分析未來(lái)商用車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率應(yīng)用

未來(lái)，需要進(jìn)一步降低商用車燃油耗和由此產(chǎn)生的二氧化碳排放。AVL公司基于1臺(tái)6缸重型柴油機(jī)，對(duì)一種優(yōu)化基本發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法進(jìn)行了評(píng)估。

1技術(shù)趨勢(shì)

要進(jìn)一步顯著降低現(xiàn)代商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗，必須全面分析動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。尤其是遠(yuǎn)距離行駛的商用車，更需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)速度，使發(fā)動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行（圖1）。為了確保汽車在較低檔位時(shí)仍具有良好的爬坡能力和駕駛性能，配備自動(dòng)雙離合變速器來(lái)相應(yīng)調(diào)整未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)降速時(shí)的扭矩特性：移向較低的轉(zhuǎn)速范圍

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度的進(jìn)一步提高導(dǎo)致熱負(fù)荷增大，而最高燃燒壓力達(dá)到25 Mpa，甚至更高。這對(duì)基本發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、冷卻、摩擦、質(zhì)量和成本都是很大的挑戰(zhàn)[1]。仔細(xì)分析經(jīng)濟(jì)可行性后，很快得出一種降低燃油耗的模塊化方法[2]。

概念性措施對(duì)制造工藝具有很大影響，因此必須在產(chǎn)品定義階段就加以考慮。這些措施包括輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、曲軸偏置、較長(zhǎng)的連桿、摩擦優(yōu)化的配氣機(jī)構(gòu)、主軸承直徑最小化、可切換式活塞冷卻噴嘴或分流式冷卻等。

對(duì)制造和裝配進(jìn)行合理改動(dòng)后就可采用優(yōu)化措施，大部分優(yōu)化措施都適用于改進(jìn)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)系列。例如，連桿軸承直徑最小化、軸承間隙優(yōu)化、機(jī)油循環(huán)壓力和流量?jī)?yōu)化、缸套變形最小化或珩磨參數(shù)優(yōu)化。

只需對(duì)制造和裝配進(jìn)行輕微改動(dòng)，甚至無(wú)須變化就可采用附加措施，因此，大部分附加措施都適用于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)系列。包括低摩擦涂層、可變?nèi)萘坷鋮s液泵和機(jī)油泵、電控恒溫器、可切換式空氣壓縮機(jī)和風(fēng)扇、電動(dòng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵。

下文將介紹上述措施中的部分技術(shù)。

2輕質(zhì)曲軸箱

與Fritz Winter公司合作研究降低12 L重型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱質(zhì)量和成本的潛力。在鑄造過(guò)程中采用特殊措施可使公稱壁厚達(dá)3.5 mm。通過(guò)有針對(duì)性地控制鑄造或冷卻過(guò)程，實(shí)現(xiàn)薄壁鑄造。薄壁鑄造不僅適用于灰鑄鐵，還適用于蠕墨鑄鐵。同時(shí)對(duì)傳力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和計(jì)算驗(yàn)證，使最高燃燒壓力達(dá)22 MPa。

成品部件具有12%以上降低質(zhì)量的潛力，其中最大的潛力在曲軸箱外圍，達(dá)到5%（圖2）。保持曲軸箱的制造成本不變，未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)降級(jí)質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)接近31 kg。

圖2 通過(guò)重型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱薄壁鑄造技術(shù)降低質(zhì)量

3氣缸蓋冷卻

最高平均壓力和最低燃油耗的設(shè)計(jì)除了會(huì)使燃燒壓力更高，還會(huì)導(dǎo)致鼻梁區(qū)的熱負(fù)荷明顯上升，因而對(duì)氣缸蓋冷卻（特別是氣門座孔之間的部位）提出了更高要求。在AVL公司自上而下的冷卻概念中，氣缸蓋中的冷卻液從上層水套流至噴油器區(qū)域，再集中到氣缸蓋底板（圖3）。這樣除了可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化外，還能使鼻梁區(qū)溫度比標(biāo)準(zhǔn)冷卻溫度減少15°C。此外，冷卻液流量對(duì)制造誤差不再敏感。這種氣缸蓋的制造成本幾乎與傳統(tǒng)氣缸蓋的制造成本相同。

圖3 自上而下的重型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋冷卻

4減摩

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)比采用混合動(dòng)力和其他車輛的措施更有吸引力，因而降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失變得越來(lái)越重要。AVL公司的發(fā)動(dòng)機(jī)拆解結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)能夠在概念階段定義各分系統(tǒng)的摩擦目標(biāo)值。

5曲軸設(shè)計(jì)

曲軸軸承的摩擦約占發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦的20%~25%，因而優(yōu)化主軸承直徑和連桿軸承直徑有利于減少曲軸摩擦。在參數(shù)變化中，將主軸承和連桿軸承結(jié)合比較（圖4）。所有軸承都符合剛度和強(qiáng)度要求，而邊緣載荷風(fēng)險(xiǎn)是決定性參數(shù)。最佳方案可減少摩擦約8%。

圖4 曲軸設(shè)計(jì)的參數(shù)變化（重型柴油機(jī)，最高燃燒壓力24 MPa）

增大軸承間隙是減少軸承摩擦的輔助措施，其限值由噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）要求來(lái)決定。系列公差最小化是盡可能增大公稱軸承間隙的先決條件。為此，可對(duì)曲軸、曲軸箱和軸瓦進(jìn)行分級(jí)，或者采用縮小制造公差等方法。

6曲軸偏置

氣缸與曲軸之間的軸向偏移可在相應(yīng)運(yùn)行范圍內(nèi)減小活塞側(cè)壓力[3]。最佳曲軸偏移范圍為氣缸直徑的10%~15%。商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸套底部需設(shè)有1個(gè)凹槽，以確保連桿所需的空間。因此，氣缸套需要周向定位，多年來(lái)，這種技術(shù)已是采用三連桿的船用發(fā)動(dòng)機(jī)的最先進(jìn)技術(shù)。

通過(guò)高精度的活塞運(yùn)動(dòng)仿真可確定并優(yōu)化減摩量（圖5）。摩擦損失可減少約10%，相當(dāng)于平均有效摩擦壓力降低了2.5%~3.5%。對(duì)于新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，偏置幾乎不影響其成本。

圖5 通過(guò)曲軸偏置降低平均摩擦壓力（重型直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，曲柄連桿比0.27，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min，部分負(fù)荷較高）

7活塞與活塞環(huán)

設(shè)計(jì)活塞環(huán)時(shí)需在摩擦、機(jī)油消耗量、漏氣和磨損之間進(jìn)行折衷。增大活塞與氣缸之間的滑動(dòng)間隙能減少摩擦，其限值由NVH要求來(lái)決定。在NVH特性不變的情況下，曲軸偏置只能通過(guò)略微增大滑動(dòng)間隙，因而需要考慮活塞銷偏置。

此外，在設(shè)計(jì)活塞環(huán)時(shí)，縮小環(huán)高可明顯減小預(yù)應(yīng)力。諸如類金剛石石墨涂層與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，可顯著減小摩擦，但目前仍受成本影響。重型發(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊型鋼活塞具有明顯的減摩優(yōu)勢(shì)?？s小壓縮高度通常有利于發(fā)動(dòng)機(jī)高度設(shè)計(jì)。比較測(cè)量結(jié)果表明，活塞組摩擦減少12%~15%。

8熱管理

在典型的行駛循環(huán)測(cè)試中，通過(guò)持續(xù)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車熱管理，典型環(huán)境下的燃油耗可降低2%[4]。在部分負(fù)荷時(shí)，采用由特性圖控制的冷卻液泵，并將冷卻液溫度提高到允許的最高水平，可挖掘出極大的節(jié)能潛力。采用分流式冷卻方法可以獨(dú)立控制氣缸套和氣缸蓋冷卻，結(jié)合采用AVL公司自上而下的氣缸蓋冷卻方法效果更佳。

風(fēng)扇對(duì)商用車熱管理至關(guān)重要。由于安裝風(fēng)扇后起動(dòng)功率高達(dá)50 kW左右（廢氣再循環(huán)方案），所以只有在其他措施都無(wú)法充分實(shí)現(xiàn)冷卻時(shí)才起動(dòng)風(fēng)扇。采用多級(jí)或主動(dòng)控制的連續(xù)可調(diào)風(fēng)扇離合器，可降低燃油耗0.8%。

9基于需求的輔助控制

無(wú)論是動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵，還是空氣壓縮機(jī)，在遠(yuǎn)距離行駛時(shí)都很少需要全部的安裝功率。在大多數(shù)情況下，輔助裝置都在較低的功率下運(yùn)行，從而造成明顯的損失。怠速時(shí)，沒(méi)有功率限制的常規(guī)空氣壓縮機(jī)在行駛循環(huán)中累計(jì)可節(jié)省的損失功率為總油耗的1.3%，有功率限制的空氣壓縮機(jī)通過(guò)與驅(qū)動(dòng)解耦，可節(jié)油0.3%。

10結(jié)語(yǔ)

AVL公司應(yīng)用成本分析方法預(yù)測(cè)成本的影響，并在早期將其用于成本決策[5]。這種成本分析方法以現(xiàn)有的制造工藝和成本結(jié)構(gòu)或最佳的實(shí)際制造工藝為基礎(chǔ)。以6缸重型柴油機(jī)為例，明確了采用降耗措施后的部件不再計(jì)入研發(fā)成本（圖6）。

圖6 降低CO2措施的成本（無(wú)研發(fā)成本）

鑒于總成本，上述技術(shù)累計(jì)的額外費(fèi)用在遠(yuǎn)不到一年時(shí)間內(nèi)（投資回報(bào)率）就能掙回。在典型的遠(yuǎn)距離行駛循環(huán)中，相比采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用優(yōu)化措施的基本發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)油潛力高3%~5%。采取熱管理措施對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)后，該值能達(dá)7%。在任何情況下，基本發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)都是采取措施進(jìn)一步降低油耗，如余熱回收、商用車總傳統(tǒng)系統(tǒng)的電氣化或混合動(dòng)力化，需根據(jù)不同的應(yīng)用來(lái)考慮其成本效益比。