汽车节能技术调查研究

汽车节能技术调查研究

1 引言

大家知道，汽车工业的飞速发展是人类文明的一大骄傲。与此同时，汽车对能源的消耗和废气的排放也日渐成为人类发展的一大障碍。汽车工业对可持续发展应做出的贡献就是减少油的消耗量、降低排放。采用先进科学的节能措施减少汽车废气对大气的污染、改善人类生态环境、节省石油资源。随着国家节能政策的逐步实施，国家对汽车燃油经济性标准的要求越来越严格，同时随着燃油价格的持续上涨，消费者对汽车产品的燃油经济性也越来越关注。除了汽车保有量增加这个原因外，造成我国汽车燃油消耗量巨大的另一个原因是我国的汽车技术整体比欧美、日本等发达国家落后10～20年。欧洲的柴油机技术和美国、日本的混合动力汽车的研制成功以及可替用燃料的不断研制，把汽车能耗进一步降低，而我国老旧车比例高达25%,汽车每百公里平均耗油比发达国家高20%以上。我国现在行驶的乘用车很多是从国外引进的上世纪80年代的车型。即使是最近几年生产的汽车节油技术的采用也非常有限。随着当前我国国民经济和汽车工的快速发展以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出，交通节能减排工作的重要性不断增加，而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分重要性不言而喻。考虑到当前我国的汽车节能技术发展的实际状况除了要积极推进以混合动力、燃料电池、柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的不断发展外，另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品[1]

2 能源和节能的概念

《中华人民共和国节约能源法》中规定了能源和节能的概念。能源，是指煤炭、原油、天然气、电力、焦炭、煤气、热力、成品油、液化石油气、生物质能和其他直接或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。节能，是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理的利用能源。节能是国家发展经济的一项长远战略方针[2]

3 汽车能量消耗的主要因素

汽车依靠发动机发出的动力，通过传动装置推动汽车前进，而发动机是依靠燃料,在气缸内燃烧，放出热量，使燃气的温度和压力增加，体积膨胀，推动活塞做功而获得动力。在此过程中，燃料燃烧后只有一小部分能量转化为有用功，其余大部分以不同形式分别损失在发动机本身和汽车传动装置中。汽车能量转换时的损失情况，可分为以下三点：

3.1 热量转变为机械功时的损失

燃料发出热能的损失，主要是排气、散热、漏气等造成的。发动机工作时气缸内热量的利用程度，用指示功率表示，它是指气体膨胀推动活塞在单位时间内所做的功。指示功率= （推动活塞做功的有效热量）/（燃料总热量），上式说明，推动活塞所做功的有效热量越多，发动机的指示功率越高，则热量损失越少。一般四行程汽油机的指示功率为0.25-0.35，热量损失达65%-75%；柴油机的指示功率为0.4左右，热量损失达60%

3.2 指示功率转变为有效功率时的机械损失

发动机工作时活塞所承受的力，经过连杆使曲轴旋转，经飞轮输出动力。由于部分指示功率要消耗在发动机本身的摩擦损失上，所以从飞轮上实际输出的有效功率要小于指示功

率。为表明发动机指示功率的利用程度，可用机械效率表示。机械效率=（有效功率）/（指示功率）汽油发动机的机械效率约为0.7-0.9，说明发动机的功由活塞经曲轴到飞轮时，摩擦损失达10%-30%。表3-1为柴油机和汽油机热量分配表。

3.3 有效功率转变为汽车传动功率时的损失

发动机发出的有效功率，经过传动装置传到驱动轮时，由于一部分有效功率损失在传动装置中，所以驱动功率又小于有效功率。为表明有效功率的利用程度，可用传动效率来表示。传动效率=（驱动轮功率）/（有效功率）不同车辆的传动效率大约为80%-95%，即有5%-20%的有效功率消耗于传动装置中。直接档因为是动力直接从中间轴传递，在变速器内部不经过齿轮传递，所以光从传动效率应来说，直接档比其它档位稍高。发动机及附件能耗占60%，克服空气阻力 3 的能量占21%，能量转化为机械能传到轮胎，用于克服轮胎滚动阻力做功的能量占13%。汽车节能的关键是降低热能损失和降低摩擦。

4 目前重点开发，推广的汽车节能技术

4.1 混合动力技术

混合动力汽车技术具有非常突出的节能效果，技术相对成熟，而且在国际上已经实现产业化和商业化。此外，混合动力技术对所有以内燃机为动力的汽车，具有普遍的适用性，具有几乎可以实现在任何节能技术的基础上，进一步大幅度提高节能效果的可能性。因此，国家应重点支持混合动力技术的开发、产业化和推广应用。根据技术的难易程度，建议首先在城市公交客车上自主研发开发和推广应用混合动力技术，然后，利用自主研发和引进技术相结合的方式，在轿车上应用混合动力技术。建议实现混合动力汽车的产量占汽车总产量的5%以上。为此，国家需要在以下一个方面，予以支持：混合动力汽车用电池技术与专用电机的开发和产业化；发动机电控技术与电机控制技术的开发和产业化；整车性能优化控制技术与制动能量回收技术的开发和产业化；在起步阶段，给予混合动力汽车适度的政策激励[4] 4.2 高效汽油机，柴油机技术

内燃机的技术进步是汽车节能的关键。在内燃机节能技术方面，国家应重点支持以下几个方面：汽油机缸内直喷技术及稀薄、分层燃烧技术；柴油机高压喷射技术（如：高压共轨燃油喷射技术等）；柴油机多次喷射技术；可变气门正时技术；废气涡轮增压技术；可变气缸技术。

4.3 高效载重汽车及其发动机技术

我国目前载重汽车品种短缺，技术相对落后。发展高效的载重汽车，是在现代物流高度发展的形势下，提高运输效率，降低车用能源消耗的重要措施。因此，国家应重点支持载重车用大功率高效率柴油机的开发和产业化工作，以及系列化载重汽车的开发和产业化。

4.4 轿车，轻型车的柴油化技术

柴油化是实现节能的重要途径，随着汽车进入家庭的步伐加快，轿车和轻型车等燃油消耗非常可观。建议国家应重点支持，轿车和轻型汽车柴油化的工作，应关注以下两个方面：轻型高速柴油机技术的研究开发；车用柴油品质的提高和质量保证；整车轻量化技术，整车轻量化是汽车节能的重要措施，应积极开展新型高强度、轻质材料（如：镁合金、非金属材料等）的研究和应用工作[5]

5 注重发动机结构

发动机的油耗对汽车的油耗有决定性的影响，而发动机的油耗取决于发动机的结构。发动机的压缩比高、有完善的供油系统及合理的燃烧室形状、采用电子点火系统等都能降低发动机的比油耗[6]。下面就以上几方面对比油耗的影响逐一分析：

5.1冷却系对热效率的影响

发动机中通过缸壁传给冷却水的热量,在各过程中的比例大致为膨胀过程70%-80%,排气过程15%-20%,压缩过程5%-10%。可见冷却损失大部分发生在膨胀过程中，此过程的温度和压力下降，造成发动机的功率损失。发动机的工作温度，对发动机的热效率有很大影响。发动机启动时，由于水温较低，燃油雾化不良，发动机不能正常工作，加之低温时机油的黏度较大，摩擦损失功率增加，这些都会使油耗增加。发动机启动后，有的驾驶员怕熄火，求升温快，往往加大油门，这不仅严重浪费燃油，而且增加了发动机的磨损。为了节省燃油和保护发动机，应待发动机水温升到40°C以上才能起步行驶。温度20°C时，汽油的蒸发率为50%，而在30°C时蒸发率为75%。发动机温度过低，燃料蒸发性差，混合气雾化不良，油滴增多，各缸进气不均匀，混合气偏稀，不易燃烧或火焰传播速度减慢，燃烧不充分，因而油耗增加。

发动机温度过高，空气热膨胀过大，降低了发动机的充气系数，破坏了空燃比，使混合气偏浓，燃料燃烧不完全，也导致燃料消耗增大。

发动机工作温度过高或者过低不但使燃料消耗增加，也会导致发动机磨损增加，使用寿命受到影响。如果温度太高，会造成发动机的早期磨损。

经理论计算和长期实践证明，发动机正常工作的温度是：水箱出口处水温在75-85°C范围内（水温表的温度保持在80-90°C之间），发动机舱内温度保持在30-40°C。供给发动机的燃料所放出的热量，在发动机中经过一系列复杂的过程，只有20%-35%转变为有用功，而其余的热量将随废气、冷却介质等不同途径排出发动机。向发动机供给的燃料所放出的热量恒等于转变为有效功和各散失的热量之和，称为发动机的热平衡。发动机热平衡各部分组成的值是随发动机转速和负荷等情况的改变而变化，所以掌握好行车温度，减少不必要的热量损失，对汽车节油有着很重要的影响。发动机的工作温度对油耗的影响非常大，为了使发动机有合适工作温度，现在通常采用风扇离合器，适时调整发动机的工作温度[7]

5.2发动机换气过程对油耗的影响

换气过程可以用充气效率和换气损失来评价。改善换气过程的目的，是使充气过程中充气效率提高和换气损失减少。目前，汽车用发动机的最高转速为，汽油机7000r/min，柴油机5000r/min。发动机高速运转时，换气过程的持续时间大大缩短，工质流速明显提高，换气损失也会增加，影响混合气形成和燃烧，使发动机性能恶化。所以，换气过程对发动机的性能影响很大，改善换气过程主要通过以下几方面：

首先是进、排气门，时面值是评价气门流通能力的参数，其定义为气门的瞬时开启截面积在气门开启期间内的积分。传统的发动机通常采用一进一排的两气门结构。增大气门直径可以扩大气门流通路截面积，提高充气效率.在两气门结构中，进气阀盘直径可达活塞直径的45%-50%，气门与活塞面积之比为0.2-0.25，进气门比排气门一般大15%-20%；但由于受到结构限制，进一步增大比列已经很困难。为了进一步增大进气门流通截流面积，普遍采用多气门技术。多气门中应用最多的是四气门，即两个进气门和两个排气门。此外，三气门和五气门也可见到。一般情况下，四气门较容易布置驱动机构，此种结构的进气门流通截面积可以提高30%-50%，充气效率的提高使发动机的功率得到明显提高，经济性也有所改善。多气门（四气门或五气门）技术还具有易实现可变技术、单个气门运动件质量减小、有利于发动机高速化等优点。对于低速工况而言，由于气体流速相对较低而减弱了缸内工质的运动，可能会带来不利的影响，但可以在发动机低速工况下通过关闭某一进气道来实现加速气流运

动，获得需要的气流形式与涡流强度，这便是进气系统的可变技术。

其次是配气机构，配气机构的基本功能是在运动惯性力许可的前提下，尽可能的提高气门的流通能力，即提高气门的时面值。由于运动惯性力与配气机构的运动质量以及运动加速度有关，改进配气机构主要是减小配气机构的运动质量、摩擦阻力以及优化凸轮型线等，以更有利于配气机构的高速化。

进、排气道的改进也是减小进、排气系统阻力的重要措施之一。进气道不仅要保证高的流通性能，而且还要满足发动机组织工质运动的要求。例如，直喷式柴油机中，常通过进气道产生一定强度的进气涡流，以提高可燃混合气的形成，改进燃烧。这就要求对进气道进行特别的设计。排气道的改进不仅可以减小排气系统的阻力，对增压机还可以提高废气可利用程度。

此外，进、排气系统中的空气滤清器、排气消音器、以及催化转化器等，在保证主要功能的同时，要尽量降低气体流动阻力，减少对换气过程产生不良影响。

合理确定配气定时，对于实现一个完善的换气过程，进而提高发动机性能是十分重要的。由于不同的发动机工况对应着不同的最理想配气定时，最理想的情况是实现配气定时随发动机工况变化而实时调节。“柔性配气定时”，即在各种工况下通过电控实现最优的配气定时，是今后发展的方向之一。

配气定时通过进、排气门开闭时刻和开闭时间的长短来控制，通常是延迟进气门关闭、提前打开排气门，反映到发动机曲轴转角上即进气迟闭角和排气提前角。为了获得最佳的发动机性能，在发动机高转速和大负荷下希望进气迟闭角和排气提前角加大，有较大的气门升程和较大的气门叠开角；而在低转速和小负荷下，则希望进气迟闭角和排气提前角较小，有较小的气门叠开角。轿车上普遍采用这种可变气门正时技术。

汽油机工作时进入气缸的是可燃混合气体，绝热指数与混合气的浓度有关。较浓的可燃混合气的绝热指数较低，因而发动机的热效率也低。反之，当可燃混合气变稀时，绝热指数的数值增加，发动机热效率也将提高，这便是采用稀薄燃烧的理论依据。适当调稀可燃混合气，能明显降低燃油的消耗[8]

5.3 发动机负荷率影响

发动机负荷率通常是指发动机阻力矩大小。发动机克服阻力矩必须消耗燃油，增加负荷就意味着增加发动机每个工作循环的供油量。汽油机是通过节气门位置来控制，柴油机是通过喷油泵齿条位置来控制（非电控发动机），因此我们把汽油机节气门不全开或柴油机喷油泵齿条位置小于标定功率位置时，称为部分负荷。反映到整车上，当加速踏板踩到底时，发动机为全负荷，加速踏板部分踩下时为部分负荷。发动机的比油耗随发动机负荷的变化而变化，在负荷率约为80%-90%时比油耗最低，低负荷和全负荷时比油耗都增加。

在发动机负荷低时，由于功率利用率低，燃油消耗率增加。若希望汽车的动力性好，则要求发动机的功率、扭矩大。但是在一般行驶时，由于路况较好，车速也受到一定限制。这就可能使大功率的发动机经常处于小负荷工况下运转，造成燃油消耗增加。据统计，在平路上以常用速度行驶时，往往只利用同转速下发动机最大功率的50%-60%，只占发动机最大功率的20%左右。汽车空载低速行驶时，发动机功率利用更低。因此，在满足车辆动力性要求的前提下，不宜装用功率过大的发动机。在合适的道路条件下，利用拖挂和半拖挂汽车运输，可提高发动机的负荷率，使燃油消耗率下降[9]

以上分析侧重于乘用车，特点是整车总质量变化不大。载货汽车主要是侧重于整车的载货能力，整车匹配不能完全按照以上分析进行。若按照上面原则，传动系统传动比取得太小的话，虽然整车的油耗有可能降低，但是整车的超载能力会降低，驾驶过程中会出现加速缓慢，爬坡无力等问题。载货汽车的传动系取值要综合车辆使用的情况具体分析

6 完善车辆结构

整车燃料经济性的高低，除了受发动机本身影响外，整车匹配和整车状态的调整也对经济性有很大的影响。结合我们的试验数据，下面就整车的匹配、轮胎的选用、风阻的降低和整车质量几个方面来分析车辆结构对汽车燃料经济性的影响。整车传动系统匹配的目的是，在满足传动系统的扭矩匹配、空间布置、重量要求和符合行业标准及法规要求的同时，使整车的动力性和燃料经济性达到最佳状态[10]。

6.1 变速箱

变速箱是改变汽车速度的。发动机的转速相同时，不同档位，车速不同，档位越高时车速越高。对于同一档位，车速越高，相应的发动机转速就越高，整车油耗就高。不同档位，油耗是不一样的。使用低速档时，发动机的后备功率大、牵引力大，功率利用率低，油耗要高于高速档的油耗。不同的汽车，油耗不同，但用高速档比低速档油耗低，这个结论是不变的。

多档变速箱是降油耗的方式之一。变速箱档位数增加，其速比级差减小，可选择合适的变速箱速比，使发动机的负荷率在80%-90%最大功率范围内，提高了发动机的动力性，此时发动机的比油耗也最低，又减少整车的燃料经济性。发动机过低负荷和全负荷时比油耗都将会增加。

6.2 后桥

在动力系统其它参数不变的条件下，若要选定最佳主减速器传动比，通常做出燃油经济性—加速时间曲线（此曲线通常呈C形，称之为C曲线）。由于后桥速比增大时，整车的动力性提高，油耗增加；相反，整车动力性下降，油耗降低。

6.3 轮胎

由于发动机输出功率的30%-40%消耗在轮胎的滚动阻力上，而轮胎变形阻力占其滚动阻力总值的90%以上（轮胎空气阻力、轮胎与路面滑动阻力占10%左右）。轮胎工作气压直接关系到汽车行驶的安全性和经济性。对于同一车辆，轮胎气压降低，则其轮胎半径减小，同时滚动阻力系数增大，整车的油耗就升高；气压升高，轮胎的滚动阻力系数减小，整车的油耗就降低，由于与地面的接触面积减小，对路面的压力增大。可见，根据轮胎负荷，适时地调整轮胎气压，是减小滚动阻力、降低油耗的有效措施。

在垂直载荷作用下，轮胎被压缩的程度或径向变形量称为轮胎的下沉量。当气压一定时，作用在轮胎上的负荷，直接影响到轮胎的变形程度，轮胎工作气压应与负荷能力相适应。单轮负荷比双轮负荷高5%。在实际应用中，不能简单地按照轮胎标准或者使用说明书规定的气压充气，而应当在适当范围内合理的选择。若要提高车辆的负荷能力，可适当提高轮胎的工作气压（该气压不能超过规定的最大负荷）。相反，若车辆负荷小，可以适当减小轮胎气压，但要注意行驶速度。在负荷一定时，轮胎工作气压过高，下沉量小，地面接触面积缩小，单位面积所受的力增加，从而加速了胎面中部的磨损，缩短了轮胎的使用寿命，但是在此情况下，滚动阻力小，有利于降低燃油消耗；轮胎工作气压过低，下沉量增大，胎面边缘负荷增大，胎肩早期磨损，增加了滚动阻力，这对节油、节胎都不利。因此，应选择最佳的轮胎工作气压，一般取9 轮胎压缩系数为10%时的气压。轮胎的最大负荷，是指在一定速度等级下，轮胎所能承受的最大负荷。当使用速度与负荷能力相适应，并符合相应的气压标准时，就能发挥轮胎的综合性能。在实际使用中，若保持最高车速在速度等级以内，则可相应增加轮胎的负荷，这时应适当提高轮胎工作气压。若高于规定的速度等级，应相应减小负荷。特定条件下需要超载时，应当减速行驶。若轮胎使用因素（负荷、车速、道路、运输距离等）中某一因素发生变化，则要求相应的改变轮胎工作气压。轮胎摩擦、扭曲变形产生的热量，这些热量都来自发动机的输出功，产生的热量越高，消耗的燃油就越多。所以应通过调整轮胎气压和轮胎花纹，降低轮胎的工作温度，达到节油的目的。为了减小轮

胎的滚动阻力，降低整车的油耗，一些车型上使用了宽体单胎代替双胎结构。这样，既可以降低滚动阻力，又能降低整车重量，从而降低整车油耗。

7 养成良好的驾驶状况和驾驶习惯

驾驶员的驾驶习惯和驾驶技术的熟练程度也是降低汽车油耗的重要原因，同一辆车，在相同的使用条件下，不同的驾驶员操作时，整车油耗相差很大。在汽车运行的整个过程中，驾驶员操作技术对汽车的节油的影响是贯穿始终的，驾驶员从启动、起步、换档、转向、加速、减速、制动、停车的各环节都起到了很重要的作用。为了点滴节油，在汽车行驶的过程中，改变油门开度，一定要轻踩缓抬，随时控制好油门，在行车过程中，驾驶员操作要按照如下进行：熟练操作程序，做到“八个不”，即起步不耸、换档不响、转弯不歪、刹车不栽、车速不超、会车不抢、空转不轰、停站不偏；熟悉经济速度，做到安全节油行驶；使用合理的安全滑行方法；熟悉道路状况，正确配合道路外形，灵活的、小心地选择行驶道路；正确掌握使用制动器前的车速，防止紧急刹车；不能使汽车在低速长期行驶；掌握好车上各种仪表的显示，特别是水温表，温度指示不能过高或过低，润滑油压力要保持正常；加强业务学习，熟悉所驾驶的汽车性能和结构；加强基本功，做到“十二练”：即起步练平稳、换档练配合、平路练省燃油速度、上坡练换档、下坡练刹车、转弯练方向、倒车练正确选择、夜间行驶练灯光、会车练安全礼让、抛锚时练排除故障、方向练稳准、雨雪行车练防滑。

驾驶员只要做到以上几点，在保证行车安全的前提下，整车的燃油消耗将会大幅度的降低。

8 结论

随着全球对环境保护重视程度的提高，汽车的环保问题日渐突出；同时伴剧了我国在这方面的压力。众多汽车厂家也纷纷展出了自己最新研究开发的节能汽车。目前，在汽车节能技术上重点开发混合动力技术、高效汽油机柴油机技术、高效载重汽车及发动机技术、轿车及轻型车柴油化技术，并且，在汽车节能采取途径上注重发动机结构、完善车辆结构、车辆自重、合理选材、提高传动效率及良好的驾驶习惯。在伴随汽车节能技术的逐步发展，节能技术应用逐步分为先进柴油机、混合动力汽车、燃料电池汽车三大节能环保技术，还有在氢燃料与电驱动混合动力技术、均质压燃发动机技术、非活塞式内燃机技术、先进高效的传动系技术等，均是汽车节能技术的研究成果。在汽车节能环保方面可谓是百家争鸣，百花齐放，实现良好的可持续健康发展之路，为我们的生活创建一个更加良好的环境。

参考文献：

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