某车型降油耗的挑战与突破研究

卢国华 李高坚 卢银 范永鹏 谷加佩

摘 要：本文对降低整车油耗消耗进行了研究，挑战了在低成本开发的情况下对降油耗方式的研究。无需额外能源输入的情况下通过给机油加热的方式实现整车油耗下降，经试验验证，此项研究可以降低整车油耗4%，排放污染物下降10%。

关键词：机油加热 油耗 排放 4% 10%

1 引言

世界各国都在不断提高汽车排放标准及相应法规，“高效，节能，减排”也成为当今汽车发动机技术发展的主要目标。

2013年实际消耗7.3 L/100km，2015年达到6.9 L/100km，2020年是5 L/100km，2025年是4L/100km，2030是3.2 L/100km。低油耗技术是必然趋势，比如：发动机的混合喷射系统、3缸发动机、停缸技术、启停系统、混动、纯电动、提高压缩比、博世的燃烧室喷水系统，降低排气背压等等，难点就是如何在实现节能减排的技术上有效的降低成本，本论文研究方向本着低成本、通过快速提高机油温度的手段来实现节能减排的目的，使油耗下降4%以上、污染物10%以上。

2 选取方案

研究表明仅有17.9%能量驱使汽车行驶，却有热损耗65.3%。所以本论文着重于如何利用65.3%中部分能量来节能降耗。

车辆冷机启动，发动机运行阻力一部分来自机油，机油的运动粘度是随着温度的上升而变小，发动机的运行阻力会明显减少，快速升高机油温度能够减少发动机运行阻力，对车辆排放和油耗有利，但是温度超过110℃，机油明显变稀，反而会增大摩擦力，对车辆排放和油耗呈现相反的效果。所以，本文章主要研究控制机油温度快速上升及控制机油在合适的温度区域进行运行，最大程度上来减少发动机运行过程中遇到的摩擦阻力，降低油耗及排放。

选取某公司销售车作为研究对象，在保证低的成本下完成两项研究：1、不增加额外能源输入与改变车辆结构的情况下如何快速提高机油温度;2、控制机油温度，选出合适的温度区间。

汽车上能够产生热量，并对机油进行加热，一是蓄电池，二是排气温度。1.5排量发动机机油有2.5L，可以通过计算将2.5L机油在500s时间内从25℃加热到80℃所需要的热量。

机油比热容数值1.87-1.88 KJ/（kg·℃），排气的比热容为1 KJ/（kg·℃）。

1L机油质量：

m=ρv=0.856 kg/m3×1m3=0.856kg

加热2.5L机油所需的热量：

Q=CM△T=1.88KJ/（kg·℃）×2.5 ×0.856kg×（80℃-25℃）=221KJ

通过蓄电池获得221KJ热量所需要电流值：

U÷t=221×103÷12V÷500s=36.8A

如此大的电流线束无法承受。

排气温度在500s前的温度是300℃，经过热量交换盒之后，排气温度会下降至100℃，以发动机1000r/min负荷通过GT软件计算得出排气流量为7.2g/s，3200r/min的排气流量为23.9g/s，转速越高排气流量值越大，在1000r/min的排气在500s内能够提供排气质量为3.6Kg：

Q=CM△T=1 KJ/（kg·℃）×3.6kg×（300℃-100℃）=720 KJ

1000r/min的工况下总共可以提供的热量大约720KJ，3200r/min工况下总共可以提供的热量为2390KJ。

Q=CM△T;Q=Pt 其中Q为热能，单位焦耳J;C为比热容，单位焦耳/千克·摄氏度，字母J/Kg·℃;M为质量，单位Kg;△t为温度变化，单位摄氏度℃;P为电功率，单位W;t为时间，单位秒s。

结论是选取排气热量来加热机油是可行的方案。

为了不影响催化器起燃时间，选择将加热装置安装在尽量靠近催化器的地方。机油加热装置由一个热量交换盒，两根输油管，节温器及散热器组成，为获得足够多的加热热量，机油流动方向是逆着排气的气流方向流动，节温器为控制机油温度而改变机油流向，散热器是用来冷却超高温的机油，如图1所示，黑色箭头是从发动机出来的废气的流向，常温启动时，机油是沿着红色箭头方向进行循环，当机油温度超过设定温度，机油会经过节温器开关改变流向，沿蓝色箭头流进热量交换盒再回到机滤处。

3 机油特性（5W-30）

本次研究车辆使用的机油型号为5W-30，根据5W-30的特性值，机油的温度并不是越高越好，必须要控制在机油厂家的建议温度范围内80℃～100℃。

4 方案实施及数据分析

测试样车：某大型车企生产的在售某车型，里程3000KM。

测试地点：某大型车企环保实验室。

测试方法：采用欧洲行驶工况 （New European Driving Cycle， NEDC）进行油耗及排放测试。

样车测试结果列于表1：

4.1 方案实施步骤流程

测试方法为不控制机油温度，称为试验一，测试结果如表2所示，比对分析整车油耗相对原车下降0.073，尤其市区阶段，机油的迅速升温对油耗起到了很好的效果，从9.84变化为9.6，反而是市郊工况，5.86变化为5.88，上升了0.02，分析发现市郊工况加热装置出油口机油温度达到了120℃超出机油建议范围。

調整测试方案，对市郊工况加热装置出油口油温进行控制，当出油口油温到达设定温度点，马上将机油改变流向，使其通过散热器进行散热降温，降温后的机油再次进入发动机与油底壳内的机油混合，使油底壳内的机油温度降低，在以下文中称此操作为散热操作。

在加热装置出油口油温105℃时进行散热操作称为试验二，实测油底壳内的机油温度大约在100℃～110℃区间。如表2，相对于试验1的测试结果，由5.88变为5.84，整车油耗为7.22下降了0.027。

加热装置出油口油温在95℃进行散热操作称为试验三，实测油底壳内的機油温度大约在90℃～100℃区间。市郊工况油耗5.66，整车油耗7.1，对比试验二的整车油耗7.22下降了0.12。

加热装置出油口油温控制85℃称为试验四，实测油底壳内的机油温度维持大约在80℃～90℃区间。市郊工况油耗为5.58，整车油耗6.91比较试验三油耗7.1下降0.21，相对原车油耗7.31已经下降0.4，约5.47%，结果已经达到预期研究目标值4%。

对热量交换盒进行改良，增大加热接触面积并减少流动阻力，加热装置出油口油温控制85℃试验，称为试验五，得出整车油耗6.87，对比原车油耗7.32下降0.45，达到6.15%，综合测试及车辆散差的误差值还有其他设备影响，保守值也能够达到4%的目标设定值，决定采用此套方案。

4.2 样件测试结果分析

4.2.1 机油温度对比

如图2示，原车机油温度上升缓慢，800s才到达80℃，相比较装有机油加热装置的车型，油温上升很快，在500s时加热装置出油口油温就已经达到80℃，油底壳处油温在600s时达到80℃，比原车快了近200s。并将发动机油底壳内的机油温度控制在100℃以下，保证了机油处于最佳润滑温度区域，低粘度减少发动机摩擦阻力，间接减少了能耗的损失。计算得出平均温升差6℃，500s前平均温升差9℃，800s前平均温升差11℃。

4.2.2 排气温度对比

如图3示，图中黑色曲线代表原车排气温度，对于加装机油加热装置的车辆，装置前排气温度明显高于装置后的排气温度，两条曲线某一时间点之差的部分热量用于加热机油，直接导致机油温度极速上升。对比在市区工况下，排气温差最大值近200℃，平均温差值131℃，而市郊工况下排气温差值最大仅有100℃，平均温差仅83℃，直接表现在测试结果中，油耗结果显示第一阶段油耗下降约6.9%，而第二阶段约5.63%。

4.2.3 冷却液温度对比

图4是冷却液温度曲线图，在第一个市郊工况循环，装有加热装置的冷却液吸收机油热量上升趋势比原车要快，ECU（发动机控制模块总成）会根据冷却液温度来决定喷油脉宽，随着冷却液温度的上升，喷油脉宽也随着减少。

4.2.4 污染物排放对比

排出的尾气主要成分是HC（碳氢化合物）、CO（一氧化碳）、NOX（氮氧化物）、NMHC（非甲烷碳氢），表3为测试后得出来的排放物值，数据表明排放物比原车都有下降：HC下降0.003，约13.6%，CO下降0.032，约17.2%，NOX下降0.006，约22.2%，NMHC下降0.003，约15%。

通过图5和图6的排放秒采对比，HC在暖机中峰值降低了50，且短时间内迅速降到正常值，是HC下降的主要阶段。CO曲线也是一样，机油的迅速升温导致燃烧更好，爆震更少，在市郊阶段和市区阶段都减少了CO值。

4.2.5 排气背压的对比

通过图7排气背压曲线对比，机油加热系统后的排气背压值（红色）明显降低，相对于原车平均背压值（黑色曲线）差下降312pa，市区工况背压平均压差229pa，市郊工况背压平均压差487pa，研究表明背压下降能够使油耗下降，数据对比可以得出，装有机油加热系统的车辆在高速阶段能够获得较经济的油耗。

5 结语

对实验所得的数据运用图表、INCA、MDA等软件建立了数据库进行了整理、分析和研究，通过对机油加热使发动机快速热机能够降低油耗及排放污染物。对比油耗，在装有机油加热的设备的车上测试能够减少4%以上。对比排放，HC、CO、NMHC都下降达10%以上。测试结果与数据分析，都显示了机油加热这项研究达到了低成本、节能减排的效果。

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