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1、 汽车节能技术2 1 AutomobileEnergyDensityTechnology 第二章汽车的节能技术 随着油价节节攀升和石油危机的到来 当今各国纷纷制定出汽车的油耗标准 有的国家规定汽车油耗率必须逐年降低 迫使汽车制造厂采取轿车小型化 减轻自重 减小空气阻力 柴油机化 稀薄燃烧技术 分层燃烧技术 润滑减磨 子午线轮胎 传动系统最佳匹配等许多节油措施 使汽车的油耗大大降低 对我国而言 随着汽车大规模进入家庭 私车保有量的日益增多 汽车节油也显得越来越迫切 第一节影响燃油经济性的因素 汽车燃油经济性是在保证汽车动力性 排放性的基础上 以尽可能少的燃油消耗行驶的能力 在我国和欧洲 燃油经济
2、性通常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量使汽车行驶的里程来衡量 它表示汽车在一定使用条件下 以最小的燃油消耗量完成一定行驶里程数的能力 车燃油经济性有两种测定法 一是行驶试验法 另一种是在平坦道路上和一定条件下进行等速油耗试验 根据各国度量单位制及衡量习惯的不同 中国 日本和欧洲大多数国家一般采用升 百公里 L 100km 表示法 以行驶100公里所消耗的燃油量作为汽车燃油经济性的指标 美英等国一般采用英里 加仑 mile gal 表示法 简称MPG 以消耗1加仑燃油量汽车所能够行驶的里程作为汽车燃油经济性的指标 附注 加仑分为美加仑 u s gal 和英加仑 gal 1美
3、加仑 0 8327英加仑 3 7853升1英里 mile 1 609公里 km 燃油经济性的指标等速行驶燃油消耗量是指汽车在额定载荷下 以最高档在水平良好路面上等速行驶100公里的燃油消耗量 一般乘用车的燃油经济性指标常以等速行驶的百公里耗油量来表示 循环行驶工况对汽车的速度 加速度 行驶时间和距离等作了详细的规定 这种循环行驶工况包括有多种工况条件下汽车的燃油消耗状况 例如轿车多工况燃油消耗的测定有25个工况循环 称为轿车25工况试验 包括怠速 加速 换档 匀速 减速 怠速等循环行驶工况 还有微型汽车10工况 载货汽车6工况试验等 它们比较客观地反映汽车的实际耗油量 因此通常以循环行驶工况燃
4、油消耗量作为汽车综合性评介指标 kg 100km 汽车燃油消耗方程式 式中 ge 燃油消耗率 g kW h Va 车速 km h c 传动效率G 汽车质量 kg 滚动系数CD 空气阻力系数A 迎风面积 m2dVa 直线行驶加速度m S2dt 第一节影响燃油经济性的因素 燃油经济性影响因素各种汽车的燃油经济性是有差异的 影响汽车燃油经济性的重要因素是发动机性能 但还有其它因素影响 包括汽车的构造 驾驶技术和道路情况等 1 目前国内的轿车发动机都是高速汽油发动机 发动机的热效率越高燃油利用率越高 也就越省油 而发动机的热效率随压缩比的增加而增加 现在轿车汽油发动机压缩比一般在9 3 10 5之间
5、同时 还采用配气系统可变装置 可变气门升程 可变凸轮轴转角 可变进气管长度等 和稀燃技术 来达到节油目的 第一节影响燃油经济性的因素 发动机的工作过程中影响油耗的两个最根本因素是空燃比和发动机负荷 这两个值都有一个理论上的最佳值 汽车在实际工作过程中 空燃比和发动机负荷的实际值越接近理论值 汽车就越省油 发动机在负荷为90 过量空气系统为1 05时燃烧效率最高 发动机负荷大家都比较了解 我再稍微解释一下空燃比 这个参数实际上就是衡量混合器浓度的一个量 1为标准浓度混合气 大于1的为偏稀 小于1偏浓 以上所述是理论 下面我们看看显示生活中的什么情况影响油耗 1 进气系统的故障 会导致油耗的增加
6、如空气滤清器经久不换 导致进气不够 油耗一定会增加的 还有 节流阀体很久没有清理 也会让油耗增加 2 点火系统的故障比如火花塞有积碳 3 油路故障 比如喷油嘴脏了 供油系统有问题等 第一节影响燃油经济性的因素 4 磨合润滑不好 如车轮轴承部分缺少润滑油 致使磨擦系数增加 从而油耗也会增加等 新车一开始的油耗一般不如已跑了一段时间的车5 另外 一些电喷的发动机的关键传感器 比如空气流量传感器 氧传感器若工作不正常也将影响ECU对喷油时间的控制 造成油耗增加 当然 这个检测比较困难 第一节影响燃油经济性的因素 发动机负荷率与节能发动机的节能途径可以归纳为以下两大类 第一 提高发动机本身的燃油经济性
7、 这是指降低发动机在各种工况下的比油耗 从热力学角度来看 有几条途径可循 提高过量空气系数 提高热效率 提高压缩比 提高热效率 提高进气管压力 减少泵气损失 优化燃油喷射 使燃烧更加完全 优化汽油机点火定时或柴油机喷油定时 提高热效率 减少热损失 提高热效率 降低摩擦损失 提高机械效率 第一节影响燃油经济性的因素 第一节影响燃油经济性的因素 第二 优化和转移发动机的工况点 这是指尽可能地使发动机运行在最低比油耗的工况区域 此举的节能潜力不可小看 混合动力车之所以节能效果明显 也与此有关 从BMW公司2001年产320d手动变速轿车4缸2 0升TDI柴油机的万有特性曲线可见 在整个工况范围内 只
8、有一个极小的区域能够达到最低燃油消耗率 在同一台发动机中 最高燃油消耗率可以达到最低燃油消耗率的一倍 甚至更多 第一节影响燃油经济性的因素 最佳燃油经济性出现在柴油机和汽油机的较高负荷率区域 因为此时的泵气损失较小 负荷率定义为在一个确定的发动机转速下实际负荷跟该转速下的最大负荷的比值 最佳燃油经济性出现在一个很小的发动机转速区域内 而在此区域内燃油经济性最佳的负荷率大致为80 90 燃油经济性最佳的转速区域 在现代轿车柴油机中是2500r min上下的中速范围 在汽油机中则在较低的转速范围 即2000r min左右 一般来说 提高发动机负荷率可以提高燃油经济性 第一节影响燃油经济性的因素 普
9、及型轿车对最高车速的要求较低 那怕是装备一台标定功率只有30kW左右的发动机也可以勉强过得去 可是豪华型轿车对最高车速要求很高 甚至超过220km h 所以后者装备的发动机功率可达前者的十倍 某些豪华型轿车装备了12缸V型或W型发动机 功率超过300kW 但是 在城巿行驶工况中 汽车怠速时间长 平均车速低 不可能达到最高车速 即使是大功率豪华型轿车 在都巿中行驶时的功率需求也只有7 5kW左右 此时 豪华型轿车只利用了发动机标定功率的很小部分 甚至只有四十分之一 第一节影响燃油经济性的因素 要解决豪华型轿车在低工况下的燃油经济性问题 最有效的办法是缩小低工况下发动机实际功率和标定功率之间的差别
10、 从而提高发动机的负荷率 第一节影响燃油经济性的因素 2 汽车质量越大滚动阻力越大 滚动阻力越大耗油越大 这是一个常识 减少汽车装备重量 提高汽车装载重量 可以减少运载物体单位重量的燃油消耗 也就是提高了汽车的燃油经济性 这里的 重量 也就是指汽车技术指标中的 质量 概念 常见的汽车 装备质量 和 装载质量 也就是指重量 减少汽车尺寸和质量是提高燃油经济性的有效措施 汽车要合理设计和精心地计算分析 要采用高强度材料和轻质材料 统计表明 整车质量为1360kg的汽车 当汽车总质量减少10 油耗降低8 8 第一节影响燃油经济性的因素 3 由于现代汽车速度的增高 汽车的外型对燃油经济性也有重要影响
11、车速越快影响越大 这就是人们常说的 风阻 减小空气阻力主要是通过减少汽车的迎风面积和空气阻力系数来实现 一般而言迎风面积取决于汽车的体积 空气阻力取决于车身造型 为此 汽车车身紧凑化和流线型是提高燃油经济性的途径 目前许多轿车的空气阻力系数在0 28 0 3左右 对减少燃油消耗起到很大作用 第一节影响燃油经济性的因素 4 汽车的传动系对汽车的燃油经济性有重要影响 变速器档位越多 不但汽车换档平顺 而且使发动机增加了处于经济工况下运行的机会 有利于提高燃油经济性 因此现代汽车都是趋向于5档或以上变速器 或者采用无极变速 保证在任何条件下具有使发动机在最经济工况下工作的可能性 在速度不变的情况下
12、接合高速档时 传动比小发动机转速低 接合低速档时 传动比大相应的发动机转速高 由发动机负荷特性可知 当发动机负荷相同时 一般是转速越低燃油消耗率越小 在一定的行驶条件下 传动系的速比越小 汽车的燃油经济性越高 因此汽车的经济行驶都在高档位 第一节影响燃油经济性的因素 5 轮胎对汽车燃油经济性也有影响 因为在一定道路条件下轮胎结构和表面形式对滚动阻力影响很大 现在汽车绝大多数都用子午线轮胎 问题是胎纹和尺寸 现在兴用宽胎 宽胎对汽车的平稳和驾控比窄胎好 但因滚动阻力比窄胎大 因此耗油也大 6 汽车的技术状况 行驶路面环境及驾驶技术 都对汽车燃油经济性有重大影响 例如以手动档为例 据资料表明驾驶者
13、如果能够根据汽车的运行条件合理操作 及时选定适合的档位 节油幅度可达10 25 第二节发动机节能技术 2 2 1发动机节能原理 1 汽油机的理想循环 等容加热循环1 2的压缩过程 绝热压缩 2 3的燃烧过程 等容加热 3 4的膨胀过程 绝热膨胀 4 1的排气过程 等容放热 第二节发动机节能技术 2 车用柴油机的理想循环 混合加热循环1 2的压缩过程 绝热压缩 2 3的燃烧过程 等容加热 3 4的燃烧过程 等压加热 4 5的膨胀过程 绝热膨胀 5 1的排气过程 等容放热 混合加热循环的热效率 V1 V2 压缩比 P3 P2 压力升高比 V4 V3 预胀比 k 绝热指数 第二节发动机节能技术 3
14、压缩比的影响压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的 由热效率公式可知 T 当压缩比较小时 热效率随压缩比的增加显著增大 当压缩比较大时 热效率随压缩比的增加增大较少 第二节发动机节能技术 第二节发动机节能技术 为了提高发动机的热效率 关键是组织好进 排气过程 喷油过程 燃烧过程 减少各种损失 主要措施有 提高压缩比 稀燃技术 直喷技术 增压 中冷技术 可变进气技术 改善进排气过程 改善混合气在气缸中的流动方式 改进点火配置提高点火能量 优化燃烧过程 电控喷射技术 高压共轨技术 绝热发动机技术等 第二节发动机节能技术 2 2 2汽油机电控喷射系统电控汽油喷射系统 ElectronicFuelIn
15、jectionSystem 简称为EFI 它利用各种传感器检测发动机的各种状态 经微处理器的判断 计算 使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气 1 汽油喷射的基本概念 1 汽油喷射一定数量和压力的汽油经过喷油器直接喷入气缸或进气岐管 第二节发动机节能技术 2 汽油喷射系统组成 电控汽油喷射系统主要由下列四部分组成 进气系统供油系统控制系统点火系统 第二节发动机节能技术 2 汽油喷射的优点 1 能实现空燃比的高精度控制 2 充气效率高 3 瞬时响应快 4 起动容易 暧机性能好 5 节油和排放净化效果明显 6 减速断油功能 亦能降低排放 节省燃油 7 便于安装 一般而言 与传统的化油器发动
16、机相比 装用电控燃油喷射系统的发动机功率提高5 一10 燃料消耗降低5 一15 废气排放量减少20 由于扭矩特性的明显改善 瞬时响应快 汽车的加速性能大大提高 怠速平稳 冷车起动更容易 暖机更迅速 第二节发动机节能技术 2 2 3稀燃技术车用汽油机稀燃及实现技术稀燃是指发动机在空燃比 大于理论空燃比情况下的燃烧 稀燃时 燃料可以燃烧完全 有害排放物 和 2都较少 由于稀燃时燃烧室内的主要成份为 2和 2 它们的比热比较小 多变指数 较高 因而热效率高 燃油经济性好 实现稀燃技术的关键是点火瞬时在火花塞处形成易于着火的浓混合气 空燃比 12 13 5 其余处为稀薄混合气 可以提高稀燃能力 缩短火焰发展期和燃烧持续时间 但稀燃使火焰传播速度变慢 因此 应采取相应的措施来促进缸内混合气分层及加快火焰的传播 第二节发动机节能技术 1 着火极限问题和解决措施均质混合气 1 4或A F 20 85时 过稀的混合气便达到了着火极限 稀薄燃烧发动机的空燃比可以高达50 100 远远大于着火极限 主要措施有加强雾化 组织一定的气流运动 改进点火系统和采用分层燃烧技术 加强雾化任务是使燃油的颗粒细化 使油
