柴油机扭矩提升和降低油耗的研究

赵振兴 石伟 张星辰 李文庆

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

柴油机扭矩提升和降低油耗的研究

赵振兴1，2石伟1，2张星辰1，2李文庆1，2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

介绍了柴油机降油耗的机理。基于变速器速比优化，同时提升发动机扭矩为研究目标，使之达到降油耗的目的。通过降低传动比来实现降低整车油耗的最主要原因，是让发动机运行在低油耗区；再通过发动机扭矩提升，弥补减小变速器传动比来实现降油耗后，整车动力性变差的问题。使用此方案新开发的改型车，经过ECE-EUDC循环工况法测试，其100 km降油耗约0.3 L。

柴油机增压扭矩油耗

引言

“2015年我国生产的乘用车平均燃料消耗量降至6.9 L/100 km”是工业和信息化部2014年发布的第三阶段油耗标准。对于跃过“6.9 L”的车企将受到相关产品停产限产、不予办理投资扩能等方面的惩罚。第四阶段油耗标准2020年要降至5 L/100 km，降油耗幅度更大，降油耗工作更加艰巨。

发动机是汽车的“心脏”，通过发动机降油耗是必选途径之一。考核乘用车油耗的方法之一是依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（GB18352.3— 2005）[1]的要求，按照ECE—EUDC循环工况进行测试。

通过增压器匹配提升扭矩[2]，重点优化对整车油耗贡献较大的发动机工况点，同时降低（优化匹配）变速器速比，是本文研究的方向。

1降油耗项目描述

公司预对某柴油SUV车型进行改款，同时对新改款车型实行降油耗设计（车型卖点之一）。此文研究目标是通过扭矩提升的方法降低油耗。改款前此车型通过ECE—EUDC测得100 km油耗约为6.7 L。发动机参数见表1。

表1 柴油机输入参数表

2理论分析

2.1 油耗特性

衡量车辆经济性指标的是车辆的综合油耗。车辆进行ECE—EUDC测试循环测得的整车100 km油耗，ECE—EUDC循环是车速随时间变化的一条固定曲线。

让发动机运行在低油耗区，需结合发动机万有特性曲线看（如图1所示，车辆在进行ECE—EUDC循环时，发动机的运行区域见万有特性曲线），蓝线是按照ECE—EUDC循环，输出的发动机扭矩分布曲线，大部分工况未分布在经济油耗区，最好的方式是将运行区域向万有曲线的左上方移动。

2.2 扭矩提升与传动比的关系

以车速120 km/h为例，减小速比后，为了保持车速的恒定，转速虽然由2 400 r/min降低到2 160 r/min，但发动机的输出功率不应变化，所以在保持功率不变的前提下，发动机的扭矩会随转速的降低而提升（功率=扭矩×转速/9 550），见表2。

图1 扭矩特性分布曲线

表2 不同传动比的参数对比表

发动机运行工况由红圈变到蓝圈，如图2所示，油耗区由243 g/（kW·h），运行到229 g/（kW·h），这样整车油耗便会降低，效果较明显。

通过减小整车传动比来实现降油耗后，整车的加速性和最大爬坡能力会变差，此时可以通过提升发动机扭矩来弥补传动比的降低，带来的动力不足问题。

3对策

3.1为扭矩提升选型增压器

首先根据目前国际先进的发动机性能参数、经验数据、此发动机状态，确定要开发的发动机性能目标，形成设计任务书。设计任务书包括：额定功率、最大扭矩、最大扭矩转速及转速持续的范围[3]。扭矩一般取1 000 r/min转速点的扭矩值，并且把从1 000 r/min开始，间隔200 r/min～500 r/min到额定转速点的参数值列出。设计任务书还需提出最低燃油消耗率指标，初步计算或由经验确定额定功率点和最低转速点的燃油消耗率，并形成外特性燃油消耗率目标值。

发动机开发目标的性能参数值，见表3，作为增压器匹配开发的输入。结合增压器供应商开发，作为选配增压器的依据。

霍尼韦尔与我方对增压器匹配方案，侧重发动机低速段的动力性能，并兼顾高速段的动力性能，如图3、表4所示。

图2 降油耗示意图

表3 初期定义外特性参数表

图3 侧重发动机低速段的动力性能的平原匹配结果

表4 新增压器方案详情

3.2 扭矩提升与传动比的匹配

应用GT-drive软件对不同速比变速器（具体速比见表5）进行选型，根据输入参数在GT-driver软件中建立分析模型，如图4、5所示。

图4 经济性分析模型

图5 动力性分析模型

表5 变速器速比选型表

整车动力性指标包括最高车速（按照GB/ T12544—2012汽车最高车速试验方法）[4]、最大爬坡度（GB/T12539—2009汽车爬陡坡试验方法）[5]、加速时间（GB/T12543—2009汽车加速性试验方法）[6]。

按照ECE—EUDC循环工况试验。选型结果是“变速器二”方案最适合见表6。

表6 动力性经济性仿真结果（两驱）

4试验结果

经过大约两年时间，此改款车型开发完成之后进行ECE-EUDC循环进行油耗测试，其多次测量的100km油耗平均结果，较原车型实际降低油耗约0.3L。

4.1 降油耗结果的扭矩解析

此车型开发完成之后，我们仍以车速120 km/h、发动机功率40 kW为例，核实降油耗的效果及原理，如表7、图6所示。

发动机运行“60 kW”工况，油耗变化见“圆形圈”，油耗区由214 g/（kW·h）运行，新万有特性曲线上变为203 g/（kW·h）运行；发动机运行“40 kW”工况，油耗变化见“菱形”（见图6），油耗区由243 g/（kW·h）运行，新万有特性曲线上变为233 g/（kW·h）运行。这样整车油耗降低较明显。

表7 不同传动比的参数对比表

图6 扭矩提升之后的动力性分析模型

4.2 通过碳排放解析降油耗的结果

按照《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（GB18352.3—2005）的要求，通过测定此车在模拟市区和市郊工况的二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放量，并用碳平衡法计算油耗[7]。

因为此车CO2相对于CO、HC排放“相对高很多”，且新老车型的CO、HC排放量很接近（见表8），为此采用CO2的产生随时间变化的状态，简单地对比新老车型的排放值，用以解析降油耗结果，如图7所示。

表8 实际排放与油耗结果对比表

图7 通过二氧化碳排放对比油耗

从图7可以看出新发动机一挡因扭矩爬升需要，油耗降低并不明显；新发动机二挡、三挡、四挡、五挡、六挡稳定工况油耗均偏低。为此本文所采用降油耗方法正确、可行。

5结论

1）通过降速比的方法降油耗，关键在于发动机扭矩足够大，以保证车辆的加速能力和爬坡能力。

2）一般情况下，匹配小的增压器叶轮，这样在中低速段，增压器的效率更高。当发动机扭矩和功率在设计初期目标值很大时，可考虑匹配双级增压器。

3）本文所采用降油耗方法，所产生的效果主要体现在二挡、三挡、四挡、五挡、六挡的扭矩和车速的“稳定工况”。

1国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局．GB 18352.3—2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国ⅢⅣ阶段）[S].北京：中国标准出版社，2005

2周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1999

3张莉莉.可变截面涡轮增压器与柴油机的匹配研究[D].西安：西安工程大学，2016

4全国汽车标准化技术委员会.GB/T 12544—2012汽车最高车速试验方法[S].北京：中国标准出版社，2012

5全国汽车标准化技术委员会.GB/T 12539—2009汽车爬陡坡试验方法[S].北京：中国标准出版社，2009

6全国汽车标准化技术委员会.GB/T 12543—2009汽车加速性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2009

7全国汽车标准化技术委员会.GB/T 19233-2008轻型汽车燃料消耗量试验方法[S].北京：中国标准出版社，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）

赵振兴（1983-），男，本科，工程师，主要研究方向为柴油发动机性能设计。