某发动机油耗优化研究

王泰晟　黄　勇　黄勇和（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心广西柳州545007）

某发动机油耗优化研究

王泰晟黄勇黄勇和
（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心广西柳州545007）

由于整车油耗限值要求，对某发动机进行油耗优化研究。综合多方面考虑，采取低摩擦优化设计和增加冷却EGR装置两种油耗优化措施，成功使整车油耗降低0.5 L/100 km，同时也为降低整车油耗提供了宝贵的经验。

油耗低摩擦优化冷却EGR

引言

第三阶段油耗限值标准已于2015年全面执行，新一阶段的油耗标准再次出台。工信部最新修订的《乘用车燃料消耗量限值》于2016年1月1日起执行，且之后每年将设置油耗限值，直至2020年乘用车平均油耗降至5.0 L/100 km。

1　某发动机基本参数

某5座乘用车整备质量1 370 kg，百公里油耗为7.5 L。根据《乘用车燃料消耗量限值》规定，1 320 kg≤整备质量≤1430kg的乘用车百公里油耗限值为7.3L，该车到2016年后将不能满足国家强制法规的要求。因此需要在发动机上采用多种技术手段，提高发动机的效率，降低油耗，才能使之满足油耗限值。

该车搭载的发动机为一款排量1.8 L、进气道多点喷射、4缸4冲程、16气门、双顶置凸轮轴、进气可变气门正时的自然吸气汽油发动机。发动机基本参数如表1所示。

表1　发动机基本参数

2　技术方案分析

在诸多发动机油耗优化的技术方案中，增压小型化、汽油直喷技术、可变气门升程技术等都是有效的手段，但相应的开发周期较长，同时与现有生产线的兼容性以及整车布置可行性可能产生矛盾。

通过对原型机各主要摩擦副摩擦水平的分析，对原型机进行低摩擦优化设计可以实现该目标［1］。且基于原型机只有进气VVT的特点，使用冷却EGR可以有效降低泵气损失，改善燃烧效率。因此选择了以下降低发动机油耗的方案：先进行低摩擦优化设计，然后在此基础上增加冷却EGR装置。

3　低摩擦优化设计

3.1降低摩擦分析

降低摩擦损失对减少发动机的能量损失具有非常重要的作用，发动机摩擦损失主要包括活塞组件摩擦损失、配气机构摩擦损失、曲轴摩擦损失、机油泵损失、前端附件驱动损失等［2］。图1给出了发动机在常用工况各系统摩擦损失分布，其中活塞组件及配气机构所占比例最大。

图1　发动机各系统摩擦损失分布图

类金刚石碳膜（Diamond-like Carbon，DLC）是一种由碳元素构成，在性质上和金刚石类似，同时又具有石墨原子组成结构的物质，具有高硬度，低摩擦系数（DLC的摩擦系数随制备工艺的不同和膜中成分的变化而变化，其摩擦系数最低可达0.005），高耐磨性等优异特性，利用其优异的摩擦学性能可以有效降低发动机摩擦损失，并提高零件的耐磨性能［3］。

根据以上分析，针对发动机摩擦损失比例最大的活塞组件及配气机构使用DLC涂层进行了低摩擦优化设计，表2为涉及更改的零件。

表2　低摩擦优化设计更改零件

将原型机更换低摩擦优化设计的零件后进行摩擦损失对比试验，见图2。进行低摩擦优化设计后发动机的摩擦损失可降低约3 N·m。

3.2油耗对比试验

发动机摩擦损失降低后，油耗也随之降低，在整车常用的中低负荷工况，发动机油耗降低约2%，图3为发动机万有特性油耗对比。

图2　摩擦损失对比

图3　万有特性油耗对比差值（原型机—低摩擦优化设计）

将使用降低摩擦技术的零件分别更换到两台整车上，表3为整车油耗测量值，均可以满足2016年油耗限值要求。

表3　整车油耗对比

4　冷却EGR技术

冷却EGR技术是将排气侧的废气经过冷却器冷却后，通过EGR阀导入进气歧管，与新鲜充量混合后一同进入气缸，再次参与缸内燃烧。冷却EGR技术可以有效降低泵气损失，改善燃烧，提高发动机的燃油经济性。

4.1降低泵气损失

EGR废气导入进气歧管后，进气歧管内的温度和压力都会有所升高。对于进气道喷射的发动机，进气歧管温度的提高可以促进燃油的挥发，使油气混合更加均匀。进气歧管压力提高是由于引入EGR之后，发动机的动力输出受到影响，为了恢复未引入EGR时的动力表现，需要增大节气门的开度，提高充气效率。节气门开度加大，其造成的节流作用减小，进气歧管压力相应提高。同时由于进气歧管压力的提高，发动机进气行程时活塞下行的阻力减小，从而降低发动机泵气损失。

选取整车常用的典型工况点2 000 r/min（0.2 MPa）进行分析，从图4中可以看出随着EGR率的提高，进气歧管的温度和压力均有所提高。

图42　000 r/min（0.2 MPa）不同EGR率对进气歧管温度与压力的影响

4.2改善燃烧

汽油机工作时容易发生爆燃，通常通过降低压缩比或减少点火提前角抑制爆燃的发生，但减小压缩比会使燃烧热效率降低，而推迟点火时间会导致油耗上升和大负荷时排气温度过高。因为EGR废气中的氧含量很小，进入进气歧管与新鲜充量混合后可以降低燃烧温度，有效抑制爆燃，从而可以增大发动机的压缩比和点火提前角，改善燃烧，降低油耗。

通过GT-POWER模拟计算，并综合发动机的动力性及经济性考虑，将发动机的压缩比由10.0增大至10.8。选取整车常用的典型工况点2 000 r/min（0.2 MPa）进行分析，从图5中可看出EGR率的提高，点火提前角也随之增大。

4.3油耗对比试验

发动机使用冷却EGR技术后，泵气损失降低，发动机的压缩比和点火提前角增大，油耗也随之降低，在整车常用的中低负荷工况，发动机油耗降低约6%，图6为发动机万有特性油耗对比。

将冷却EGR加装到之前的两台整车上，表4为整车油耗测量值，低摩擦优化设计与冷却EGR同时采用可降低整车油耗约0.5 L/100 km。

图52　000 r/min（0.2 MPa）不同EGR率对点火提前角的影响

图6　万有特性油耗对比差值（原型机—低摩擦优化设计&冷却EGR）

表4　整车油耗对比

5　结论

1）使用降低摩擦技术后，发动机油耗降低约2%，整车油耗降低约0.2 L/100 km，可满足2016年的油耗限值要求。

2）使用降低摩擦技术及冷却EGR后，发动机油耗降低6%，整车油耗降低约0.5 L/100 km，为满足之后更加严苛的油耗限值要求做准备。

1李骏.汽车发动机节能减排先进技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2011

2武彬，李骏，李康，等.发动机低摩擦优化设计及试验［J］.吉林大学学报，2014（01）：81-85

3傅银泽，崔阳.发动机油耗优化研究［J］.装备制造技术，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，主要研究方向为发动机开发。