分析通過降低摩擦以改善乘用車的燃油耗及混合動力車的可能性

以減少汽車輪胎的滾動阻力為實例，說明在內(nèi)燃機汽車的動力傳動系統(tǒng)中，減少了各部件的摩擦損失時對燃油耗的影響。擇要論述了關(guān)于混合動力汽車在減少其動力傳動部件的摩擦損失的情況。以2010 年標(biāo)準(zhǔn)的汽油機乘用車為基準(zhǔn)，預(yù)測減少動力傳動各部件的損失對于燃油耗改善的影響。

對于減少溫室氣體排放，減少汽車的CO2排放量作為重要課題引起了人們關(guān)注。如果使汽油機的燃燒效率從35%提高到40%，則汽車的燃油經(jīng)濟性能改善多少? 輪胎的滾動損失減少10%，則燃油經(jīng)濟性可改善多少? 日本摩擦學(xué)會的第一研究會“利用汽車的摩擦學(xué)以開展節(jié)能預(yù)測調(diào)查研究會( 2011-2013 年) ”( 以下簡稱研究會) ，調(diào)查了削減動力傳動系各部件的損失時對改善燃油耗的影響。本文以該研究成果為基本內(nèi)容，例舉減少汽車輪胎的滾動阻力，用以說明配裝了內(nèi)燃機的汽車動力傳動系統(tǒng)中，減少了各部件摩擦損失時對燃油耗的影響。另外，關(guān)于目前在日本作為主流環(huán)保車型的混合動力車( HEV) ，也包含了減少了HEV 動力傳動系的摩擦損失情況。另外，本文將發(fā)動機的泵氣損失及輪胎的滾動摩擦損失等與動力傳動有關(guān)的全部部件的損失作為摩擦損失處理，而車體的空氣阻力不列為減少對象，需另行計算。

2降低輪胎滾動摩擦損失的燃油耗改善

各輪胎生產(chǎn)商都在開發(fā)降低汽車行駛中的滾動摩擦損失的輪胎( 環(huán)保輪胎)，如果能減少輪胎的滾動摩擦損失，則可以減少燃油耗，但效果尚未明確。日本汽車輪胎協(xié)會，將降低輪胎的滾動摩擦損失時的燃油耗改善作為“貢獻(xiàn)率”，表1 列出了該貢獻(xiàn)率的數(shù)值。例如，貢獻(xiàn)率為10% 時，如降低20% 的輪胎滾動摩擦損失，則能夠減少2%的燃油耗。表1 中表示符合行駛條件的貢獻(xiàn)率，隨著車型和車型質(zhì)量不同，貢獻(xiàn)率會有所變動。所以，該數(shù)值的范圍寬廣，在平坦的道路上，以勻速行駛的車輛貢獻(xiàn)率超過20%。

32010年乘用車與各部件的負(fù)荷率

考慮到乘用車的燃油耗時，有必要確定使用標(biāo)準(zhǔn)的乘用車規(guī)格。研究會將表2 所示的規(guī)格作為標(biāo)準(zhǔn)的2010 年乘用車的規(guī)格。在研究會制定表2 的標(biāo)準(zhǔn)乘用車規(guī)格方面，將用60 km/h 的恒定速度在平坦的路面行駛時的燃油耗值設(shè)定為100，推定了各部件消耗的負(fù)荷率，圖1 表示其結(jié)果。發(fā)動機的理論機械輸出功率是30 kW( 占燃油耗100 中的40%) ，排氣、冷卻損失占60%，機械輸出功率占50%，也就是在60 km/h 的平坦道路行駛中，純輸出功率為20%，發(fā)動機內(nèi)的摩擦損失20%，其分布明細(xì)中，泵氣損失所占比最大。純輸出功率中變速器、差動裝置的摩擦損失為5%，15% 的功率傳遞到車輪上，而輪胎的滾動摩擦損失最大。另外，制動損失是在行駛中，制動襯片由于與制動盤接觸而產(chǎn)生的損失，稱為拖曳( 打滑) 阻力。最后是5% 的空氣動力阻力，全部的燃油能量被消耗。

表3 列出動力傳動裝置各部件的燃油( 能量) 消耗負(fù)荷率。輪胎的滾動摩擦損失占7.5%，在動力傳動裝置各部件中負(fù)荷率最大。就該負(fù)荷率而言，假如考慮對燃油耗的影響，那么，貢獻(xiàn)率不到7.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本汽車輪胎協(xié)會要求的20%～25%，可推測受到其他效果的影響。

4報告分析

課題組以全世界汽車為對象，對平均速度為60km/h 的實際行駛進(jìn)行分析，獲得關(guān)于減少燃油耗的以下結(jié)論:

( 1) 燃料能量的33%被用于發(fā)動機、變速器、輪胎和制動中克服摩擦損失。

( 2) 總摩擦損失( 含空氣阻力5%) 的減少，以三重效果對燃油耗產(chǎn)生影響，采用相同的比例減少排氣損失與冷卻損失。

( 3) 以平均速度60 km/h 進(jìn)行實際勻速行駛，與2010 年的車輛行駛情況相比，2020 年的車輛行駛情況可減少52%的燃油耗。

課題組的分析是將市區(qū)道路到高速公路的平均行駛車速設(shè)定為60 km/h，而課題組的結(jié)論中，與作為平坦道路行駛的研究會顯示大致相同的負(fù)荷率( 研究會為35%) 。值得關(guān)注的是，包括空氣阻力在內(nèi)的總摩擦損失的減少，是以同樣的比例，減少排氣、冷卻損失( 圖1) 。在減少摩擦損失前后，假如燃燒效率沒有較大的變化，那么，作為最大的損失估計是可以被認(rèn)可的。因此，假設(shè)其為適應(yīng)于輪胎的摩擦損失減少的實例。由圖1 可知，由于總摩擦損失為40%，則輪胎摩擦損失占總摩擦損失的18.75%，形成在總摩擦損失( 含空氣阻力) 的削減比例。排氣、冷卻損失也按相同比例減少。但是，作為最大的損失估計，仍未達(dá)到日本汽車輪胎協(xié)會認(rèn)可的損失率20% ～25%。

5追溯效果

在貢獻(xiàn)率的推定中，在減少了輪胎滾動摩擦損失的情況下，設(shè)定其他動力傳動各部件的摩擦損失不變，并對比進(jìn)行了計算，限定發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，機油泵及離合器的摩擦損失不變。但是，在齒輪及軸承等部件方面，如果輪胎的滾動摩擦損失減少，則傳遞的動力也隨之減少，摩擦損失也會相應(yīng)減少。因此，如圖2 所示，為調(diào)查減少了輪胎滾動損失的10%時的影響，從動力傳動上游的一部分零部件( 有影響的部件) 的損失中扣除各組件( 部件) 的損失，計算出了最終的燃油耗。在此，表示數(shù)值作為燃油耗進(jìn)行換算。另外，在曲軸軸承中，由于對轉(zhuǎn)速的依存度高，減少了影響量。計算結(jié)果表明，燃油耗減少了2.77%，損失率為27.7%。在日本汽車輪胎協(xié)會的數(shù)值中，20%～25%( 損失率) 中的20%是在空氣動力阻力較大的高速公路上勻速行駛時的損失率值。而25%是為研究會設(shè)定的以60 km/h 左右的中速行駛的損失率值，上述的計算是最大的估計值。因此，貢獻(xiàn)率27.7%是理想化的推定，將動力傳動系統(tǒng)下游部件的損失減少對于上游部件損失的影響稱為追溯效果。

6近似實際行駛?cè)加秃?/p>

圖2 以60 km/h 速度在平坦道路上行駛，

由于削減輪胎摩擦損失10%，

獲得燃油耗改善( L/100 km)

燃油的行駛路程假定為20 km( 燃油耗為百公里5 L) 。作為排量1.8 L 的2010 年乘用車，打破實用經(jīng)驗常規(guī)，燃油經(jīng)濟性良好。另一方面，工況( 如IC08 工況) 燃油耗規(guī)定復(fù)雜的加、減速要求，利用計算來推定燃油耗是較為困難的。因此，利用下面的假定，計算近似實際行駛的燃油耗。如表2 所示，標(biāo)準(zhǔn)乘用車在坡度5°的坡道上，以60 km/h 的恒定速度上坡行駛時，在交叉點等處的加速也與此相似。相反，以同樣的恒定速度，在相同坡道上下坡時，減速也與此相似。行駛里程為100km 時，設(shè)定上坡里程占比為30%，以60 km/h 在平坦道路上行駛里程占比為40%，下坡里程占比為30%，假設(shè)這種分配近似于實際行駛情況。排量為1.8 L 的車輛，在坡度5°的坡道上坡行駛，在直接傳動為零時，并不能維持60 km/h 行駛，車輛會下滑。

另外，在坡度為5°的坡道下坡，離開加速踏板會產(chǎn)生加速，用這種假定計算燃油耗時，有必要估算上坡時增加的摩擦損失。表3 表示以標(biāo)準(zhǔn)乘用車的負(fù)荷及發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增大為基礎(chǔ)，由研究會估計的在坡度超過5°的坡道，上坡時的摩擦損失比例增大。利用該值及在坡度為5°的坡道上連續(xù)上坡100 m 所積累的純功換算值，可得到圖3 的能量分配。需要將整備質(zhì)量1 500 kg 的車體提升上坡5 000m 時，2.2 L 汽油( 熱值) 做的純功。由于摩擦損失也會增大，燃油耗為百公里13.45 L。平坦道路上行駛為百公里5 L，下坡時利用燃油切斷裝置，由于燃油耗為百公里0 L，近似實際行駛的燃油耗相當(dāng)于16.6 km/L，作為1.8 L 的2010 年車輛在郊外安全行駛時的燃油耗是較為妥當(dāng)?shù)?，接近于JC08 工況燃油耗值。

7各部件的摩擦損失率

圖1 和圖3 中，設(shè)定輪胎的負(fù)荷率為零( 摩擦損失減少率100%) ，考慮到追溯效果，如計算上述的近似實際行駛，則燃油耗為百公里5.06 L。其結(jié)果根據(jù)輪胎損失減少前的百公里6.03 L 的減少率16.1%，成為輪胎近似實際行駛的摩擦損失率。由于表1 的工況行駛的貢獻(xiàn)率是10%～20%，是較為妥當(dāng)?shù)?。? 表示用同樣的方法計算了動力傳動各部件摩擦損失率的結(jié)果。例如，發(fā)動機活塞貢獻(xiàn)率是7.2%，如果削減其摩擦損失30%，則燃油耗削減2.16%，在近似實際行駛中是有可能的，如可以使用表3 簡單地進(jìn)行計算。

8利少摩擦損失以改善車輛的燃油耗

研究會進(jìn)行了研究討論，即相比表2 的2010 年車輛，到2020 年，能夠減少動力傳動系各部件的摩擦損失。由研究會成員的汽車零件制造商及汽車生產(chǎn)商的研究人員，提出了表3 的預(yù)想值，它不僅可作為技術(shù)上的參考值，而且也可作為市場上可以實現(xiàn)的值?？紤]到總摩擦損失的三重效果及研究會的追溯效果，如果根據(jù)表3 所示各部件的損失減少來計算燃油耗，則2020 年車輛的平坦道路行駛中燃油耗為百公里3.25 L，可獲得約35% 的燃油經(jīng)濟性改善。另外，加上坡道行駛的燃油耗，2020 年車輛的近似實際行駛的燃油耗成為百公里4.30 L，相比于2010 年車輛的百公里6.04 L，改善燃油經(jīng)濟性達(dá)29%。日本政府在2015 年的G7 法規(guī)中提出了新的目標(biāo)，到2030 年時，使溫室效應(yīng)氣體排放量比2013 年減少了26%。雖然年度不同，可是對于普通乘用車而言，由于摩擦學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，能夠達(dá)到削減溫室效應(yīng)氣體的排放目標(biāo)。

9削減HEV的摩擦損失以改善燃油經(jīng)濟性

HEV 車輛在減速下坡行駛時，利用制動再生發(fā)電回收加速后的動能，幫助蓄電池進(jìn)行充電，在發(fā)動機燃燒效率較低的時候，借助電動機輔助(為加速提供輔助動力) 方式以改善燃油經(jīng)濟性。在此，按照表2 列出的規(guī)格，認(rèn)為是只帶有蓄電池組，以及電動機的理想化的HEV。至于上述的近似實際行駛中，以高負(fù)荷工況為代表，假定將勢能的50%用于電動機的功率。但是，這是利用電動車( EV) 的電動機下坡行駛。如果利用EV 的電動機上坡行駛，蓄電池提供的電力可在上坡道上到高度的一半。不能完全定論，因為有輪胎的滾動損失及空氣動力阻力等損失。還是能上到1 /4 左右的高度，這與實際上乘坐HEV 的感受一致。另外，在平坦道路行駛時，不能得到再生制動效果。因此，設(shè)定與一般車輛的燃油耗相同。

在這類假定的基礎(chǔ)上，相比表2 列出的2010 年一般車輛，計算出2010 年HEV 的燃油耗，以及削減了摩擦損失的2020 年普通車的燃油耗。而且，設(shè)定了普通車為HEV 時近似實際行駛中的燃油耗，其結(jié)果示于圖4。減少了摩擦損失的2020 年的HEV，與2010 年的相比，計算出其燃油經(jīng)濟性改善了32%。另外，在2010年，與一般車輛相比，HEV 減少了25%的燃油耗。對此而言，到了2020 年，HEV 比一般車輛減少了28% 的燃油耗，可預(yù)想其差異變大。HEV 減少摩擦效果之所以優(yōu)于一般車輛，是因為其利用了在制動減速( 包括發(fā)動機制動) 中消耗的能量。如果除去空氣動力損失，燃料只用于動力傳動的摩擦損失上，減少該摩擦損失，直接關(guān)系到燃油經(jīng)濟性的改善。

10結(jié)語

以減少輪胎的滾動損失對裝有內(nèi)燃機的乘用車的燃油耗減少的影響為實例，研究了其推斷方法的結(jié)果，并得到了以下結(jié)論:

(1) 包括空氣阻力的總摩擦損失的減少率，由于考慮用同樣的比例來減少排氣、冷卻損失，以及動力傳動系統(tǒng)下游部件的損失減少對于上游部件損失的影響的追溯效果，可以推定各部件的損失減少對減少燃油耗的影響。

(2) 在以60 km/h 的勻速行駛中，設(shè)定在坡度為5°的坡道上，上坡行駛比例30%，平坦道路行駛比例40%，下坡行駛比例30%的近似實際行駛，能夠利用簡便的計算推定接近于實用的燃油耗水平。另外，在2010 年的普通乘用車的近似實際行駛中，可以得到動力傳動各部件對燃油耗的貢獻(xiàn)率。

(3) 根據(jù)研究會預(yù)測的動力傳動系各部件的損失減少，在近似實際行駛方面，2020 年車輛的燃油耗相比2010 年車輛燃油耗減少了29%。

(4) 2020 年的HEV 由于摩擦損失的削減，相比于2010 年的HEV 的近似實際行駛的燃油耗改善了32%，可預(yù)計與一般車輛的燃油耗差異會變大。

以2010 年的標(biāo)準(zhǔn)的汽油機乘用車為基準(zhǔn)，預(yù)測出動力傳動系各部件的損失削減對于燃油耗影響的結(jié)果。對于汽車零件生產(chǎn)商而言，減少每個部件的損失時，表3 所示的摩擦損失率，確信對于目標(biāo)的設(shè)定會發(fā)揮較大的作用。然而，近些年變速器及發(fā)動機有所改進(jìn)，科研人員也在努力推進(jìn)減少功率損失的工作。展望未來，有必要就每個部件進(jìn)行再調(diào)查，而本文論述的方法也是有效的。