国六轻型商用车节油技术研究

摘要：以国六轻型商用车为研究对象，基于用户需求、法规建立了动力性、经济性目标，借助AVL Cruise软件进行动力性及经济性多方案仿真计算，在动力性及经济性目标约束下优化传动系匹配。在此基础上，对车辆燃油经济性影响因素和节油技术进行了分析，并结合车型实际情况以及轻型商用车特点开展了国六轻型商用车节油技术路径和具体方案的研究以及实施，进行了相关的试验验证，在整车成本有效控制的前提下取得了较好的节油效果。

关键词：国六；轻型商用车；动力系统；匹配优化；节油技术

中图分类号：U469 收稿日期：2023-10-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202311007

1 前言

随着油耗标准不断加严，加大节油技术的研究成为了企业关注的焦点。本文以某款国六轻型商用车为对象，研究降低汽车燃油消耗量的方法，通过动力链匹配优化以及节油技术路径和具体方案的研究和实施，高效经济地达成了节油目标。

2 动力链匹配

2.1 整车基本参数

该款轻型商用车安装有3 L柴油机、6挡手动变速箱，整车基本参数如表1所示。

2.2 性能目标设定

为达成国六排放以及提升产品竞争力，主流轻型商用车国六柴油发动机额定功率平均提升8%，额定扭矩平均提升19%。根据基础车及竞品车型实测数据［1］，并结合对国六竞品的预判，确定动力性、经济性目标即动力性在现有国五基础车上提升10%，保持与竞品国六产品相当，其油耗在国五基础车上降低9%左右，满足三阶段法规限值要求，性能目标如表2所示。

2.3 传动系选型

根据最高车速目标确定最小传动比≤3.96，根据最大爬坡度确定最大总传动比≥25.18，按传动比边界筛选，4个方案满足要求，如表3所示。

2.4 仿真计算

借助AVL Cruise软件进行动力性及经济性多方案仿真计算，4个方案中的方案2在满足动力需求的提前下能使发动机工作在最优经济区，油耗达到最优（见图1），仿真计算结果如表4所示。

2.5 小结

通过动力链匹配优化确定了传动系统最优方案，但油耗超出目标值6.5%，需根据油耗影响因素进一步降低油耗来达成目标。

3 节油技术研究

3.1 节油路径

影响油耗的主要因素包括发动机万有特性、怠速及制动能量消耗、附件功耗、风阻系数、迎风面积、轮胎滚阻、传动系速比、整车重量、传递效率9个方面［2-3］。根据燃油经济性影响因素，商用车节能技术可总结为五大技术类别，分别为高效发动机技术（包括发动机本体经济性提升及降低附件功耗）、传动系效率提升及动力链匹配技术、降低整车阻力技术（包括滚阻和风阻）、整车轻量化技术、混合动力技术。综合考虑各项节油技术的节油效果、成本变化、技术成熟度，以及行业先进水平，结合车型实际情况确定节油技术路径和具体指标，发动机端降油耗3.5%，整车端降油耗4.5%，合计8%，目标分解如图2所示。

3.2 高效发动机技术

3.2.1 燃烧优化

a.提高轨压：燃油喷射压力越高，燃油在气缸内的雾化效果越好，燃烧越完全，碳烟排放相对较好，提高轨压，可以实现更低的油耗［4］。轨压与油耗、碳排放的关系如图3所示，本项目发动机共轨压力由160 MPa提升到180 MPa。

b.提高爆压：发动机最大爆压从14 MPa提升到15 MPa，提高了缸内平均有效压力，从而使燃烧效率提升，相同质量的燃油能提供更大的输出扭矩，节油效果map对比如图4所示。

c.喷油器流量优化：为了获得更好的喷射雾化效果，需要缩小喷孔直径，在要求循环喷油量不变的情况下，通过增加喷孔数来达到要求［5］。通过相关分析以及喷油器选型试验、油嘴球头温度试验、油嘴积碳试验等，最终选取了一种9孔480 mL孔径细至0.123 mm的喷油器作为发动机的喷油器，提高了燃油喷雾的质量，从而有效地改善燃烧情况。不同喷油器油耗对比如图5所示。

d.喷油提前角优化：增大喷油提前角，燃油更早进入缸内进行混合，油气混合更充分，燃烧效率提升，发动机动力性和经济性都有显著提高。不同喷油提前角对节油效果对比如图6所示。

3.2.2 进气优化

a.增压器优化：通过用户典型工况路谱采集，分析得出整车常用工况多在中低转速中小负荷，因此着重降低这些工况的油耗对于降低整车油耗贡献度更大。选择低速效率更高、加速响应更快的小涡轮增压器方案，中低转速工况的动力性和经济性都有显著提升。外特性对比试验结果表明，在中低转速工况，小涡轮增压器比大涡轮增压器油耗降低约0.6%，如图7所示。

b.进气歧管带可变涡流控制阀（SCV）：如图8所示，发动机每缸的进气道分为两路，其中一路安装了关闭阀体，当发动机处于中低负荷时，考虑到涡流比较低，ECU发出信号，通过控制真空阀关闭该阀门，从而提高发动机的总涡流比，达到油气充分混合的目的。

3.2.3 降低附件功耗

采用电控硅油风扇替代机械硅油风扇，可以在发动机负荷较低时，更好地控制发动机风扇转速（降低），降低发动机风扇功耗。通过对电控硅油风扇的控制策略进一步优化，风扇转速采用阶梯式上升的啮合策略，平均降低风扇功耗0.3 kW·h，低于机械硅油风扇的0.89 kW·h。

3.3 降低风阻

通过流场（图9）分析可以看出，影响风阻的主要因素有车身前围正压力、车厢前端正压力、车厢顶部及两侧气流分离及底盘部件干扰阻力。针对以上影响因素，通过增加气动套件和对整车关键设计特征尺寸优化析出改善方案如表5所示，考虑到成本压力及量产难易度，优先选择导流罩优化和车厢挡水檐优化作为降低风阻的主要改善方案。

3.3.1 导流罩优化

对于厢式货车，导流罩是最为重要的气动套件，增大车厢与导流罩的匹配度，可以显著降低风阻。导流罩的设计原则［6］：根据导流罩整体斜率，导流罩高度与货箱高度一致或稍低于货箱高度（<100 mm）；导流罩最宽处宽度与车厢宽度一致或略窄于车厢（<50 mm）；导流罩型面弧度控制导流罩Z和Y向弧度，要求截面特征线的延长线与车厢顶面截面线（瓦楞凸起面连接作为厢顶截面线）前端相交且近似相切。通过多轮的尺寸微调分析，获得最优的导流罩优化效果，优化后车厢前端正压力显著降低，风阻降幅6.5%，如表6所示。

3.3.2 车厢挡水檐优化

车厢后端的挡水檐为翻边结构，但该翻边造成尾涡增大，从而增大了车厢后端的负压力，通过取消翻边可降低风阻，如表7所示。

3.3.3 优化结果

导流罩和车厢后挡雨檐的优化后，通过仿真对比实现风阻降低8.3%，风阻系数为0.536。根据仿真计算预计整车油耗可降低0.41 L/100 km，降低率3.3%。

3.4 降低滚阻

通过调研行业低滚阻轮胎资源，选取4组不同滚阻轮胎进行滑行试验和油耗试验，试验结果如图10、图11所示，最终选定1组各项性能指标。满足要求且滚阻降低明显的轮胎作为最终方案，如表8所示。

3.5 传动效率提升

后桥采用高功率密度齿轮，如图12、图13所示，高功率密度齿采用等高齿及宽齿面设计技术，并且齿轮采用强喷工艺提高齿轮强度和承载能力以及缩小齿轮尺寸，从而提高传动效率、降低噪声。优化后的后桥传动效率台架试验测试表明，平均传动效率达96.12%，提升了1%。

4 试验验证

4.1 样车试制及滑行阻力测试

根据动力链匹配选型及降油耗方案，确定最终开发样车方案并试制样车，并按照GB/T 27840附录C完成试验样车（GVW 4 495 kg）滑行阻力数据的采集和拟合，所得到的滑行阻力曲线如图14所示。根据滑行阻力曲线比对表明，通过降低风阻及滚阻后，整车滑行阻力较优化前平均降低10%左右。

4.2 整车动力性、经济性测试及达成情况

按照GB/T 12544《汽车最高车速试验方法》、GB/T 12539《汽车爬陡坡试验方法》、GB/T 12543《汽车加速能力试验方法》，以及GB/T 27840-《重型商用车辆燃料消耗量测量》分别对试验样车进行整车动力性和油耗测试，结果如表9所示。结果表明，各项指标均达成目标，其中C-WTVC循环工况油耗为11.2 L/100 km，超越达成目标，低于三阶段限值将近3%。

5 结语

本文以某款国六轻型商用车为研究对象，对动力链匹配进行优化，并利用节能技术与实施燃油经济性进行效果提升，最终通过试验达成预期效果。未来油耗法规会更加严格，因此节能技术需不断升级，在不断挖掘传统节能技术潜力的同时还需加强新型节能技术的研究与应用。

参考文献：

[1]余志生汽车理论[M]5版北京：机械工业出版社，2021

[2]高少俊某货车的动力性、经济性优化研究[D]长春：吉林大学，2012.

[3]张宁商用车节能技术研究与技术路线选择[D]长春：吉林大学，2019.

[4]肖磊商用车轮胎花纹对车辆燃油经济性的影响[J]汽车实用技术，2021（3）：194-195

[5]李萍锋TY4250汽车列车的动力传动系优化匹配[D]太原：太原理工大学，2010

[6]丁乐芳，张宪，官已骏基于导流罩优化的轻卡车型节油效果研究[J].机械设备，2020，10（6）：90-91.

作者简介：

强小文，男，1975年生，正高级工程师，研究方向为轻型商用车整车技术。