豆佳永 北汽股份動力總成公司 小排量高性能發(fā)動機節(jié)油技術(shù)路線(中文)

1、1 小排量發(fā)動機節(jié)油技術(shù)路線 2016年6月17日 北京汽車動力總成有限公司 2 節(jié)油意義和目標(biāo) 汽車燃油經(jīng)濟性分析 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 自然吸氣發(fā)動機技術(shù)進展分析 增壓發(fā)動機技術(shù)進展分析 一 二 三 四 五 3 n2009年中國超出美國成為世界第一大汽車產(chǎn)銷國； n石油對外依存度在2005年達到39.6%，在2011年達到了56.5%，石油依賴超過了50%的安全警戒線； n國務(wù)院于2012年發(fā)布了節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）； n減緩石油安全壓力，降低汽車用戶花費。 1 節(jié)油意義 油耗水平現(xiàn)狀 國家安全個人省錢 4 n國務(wù)院于2012年發(fā)布了節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)

2、發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）； 2020年，我國乘用車新車平均燃料消耗量應(yīng)降至5.0L/100km； 四階段油耗法規(guī)以此作為2020年我國乘用車企業(yè)平均燃料消耗量的目標(biāo)； n歐洲等走小排量高性能發(fā)動機技術(shù)路線，應(yīng)對CO2減排問題，并已產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；完全滿足中國2020年油耗目標(biāo)。 1 節(jié)油目標(biāo) 小排量技術(shù)路線 5 2 汽車燃油經(jīng)濟性分析 汽車燃油經(jīng) 濟性改善 空氣阻力 車輛阻力 滾動阻力整車重量 汽車輔助系 統(tǒng)能耗 發(fā)電機 電動助力 轉(zhuǎn)向 高效空調(diào) 發(fā)動機效率增壓直噴 VVT VVL 減少摩擦 發(fā)動機運行 區(qū)域效率 多檔變速 器 CVT 換擋策略 傳動系統(tǒng) 效率 DSG減少摩擦 能量管理 怠

3、速控制怠速啟停能量回收 n影響汽車燃油經(jīng)濟性的主要因素如圖所示： 6 2 汽車燃油經(jīng)濟性分析 階段分類細(xì)化分類及原因差別 怠速階段發(fā)動機怠速油耗高，怠速轉(zhuǎn)速高，怠速摩擦損失大2.0% 減速階段發(fā)動機斷油循環(huán)次數(shù)少1.4% 行進階段 發(fā)動機 燃燒效率低 4.8% 泵氣損失大：相位匹配差，進排氣系統(tǒng)阻力大，增壓匹配不當(dāng) 摩擦損失大 附件損失大 整車滾動阻力大：輪胎摩擦阻力大1.8% n發(fā)動機節(jié)能潛力占整車節(jié)能潛力比例較大（不采用48V、混動等手段）（案例對比一） 系統(tǒng)技術(shù)措施 節(jié)能潛 力比例 行駛阻力減少行駛阻力12% 發(fā)動機提高熱動能量轉(zhuǎn)化效率45% 傳動系統(tǒng)降低能量傳輸過程損失15% 輔助系統(tǒng)

4、降低輔助系統(tǒng)能量消耗10% 能量管理優(yōu)化車輛能量供應(yīng)需求管理18% n國內(nèi)某車型與國外對標(biāo)車型對比（案例對比二）， NEDC循環(huán)油耗高主要分布： 7 2 汽車燃油經(jīng)濟性分析 發(fā)動機萬有特性和動力需求 n發(fā)動機需要同時滿足車輛的動力性要求和經(jīng)濟性要求： 最高車速對應(yīng)發(fā)動機最大功率； 百公里加速要求 發(fā)動機外特性； NEDC循環(huán)油耗要求 對應(yīng)發(fā)動機萬有特性油耗； n兼顧動力性、經(jīng)濟性成為發(fā)動機設(shè)計、匹配的重點： 寬廣范圍功率需求發(fā)動機在低速低負(fù)荷油耗偏高； 高的扭矩需求爆震傾向大，壓縮比無法提高，低速低負(fù)荷 油耗偏高。 復(fù)雜路況的限制發(fā)動機大部分時間處于低速低負(fù)荷區(qū)域。 8 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

5、與分析 n提高汽油機動力性和經(jīng)濟性的手段： 小排量增壓技術(shù)： 高滾流氣道： 提高壓縮比： 阿特金森（米勒）循環(huán)： VVT技術(shù)： VVL技術(shù)： 斷缸技術(shù)： GDI分層混合氣燃燒技術(shù)： 廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)： 進排氣系統(tǒng)布置優(yōu)化； 啟停技術(shù)： 減重措施； 降低摩擦損失。 整車匹配優(yōu)化 燃燒效率優(yōu)化 進排氣均勻性 能量管理優(yōu)化 降低能量損失 9 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n小排量增壓技術(shù)是同時提供動力性和經(jīng)濟性的有效手段： 與更大排量的發(fā)動機保持相同的動力性； NEDC運行點向最佳油耗區(qū)移動； 扭矩=BMEP排量； 在NEDC常用工況點附近，BMEP越高，油耗越低。 萬有特性油耗MAP u小

6、排量汽油機運行在更高的BMEP，油耗降低； u機械摩擦損失、附件耗功等方面的優(yōu)勢； u采用小排量增壓技術(shù)可以節(jié)油約10%。 10 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n高滾流氣道： 小排量增壓配套技術(shù)：功率由增壓決定，充氣效率地位降低，可以采用高滾流氣道； 提高汽油機燃燒速度，提高熱轉(zhuǎn)化效率； 降低爆震傾向，相同扭矩輸出，可以采用更高的壓縮比； 通過高滾流氣道可以節(jié)油約1%。 11 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n提高壓縮比： 降低燃油消耗率； 大負(fù)荷爆震傾向增加； 壓縮比提高1，綜合油耗降低2%； 避免爆震的措施： 1.高辛烷值燃料； 2.多點點火； 3.加強缸內(nèi)冷卻； 4.抑制壓縮終了的溫度（利

7、用汽油蒸發(fā)潛熱、減少殘余廢氣系數(shù)）； 5.加快燃燒速度（高滾流氣道、增強缸內(nèi)湍流強度） 。 “High Pass” Filtered Pressure vs. Time 12 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n阿特金森（米勒）循環(huán)： 膨脹比大于壓縮比是阿特金森循環(huán)發(fā)動機最大的特點； 進氣門晚關(guān)為阿特金森循環(huán)（又稱Miller Late），進氣門早關(guān)為米勒循環(huán)； 較高的壓縮比，自然吸氣可達13，增壓發(fā)動機可達11.5； 采用阿特金森循環(huán)技術(shù)，提高燃油經(jīng)濟性，降低了動力性； 目標(biāo)趨勢：應(yīng)用阿特金森（米勒）循環(huán)，從小排量向合適排量方向發(fā)展。 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 2

8、0 25 30 100020003000400050006000 比例 (%) 扭矩 (Nm) 轉(zhuǎn)速 (r/min) Atkinson應(yīng)用結(jié)果 扭矩降低值 扭矩降低百分比 發(fā)動機百公里加速NEDC循環(huán)節(jié)油比例 s% 原機基準(zhǔn)基準(zhǔn) Atkinson基準(zhǔn)+1.64.36 13 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 nVVT技術(shù)：相同殘余廢氣系數(shù)，低速低負(fù)荷減少泵氣損失 302410 01 PMEPbar-0.47-0.59 IMEP360bar3.403.52 IMEP720bar2.932.93 FMEPbar0.920.92 BMEPbar2.02.0 u通過VVT控制不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的氣門開啟、關(guān)閉時

9、刻： u改變氣門重疊角度、調(diào)整內(nèi)部EGR，降低汽油機泵氣損失； u能夠降低部分負(fù)荷油耗，提升外特性扭矩； u采用雙VVT技術(shù)，一般會有降低5%的油耗； u缺點：增加了試驗和標(biāo)定的工作量，調(diào)整維度的增加，使得試驗 標(biāo)定工作量呈幾何級數(shù)增長。 14 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 nVVL技術(shù)： 傳統(tǒng)的發(fā)動機輸出功率的控制依靠節(jié)氣門對 進氣進行“節(jié)流”而實現(xiàn)，存在節(jié)流損失； 通過VVL技術(shù)控制氣門升程滿足發(fā)動機不同 負(fù)荷對進氣量的需求，減少氣門節(jié)流損失； 采用VVL技術(shù)相比傳統(tǒng)發(fā)動機可以節(jié)油4% 左右。 15 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n斷缸技術(shù)： NEDC循環(huán)大部分時間都運行在低速低負(fù)荷區(qū)域，

10、發(fā)動機在低負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，節(jié)氣門開度小，節(jié)流損失大； 斷缸可以使工作缸處于高負(fù)荷狀態(tài)，降低節(jié)流損失； 提高熱轉(zhuǎn)化效率； 減少摩擦損失和傳熱損失； 采用斷缸技術(shù)可以節(jié)油約1.510%。 斷缸方案原機CDA CDA (n1500rpm) CDA (1250rpmn4000rpm) CDA (1250rpmn25Nm) 節(jié)油比例-6.5%4.8%5.5%1.7% 16 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 nGDI分層混合氣燃燒技術(shù)： 缸內(nèi)直噴（GDI）技術(shù)可以實現(xiàn)分層混合氣燃燒。 燃油在缸內(nèi)氣化吸熱使壓縮終點溫度降低，降低爆震傾向性 進一步提高壓縮比，降低燃油消耗； 實現(xiàn)方法有三種： 借助于燃燒室形狀的壁面引

11、導(dǎo)方式 依靠氣流運動的氣流引導(dǎo)方式； 依靠燃油噴霧的噴霧控制方式。 GDI分層燃燒技術(shù)可以使燃油消耗率改善約2%； 缺點：高負(fù)荷機油稀釋，需要配合高滾流氣道降低機油稀釋。 17 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)： 提高大負(fù)荷抗爆震能力； 進而提高壓縮比，降低燃油消耗率； 降低早燃傾向； 采用EGR技術(shù)降低中高負(fù)荷部分油耗。 減摩 燃燒 換氣 降油耗 措施 稀薄燃燒與換氣過程 EGR：降低高負(fù)荷油耗 雙VVT：減少泵氣損失，約束殘余廢氣系數(shù) 18 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n進排氣系統(tǒng)優(yōu)化： 提高各缸進排氣均勻性，保證各缸燃燒一致性； 應(yīng)用進氣諧振、可變進氣歧管長度提

12、高充氣效率； 降低泵氣損失，降低燃油消耗； 應(yīng)用排氣脈沖，采用雙流道渦輪增壓器、421排氣歧管等降低殘余廢 氣系數(shù)，提高抗爆震性，提高壓縮比，降低油耗。 19 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n啟停技術(shù)： 在城市行駛工況中，怠速運行時間占總運行 時間的比例高達 2030； 而怠速油耗占總油耗的 5 左右； 采用啟停技術(shù)，在原怠速工況熄滅發(fā)動機，大 幅降低怠速燃油消耗； 在擁堵的市區(qū)節(jié)能效果能達到約3%。 擁堵的市區(qū)需要“啟?！?20 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n減重措施 集成排氣管： 1.降低排氣溫度，減少高負(fù)荷噴油加濃，降低油耗； 2.提高排氣系統(tǒng)集成度，降低發(fā)動機重量。 塑料進氣歧管；

13、鑄造鋁機體； 1.鑄鐵機體重量減輕一半； 2.大大減輕了發(fā)動機重量，降低整車油耗。 21 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n降低發(fā)動機摩擦損失： 曲柄連桿機構(gòu)： 1.曲軸偏心（降低峰值側(cè)壓力，減少活塞與缸套的摩擦）； 2.減少軸承直徑； 3.增加連桿長度、減小連桿質(zhì)量； 4.減少活塞裙部接觸面積； 5.增加活塞與缸套間隙、減少活塞質(zhì)量； 6.采用DLC活塞涂層技術(shù)、減少活塞銷質(zhì)量； 7.降低活塞環(huán)環(huán)高和切向張力。 配氣機構(gòu)： 1.滾針凸輪軸承； 2.減少凸輪軸承數(shù)量； 3.優(yōu)化氣門彈簧降低彈簧力。 22 3 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與分析 n降低發(fā)動機摩擦損失： 潤滑系統(tǒng)： 1.采用低粘度機油； 2.

14、變排量機油泵； 3.可控活塞冷卻噴嘴； 4.減少潤滑系統(tǒng)容積。 冷卻系統(tǒng)： 1.提高水泵效率； 2.電子水泵； 3.電子節(jié)溫器； 4.減少冷卻系統(tǒng)流量； 5.減少冷卻系統(tǒng)阻力； 6.多路冷卻循環(huán)系統(tǒng)， 7.減少冷卻系統(tǒng)容積。 可變排量機油泵 23 4 自然吸氣發(fā)動機技術(shù)進展分析 n自然吸氣發(fā)動機： 高壓縮比（13左右）； n爆震傾向增加，通過以下技術(shù)手段進行改善： GDI缸內(nèi)直噴降低爆震傾向； 高滾流氣道 改善燃燒速度，降低爆震傾向； 燃燒室優(yōu)化； 421排氣管 降低缸內(nèi)殘余廢氣，提高充氣效率，降低爆震傾向； n采用可變機油泵等手段降低摩擦損失； n采用鑄造鋁缸體降低整車配重。 自然吸氣汽油機優(yōu)化 扭矩優(yōu)化結(jié)果油耗優(yōu)化結(jié)果 24 5 增壓發(fā)動機技術(shù)進展分析 n渦輪增壓較大的