豆佳永 北汽股份动力总成公司 小排量高性能发动机节油技术路线(中文)

1、1小排量发动机节油技术路线2016年6月17日北京汽车动力总成有限公司2节油意义和目标汽车燃油经济性分析发动机节能技术应用与分析自然吸气发动机技术进展分析增压发动机技术进展分析一二三四五3n2009年中国超出美国成为世界第一大汽车产销国；n石油对外依存度在2005年达到39.6%，在2011年达到了56.5%，石油依赖超过了50%的安全警戒线；n国务院于2012年发布了节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）；n减缓石油安全压力，降低汽车用户花费。1 节油意义油耗水平现状国家安全个人省钱4n国务院于2012年发布了节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）；2020年，我

2、国乘用车新车平均燃料消耗量应降至5.0L/100km；四阶段油耗法规以此作为2020年我国乘用车企业平均燃料消耗量的目标；n欧洲等走小排量高性能发动机技术路线，应对CO2减排问题，并已产业化应用；完全满足中国2020年油耗目标。1 节油目标小排量技术路线52 汽车燃油经济性分析汽车燃油经济性改善空气阻力车辆阻力滚动阻力整车重量汽车辅助系统能耗发电机电动助力转向高效空调发动机效率增压直喷VVTVVL减少摩擦发动机运行区域效率多档变速器CVT换挡策略传动系统效率DSG减少摩擦能量管理怠速控制怠速启停能量回收n影响汽车燃油经济性的主要因素如图所示：62 汽车燃油经济性分析阶段分类细化分类及原因差别怠

3、速阶段发动机怠速油耗高，怠速转速高，怠速摩擦损失大2.0%减速阶段发动机断油循环次数少1.4%行进阶段发动机燃烧效率低4.8%泵气损失大：相位匹配差，进排气系统阻力大，增压匹配不当摩擦损失大附件损失大整车滚动阻力大：轮胎摩擦阻力大1.8%n发动机节能潜力占整车节能潜力比例较大（不采用48V、混动等手段）（案例对比一）系统技术措施节能潜力比例行驶阻力减少行驶阻力12%发动机提高热动能量转化效率45%传动系统降低能量传输过程损失15%辅助系统降低辅助系统能量消耗10%能量管理优化车辆能量供应需求管理18%n国内某车型与国外对标车型对比（案例对比二）， NEDC循环油耗高主要分布：72 汽车燃油经济

4、性分析发动机万有特性和动力需求n发动机需要同时满足车辆的动力性要求和经济性要求： 最高车速对应发动机最大功率；百公里加速要求 发动机外特性；NEDC循环油耗要求 对应发动机万有特性油耗；n兼顾动力性、经济性成为发动机设计、匹配的重点：宽广范围功率需求发动机在低速低负荷油耗偏高；高的扭矩需求爆震倾向大，压缩比无法提高，低速低负荷油耗偏高。复杂路况的限制发动机大部分时间处于低速低负荷区域。83 发动机节能技术应用与分析n提高汽油机动力性和经济性的手段：小排量增压技术：高滚流气道：提高压缩比：阿特金森（米勒）循环：VVT技术：VVL技术：断缸技术：GDI分层混合气燃烧技术：废气再循环（EGR）技术：

5、进排气系统布置优化；启停技术：减重措施；降低摩擦损失。整车匹配优化燃烧效率优化进排气均匀性能量管理优化降低能量损失93 发动机节能技术应用与分析n小排量增压技术是同时提供动力性和经济性的有效手段：与更大排量的发动机保持相同的动力性；NEDC运行点向最佳油耗区移动；扭矩=BMEP排量；在NEDC常用工况点附近，BMEP越高，油耗越低。万有特性油耗MAPu小排量汽油机运行在更高的BMEP，油耗降低；u机械摩擦损失、附件耗功等方面的优势；u采用小排量增压技术可以节油约10%。 103 发动机节能技术应用与分析n高滚流气道：小排量增压配套技术：功率由增压决定，充气效率地位降低，可以采用高滚流气道；提高

6、汽油机燃烧速度，提高热转化效率；降低爆震倾向，相同扭矩输出，可以采用更高的压缩比；通过高滚流气道可以节油约1%。113 发动机节能技术应用与分析n提高压缩比：降低燃油消耗率；大负荷爆震倾向增加；压缩比提高1，综合油耗降低2%；避免爆震的措施：1.高辛烷值燃料；2.多点点火；3.加强缸内冷却；4.抑制压缩终了的温度（利用汽油蒸发潜热、减少残余废气系数）；5.加快燃烧速度（高滚流气道、增强缸内湍流强度） 。“High Pass” Filtered Pressure vs. Time123 发动机节能技术应用与分析n阿特金森（米勒）循环：膨胀比大于压缩比是阿特金森循环发动机最大的特点；进气门晚关为阿

7、特金森循环（又称Miller Late），进气门早关为米勒循环；较高的压缩比，自然吸气可达13，增压发动机可达11.5；采用阿特金森循环技术，提高燃油经济性，降低了动力性；目标趋势：应用阿特金森（米勒）循环，从小排量向合适排量方向发展。051015202530051015202530100020003000400050006000比例 (%)扭矩 (Nm)转速 (r/min)Atkinson应用结果扭矩降低值扭矩降低百分比发动机百公里加速NEDC循环节油比例s%原机基准基准Atkinson基准+1.64.36133 发动机节能技术应用与分析nVVT技术：相同残余废气系数，低速低负荷减少泵气损失

8、302410 01PMEPbar-0.47-0.59IMEP360bar3.403.52IMEP720bar2.932.93FMEPbar0.920.92BMEPbar2.02.0u通过VVT控制不同转速和负荷的气门开启、关闭时刻：u改变气门重叠角度、调整内部EGR，降低汽油机泵气损失；u能够降低部分负荷油耗，提升外特性扭矩；u采用双VVT技术，一般会有降低5%的油耗；u缺点：增加了试验和标定的工作量，调整维度的增加，使得试验标定工作量呈几何级数增长。143 发动机节能技术应用与分析nVVL技术：传统的发动机输出功率的控制依靠节气门对进气进行“节流”而实现，存在节流损失；通过VVL技术控制气门

9、升程满足发动机不同负荷对进气量的需求，减少气门节流损失；采用VVL技术相比传统发动机可以节油4%左右。153 发动机节能技术应用与分析n断缸技术：NEDC循环大部分时间都运行在低速低负荷区域，发动机在低负荷运转时，节气门开度小，节流损失大；断缸可以使工作缸处于高负荷状态，降低节流损失；提高热转化效率；减少摩擦损失和传热损失；采用断缸技术可以节油约1.510%。断缸方案原机CDACDA(n1500rpm)CDA(1250rpmn4000rpm)CDA(1250rpmn25Nm)节油比例-6.5%4.8%5.5%1.7%163 发动机节能技术应用与分析nGDI分层混合气燃烧技术：缸内直喷（GDI）

10、技术可以实现分层混合气燃烧。燃油在缸内气化吸热使压缩终点温度降低，降低爆震倾向性进一步提高压缩比，降低燃油消耗；实现方法有三种：借助于燃烧室形状的壁面引导方式依靠气流运动的气流引导方式；依靠燃油喷雾的喷雾控制方式。GDI分层燃烧技术可以使燃油消耗率改善约2%；缺点：高负荷机油稀释，需要配合高滚流气道降低机油稀释。173 发动机节能技术应用与分析n废气再循环（EGR）技术：提高大负荷抗爆震能力；进而提高压缩比，降低燃油消耗率；降低早燃倾向；采用EGR技术降低中高负荷部分油耗。减摩燃烧换气降油耗措施稀薄燃烧与换气过程EGR：降低高负荷油耗双VVT：减少泵气损失，约束残余废气系数183 发动机节能技

11、术应用与分析n进排气系统优化：提高各缸进排气均匀性，保证各缸燃烧一致性；应用进气谐振、可变进气歧管长度提高充气效率；降低泵气损失，降低燃油消耗；应用排气脉冲，采用双流道涡轮增压器、421排气歧管等降低残余废气系数，提高抗爆震性，提高压缩比，降低油耗。193 发动机节能技术应用与分析n启停技术： 在城市行驶工况中，怠速运行时间占总运行时间的比例高达 2030；而怠速油耗占总油耗的 5 左右；采用启停技术，在原怠速工况熄灭发动机，大幅降低怠速燃油消耗；在拥堵的市区节能效果能达到约3%。拥堵的市区需要“启停”203 发动机节能技术应用与分析n减重措施集成排气管：1.降低排气温度，减少高负荷喷油加浓，

12、降低油耗；2.提高排气系统集成度，降低发动机重量。塑料进气歧管；铸造铝机体；1.铸铁机体重量减轻一半；2.大大减轻了发动机重量，降低整车油耗。213 发动机节能技术应用与分析n降低发动机摩擦损失：曲柄连杆机构：1.曲轴偏心（降低峰值侧压力，减少活塞与缸套的摩擦）；2.减少轴承直径；3.增加连杆长度、减小连杆质量；4.减少活塞裙部接触面积；5.增加活塞与缸套间隙、减少活塞质量；6.采用DLC活塞涂层技术、减少活塞销质量；7.降低活塞环环高和切向张力。配气机构：1.滚针凸轮轴承；2.减少凸轮轴承数量；3.优化气门弹簧降低弹簧力。223 发动机节能技术应用与分析n降低发动机摩擦损失：润滑系统：1.采

13、用低粘度机油；2.变排量机油泵；3.可控活塞冷却喷嘴；4.减少润滑系统容积。冷却系统：1.提高水泵效率；2.电子水泵；3.电子节温器；4.减少冷却系统流量；5.减少冷却系统阻力；6.多路冷却循环系统，7.减少冷却系统容积。可变排量机油泵234 自然吸气发动机技术进展分析n自然吸气发动机：高压缩比（13左右）；n爆震倾向增加，通过以下技术手段进行改善：GDI缸内直喷降低爆震倾向；高滚流气道 改善燃烧速度，降低爆震倾向；燃烧室优化；421排气管 降低缸内残余废气，提高充气效率，降低爆震倾向；n采用可变机油泵等手段降低摩擦损失；n采用铸造铝缸体降低整车配重。自然吸气汽油机优化扭矩优化结果油耗优化结果245 增压发动机技术进展分析n涡轮增压较大的功