未來，需要進一步降低商用車燃油耗和由此產生的二氧化碳排放。AVL公司基于1臺6缸重型柴油機，對一種優化基本發動機部件的方法進行了評估。

1技術趨勢

要進一步顯著降低現代商用車發動機的燃油耗，必須全面分析動力系統的結構。尤其是遠距離行駛的商用車，更需要降低發動機速度，使發動機在較低的轉速范圍內運行（圖1）。為了確保汽車在較低檔位時仍具有良好的爬坡能力和駕駛性能，配備自動雙離合變速器來相應調整未來發動機的扭矩特性。

圖1 發動機降速時的扭矩特性：移向較低的轉速范圍

隨著發動機功率密度的進一步提高導致熱負荷增大，而最高燃燒壓力達到25 Mpa，甚至更高。這對基本發動機設計、結構強度、冷卻、摩擦、質量和成本都是很大的挑戰[1]。仔細分析經濟可行性后，很快得出一種降低燃油耗的模塊化方法[2]。

概念性措施對制造工藝具有很大影響，因此必須在產品定義階段就加以考慮。這些措施包括輕質結構、曲軸偏置、較長的連桿、摩擦優化的配氣機構、主軸承直徑最小化、可切換式活塞冷卻噴嘴或分流式冷卻等。

對制造和裝配進行合理改動后就可采用優化措施，大部分優化措施都適用于改進現有發動機系列。例如，連桿軸承直徑最小化、軸承間隙優化、機油循環壓力和流量優化、缸套變形最小化或珩磨參數優化。

只需對制造和裝配進行輕微改動，甚至無須變化就可采用附加措施，因此，大部分附加措施都適用于現有發動機系列。包括低摩擦涂層、可變容量冷卻液泵和機油泵、電控恒溫器、可切換式空氣壓縮機和風扇、電動液壓動力轉向泵。

下文將介紹上述措施中的部分技術。

2輕質曲軸箱

與Fritz Winter公司合作研究降低12 L重型發動機曲軸箱質量和成本的潛力。在鑄造過程中采用特殊措施可使公稱壁厚達3.5 mm。通過有針對性地控制鑄造或冷卻過程，實現薄壁鑄造。薄壁鑄造不僅適用于灰鑄鐵，還適用于蠕墨鑄鐵。同時對傳力結構進行了優化和計算驗證，使最高燃燒壓力達22 MPa。

成品部件具有12%以上降低質量的潛力，其中最大的潛力在曲軸箱外圍，達到5%（圖2）。保持曲軸箱的制造成本不變，未來發動機設計降級質量的優勢接近31 kg。

圖2 通過重型發動機曲軸箱薄壁鑄造技術降低質量

3氣缸蓋冷卻

最高平均壓力和最低燃油耗的設計除了會使燃燒壓力更高，還會導致鼻梁區的熱負荷明顯上升，因而對氣缸蓋冷卻（特別是氣門座孔之間的部位）提出了更高要求。在AVL公司自上而下的冷卻概念中，氣缸蓋中的冷卻液從上層水套流至噴油器區域，再集中到氣缸蓋底板（圖3）。這樣除了可以實現結構優化外，還能使鼻梁區溫度比標準冷卻溫度減少15°C。此外，冷卻液流量對制造誤差不再敏感。這種氣缸蓋的制造成本幾乎與傳統氣缸蓋的制造成本相同。

圖3 自上而下的重型發動機氣缸蓋冷卻

4減摩

從經濟角度考慮，優化發動機比采用混合動力和其他車輛的措施更有吸引力，因而降低發動機機械損失變得越來越重要。AVL公司的發動機拆解結果數據庫能夠在概念階段定義各分系統的摩擦目標值。

5曲軸設計

曲軸軸承的摩擦約占發動機總摩擦的20%~25%，因而優化主軸承直徑和連桿軸承直徑有利于減少曲軸摩擦。在參數變化中，將主軸承和連桿軸承結合比較（圖4）。所有軸承都符合剛度和強度要求，而邊緣載荷風險是決定性參數。最佳方案可減少摩擦約8%。

圖4 曲軸設計的參數變化（重型柴油機，最高燃燒壓力24 MPa）

增大軸承間隙是減少軸承摩擦的輔助措施，其限值由噪聲-振動-平順性（NVH）要求來決定。系列公差最小化是盡可能增大公稱軸承間隙的先決條件。為此，可對曲軸、曲軸箱和軸瓦進行分級，或者采用縮小制造公差等方法。

6曲軸偏置

氣缸與曲軸之間的軸向偏移可在相應運行范圍內減小活塞側壓力[3]。最佳曲軸偏移范圍為氣缸直徑的10%~15%。商用車發動機的氣缸套底部需設有1個凹槽，以確保連桿所需的空間。因此，氣缸套需要周向定位，多年來，這種技術已是采用三連桿的船用發動機的最先進技術。

通過高精度的活塞運動仿真可確定并優化減摩量（圖5）。摩擦損失可減少約10%，相當于平均有效摩擦壓力降低了2.5%~3.5%。對于新設計的發動機，偏置幾乎不影響其成本。

圖5 通過曲軸偏置降低平均摩擦壓力（重型直列6缸發動機，曲柄連桿比0.27，發動機轉速1 200 r/min，部分負荷較高）

7活塞與活塞環

設計活塞環時需在摩擦、機油消耗量、漏氣和磨損之間進行折衷。增大活塞與氣缸之間的滑動間隙能減少摩擦，其限值由NVH要求來決定。在NVH特性不變的情況下，曲軸偏置只能通過略微增大滑動間隙，因而需要考慮活塞銷偏置。

此外，在設計活塞環時，縮小環高可明顯減小預應力。諸如類金剛石石墨涂層與優化設計相結合，可顯著減小摩擦，但目前仍受成本影響。重型發動機的緊湊型鋼活塞具有明顯的減摩優勢。縮小壓縮高度通常有利于發動機高度設計。比較測量結果表明，活塞組摩擦減少12%~15%。

8熱管理

在典型的行駛循環測試中，通過持續優化發動機和汽車熱管理，典型環境下的燃油耗可降低2%[4]。在部分負荷時，采用由特性圖控制的冷卻液泵，并將冷卻液溫度提高到允許的最高水平，可挖掘出極大的節能潛力。采用分流式冷卻方法可以獨立控制氣缸套和氣缸蓋冷卻，結合采用AVL公司自上而下的氣缸蓋冷卻方法效果更佳。

風扇對商用車熱管理至關重要。由于安裝風扇后起動功率高達50 kW左右（廢氣再循環方案），所以只有在其他措施都無法充分實現冷卻時才起動風扇。采用多級或主動控制的連續可調風扇離合器，可降低燃油耗0.8%。

9基于需求的輔助控制

無論是動力轉向泵，還是空氣壓縮機，在遠距離行駛時都很少需要全部的安裝功率。在大多數情況下，輔助裝置都在較低的功率下運行，從而造成明顯的損失。怠速時，沒有功率限制的常規空氣壓縮機在行駛循環中累計可節省的損失功率為總油耗的1.3%，有功率限制的空氣壓縮機通過與驅動解耦，可節油0.3%。

10結語

AVL公司應用成本分析方法預測成本的影響，并在早期將其用于成本決策[5]。這種成本分析方法以現有的制造工藝和成本結構或最佳的實際制造工藝為基礎。以6缸重型柴油機為例，明確了采用降耗措施后的部件不再計入研發成本（圖6）。

圖6 降低CO2措施的成本（無研發成本）

鑒于總成本，上述技術累計的額外費用在遠不到一年時間內（投資回報率）就能掙回。在典型的遠距離行駛循環中，相比采用傳統設計方案的發動機，采用優化措施的基本發動機的節油潛力高3%~5%。采取熱管理措施對發動機進行改進后，該值能達7%。在任何情況下，基本發動機優化的出發點都是采取措施進一步降低油耗，如余熱回收、商用車總傳統系統的電氣化或混合動力化，需根據不同的應用來考慮其成本效益比。