摘要：以國六輕型商用車為研究對象，基于用戶需求、法規(guī)建立了動力性、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，借助AVL Cruise軟件進(jìn)行動力性及經(jīng)濟(jì)性多方案仿真計算，在動力性及經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)約束下優(yōu)化傳動系匹配。在此基礎(chǔ)上，對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素和節(jié)油技術(shù)進(jìn)行了分析，并結(jié)合車型實(shí)際情況以及輕型商用車特點(diǎn)開展了國六輕型商用車節(jié)油技術(shù)路徑和具體方案的研究以及實(shí)施，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，在整車成本有效控制的前提下取得了較好的節(jié)油效果。

關(guān)鍵詞：國六；輕型商用車；動力系統(tǒng)；匹配優(yōu)化；節(jié)油技術(shù)

中圖分類號：U469 收稿日期：2023-10-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202311007

1 前言

隨著油耗標(biāo)準(zhǔn)不斷加嚴(yán)，加大節(jié)油技術(shù)的研究成為了企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以某款國六輕型商用車為對象，研究降低汽車燃油消耗量的方法，通過動力鏈匹配優(yōu)化以及節(jié)油技術(shù)路徑和具體方案的研究和實(shí)施，高效經(jīng)濟(jì)地達(dá)成了節(jié)油目標(biāo)。

2 動力鏈匹配

2.1 整車基本參數(shù)

該款輕型商用車安裝有3 L柴油機(jī)、6擋手動變速箱，整車基本參數(shù)如表1所示。

2.2 性能目標(biāo)設(shè)定

為達(dá)成國六排放以及提升產(chǎn)品競爭力，主流輕型商用車國六柴油發(fā)動機(jī)額定功率平均提升8%，額定扭矩平均提升19%。根據(jù)基礎(chǔ)車及競品車型實(shí)測數(shù)據(jù)［1］，并結(jié)合對國六競品的預(yù)判，確定動力性、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)即動力性在現(xiàn)有國五基礎(chǔ)車上提升10%，保持與競品國六產(chǎn)品相當(dāng)，其油耗在國五基礎(chǔ)車上降低9%左右，滿足三階段法規(guī)限值要求，性能目標(biāo)如表2所示。

2.3 傳動系選型

根據(jù)最高車速目標(biāo)確定最小傳動比≤3.96，根據(jù)最大爬坡度確定最大總傳動比≥25.18，按傳動比邊界篩選，4個方案滿足要求，如表3所示。

2.4 仿真計算

借助AVL Cruise軟件進(jìn)行動力性及經(jīng)濟(jì)性多方案仿真計算，4個方案中的方案2在滿足動力需求的提前下能使發(fā)動機(jī)工作在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)區(qū)，油耗達(dá)到最優(yōu)（見圖1），仿真計算結(jié)果如表4所示。

2.5 小結(jié)

通過動力鏈匹配優(yōu)化確定了傳動系統(tǒng)最優(yōu)方案，但油耗超出目標(biāo)值6.5%，需根據(jù)油耗影響因素進(jìn)一步降低油耗來達(dá)成目標(biāo)。

3 節(jié)油技術(shù)研究

3.1 節(jié)油路徑

影響油耗的主要因素包括發(fā)動機(jī)萬有特性、怠速及制動能量消耗、附件功耗、風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積、輪胎滾阻、傳動系速比、整車重量、傳遞效率9個方面［2-3］。根據(jù)燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素，商用車節(jié)能技術(shù)可總結(jié)為五大技術(shù)類別，分別為高效發(fā)動機(jī)技術(shù)（包括發(fā)動機(jī)本體經(jīng)濟(jì)性提升及降低附件功耗）、傳動系效率提升及動力鏈匹配技術(shù)、降低整車阻力技術(shù)（包括滾阻和風(fēng)阻）、整車輕量化技術(shù)、混合動力技術(shù)。綜合考慮各項(xiàng)節(jié)油技術(shù)的節(jié)油效果、成本變化、技術(shù)成熟度，以及行業(yè)先進(jìn)水平，結(jié)合車型實(shí)際情況確定節(jié)油技術(shù)路徑和具體指標(biāo)，發(fā)動機(jī)端降油耗3.5%，整車端降油耗4.5%，合計8%，目標(biāo)分解如圖2所示。

3.2 高效發(fā)動機(jī)技術(shù)

3.2.1 燃燒優(yōu)化

a.提高軌壓：燃油噴射壓力越高，燃油在氣缸內(nèi)的霧化效果越好，燃燒越完全，碳煙排放相對較好，提高軌壓，可以實(shí)現(xiàn)更低的油耗［4］。軌壓與油耗、碳排放的關(guān)系如圖3所示，本項(xiàng)目發(fā)動機(jī)共軌壓力由160 MPa提升到180 MPa。

b.提高爆壓：發(fā)動機(jī)最大爆壓從14 MPa提升到15 MPa，提高了缸內(nèi)平均有效壓力，從而使燃燒效率提升，相同質(zhì)量的燃油能提供更大的輸出扭矩，節(jié)油效果map對比如圖4所示。

c.噴油器流量優(yōu)化：為了獲得更好的噴射霧化效果，需要縮小噴孔直徑，在要求循環(huán)噴油量不變的情況下，通過增加噴孔數(shù)來達(dá)到要求［5］。通過相關(guān)分析以及噴油器選型試驗(yàn)、油嘴球頭溫度試驗(yàn)、油嘴積碳試驗(yàn)等，最終選取了一種9孔480 mL孔徑細(xì)至0.123 mm的噴油器作為發(fā)動機(jī)的噴油器，提高了燃油噴霧的質(zhì)量，從而有效地改善燃燒情況。不同噴油器油耗對比如圖5所示。

d.噴油提前角優(yōu)化：增大噴油提前角，燃油更早進(jìn)入缸內(nèi)進(jìn)行混合，油氣混合更充分，燃燒效率提升，發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性都有顯著提高。不同噴油提前角對節(jié)油效果對比如圖6所示。

3.2.2 進(jìn)氣優(yōu)化

a.增壓器優(yōu)化：通過用戶典型工況路譜采集，分析得出整車常用工況多在中低轉(zhuǎn)速中小負(fù)荷，因此著重降低這些工況的油耗對于降低整車油耗貢獻(xiàn)度更大。選擇低速效率更高、加速響應(yīng)更快的小渦輪增壓器方案，中低轉(zhuǎn)速工況的動力性和經(jīng)濟(jì)性都有顯著提升。外特性對比試驗(yàn)結(jié)果表明，在中低轉(zhuǎn)速工況，小渦輪增壓器比大渦輪增壓器油耗降低約0.6%，如圖7所示。

b.進(jìn)氣歧管帶可變渦流控制閥（SCV）：如圖8所示，發(fā)動機(jī)每缸的進(jìn)氣道分為兩路，其中一路安裝了關(guān)閉閥體，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于中低負(fù)荷時，考慮到渦流比較低，ECU發(fā)出信號，通過控制真空閥關(guān)閉該閥門，從而提高發(fā)動機(jī)的總渦流比，達(dá)到油氣充分混合的目的。

3.2.3 降低附件功耗

采用電控硅油風(fēng)扇替代機(jī)械硅油風(fēng)扇，可以在發(fā)動機(jī)負(fù)荷較低時，更好地控制發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（降低），降低發(fā)動機(jī)風(fēng)扇功耗。通過對電控硅油風(fēng)扇的控制策略進(jìn)一步優(yōu)化，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速采用階梯式上升的嚙合策略，平均降低風(fēng)扇功耗0.3 kW·h，低于機(jī)械硅油風(fēng)扇的0.89 kW·h。

3.3 降低風(fēng)阻

通過流場（圖9）分析可以看出，影響風(fēng)阻的主要因素有車身前圍正壓力、車廂前端正壓力、車廂頂部及兩側(cè)氣流分離及底盤部件干擾阻力。針對以上影響因素，通過增加氣動套件和對整車關(guān)鍵設(shè)計特征尺寸優(yōu)化析出改善方案如表5所示，考慮到成本壓力及量產(chǎn)難易度，優(yōu)先選擇導(dǎo)流罩優(yōu)化和車廂擋水檐優(yōu)化作為降低風(fēng)阻的主要改善方案。

3.3.1 導(dǎo)流罩優(yōu)化

對于廂式貨車，導(dǎo)流罩是最為重要的氣動套件，增大車廂與導(dǎo)流罩的匹配度，可以顯著降低風(fēng)阻。導(dǎo)流罩的設(shè)計原則［6］：根據(jù)導(dǎo)流罩整體斜率，導(dǎo)流罩高度與貨箱高度一致或稍低于貨箱高度（<100 mm）；導(dǎo)流罩最寬處寬度與車廂寬度一致或略窄于車廂（<50 mm）；導(dǎo)流罩型面弧度控制導(dǎo)流罩Z和Y向弧度，要求截面特征線的延長線與車廂頂面截面線（瓦楞凸起面連接作為廂頂截面線）前端相交且近似相切。通過多輪的尺寸微調(diào)分析，獲得最優(yōu)的導(dǎo)流罩優(yōu)化效果，優(yōu)化后車廂前端正壓力顯著降低，風(fēng)阻降幅6.5%，如表6所示。

3.3.2 車廂擋水檐優(yōu)化

車廂后端的擋水檐為翻邊結(jié)構(gòu)，但該翻邊造成尾渦增大，從而增大了車廂后端的負(fù)壓力，通過取消翻邊可降低風(fēng)阻，如表7所示。

3.3.3 優(yōu)化結(jié)果

導(dǎo)流罩和車廂后擋雨檐的優(yōu)化后，通過仿真對比實(shí)現(xiàn)風(fēng)阻降低8.3%，風(fēng)阻系數(shù)為0.536。根據(jù)仿真計算預(yù)計整車油耗可降低0.41 L/100 km，降低率3.3%。

3.4 降低滾阻

通過調(diào)研行業(yè)低滾阻輪胎資源，選取4組不同滾阻輪胎進(jìn)行滑行試驗(yàn)和油耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示，最終選定1組各項(xiàng)性能指標(biāo)。滿足要求且滾阻降低明顯的輪胎作為最終方案，如表8所示。

3.5 傳動效率提升

后橋采用高功率密度齒輪，如圖12、圖13所示，高功率密度齒采用等高齒及寬齒面設(shè)計技術(shù)，并且齒輪采用強(qiáng)噴工藝提高齒輪強(qiáng)度和承載能力以及縮小齒輪尺寸，從而提高傳動效率、降低噪聲。優(yōu)化后的后橋傳動效率臺架試驗(yàn)測試表明，平均傳動效率達(dá)96.12%，提升了1%。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 樣車試制及滑行阻力測試

根據(jù)動力鏈匹配選型及降油耗方案，確定最終開發(fā)樣車方案并試制樣車，并按照GB/T 27840附錄C完成試驗(yàn)樣車（GVW 4 495 kg）滑行阻力數(shù)據(jù)的采集和擬合，所得到的滑行阻力曲線如圖14所示。根據(jù)滑行阻力曲線比對表明，通過降低風(fēng)阻及滾阻后，整車滑行阻力較優(yōu)化前平均降低10%左右。

4.2 整車動力性、經(jīng)濟(jì)性測試及達(dá)成情況

按照GB/T 12544《汽車最高車速試驗(yàn)方法》、GB/T 12539《汽車爬陡坡試驗(yàn)方法》、GB/T 12543《汽車加速能力試驗(yàn)方法》，以及GB/T 27840-《重型商用車輛燃料消耗量測量》分別對試驗(yàn)樣車進(jìn)行整車動力性和油耗測試，結(jié)果如表9所示。結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)成目標(biāo)，其中C-WTVC循環(huán)工況油耗為11.2 L/100 km，超越達(dá)成目標(biāo)，低于三階段限值將近3%。

5 結(jié)語

本文以某款國六輕型商用車為研究對象，對動力鏈匹配進(jìn)行優(yōu)化，并利用節(jié)能技術(shù)與實(shí)施燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行效果提升，最終通過試驗(yàn)達(dá)成預(yù)期效果。未來油耗法規(guī)會更加嚴(yán)格，因此節(jié)能技術(shù)需不斷升級，在不斷挖掘傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)潛力的同時還需加強(qiáng)新型節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用。

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作者簡介：

強(qiáng)小文，男，1975年生，正高級工程師，研究方向?yàn)檩p型商用車整車技術(shù)。