發(fā)動機降速對排放與燃油經(jīng)濟性的影響

0 前言

由于發(fā)動機制造商和用戶追求性能、燃油經(jīng)濟性與可靠性三者之間的最佳組合，因此，小型化和降速在商用載貨車市場越來越受重視[1]。發(fā)動機降速正受到廣泛關(guān)注。發(fā)動機降速在改善整體封裝、燃油經(jīng)濟性和成本方面提供了大量有利條件。柴油機降速是改善燃油經(jīng)濟性和減少排放的一種策略。這種策略已經(jīng)成功應(yīng)用于改善輕型車輛的燃油經(jīng)濟性和排放，經(jīng)過驗證，這是一種有效且可靠的方法。發(fā)動機降速用于提高“加載降速”發(fā)動機的燃油效率，在較低發(fā)動機轉(zhuǎn)速下利用高進氣歧管壓力牽引重載。發(fā)動機的摩擦損失(例如在軸承中)與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的平方成正比[2]。因此，發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致摩擦負荷成倍減小。例如，降低50%轉(zhuǎn)速，可以降低75%的摩擦損失。如果柴油機能夠在低轉(zhuǎn)速下輸出足夠的扭矩，這種策略有效的。理論上講，較低轉(zhuǎn)速發(fā)動機具有更長的使用壽命，并且大修間隔期更長，這是經(jīng)濟性方面的另一個優(yōu)勢。

可通過對發(fā)動機進行重新設(shè)計，使其具有更長的行程，調(diào)整其空燃系統(tǒng)使其更適用于較低轉(zhuǎn)速工況點。但是，載貨車必須接受在較低調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速下最高額定功率下降的事實，而較低發(fā)動機轉(zhuǎn)速則會降低加速性能(一種潛在的交通危險)，并且在爬坡時工作效率較低(山區(qū)運行缺點)。通過降速和小型化來降低柴油機功率和扭矩的一種解決方案是高效轉(zhuǎn)化動力裝置。幸運的是，現(xiàn)代渦輪增壓柴油機在相當(dāng)寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生高穩(wěn)定性的扭矩，因此，通過采用恰當(dāng)?shù)慕邓?，功率和扭矩的下降將不會太明顯。

有研究表明，與小型化相比，降速將是針對未來中型柴油機市場更受歡迎的一種途徑，而且更易實施。盡管如此，降速導(dǎo)致的燃油經(jīng)濟性改善量處于中等范圍，約比當(dāng)今基準(zhǔn)柴油機降低7%～10%。

機械驅(qū)動增壓器相對渦輪增壓器的明顯優(yōu)勢之一是在低發(fā)動機轉(zhuǎn)速下快速建立增壓的能力，并且不受可用廢氣焓的影響[3-4]。與基于渦輪增壓器的增壓系統(tǒng)相比，機械增壓器的快速響應(yīng)特性使渦輪增壓器建立增壓的速度更快。當(dāng)峰值扭矩向較低轉(zhuǎn)速范圍移動時，在較低發(fā)動機轉(zhuǎn)速和瞬態(tài)條件下，產(chǎn)生較高進氣歧管壓力，同時也可實現(xiàn)發(fā)動機降速。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降時，發(fā)動機摩擦損失降低，發(fā)動機制動熱效率顯著提高。這種發(fā)動機降速具有顯著提高燃油效率的潛力。

為實現(xiàn)發(fā)動機有效降速，發(fā)動機平均工況點需要向更高負荷和更低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)移動，同時保持功率水平不變。可通過調(diào)整增壓發(fā)動機峰值扭矩實現(xiàn)這種效果。但是，這會導(dǎo)致氣缸峰值壓力較高，從而惡化發(fā)動機的耐久性。另一種有效實現(xiàn)降速的方法是增大發(fā)動機萬有特性圖的面積，這可在快速瞬態(tài)負荷需求過程中實現(xiàn)。同時，也可通過改變最終傳動或軸傳動比、改變換檔策略或改變傳動齒輪速比實現(xiàn)發(fā)動機降速。這種方法對發(fā)動機和傳動設(shè)計產(chǎn)生的影響最小。在瞬態(tài)過程中提高增壓從而提升扭矩的可行性可實現(xiàn)傳動快速換檔。快速換檔指在加速過程中所覆蓋的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實現(xiàn)更加快速的換檔，從而使得既定駕駛循環(huán)上的發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速更低?？焖贀Q檔不僅可確保實現(xiàn)高速檔時的降速，還可實現(xiàn)車輛高速瞬態(tài)行駛時的降速，共同優(yōu)化發(fā)動機降速及相應(yīng)的傳動機構(gòu)，從而獲得所需的車輛性能。在一些工況下，優(yōu)化空燃系統(tǒng)可改善發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下的性能。

1 車輛扭矩提升管理策略

目前，提升傳動機構(gòu)及發(fā)動機的扭矩主要有兩種方法。一種方法是通過調(diào)整發(fā)動機電子控制裝置實現(xiàn)發(fā)動機降速。降速通常通過重新標(biāo)定控制發(fā)動機的軟件實現(xiàn)。通過標(biāo)定，僅允許發(fā)動機在特定轉(zhuǎn)速或任何檔位的特定環(huán)境下輸出適當(dāng)?shù)呐ぞ?。發(fā)動機降速是解決特定問題的常用且合理的策略。但是，僅采用發(fā)動機降速無法解決傳動機構(gòu)長期承受扭矩應(yīng)力，從而導(dǎo)致的高周期疲勞問題。通過修改發(fā)動機程序從而降低扭矩峰值，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，在發(fā)動機巡航工況下仍可提高傳動機構(gòu)的輸出扭矩。

另一種管理扭矩提升的方法是系統(tǒng)方法。該方法指出，當(dāng)發(fā)動機特性改變時，需要升級動力裝置的其他部分以與之匹配。這種方案需要從一開始就共同工作從而支持發(fā)動機降速軸和傳動軸系統(tǒng)，包括能夠提供完全平衡效率優(yōu)勢所需快速傳動比的高效、輕量化雙聯(lián)軸，以及能夠承受較大扭矩的傳動軸。

2 發(fā)動機降速的優(yōu)勢

發(fā)動機降速的優(yōu)勢在于：(1)降低燃油耗(發(fā)動機能夠在其最佳工作效率范圍內(nèi)運行更長時間)；(2)減少發(fā)動機摩擦(活塞速度降低)；(3)減少相對傳熱；(4)提高熱效率；(5)發(fā)動機在最佳制動比燃油耗(BSFC)區(qū)域和容積效率區(qū)域內(nèi)運行；(6)發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速、大扭矩條件下運行，可使該發(fā)動機在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩更高；(7)發(fā)動機在額定負荷和轉(zhuǎn)速下可運行更長時間；(8)在所有轉(zhuǎn)速下可保持輸出性能不變，且燃油經(jīng)濟性更好，扭矩更高。

3 試驗裝置與試驗條件

本研究的目的是評價車輛在歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)循環(huán)(ETC)下降速概念降低燃油耗的潛力。為了研究降速裝置的影響，已經(jīng)進行了一項比較研究。比較了3種不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的額定功率，轉(zhuǎn)速間隔差為100 r/min。降速分級的目的是使在ESC和ETC循環(huán)下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速最大化，從而研究降速對排放與燃油經(jīng)濟性的影響。

為了研究發(fā)動機降速對發(fā)動機性能與排放，以及對車速和行駛里程數(shù)的影響，進行了試驗研究。研究發(fā)動機降速對車輛性能與駕駛性及對發(fā)動機性能與排放的影響，在車輛平臺對發(fā)動機降速的影響進行了評價。通過改變功率基準(zhǔn)點，利用發(fā)動機降速提高燃油經(jīng)濟性和減少排放。降速使發(fā)動機能以低轉(zhuǎn)速和大扭矩運行，由于活塞速度降低，發(fā)動機摩擦降低，相對傳熱減少，熱效率提高。發(fā)動機效率提高，所以燃油耗降低。試驗發(fā)動機的具體規(guī)格參數(shù)見表1。試驗采用的具體試驗裝置見表2和圖1。

表1 試驗發(fā)動機的具體參數(shù)

表2 試驗臺測量采用的基本儀器

圖1 試驗臺布置

3.1 試驗條件

表3中的試驗參數(shù)即為ESC循環(huán)在優(yōu)化過程中采用的邊界條件，針對不同的額定轉(zhuǎn)速采用相同的硬件結(jié)構(gòu)評價性能、排放和BSFC性能。

圖2描述了在整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的ESC和ETC循環(huán)區(qū)域。這兩個循環(huán)無法代表完整的車輛循環(huán)，但是在所有發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也覆蓋了相當(dāng)大的區(qū)域。表4列出了針對不同結(jié)構(gòu)的3種額定轉(zhuǎn)速A、轉(zhuǎn)速B和轉(zhuǎn)速C。

表3 試驗條件

圖2 ESC和ETC循環(huán)區(qū)域

額定轉(zhuǎn)速參數(shù)轉(zhuǎn)速A/(r·min-1)1 5361 5601 580轉(zhuǎn)速B/(r·min-1)1 8641 9131 953轉(zhuǎn)速C/(r·min-1)2 1922 2662 326

由于額定轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)波動，轉(zhuǎn)速高低也會發(fā)生相對變化，因此轉(zhuǎn)速A、轉(zhuǎn)速B和轉(zhuǎn)速C也會發(fā)生漂移。在轉(zhuǎn)速A、轉(zhuǎn)速B和轉(zhuǎn)速C這三種轉(zhuǎn)速變化中，轉(zhuǎn)速C的變化最大，轉(zhuǎn)速A的變化較小。針對不同額定轉(zhuǎn)速的功率曲線和扭矩曲線見圖3和圖4。

圖3 針對不同額定轉(zhuǎn)速的功率曲線

圖4 針對不同額定轉(zhuǎn)速的扭矩曲線

4 試驗結(jié)果

試驗的排放和性能結(jié)果表明，發(fā)動機降速對不同額定功率結(jié)構(gòu)的影響。由于發(fā)動機降速導(dǎo)致摩擦和泵氣損失減少，從而使發(fā)動機摩擦損失減少，進而發(fā)動機效率得到改善。發(fā)動機降速對氮氧化物(NOx)、HC和CO的排放結(jié)果影響可以忽略不計。但是，對PM限值和BSFC的改善影響顯著。在ESC和ETC循環(huán)區(qū)域內(nèi)，碳煙排放減少約2%，燃油消耗率減少2.00%～2.25%。圖5所示為利用相對額定發(fā)動機轉(zhuǎn)速降速實現(xiàn)的循環(huán)燃油消耗率的改善情況。

圖5 不同額定轉(zhuǎn)速下的循環(huán)燃油耗比較

4.1 車輛性能與燃油經(jīng)濟性

為了使換檔頻率最小化、牽引力最大化，以及保證線性的動力輸出，在可用發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扁平的扭矩曲線在接近于紅線時有明顯的下降趨勢。如果動力輸出不是線性的，那么車輛在轉(zhuǎn)彎時就會不平穩(wěn)，這是因為向輪胎提供持續(xù)動力是非常重要的。扁平的扭矩曲線還可使車輛在工作過程中所需的換檔次數(shù)最小化，從而降低駕駛員出現(xiàn)駕駛差錯的風(fēng)險。

為提高燃油效率而持續(xù)降速的趨勢會給動力傳動機構(gòu)零部件帶來一定的影響。采用手動傳動系統(tǒng)的載貨車在駕駛過程中會相應(yīng)增加難度，而手自一體變速傳動的應(yīng)用會變得更加受限。因此，對雙離合器變速箱的應(yīng)用更加必不可少，而后傳動軸和傳動軸零部件需要承受更高的應(yīng)力。

隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，運行區(qū)域從一個發(fā)動機工況帶移動到另一個發(fā)動機工況帶(圖6)。由于發(fā)動機降速，車輛運行區(qū)域帶將向能夠影響發(fā)動機整體燃油經(jīng)濟性的最佳BSFC區(qū)域移動。發(fā)動機降速有助于發(fā)動機由較高轉(zhuǎn)速向較低轉(zhuǎn)速移動，從而改善整體車輛性能與駕駛可操作性。這將有助于進一步減小最終傳動比，從而提高燃油經(jīng)濟性。針對不同的最終傳動比和降速進行了各種測試，車輛的總體燃油經(jīng)濟性改善達2.0%～2.5%。

圖6 車輛駕駛區(qū)域隨降速的移動

在發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速從2 400 r/min變化至2 600 r/min的過程中，車速隨不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化情況見圖7、圖8和圖9。結(jié)果表明，在額定負荷下，發(fā)動機降速導(dǎo)致的發(fā)動機轉(zhuǎn)速差最大。

圖7 車速性能(額定轉(zhuǎn)速2 600 r/min)

圖8 車速性能(額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min)

圖9 車速性能(額定轉(zhuǎn)速2 400 r/min)

4.2 降速對傳動的影響

車輛的動力性取決于傳動機構(gòu)零部件的特性。為了節(jié)約燃油及滿足各種排放法規(guī)的要求，大量發(fā)動機制造商都在重點開發(fā)降速發(fā)動機。通過采用更為快捷的后傳動軸傳動比，并將后傳動軸耦合到直接驅(qū)動變速箱上可以實現(xiàn)發(fā)動機降速?？焖賯鲃颖扰c直接驅(qū)動變速箱的組合改善了載貨車的起動性，降低了車輛巡航時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而提高了燃油經(jīng)濟性。由于后傳動軸傳動比減小，可極大提高用于保持可接受起動性所需的傳動機構(gòu)扭矩。降速發(fā)動機將是未來提高燃油效率和減少排放的一種發(fā)展趨勢。

5 總結(jié)

通過大量試驗分析了不同參數(shù)對發(fā)動機標(biāo)定轉(zhuǎn)速降速的影響。最終分析結(jié)果表明，降速改善了車輛的燃油耗和排放循環(huán)，降低了燃油耗。針對主要試驗參數(shù)的分析，得到了以下試驗結(jié)果：(1)活塞平均速度：通過降低較高發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的活塞速度可以減少發(fā)動機功率損失。提高活塞的設(shè)計邊界可以延長活塞的使用壽命。(2)燃油經(jīng)濟性：由于發(fā)動機將在更佳的容積效率區(qū)域內(nèi)運行，因此燃油經(jīng)濟性得到改善。針對不同的路況組合，車輛的燃油經(jīng)濟性改善2%。(3)發(fā)動機排放：隨著發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速的變化，PM和碳煙排放減少2%～3%，燃油耗也提高了2%。(4)發(fā)動機和車輛耐久性：活塞降速將對發(fā)動機結(jié)構(gòu)耐久性和零部件壽命產(chǎn)生有利影響。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速相對實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速有所下降，因此峰值燃燒壓力下降。由于發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速下降，每個檔位的車輪終端扭矩提升，有助于改善每個檔位的駕駛性。(5)循環(huán)燃油耗：轉(zhuǎn)速A、轉(zhuǎn)速B和轉(zhuǎn)速C向發(fā)動機低轉(zhuǎn)速區(qū)域移動，該區(qū)域內(nèi)的BSFC得到改善，BSFC改善在ESC和ETC循環(huán)下具有相同的趨勢。(6)渦輪增壓器和海拔邊界能力：渦輪增壓器堵塞區(qū)域邊界改善，渦輪轉(zhuǎn)速降低5%。由于渦輪轉(zhuǎn)速會隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降而下降，因此低額定轉(zhuǎn)速下的高海拔能力邊界將會改善。(7)車速：由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降，車速也會持續(xù)下降。根據(jù)實際車速觀察，試驗中會產(chǎn)生5 km/h的低端最高車速影響，這個數(shù)值在車輛的所有檔位中都是很顯著的。但是并未發(fā)現(xiàn)對車輛駕駛性有任何影響，因為在試驗過程中車輛幾乎達不到其最高車速。(8)排氣溫度：由于排氣溫度和排氣流量下降，因此后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率受到影響。