汽車節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例

王艷杰，張晨

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

汽車節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例

王艷杰，張晨

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

受石油危機(jī)的影響，汽車節(jié)能工作受到了世界各國(guó)的普遍重視。本文首先分析了影響油耗的主要因素，并從發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)和整車的節(jié)能原理與技術(shù)方面介紹了汽車節(jié)能減排技術(shù)，并就發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)中的稀燃技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)做了具體的分析與探討，并舉出實(shí)例。

發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)；稀燃技術(shù)；增壓技術(shù)；整車節(jié)能原理與技術(shù)

CLC NO.:U461.8Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-114-03

引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，而汽車是石油消耗大戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛汽車年平均消耗石油約5噸。截止到2014年底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.64億輛，其中汽車1.54億輛，我國(guó)汽車保有量繼續(xù)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，我們目前探明的可采石油資源理論上僅供開(kāi)采40年[1]。節(jié)能從某種意義上說(shuō)，也是最便宜、最迅速地獲得供應(yīng)的“新能源”。因此人們說(shuō):“節(jié)能是開(kāi)發(fā)第五能源（煤炭、石油、水電、核能四大能源之外），是不產(chǎn)生放射性廢料、沒(méi)什么污染的能源”。目前，全國(guó)有35個(gè)城市的汽車保有量超百萬(wàn)輛。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能減排工作是應(yīng)對(duì)全球氣候變化、構(gòu)建和諧社會(huì)的迫切需要。節(jié)能減排也就成為迫在眉睫的重大課題。

1、影響汽車實(shí)際油耗的因素

⑴車輛本身的差異。⑵駕駛員的習(xí)慣，車輛保養(yǎng)，燃油差異以及車輛磨合對(duì)油耗有很大影響。⑶使用條件:環(huán)境條件、路面、行駛工況、耗電設(shè)備、以及乘員數(shù)量或貨物數(shù)量即車重也對(duì)汽車油耗有明顯影響。⑷車輛磨合。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)

目前發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)有發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃技術(shù)、增壓技術(shù)，燃油摻水節(jié)油技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣正時(shí)技術(shù)、可變進(jìn)氣歧管技術(shù)、可變壓縮比技術(shù)、汽油機(jī)燃油噴射與點(diǎn)火系統(tǒng)的電子控制技術(shù)、柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)電子控制技術(shù)、陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)以及EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等?，F(xiàn)以稀燃技術(shù)與增壓技術(shù)為例。

2.1 稀薄燃燒

稀薄燃燒指發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際空燃比大于理論空燃比的情況下的燃燒，空燃比可達(dá)25:1，甚至更高。在稀薄燃燒的條件下，由于混合氣點(diǎn)火比理論空燃比條件下困難，暴燃也就更不容易發(fā)生，可以采用較高的壓縮比設(shè)計(jì)提高熱能轉(zhuǎn)換效率，再加上汽油能在過(guò)量的空氣里充分燃燒，所以在這些條件的支持下能榨取每滴汽油的所有能量[3]。

比較著名的三菱缸內(nèi)噴注汽油機(jī)（GDI），可令混合比達(dá)到40:1。它采用立式吸氣口方式，從氣缸蓋的上方吸氣的獨(dú)特方式產(chǎn)生強(qiáng)大的下沉氣流。這種下沉氣流在彎曲頂面活塞附近得到加強(qiáng)并在氣缸內(nèi)形成縱向渦旋轉(zhuǎn)流。在高壓旋轉(zhuǎn)噴注器的作用下，壓縮過(guò)程后期被直接噴注進(jìn)氣缸內(nèi)的燃料形成濃密的噴霧，噴霧在彎曲頂面活塞的頂面空間中不是擴(kuò)散而是氣化。大眾的直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（FSI），則是采用了一個(gè)高壓泵，汽油通過(guò)一個(gè)分流軌道（共軌）到達(dá)電磁控制的高壓噴射氣門(mén)。它的特點(diǎn)是在進(jìn)氣道中已經(jīng)產(chǎn)生可變渦流，使進(jìn)氣流形成最佳的渦流形態(tài)進(jìn)入燃燒室內(nèi)，以分層填充的方式推動(dòng)，使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍。如果稀燃技術(shù)的混合比達(dá)到如此，按照常規(guī)是無(wú)法點(diǎn)燃的，因此必須采用由濃至稀的分層燃燒方式。假定汽油機(jī)在汽車道路行駛條件下的熱效率為15%，在道路上要獲得一個(gè)單位的有用功，則對(duì)于不同的機(jī)型所攝取的能量對(duì)比如下表1所示[1]。

表1 石油能量使用率對(duì)比

分層燃燒系統(tǒng)基本均采用燃油噴射技術(shù)。按照燃油噴射的不同形式，將分層燃燒系統(tǒng)分為氣道噴射稀燃系統(tǒng)和直接噴射稀燃系統(tǒng)；按照混合氣的不同組織方式，分為軸向分層稀燃系統(tǒng)和縱向分層稀燃系統(tǒng)。

2.2 增壓技術(shù)

對(duì)新鮮空氣進(jìn)行預(yù)壓縮的過(guò)程稱之為增壓。增壓后使得單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入燃燒室的新鮮空氣量增多，即燃燒更多的燃料，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。增壓是發(fā)動(dòng)機(jī)提高功率最有效的方法之一。

增壓技術(shù)尤其是渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)在汽車柴油機(jī)上應(yīng)用半個(gè)多世紀(jì)了，柴油機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)不僅可提高功率30%-100%，甚至更多，還可以減少單位功率質(zhì)量，縮小外形尺寸，節(jié)約原材料，降低燃油消耗3%-10%。

因?yàn)槠蜋C(jī)增壓后爆燃傾向增加，汽油機(jī)和渦輪增壓器的熱負(fù)荷大，而且車用汽油機(jī)工況變化頻繁，轉(zhuǎn)速和功率范圍寬廣，致使渦輪增壓器與汽油機(jī)的匹配相當(dāng)困難[4]。但近年來(lái)，由于汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)和電控技術(shù)的發(fā)展，以及小型增壓器性能的改善，由于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒比較安全，排煙濃度降低，廢氣中HC與NOX含量較少，噪聲也較小。轎車汽油機(jī)的渦輪增壓得到了較大的普及和發(fā)展。

3、整車的節(jié)能技術(shù)

影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的因素除汽車發(fā)動(dòng)機(jī)外還有汽車傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛阻力、汽車整備質(zhì)量等。下表是美國(guó)密西根大學(xué)研究的改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)與提高燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系，表2中給出了1980-1990年改進(jìn)各項(xiàng)因素的效果[1]。

表2 汽車結(jié)構(gòu)因素改進(jìn)對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性的作用

整車的節(jié)能技術(shù)又包括:改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)、減小汽車行駛阻力、減輕汽車整備質(zhì)量、自動(dòng)滑行超越離合器、磁粉式電磁離合器、車用自勵(lì)式緩速器、汽車定壓源能量回收系統(tǒng)、潤(rùn)滑油的優(yōu)效使用等?，F(xiàn)以改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)為例。

汽車傳動(dòng)效率越高，傳遞動(dòng)力的過(guò)程中能量損失越小，汽車的油耗就越低。通過(guò)合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，進(jìn)而減小油耗。

軸頭節(jié)油自動(dòng)離合器可在不改變?cè)囆阅?，不停車、駕駛員不用下車的情況下，實(shí)現(xiàn)軸與車輪的自動(dòng)離合，從而可減少動(dòng)力消耗，降低燃油消耗率。如圖1所示，該離合器是由外殼、軸頭蓋及可沿半軸滑動(dòng)的花鍵牙嵌等件組成?？膳c改型的半軸、軸套相配合來(lái)代替原輪轂法蘭盤(pán)，并能自動(dòng)離合。改后外形尺寸比原來(lái)長(zhǎng)10mm，但不超出車身。

該離合器的所謂的“自動(dòng)”，是因?yàn)榻枵２倏v前加力手柄驅(qū)動(dòng)前橋的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)半軸與輪自動(dòng)離合的，并未另增設(shè)其他操縱機(jī)構(gòu)，又沒(méi)有改變?cè)僮鞣椒?，還不給駕駛員增添任何麻煩，靠機(jī)械式的聯(lián)動(dòng)，完成離合作用的，故稱之為自動(dòng)離合器。經(jīng)使用測(cè)定，其平均節(jié)油率是7%-10%，即每百公里可節(jié)省燃油1.1L。離合器本身則具有設(shè)計(jì)緊湊、結(jié)構(gòu)合理、密封性好、安全可靠、保養(yǎng)和維修方便等特點(diǎn)。

采用機(jī)械多檔變速器和無(wú)級(jí)變速器也是改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)的有效措施。近年來(lái)轎車手動(dòng)變速器已基本采用5檔，高檔汽車開(kāi)始轉(zhuǎn)向6檔變速器，在變速器后接上一個(gè)兩檔或三檔的副變速器可使檔位達(dá)到10-16個(gè)。檔位無(wú)限的無(wú)級(jí)變速器，在任何條件下都提供了使發(fā)動(dòng)機(jī)在最經(jīng)濟(jì)工況下工作的可能性。目前在轎車上所用的自動(dòng)變速器主要有三種形式，分別是液力自動(dòng)變速器（HAT）、機(jī)械無(wú)級(jí)變速器（CVT）和機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT)[5]。

其中AMT是在不改變?cè)囎兯倨髦黧w結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝微電腦控制的電動(dòng)裝置，以電子控制器（ECU）為核心，通過(guò)電動(dòng)、液壓或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)選換擋機(jī)構(gòu)、離合器、節(jié)氣門(mén)進(jìn)行操縱，實(shí)現(xiàn)換擋全過(guò)程的自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)表明，裝有AMT技術(shù)的轎車，比裝有液力自動(dòng)變速器的轎車節(jié)油將近20%[1]。

[1] 劉玉梅.汽車節(jié)能技術(shù)與原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2] 李俊.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2011.

[3] 李慶海.汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)展分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2010.

[4] 萬(wàn)渤華.淺談汽車渦輪增壓技術(shù)的節(jié)能減排[J].安全與環(huán)境工程，2010.17(6).

[5] 熊云.汽車節(jié)能技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)石化出版社，2007.

[6] 葛安林.車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

Automobile energy saving technology and examples

Wang Yanjie, Zhang Chen
( School of Automotive Engineering Chang’ an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Affected by the oil crisis, automobile energy saving work is paid great attention to by the countries all over the world. At first, this paper analyzes the main factors which affect fuel consumption, and then by analyzing the energy-saving technology from the engine and energy conservation principle and technology of vehicle to introduce automobile energy conservation and emissions reduction technology, and makes concrete analysis and discussion in the engine energy saving technology of lean combustion technology and engine turbocharger technology , and the instances are given.

engine energy conservation; lean combustion technology; turbocharger; vehicle energy conservation principle and technology

U461.8

A

1671-7988(2015)07-114-03

王艷杰，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程。