通过降低摩擦以改善乘用车的燃油耗及混合动力车展望

【日】 中村

1 概述

对于减少温室气体排放，减少汽车的CO2排放量作为重要课题引起了人们关注。如果使汽油机的燃烧效率从35%提高到40%，则汽车的燃油经济性能改善多少?轮胎的滚动损失减少10%，则燃油经济性可改善多少?日本摩擦学会的第一研究会“利用汽车的摩擦学以开展节能预测调查研究会(2011～2013年)”(以下简称研究会)，调查了削减动力传动系各部件的损失时对改善燃油耗的影响。本文以该研究成果为基本内容，例举减少汽车轮胎的滚动阻力，用以说明配装了内燃机的汽车动力传动系统中，减少了各部件摩擦损失时对燃油耗的影响［1］。另外，关于目前在日本作为主流环保车型的混合动力车(HEV)，也包含了减少了HEV动力传动系的摩擦损失情况［2］。另外，本文将发动机的泵气损失及轮胎的滚动摩擦损失等与动力传动有关的全部部件的损失作为摩擦损失处理，而车体的空气阻力不列为减少对象，需另行计算。

2 基于降低轮胎滚动摩擦损失的燃油耗改善

各轮胎生产商都在开发降低汽车行驶中的滚动摩擦损失的轮胎(环保轮胎)。如果能减少轮胎的滚动摩擦损失，则可以减少燃油耗，但效果尚未明确。日本汽车轮胎协会，将降低轮胎的滚动摩擦损失时的燃油耗改善作为“贡献率”，表1列出了该贡献率的数值［3］。例如，贡献率为10%时，如降低20%的轮胎滚动摩擦损失，则能够减少2%的燃油耗。表1中表示符合行驶条件的贡献率，随着车型和车型质量不同，贡献率会有所变动。所以，该数值的范围宽广，在平坦的道路上，以匀速行驶的车辆贡献率超过20%。

表1 日本汽车轮胎协会列出的乘用车用轮胎的贡献率

3 2010年乘用车与各部件的负荷率

考虑到乘用车的燃油耗时，有必要确定使用标准的乘用车规格。研究会将表2所示的规格作为标准的2010年乘用车的规格［4］。在研究会制定表2的标准乘用车规格方面，将用60 km/h的恒定速度在平坦的路面行驶时的燃油耗值设定为100，推定了各部件消耗的负荷率，图1表示其结果。发动机的理论机械输出功率是30 kW(占燃油耗100中的40%)，排气、冷却损失占60%，机械输出功率占50%，也就是在60 km/h的平坦道路行驶中，纯输出功率为20%，发动机内的摩擦损失20%，其分布明细中，泵气损失所占比最大。纯输出功率中变速器、差动装置的摩擦损失为5%，15%的功率传递到车轮上，而轮胎的滚动摩擦损失最大。另外，制动损失是在行驶中，制动衬片由于与制动盘接触而产生的损失，称为拖曳(打滑)阻力。最后是5%的空气动力阻力，全部的燃油能量被消耗。

表3列出动力传动装置各部件的燃油(能量)消耗负荷率。轮胎的滚动摩擦损失占7．5%，在动力传动装置各部件中负荷率最大。就该负荷率而言，假如考虑对燃油耗的影响，那么，贡献率不到7.5%，远远低于日本汽车轮胎协会要求的20% ～25%，可推测受到其他效果的影响。

表2 2010年乘用车规格与基本行驶条件

4 报告分析

课题组以全世界汽车为对象，对平均速度为60 km/h的实际行驶进行分析，获得关于减少燃油耗的以下结论［5］:

(1)燃料能量的33%被用于发动机、变速器、轮胎和制动中克服摩擦损失。

(2)总摩擦损失(含空气阻力5%)的减少，以三重效果对燃油耗产生影响，采用相同的比例减少排气损失与冷却损失。

(3)以平均速度60 km/h进行实际匀速行驶，与2010年的车辆行驶情况相比，2020年的车辆行驶情况可减少52%的燃油耗。

课题组的分析是将市区道路到高速公路的平均行驶车速设定为60 km/h，而课题组的结论中，与作为平坦道路行驶的研究会显示大致相同的负荷率(研究会为35%)。值得关注的是，包括空气阻力在内的总摩擦损失的减少，是以同样的比例，减少排气、冷却损失(图1)。在减少摩擦损失前后，假如燃烧效率没有较大的变化，那么，作为最大的损失估计是可以被认可的。因此，假设其为适应于轮胎的摩擦损失减少的实例。由图1可知，由于总摩擦损失为40%，则轮胎摩擦损失占总摩擦损失的18．75%，形成在总摩擦损失(含空气阻力)的削减比例。排气、冷却损失也按相同比例减少。但是，作为最大的损失估计，仍未达到日本汽车轮胎协会认可的损失率20%～25%。

图1 摩擦损失在以60 km/h于平坦道路上行驶时所占燃油耗的负荷率(%)

5 追溯效果

在贡献率的推定中，在减少了轮胎滚动摩擦损失的情况下，设定其他动力传动各部件的摩擦损失不变，并对比进行了计算，限定发动机转速不变，机油泵及离合器的摩擦损失不变。但是，在齿轮及轴承等部件方面，如果轮胎的滚动摩擦损失减少，则传递的动力也随之减少，摩擦损失也会相应减少。因此，如图2所示，为调查减少了轮胎滚动损失的10%时的影响，从动力传动上游的一部分零部件(有影响的部件)的损失中扣除各组件(部件)的损失，计算出了最终的燃油耗。在此，表示数值作为燃油耗进行换算。另外，在曲轴轴承中，由于对转速的依存度高，减少了影响量。计算结果表明，燃油耗减少了2.77%，损失率为27．7%。在日本汽车轮胎协会的数值中，20% ～25%(损失率)中的20%是在空气动力阻力较大的高速公路上匀速行驶时的损失率值。而25%是为研究会设定的以60 km/h左右的中速行驶的损失率值，上述的计算是最大的估计值。因此，贡献率27．7%是理想化的推定，将动力传动系统下游部件的损失减少对于上游部件损失的影响称为追溯效果。

6 近似实际行驶燃油耗

在60 km/h的平坦道路行驶中，如表2所示，每升燃油的行驶路程假定为20 km(燃油耗为百公里5 L)。作为排量1．8 L的2010年乘用车，打破实用经验常规，燃油经济性良好。另一方面，工况(如IC08工况)燃油耗规定复杂的加、减速要求，利用计算来推定燃油耗是较为困难的。因此，利用下面的假定，计算近似实际行驶的燃油耗。如表2所示，标准乘用车在坡度5°的坡道上，以60 km/h的恒定速度上坡行驶时，在交叉点等处的加速也与此相似。相反，以同样的恒定速度，在相同坡道上下坡时，减速也与此相似。行驶里程为100 km时，设定上坡里程占比为30%，以60 km/h在平坦道路上行驶里程占比为40%，下坡里程占比为30%，假设这种分配近似于实际行驶情况。排量为1．8 L的车辆，在坡度5°的坡道上坡行驶，在直接传动为零时，并不能维持60 km/h行驶，车辆会下滑。另外，在坡度为5°的坡道下坡，离开加速踏板会产生加速，用这种假定计算燃油耗时，有必要估算上坡时增加的摩擦损失。表3表示以标准乘用车的负荷及发动机转速的增大为基础，由研究会估计的在坡度超过5°的坡道，上坡时的摩擦损失比例增大。利用该值及在坡度为5°的坡道上连续上坡100 m所积累的纯功换算值，可得到图3的能量分配。需要将整备质量1 500 kg的车体提升上坡5 000 m时，2．2 L汽油(热值)做的纯功。由于摩擦损失也会增大，燃油耗为百公里13．45 L。平坦道路上行驶为百公里5 L，下坡时利用燃油切断装置，由于燃油耗为百公里0 L，近似实际行驶的燃油耗相当于16．6 km/L，作为1．8 L的2010年车辆在郊外安全行驶时的燃油耗是较为妥当的，接近于JC08工况燃油耗值。

表3 动力传动系统各部件的道路行驶负荷比例

图2 以60 km/h速度在平坦道路上行驶，由于削减轮胎摩擦损失10%，获得燃油耗改善［1］(L/100 km)

7 各部件的摩擦损失率

图1和图3中，设定轮胎的负荷率为零(摩擦损失减少率100%)，考虑到追溯效果，如计算上述的近似实际行驶，则燃油耗为百公里5．06 L。其结果根据轮胎损失减少前的百公里6．03 L的减少率16.1%，成为轮胎近似实际行驶的摩擦损失率。由于表1的工况行驶的贡献率是10% ～20%，是较为妥当的。表3表示用同样的方法计算了动力传动各部件摩擦损失率的结果。例如，发动机活塞贡献率是7．2%，如果削减其摩擦损失30%，则燃油耗削减2．16%，在近似实际行驶中是有可能的，如可以使用表3简单地进行计算。

图3 摩擦损失在坡度5%坡道上上坡行驶时的燃同耗中所占比例(L/100 km)

8 利用减少摩擦损失以改善2020年车辆的燃油耗

研究会进行了研究讨论，即相比表2的2010年车辆，到2020年，能够减少动力传动系各部件的摩擦损失。由研究会成员的汽车零件制造商及汽车生产商的研究人员，提出了表3的预想值，它不仅可作为技术上的参考值，而且也可作为市场上可以实现的值。

考虑到总摩擦损失的三重效果及研究会的追溯效果，如果根据表3所示各部件的损失减少来计算燃油耗，则2020年车辆的平坦道路行驶中燃油耗为百公里3．25 L，可获得约35%的燃油经济性改善。另外，加上坡道行驶的燃油耗，2020年车辆的近似实际行驶的燃油耗成为百公里4．30 L，相比于2010年车辆的百公里6．04 L，改善燃油经济性达29%。日本政府在2015年的G7法规中提出了新的目标，到2030年时，使温室效应气体排放量比2013年减少了26%。虽然年度不同，可是对于普通乘用车而言，由于摩擦学技术的进展，能够达到削减温室效应气体的排放目标。

9 利用削减HEV的摩擦损失以改善燃油经济性

HEV车辆在减速下坡行驶时，利用制动再生发电回收加速后的动能，帮助蓄电池进行充电，在发动机燃烧效率较低的时候，借助电动机辅助(为加速提供辅助动力)方式以改善燃油经济性。在此，按照表2列出的规格，认为是只带有蓄电池组，以及电动机的理想化的HEV［2］。至于上述的近似实际行驶中，以高负荷工况为代表，假定将势能的50%用于电动机的功率。但是，这是利用电动车(EV)的电动机下坡行驶。如果利用EV的电动机上坡行驶，蓄电池提供的电力可在上坡道上到高度的一半。不能完全定论，因为有轮胎的滚动损失及空气动力阻力等损失。还是能上到1/4左右的高度，这与实际上乘坐HEV的感受一致。另外，在平坦道路行驶时，不能得到再生制动效果。因此，设定与一般车辆的燃油耗相同。

在这类假定的基础上，相比表2列出的2010年一般车辆，计算出2010年HEV的燃油耗，以及削减了摩擦损失的2020年普通车的燃油耗。而且，设定了普通车为HEV时近似实际行驶中的燃油耗，其结果示于图4。减少了摩擦损失的2020年的HEV，与2010年的相比，计算出其燃油经济性改善了32%。另外，在2010年，与一般车辆相比，HEV减少了25%的燃油耗。对此而言，到了2020年，HEV比一般车辆减少了28%的燃油耗，可预想其差异变大。HEV减少摩擦效果之所以优于一般车辆，是因为其利用了在制动减速(包括发动机制动)中消耗的能量。如果除去空气动力损失，燃料只用于动力传动的摩擦损失上，减少该摩擦损失，直接关系到燃油经济性的改善。

图4 近似实际行驶中的燃油耗减少比较

10 结语

以减少轮胎的滚动损失对装有内燃机的乘用车的燃油耗减少的影响为实例，研究了其推断方法的结果，并得到了以下结论:

(1)包括空气阻力的总摩擦损失的减少率，由于考虑用同样的比例来减少排气、冷却损失，以及动力传动系统下游部件的损失减少对于上游部件损失的影响的追溯效果，可以推定各部件的损失减少对减少燃油耗的影响。

(2)在以60 km/h的匀速行驶中，设定在坡度为5°的坡道上，上坡行驶比例30%，平坦道路行驶比例40%，下坡行驶比例30%的近似实际行驶，能够利用简便的计算推定接近于实用的燃油耗水平。另外，在2010年的普通乘用车的近似实际行驶中，可以得到动力传动各部件对燃油耗的贡献率。

(3)根据研究会预测的动力传动系各部件的损失减少，在近似实际行驶方面，2020年车辆的燃油耗相比2010年车辆燃油耗减少了29%。

(4)2020年的HEV由于摩擦损失的削减，相比于2010年的HEV的近似实际行驶的燃油耗改善了32%，可预计与一般车辆的燃油耗差异会变大。

以2010年的标准的汽油机乘用车为基准，预测出动力传动系各部件的损失削减对于燃油耗影响的结果。对于汽车零件生产商而言，减少每个部件的损失时，表3所示的摩擦损失率，确信对于目标的设定会发挥较大的作用。然而，近些年变速器及发动机有所改进，科研人员也在努力推进减少功率损失的工作。展望未来，有必要就每个部件进行再调查，而本文论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．