提高汽车燃油经济性的技术路线与可行性研究

2010-10-21

　　摘要：从技术可行性和节能减排的角度指出，整车系统优化和发动机节油技术的革新是未来10年内汽车产业低碳化的发展方向。能量流在整车各部分的耗散分析表明，怠速工况和维持发动机运转能量损耗占整车全部能量流73%-79%左右。所以当前需要重点攻关的技术方向是最大程度上减少这部分能量损耗。通过研究进一步指出，增压型汽油缸内直接喷射技术和智能起停技术结合应该是现阶段提高燃油经济性的有效技术手段。

　　主题词：燃油经济性，混合动力，直接喷射

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引言

　　近年来国内替代能源、混合动力、纯电动车和燃料电池轿车的研发工作如火如荼，而传统内燃机的技术发展相对缓慢、缺乏足够重视，我国汽车产业的发展正面临着历史选择的十字路口，怎样结合国内的实际情况，探索确实可行的提高乘用车燃油经济性的技术路线，规划汽车产业未来十几年的发展方向，已经成为当前我国汽车产业发展的重要问题之一。正是基于以上背景，本文研究并阐明了提高乘用车燃油经济性的技术路线及其可行性，为汽车燃油经济的发展和技术路线的制定提供参考。

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混合动力技术与发动机改进技术的经济性对比

　　混合动力汽车被广泛认为是降低汽车排放和油耗的可行方案，混合动力汽车可通过下列途径达到节油目的：（1）选择较小功率发动机；（2）取消发动机怠速；（3）控制发动机工作在高效区；（4）发动机断油；（5）适当增大电池SOC窗口；（6）回收再生制动能量。

　　是否未来10年内乘用车的主流产品都将采用混合动力驱动模式呢？美国能源基金会于2001年发表了《燃油经济性技术发展研究报告》[4]，对比了混合动力和发动机改进技术的燃油经济性与成本分析。报告是在各种基础车型上，分别采用4种改进方案，然后对比了改进后的油耗提升与成本增加。

　　改进方案A：降低整车重量；空气动力学优化设计、减少滚动阻力、改进电器负载；发动机设计优化，提高效率、减少重量、减少摩擦、精确控制；42V的ISG系统；车辆传动系统改进。

　　改进方案B：更多的降低整车重量；空气动力学优化设计、减少滚动阻力、改进电器负载；汽油直接喷射（GDI）发动机配合42V的ISG系统；更先进的车辆传动系统。

　　改进方案C：电动系统提供小于25%的全部动力，怠速关闭发动机，刹车能回收，但是没有明显的电力单独驱动驾驶循环。

　　改进方案D：电动系统提供30%-50%的全部动力，具有电力单独驱动驾驶循环，但是电力驱动并不覆盖全部的功率范围。

　　如果仅直观对比混合动力和基础车型的油耗，混动技术确实可以显著改善汽车的燃油经济性。但是进一步分析数据，将燃油经济性提高率和成本增加率相除，就可以得到各种方案下油耗改进与成本增加的效率对比，如图1所示[5]，纵坐标的数值越大，表明该方案的经济性越高。此时发现，如果从投入和产出的经济角度比较，整车与发动机的改进方案A和B是最有效率的。改进方案B的改进效率更是在大部分车型中领先于其他节油技术，在微型车和紧凑型这两种车型上，基于目前的技术发展水平，改进方案B的改进效率达到了改进方案C和D的2倍左右。当然随着混合动力技术的提高，该技术的改进效率会不断提高，但是从经济角度来看，最近10年左右，整车与发动机的改进技术方案，才是汽车制造商提高燃油经济性的技术方向。

　　未来10年内高效混合动力的技术成本还比较高，在乘用车市场的占有率还处于推广的初期，还不能很快成为主流产品。节油技术产品的市场份额对汽车公司平均油耗（CAFC）的改善有重大影响。如图2所示[5]，比如现阶段混合动力技术能够降低油耗达50%，由于混合动力轿车成本高，可能最近10年内仅占公司销售量的10%，公司平均油耗仅能降低5%，低于高效内燃机技术对公司平均油耗的影响。

　　综合以上分析，本文认为混合动力的发展应该与高效整车和发动机改进技术相结合，因为即使在混合动力平台下，只有发动机、整车和电动系统的技术同时改进，才能推动混合动力技术的不断发展，两者是协调和统一的。应该推广的是混合动力搭载高效发动机的双赢方案。如果从汽车产业的整体来看，整车和发动机的节油技术改进应该是未来10年内汽车产业低碳化发展的主要方向。

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提高汽油轿车燃油经济性的技术路线

　　2.1
典型乘用车能量使用分析

　　明确了整车和发动机节油技术对提高燃油经济的重要意义后，就需要在众多节油技术中，确定技术重点和主攻方向。要确定技术重点就要清楚能量在乘用车上的使用情况。图3是典型乘用车的能量使用情况，并分为城市和高速两种工况。

　　结合图3，可以看出风阻损耗、滚动阻力、刹车制动、传动损耗和车上负载导致的能量损耗，其总和只占整体能量损耗的21%-27%左右，因此虽然诸如车身空气动力学优化设计、减少滚动阻力、改进电器负载、刹车能量回收和车辆传动系统改，进等技术都可以降低油耗，但是还不能成为技术攻关的重点。图3显示发动机怠速工况和发动机损耗两项占全部能量损失的73%-79%左右，所以针对这两项的技术改进措施，才应该是汽车制造商需要重点攻关的技术方向。

　　2.2
智能起停技术介绍

　　智能起停（Start-Stop）技术可以有效避免怠速工况的能量消耗，提高汽车的燃油经济性，因此应该是今后汽车制造商发展的重点之一。图4介绍的是标准起停系统结构图，其中包括发动机、增强型起动电机、变速器、发动机控制ECU、电池传感器、LIN总线和其他信号传感器。Start-stop系统车辆在行驶过程中，驾驶员踩制动踏板停车，若此时满足一定的条件（档位、离合器状态、电池SOC、发动机水温、故障等），发动机会响应控制器的断油需求，进入怠速停机模式。驾驶员可以通过传动链状态、加速踏板状态或者主开关状态来请求发动机重新起动，或者由电池状态、制动真空度不足状态或者空调需求自动起动。目前标准的Start-stop系统可使综合油耗降低5%左右，有效地提高了车辆的燃油经济性。

　　2.3
汽油直接喷射技术的发展趋势分析

　　从经济性的角度来说，改进方案B的改进效率最高，而该方案的核心技术就是GDI发动机。GDI技术能够有效地改善燃油经济性，可以降低12%-15%的油耗，而且该技术还有进一步降低油耗的潜力。

　　如果仅从燃料喷射方式来看，汽油直接喷入缸内燃烧式发动机，可宽泛地分为两大类：点燃式GDI发动机（DISI）、均质压燃式发动机（HCCI）。

　　由于实现HCCI燃烧有不同的模式，所以有不同的命名，但是原理都是相同的，而点燃式GDI发动机还可分为性质不同的两类：均质点燃式GDI发动机（HCSI）、分层点燃式GDI发动机（SCSI）。

　　GDI发动机与典型的PFI发动机相比，理论上有如下优势。

　　（1）改善燃油经济性（不同测试循环比较结果显示，最多能够降低25%的油耗）：

　　·分层燃烧模式下节气门全开，节流损失减低；

　　·分层燃烧模式下传热损失更小；

　　·由于缸内直接喷射，喷入的燃料可以降低混合气的温度，所以GDI发动机可以使用更高的压缩比；

　　·同样由于燃料的冷却作用，降低了GDI发动机对辛烷值的要求；

　　·冷却后的混合气密度增加，提高了GDI发动机的容积效率；

　　·由于采用燃料缸内直喷，车辆加速过程可以立即断油，避免了进气道喷射稀燃系统（PFI）发动机的进气道油膜影响。

　　（2）改善动态相应：由于没有进气道油膜影响，减少了GDI发动机在车辆加速过程的喷油量。

　　（3）更精确的空燃比控制：

　　·由于没有进气道油膜建立的过程，GDI发动机可以更快速的起动；

　　·在低温冷起动工况，GDI与PFI发动机相比，喷油量明显减少。

　　（4）扩展了废气再循环系统（EGR）的使用范围（减少了节气门的节流影响）。

　　（5）排放优势：

　　·减少了冷起动时的HC排放；

　　·减少了CO2排放。

　　（6）增强了系统优化的潜力，GDI发动机更适合与start-stop系统和混合动力系统搭载在一起，共同作用，获得最大的节油效果。

　　目前国内外的研究热点集中在HCCI发动机研究，因为HCCI发动机可以使用更稀薄混合气，更高的压缩比，更大程度地降低发动机油耗。但是由于HCCI发动机容易受到失火、爆震、功率等限制，并非在全部工况下都可以实现。故即使HCCI发动机实现了产业化生产，也一定需要与多种GDI燃烧模式相结合。

　　当前增压型均质点燃式GDI燃烧技术相对比较成熟，已经实现产业化生产。从技术上是切实可行的。我国的汽车产业应该大力推广点燃式GDI发动机，吸收和消化目前国际上点燃式GDI技术，培养我国自己的点燃式GDI发动机研发能力，提高我国GDI高压供油系统零部件的制造能力，为将来HCCI发动机技术的发展提供产业支持和技术保障。另外积极支持HCCI发动机的研发工作，抢占发动机节油技术的制高点，为企业竞争作技术储备，努力争取未来10年的市场主导地位。

　　3
结论

　　本文研究并阐明了提高乘用车燃油经济性的技术路线及其可行性，并得到如下结论：

　　（1）整车系统优化和发动机节油技术的发展是汽车产业未来10年的发展方向。

　　（2）发动机怠速工况和发动机损耗，占整车全部能量损失的79%-73%左右，针对这两项的技术改进措施是增压型均质点燃式GDI发动机技术和智能起停技术，是未来一段时间需要重点攻关的技术方向。

　　（3）缸内直喷发动机的不同燃烧模式之间是互相依赖共存的，HCCI发动机仍然需要结合点燃式GDI燃烧模式。

　　参考文献

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DeCieeo John，An Feng，Ross Mare. Technical Options for Improving the Fuel Economy of U.S. Cars and Light Trucks by 2010-2015. Report of The Energy Foundation，2001.

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杨嘉林.车用汽油机的节油潜力及高效汽油机的可行性，内燃机学报，2008，（26）：77-82.

作者：联合汽车电子有限公司技术中心 李君习纲 栗工 来源：《上海汽车》2010年第09期