減少燃油耗，但效果尚未明確。日本汽車輪胎協會，將降低輪胎的滾動摩擦損失時的燃油耗改善作為“貢獻率”，表1列出了該貢獻率的數值［3］。例如，貢獻率為10%時，如降低20%的輪胎滾動摩擦損失，則能夠減少2%的燃油耗。表1中表示符合行駛條件的貢獻率，隨著車型和車型質量不同，貢獻率會有所變動。所以，該數值的范圍寬廣，在平坦的道路上，以勻速行駛的車輛貢獻率超過20%。

表1 日本汽車輪胎協會列出的乘用車用輪胎的貢獻率

3 2010年乘用車與各部件的負荷率

考慮到乘用車的燃油耗時，有必要確定使用標準的乘用車規格。研究會將表2所示的規格作為標準的2010年乘用車的規格［4］。在研究會制定表2的標準乘用車規格方面，將用60 km/h的恒定速度在平坦的路面行駛時的燃油耗值設定為100，推定了各部件消耗的負荷率，圖1表示其結果。發動機的理論機械輸出功率是30 kW(占燃油耗100中的40%)，排氣、冷卻損失占60%，機械輸出功率占50%，也就是在60 km/h的平坦道路行駛中，純輸出功率為20%，發動機內的摩擦損失20%，其分布明細中，泵氣損失所占比最大。純輸出功率中變速器、差動裝置的摩擦損失為5%，15%的功率傳遞到車輪上，而輪胎的滾動摩擦損失最大。另外，制動損失是在行駛中，制動襯片由于與制動盤接觸而產生的損失，稱為拖曳(打滑)阻力。最后是5%的空氣動力阻力，全部的燃油能量被消耗。

表3列出動力傳動裝置各部件的燃油(能量)消耗負荷率。輪胎的滾動摩擦損失占7．5%，在動力傳動裝置各部件中負荷率最大。就該負荷率而言，假如考慮對燃油耗的影響，那么，貢獻率不到7.5%，遠遠低于日本汽車輪胎協會要求的20% ～25%，可推測受到其他效果的影響。

表2 2010年乘用車規格與基本行駛條件

4 報告分析

課題組以全世界汽車為對象，對平均速度為60 km/h的實際行駛進行分析，獲得關于減少燃油耗的以下結論［5］:

(1)燃料能量的33%被用于發動機、變速器、輪胎和制動中克服摩擦損失。

(2)總摩擦損失(含空氣阻力5%)的減少，以三重效果對燃油耗產生影響，采用相同的比例減少排氣損失與冷卻損失。

(3)以平均速度60 km/h進行實際勻速行駛，與2010年的車輛行駛情況相比，2020年的車輛行駛情況可減少52%的燃油耗。

課題組的分析是將市區道路到高速公路的平均行駛車速設定為60 km/h，而課題組的結論中，與作為平坦道路行駛的研究會顯示大致相同的負荷率(研究會為35%)。值得關注的是，包括空氣阻力在內的總摩擦損失的減少，是以同樣的比例，減少排氣、冷卻損失(圖1)。在減少摩擦損失前后，假如燃燒效率沒有較大的變化，那么，作為最大的損失估計是可以被認可的。因此，假設其為適應于輪胎的摩擦損失減少的實例。由圖1可知，由于總摩擦損失為40%，則輪胎摩擦損失占總摩擦損失的18．75%，形成在總摩擦損失(含空氣阻力)的削減比例。排氣、冷卻損失也按相同比例減少。但是，作為最大的損失估計，仍未達到日本汽車輪胎協會認可的損失率20%～25%。

圖1 摩擦損失在以60 km/h于平坦道路上行駛時所占燃油耗的負荷率(%)

5 追溯效果

在貢獻率的推定中，在減少了輪胎滾動摩擦損失的情況下，設定其他動力傳動各部件的摩擦損失不變，并對比進行了計算，限定發動機轉速不變，機油泵及離合器的摩擦損失不變。但是，在齒輪及軸承等部件方面，如果輪胎的滾動摩擦損失減少，則傳遞的動力也隨之減少，摩擦損失也會相應減少。因此，如圖2所示，為調查減少了輪胎滾動損失的10%時的影響，從動力傳動上游的一部分零部件(有影響的部件)的損失中扣除各組件(部件)的損失，計算出了最終的燃油耗。在此，表示數值作為燃油耗進行換算。另外，在曲軸軸承中，由于對轉速的依存度高，減少了影響量。計算結果表明，燃油耗減少了2.77%，損失率為27．7%。在日本汽車輪胎協會的數值中，20% ～25%(損失率)中的20%是在空氣動力阻力較大的高速公路上勻速行駛時的損失率值。而25%是為研究會設定的以60 km/h左右的中速行駛的損失率值，上述的計算是最大的估計值。因此，貢獻率27．7%是理想化的推定，將動力傳動系統下游部件的損失減少對于上游部件損失的影響稱為追溯效果。

6 近似實際行駛燃油耗

在60 km/h的平坦道路行駛中，如表2所示，每升燃油的行駛路程假定為20 km(燃油耗為百公里5 L)。作為排量1．8 L的2010年乘用車，打破實用經驗常規，燃油經濟性良好。另一方面，工況(如IC08工況)燃油耗規定復雜的加、減速要求，利用計算來推定燃油耗是較為困難的。因此，利用下面的假定，計算近似實際行駛的燃油耗。如表2所示，標準乘用車在坡度5°的坡道上，以60 km/h的恒定速度上坡行駛時，在交叉點等處的加速也與此相似。相反，以同樣的恒定速度，在相同坡道上下坡時，減速也與此相似。行駛里程為100 km時，設定上坡里程占比為30%，以60 km/h在平坦道路上行駛里程占比為40%，下坡里程占比為30%，假設這種分配近似于實際行駛情況。排量為1．8 L的車輛，在坡度5°的坡道上坡行駛，在直接傳動為零時，并不能維持60 km/h行駛，車輛會下滑。另外，在坡度為5°的坡道下坡，離開加速踏板會產生加速，用這種假定計算燃油耗時，有必要估算上坡時增加的摩擦損失。表3表示以標準乘用車的負荷及發動機轉速的增大為基礎，由研究會估計的在坡度超過5°的坡道，上坡時的摩擦損失比例增大。利用該值及在坡度為5°的坡道上連續上坡100 m所積累的純功換算值，可得到圖3的能量分配。需要將整備質量1 500 kg的車體提升上坡5 000 m時，2．2 L汽油(熱值)做的純功。由于摩擦損失也會增大，燃油耗為百公里13．45 L。平坦道路上行駛為百公里5 L，下坡時利用燃油切斷裝置，由于燃油耗為百公里0 L，近似實際行駛的燃油耗相當于16．6 km/L，作為1．8 L的2010年車輛在郊外安全行駛時的燃油耗是較為妥當的，接近于JC08工況燃油耗值。

表3 動力傳動系統各部件的道路行駛負荷比例

圖2 以60 km/h速度在平坦道路上行駛，由于削減輪胎摩擦損失10%，獲得燃油耗改善［1］(L/100 km)

7 各部件的摩擦損失率

圖1和圖3中，設定輪胎的負荷率為零(摩擦損失減少率100%)，考慮到追溯效果，如計算上述的近似實際行駛，則燃油耗為百公里5．06 L。其結果根據輪胎損失減少前的百公里6．03 L的減少率16.1%，成為輪胎近似實際行駛的摩擦損失率。由于表1的工況行駛的貢獻率是10% ～20%，是較為妥當的。表3表示用同樣的方法計算了動力傳動各部件摩擦損失率的結果。例如，發動機活塞貢獻率是7．2%，如果削減其摩擦損失30%，則燃油耗削減2．16%，在近似實際行駛中是有可能的，如可以使用表3簡單地進行計算。

圖3 摩擦損失在坡度5%坡道上上坡行駛時的燃同耗中所占比例(L/100 km)

8 利用減少摩擦損失以改善2020年車輛的燃油耗

研究會進行了研究討論，即相比表2的2010年車輛，到2020年，能夠減少動力傳動系各部件的摩擦損失。由研究會成員的汽車零件制造商及汽車生產商的研究人員，提出了表3的預想值，它不僅可作為技術上的參考值，而且也可作為市場上可以實現的值。

考慮到總摩擦損失的三重效果及研究會的追溯效果，如果根據表3所示各部件的損失減少來計算燃油耗，則2020年車輛的平坦道路行駛中燃油耗為百公里3．25 L，可獲得約35%的燃油經濟性改善。另外，加上坡道行駛的燃油耗，2020年車輛的近似實際行駛的燃油耗成為百公里4．30 L，相比于2010年車輛的百公里6．04 L，改善燃油經濟性達29%。日本政府在2015年的G7法規中提出了新的目標，到2030年時，使溫室效應氣體排放量比2013年減少了26%。雖然年度不同，可是對于普通乘用車而言，由于摩擦學技術的進展，能夠達到削減溫室效應氣體的排放目標。

9 利用削減HEV的摩擦損失以改善燃油經濟性

HEV車輛在減速下坡行駛時，利用制動再生發電回收加速后的動能，幫助蓄電池進行充電，在發動機燃燒效率較低的時候，借助電動機輔助(為加速提供輔助動力)方式以改善燃油經濟性。在此，按照表2列出的規格，認為是只帶有蓄電池組，以及電動機的理想化的HEV［2］。至于上述的近似實際行駛中，以高負荷工況為代表，假定將勢能的50%用于電動機的功率。但是，這是利用電動車(EV)的電動機下坡行駛。如果利用EV的電動機上坡行駛，蓄電池提供的電力可在上坡道上到高度的一半。不能完全定論，因為有輪胎的滾動損失及空氣動力阻力等損失。還是能上到1/4左右的高度，這與實際上乘坐HEV的感受一致。另外，在平坦道路行駛時，不能得到再生制動效果。因此，設定與一般車輛的燃油耗相同。

在這類假定的基礎上，相比表2列出的2010年一般車輛，計算出2010年HEV的燃油耗，以及削減了摩擦損失的2020年普通車的燃油耗。而且，設定了普通車為HEV時近似實際行駛中的燃油耗，其結果示于圖4。減少了摩擦損失的2020年的HEV，與2010年的相比，計算出其燃油經濟性改善了32%。另外，在2010年，與一般車輛相比，HEV減少了25%的燃油耗。對此而言，到了2020年，HEV比一般車輛減少了28%的燃油耗，可預想其差異變大。HEV減少摩擦效果之所以優于一般車輛，是因為其利用了在制動減速(包括發動機制動)中消耗的能量。如果除去空氣動力損失，燃料只用于動力傳動的摩擦損失上，減少該摩擦損失，直接關系到燃油經濟性的改善。

圖4 近似實際行駛中的燃油耗減少比較

10 結語

以減少輪胎的滾動損失對裝有內燃機的乘用車的燃油耗減少的影響為實例，研究了其推斷方法的結果，并得到了以下結論:

(1)包括空氣阻力的總摩擦損失的減少率，由于考慮用同樣的比例來減少排氣、冷卻損失，以及動力傳動系統下游部件的損失減少對于上游部件損失的影響的追溯效果，可以推定各部件的損失減少對減少燃油耗的影響。

(2)在以60 km/h的勻速行駛中，設定在坡度為5°的坡道上，上坡行駛比例30%，平坦道路行駛比例40%，下坡行駛比例30%的近似實際行駛，能夠利用簡便的計算推定接近于實用的燃油耗水平。另外，在2010年的普通乘用車的近似實際行駛中，可以得到動力傳動各部件對燃油耗的貢獻率。

(3)根據研究會預測的動力傳動系各部件的損失減少，在近似實際行駛方面，2020年車輛的燃油耗相比2010年車輛燃油耗減少了29%。

(4)2020年的HEV由于摩擦損失的削減，相比于2010年的HEV的近似實際行駛的燃油耗改善了32%，可預計與一般車輛的燃油耗差異會變大。

以2010年的標準的汽油機乘用車為基準，預測出動力傳動系各部件的損失削減對于燃油耗影響的結果。對于汽車零件生產商而言，減少每個部件的損失時，表3所示的摩擦損失率，確信對于目標的設定會發揮較大的作用。然而，近些年變速器及發動機有所改進，科研人員也在努力推進減少功率損失的工作。展望未來，有必要就每個部件進行再調查，而本文論述的方法也是有效的。

［3］［OL］．http://www．jatma．or．jp/labeling/faq02html．

［5］Holmberg K，Andersson P，Erdemir A．Global energy consumption due to friction in passenger cars［J］．Tribology International，2012，47:221-234．