減少汽車機械損失的節(jié)能技術(shù)

于秩祥

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實驗實訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州 221116）

減少汽車機械損失的節(jié)能技術(shù)

于秩祥

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實驗實訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州 221116）

汽車行駛過程中機械損失消耗很多動力系統(tǒng)的指示功率，從而對外輸出的有效功率減少。發(fā)動機發(fā)出的功率始終等于機械傳動損失功率與全部運動阻力所消耗的功率。一般汽車機械損失所消耗的功率占指示功率的10%~30%，故有效降低機械損失，特別是汽車上各種類型的機械損失，可提高車輛動力性和燃油經(jīng)濟性，達到節(jié)能減排效果。文章根據(jù)汽車上各系統(tǒng)的機械損失產(chǎn)生機理，分析其特點，結(jié)合先進實用技術(shù)降低或避免機械損失，提高汽車有效功率，降低汽車使用油耗，減少尾氣排放，改善汽車使用經(jīng)濟性。

汽車；機械損失；功率；節(jié)能

CLC NO.:U465.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-233-04

引言

汽車的燃油消耗與加速、減速、制動、怠速停車等工況以及汽車附加（如空調(diào)、空氣壓縮機和轉(zhuǎn)向液壓泵）的使用有關(guān)。如圖1所示，美國環(huán)保局EPA城市和EPA公路循環(huán)工況中的燃油化學(xué)能與汽車各處消耗能量的平衡圖。由圖1可以看出，汽車燃油消耗與汽車行駛阻力（滾動阻力與空氣阻力）、發(fā)動機燃油消耗率以及傳動效率有關(guān)之外，還同停車怠速油耗、汽車附件消耗及制動能量消耗有關(guān)。在城市循環(huán)工況中，后三個因素的影響相當大，它們消耗的能量總計達燃油化學(xué)能的25.2%。通過改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低汽車各方面的機械損失可提高汽車的燃油經(jīng)濟性。

圖1 美國中型轎車EPA城市、公路循環(huán)行駛工況的能量平衡圖

汽車行駛時，不僅驅(qū)動力和行駛阻力相互平衡，發(fā)動機功率和汽車行駛的阻力功率也總是平衡的。也就是說，在汽車行駛的各種工況下，發(fā)動機發(fā)出的功率始終等于機械傳動損失功率與全部運動阻力所消耗的功率。

汽車運動阻力所消耗的功率有滾動阻力功率Pf、空氣阻力功率Pw、坡度阻力功率Pi、和加速阻力功率Pj，乘以車速ua，并經(jīng)單位換算出汽車功率平衡方程式⑴：

由汽車功率平衡方程式可知，在車輛傳動效率一定的情況下，通過減小發(fā)動機內(nèi)部機械損失和外部機械損失（滾動阻力功率、加速阻力功率、空氣阻力功率和坡度阻力功率）可提高汽車行駛動力和燃油經(jīng)濟性。

1、減少發(fā)動機機械損失技術(shù)

在發(fā)動機運行過程中，發(fā)動機的有效功率Pe等于發(fā)動機的指示功率Pi減去機械損失的功率Pm。如式（2）所示。發(fā)動機指示功率Pi和機械損失功率Pm由測功機測得，當發(fā)動機指示功率Pi一定時，有效減小機械損失功率Pm可提高發(fā)動機Pe。

發(fā)動機的機械損失主要由摩擦損失、泵氣損失和附件損失三個部分組成。其中磨損損失占機械損失的70%，驅(qū)動附件損失占10%~20%，泵氣損失占10%~20%。合理有效的優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用新技術(shù)、新材料可適當降低發(fā)動機的機械損失。

1.1 降低磨損損失

摩擦損失主要包括活塞、活塞環(huán)與氣缸套間的摩擦損失，以及滑動軸承（主軸承、連桿軸承等）處的摩擦損失。此外，還有一部分流體摩擦損失，即高速運動的部件引起周圍的空氣、油霧等擾動引起的損失，這些損失可以進一步的降低。盡可能減小相對運動的接觸面積，例如活塞換厚度、滑動軸承寬度。以汽油機活塞為例，在保證足夠的強度和密封性能，活塞的高度直徑比應(yīng)小于1，可在氣環(huán)和活塞裙部凃以高分子耐磨材料，如圖2所示。同時盡可能減小運動部件的質(zhì)量，從而減小慣性力以及接觸面上的壓力。采用高等級，低黏度的合成潤滑油，例如采用API:SN，SAE：0W20，級別的全合成潤滑油，可有效減少發(fā)動機內(nèi)部零件的摩擦損失。

圖2 活塞裙部涂層圖

1.2 泵氣損失

泵氣損失約占發(fā)動機整個機械損失的10%~20%。在發(fā)動機換氣過程中，由于需要克服氣體流動阻力，因而在進氣過程中氣缸內(nèi)壓力低于大氣壓力，在排氣過程中氣缸內(nèi)壓力高于大氣壓力。在增壓發(fā)動機中，尤其采用廢氣渦輪增壓的發(fā)動機中，由于進氣壓力的顯著提高，完全可能出現(xiàn)進氣壓力高于排氣壓力的情況，這時，泵氣損失就變成了泵氣正功，不但不消耗發(fā)動機功率造成損失，反而會為發(fā)動機增加一部分額外的功率。這也是廢氣渦輪增加發(fā)動機機械效率一般較高，經(jīng)濟性也較好的主要原因之一。另外，發(fā)動機采用可變配氣相位技術(shù)，使用無節(jié)氣門的配氣機構(gòu)，能有效降低發(fā)動機進氣過程中的泵氣損失，進而提高發(fā)動機充氣效率，提高發(fā)動機功率。

1.3 驅(qū)動附件損失

一是權(quán)威性。在信息報道方面，專業(yè)記者仍然占有權(quán)威內(nèi)容的發(fā)布權(quán)。在諸如“香港回歸二十周年”“金磚會議”等重大報道中，仍由央視新聞等傳統(tǒng)媒體權(quán)威發(fā)布領(lǐng)導(dǎo)人講話和會議內(nèi)容，在關(guān)乎國計民生的問題上其關(guān)注度仍然在網(wǎng)絡(luò)中保持領(lǐng)先。

為保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)，有多種附件需要消耗發(fā)動機一部分功率來驅(qū)動，這些附件包括：配氣機構(gòu)、冷卻水泵、機油泵、空調(diào)壓縮機、空氣壓縮機以及柴油高壓油泵等。為提高汽車動力性，降低燃油消耗，達到節(jié)能減排目的。例如配氣機構(gòu)和冷卻水泵可以實現(xiàn)電機驅(qū)動降低發(fā)動機附件損失功率。大部分汽車的空調(diào)系統(tǒng)都是非獨立式的，它的壓縮機都是通過皮帶輪直接由發(fā)動機帶動。汽車在高速行駛時，輸入的制冷量隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增加，汽車制冷量增多，不僅浪費一部分功率，也影響汽車的行駛性能?？勺兣帕靠照{(diào)此時便會自動調(diào)整工作排量，降低制冷量，減小功率損耗。

一般的非變排量機油泵，其出油量大小是隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加而增加，二者呈線性關(guān)系。而為了保證低轉(zhuǎn)速時的最低出油量及高轉(zhuǎn)速時的最小油壓，機油泵會被設(shè)計的很大，這就對發(fā)動機艙的布置提出了更高的要求。同時，發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速時，多余的潤滑油會從油路中返回，導(dǎo)致發(fā)動機功率消耗增加。而變排量機油泵會根據(jù)發(fā)動機情況，調(diào)節(jié)油壓與油量，從而達到節(jié)油的目的。電動助力則是將助力機構(gòu)由復(fù)雜的液壓機構(gòu)變成了依靠電動機產(chǎn)生助力的系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常簡單，沒有了液壓泵、儲液罐、液壓管路和轉(zhuǎn)向柱閥體結(jié)構(gòu)，而是由傳感器、控制單元和助力電機構(gòu)成。而帶動助力電機的正是12V電源系統(tǒng)，不從發(fā)動機“借力”，也就間接節(jié)省了燃油消耗。

2、減少滾動阻力功率技術(shù)

汽車滾動阻力由式⑴可知，主要取決于汽車重量、汽車行駛速度和滾動阻力系數(shù)，汽車重量和行駛速度是根據(jù)汽車使用狀況而定，唯獨滾動阻力系數(shù)是一定，滾動阻力系數(shù)是由路面類型和輪胎結(jié)構(gòu)決定的，而路面類型根據(jù)行駛環(huán)境在不斷改變，唯一能降低滾動阻力系數(shù)的就是輪胎的結(jié)構(gòu)。

汽車燃料消耗的14%~20%是由輪胎滾動阻力造成的，而輪胎滾動阻力的近3/4來自于胎面，有效改善輪胎橡膠中的組成部分，可減少輪胎與地面的滾動阻力。例如，低滾動阻力輪胎是通過在橡膠中添加特殊改性聚合物，能有效減少分子間的摩擦生熱，降低輪胎胎面與地面的滾動阻力。輪胎橡膠中添加特殊聚合物主要以有機硅和各類添加劑組成在一起，使碳分子凝集降低，當輪胎胎面與地面產(chǎn)生摩擦時可有效減少摩擦產(chǎn)生的熱量，降低能量損失，同時增加輪胎耐磨力，從而使輪胎能有效降低滾動阻力，節(jié)省燃油消耗。硅吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、有較高的機械強度等原因，所以硅膠胎相對于普通輪胎更耐磨和抗老化，并將輪胎橡膠用量減少以達到輕量化。

3、減少坡度阻力功率技術(shù)

汽車坡度阻力主要是道路坡度、汽車重量和行駛速度所影響。行駛速度和汽車重量一定的時，坡度阻力主要受道路坡度影響，坡度越大，阻力越大。由于坡度阻力和滾動阻力均屬于與道路有關(guān)的阻力，而且均與汽車重量成正比，所以有效減小汽車重量，使汽車輕量化，可降低坡度有效阻力功率。

圖3 承載式車身輕量化結(jié)構(gòu)

汽車輕量化是個系統(tǒng)而繁雜的工程，材料上的輕并不是唯一是目的，結(jié)構(gòu)強度也是要考慮的重要因素。在材料里包含了白車身材料和零部件材料的輕量化，看似簡單的轎車白車身其實也是輕量化的重要目標，全鋁車身、碳纖維覆蓋件、鋁車門、鋁防撞梁、壓鑄鋁合金塔頂，用在承載式車身結(jié)構(gòu)上如圖3所示。未來車身結(jié)構(gòu)將從鋼→鋁合金→美鋁合金→碳纖維→塑料復(fù)合材料變遷。而變速箱殼體、差速器殼體、發(fā)動機缸體缸蓋等等這些零部件都大量運用鋁合金則為整車輕量化的效果錦上添花。

根據(jù)汽車安全性考慮，汽車輕量化并不是簡單的將鐵的換成鋁的?！案邚姸取焙汀拜p量化”這兩大關(guān)鍵詞并不矛盾，任何輕量化都應(yīng)該是在保證車體強度下完成，高強度的車身結(jié)構(gòu)只是基本功課，在保障強度的同時利用材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計來減掉冗余的重量才是講究“高效低能耗”的這個時代最被重視的。承載結(jié)構(gòu)使用更高強度的材料，比以前用的材料更少，但是卻能達到同樣強度，以翼子板為例，將翼子板的受力進行分析并逐步進行優(yōu)化，也就是說一點一點的拿掉多余部分而剩下的結(jié)構(gòu)就為最精簡且不影響強度的最優(yōu)結(jié)果。

4、減少加速阻力功率技術(shù)

式中，Iw為車輪的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；If為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；i0為主傳動比；ig為變速器的速比。

根據(jù)公⑶可知，當汽車主減速比和變速器的速比一定時，汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)取決與車輪的轉(zhuǎn)動慣量和飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。采用鋁合金輪圈和合成橡膠輪胎,可有效降低輪胎總成質(zhì)量，減小車輪的轉(zhuǎn)動慣量；在發(fā)動機上采用高強度工程塑料正時帶輪、正時皮帶、合金飛輪和輕量化離合器總成，可以有效減小飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。

5、減小空氣阻力功率技術(shù)

汽車燃料在推動發(fā)動機運轉(zhuǎn)時已經(jīng)消耗了一大部分動力，而當汽車高速行駛時，一部分的動力需要用來克服空氣阻力。在一般轎車中，這幾部分阻力的大致比例為：形狀阻力占58%，干擾阻力占14%，內(nèi)循環(huán)阻力占12%，誘導(dǎo)阻力占7%，摩擦阻力占9%。因此空氣阻力直接影響到汽車所需要的功率，從而影響汽車燃油消耗。消耗于空氣阻力的功率為：

式中：ρ空氣密度；CD空氣阻力系數(shù)；A：汽車正面投影面積；ua車速；ηT：汽車傳動效率。

可見，消耗于空氣阻力的功率與車速的三次方、空氣阻力系數(shù)和汽車正面投影面積成正比。車速越快用于克服空氣阻力的功率越大，消耗的燃油就越多。汽車高速行駛時，35%~40%的空氣會從車身上面流過，10%~15%從車身下面流過，20~30%從車身側(cè)面流過。一臺具有優(yōu)秀空氣動力學(xué)表面的車輛，應(yīng)該是讓大量氣流通過車身側(cè)面，并對車底進行流線化處理，壓低發(fā)動機罩前端，減緩前風擋玻璃從而減少上下車身壓力差，同時盡可能的減少車輛的正面投影面積，對于汽車尾部而言，應(yīng)避免車頂氣流與地板下部上卷的氣流混合形成尾渦。由式⑷可知，在汽車上產(chǎn)生的主要空氣阻力是壓力阻力，包括迎面阻力和壓差阻力。迎面阻力很好理解，就是空氣迎頭撞上車頭而產(chǎn)生的阻力，這個阻力可以通過把車頭設(shè)計成流線型來降低。設(shè)計汽車流線外形，能有效降低空氣阻力系數(shù)，從而降低空氣阻力。

壓差阻力是空氣流至車尾，車身的走勢從逐漸擴大變成逐漸收縮，層流的空氣在這里開始變成湍流，到車尾垂直平面的部分最為嚴重，產(chǎn)生了空氣分離區(qū)，這個分離區(qū)里往往是負壓，這個負壓和車頭的正壓產(chǎn)生的壓差形成了與行駛方向相反的力即壓差阻力。如圖4所示，由于兩箱車車尾面積大，因而產(chǎn)生的負壓較大，造成前后的壓差就更大，車輛的空氣阻力相應(yīng)的越高。為改善這種情況，在車輛尾部應(yīng)安裝擾流板，來減小空氣阻力。

圖4 二箱車與三箱車壓差阻力形成比較

另外，車輛底部凸凹不平也會提高空氣阻力，各種裸露的管線和橫梁直接導(dǎo)致了底盤下氣流的紊亂，一般轎車底盤風阻系數(shù)在0.034左右，如圖5所示。為了消除底盤的風阻，將車輛底盤用塑料護板包裹，蓋板從車身中部或由后輪以后向上稍稍升高。平整的塑料護板增加了車輛下部的平滑度，減小了摩擦阻力，能夠有效降低車輛的高速行駛風阻。

圖5 汽車底部覆蓋件

車輛外形流線不代表阻力低，特別是車頭。因為很多空氣并不是沿車頭外廓流動的，不少空氣都通過進氣格柵吹進了發(fā)動機艙直接吹拂發(fā)動機和散熱器。這部分阻力約占汽車風阻的12%。為了解決這部分阻力有些廠家開始使用電子控制的可開閉格柵。電子系統(tǒng)會根據(jù)車速和發(fā)動機是否需要空氣冷卻來開閉進氣格柵，當格柵關(guān)閉時氣流不再經(jīng)過發(fā)動機艙，這部分阻力消除。如圖6所示。

圖6 汽車進氣格柵結(jié)構(gòu)

6、結(jié)論

⑴使用高分子、合金技術(shù)材料減小發(fā)動機內(nèi)部摩擦損失，提高發(fā)動機有效功率。采用先進發(fā)動機技術(shù)，減少驅(qū)動附件功率（水泵、空氣壓縮機、液壓泵等），減少內(nèi)部摩擦和驅(qū)動消耗的機械損失。

⑵降低發(fā)動機排量，采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，使用合金和高強度塑料等輕量化部件，降低發(fā)動機總質(zhì)量，減少發(fā)動機總重量和泵氣功產(chǎn)生的機械損失。

⑶采用美鋁高強度車身板材，高強度輕量化鋼板，降低整車質(zhì)量，實現(xiàn)汽車輕量化，減少汽車重量損耗的機械損失。

⑷改善輪胎橡膠材料，降低輪胎與地面產(chǎn)生的滾阻力系數(shù)，減小汽車輪胎產(chǎn)生的滾動阻力損失。

⑸合理選用車型，優(yōu)化汽車外形結(jié)構(gòu)，使用各類空氣擾流套件，改善空氣阻力系數(shù)，降低汽車高速行駛的空氣阻力，從而降低因空氣阻力帶來的汽車動力損失。

[1] 于秩祥.乘用車使用低滾動阻力輪胎的節(jié)能減排分析[J].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2011(6).

[2] 余志生主編.汽車理論第5版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[3] 耿彤編著.德國汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[4] 傅立敏著.汽車設(shè)計與空氣動力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2011.

[5] （德）Robert Bosch主編.魏春源等譯.汽車工程手冊[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.

[6] 于秩祥編著.汽車傳感器原理與應(yīng)用[M].長春:吉林人民出版社, 2013.

[7] 劉玉梅主編.汽車節(jié)能技術(shù)與原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

Reduce automobile mechanical loss of energy saving technology

Yu Zhixiang
( Experimental and Occupational Skills Management Center, Jiangsu Institute of Architectural Technology, Jiangsu Xuzhou 221116 )

The car in the process of mechanical loss indicated power consume a lot of power system, thus reduces the effective power of foreign output. Power from the engine is always equal to the mechanical transmission loss power and all the power consumed by a resistance movement. General motors power consumed by a mechanical loss accounts for 10% ~ 30% of indicated power, effectively reduce the mechanical loss, especially in cars of various types of mechanical loss, can greatly improve the power performance and fuel economy of vehicles, energy conservation and emissions reduction. According to the mechanical loss of car the system mechanism, analysis of its characteristics, combined with advanced practical technology to reduce or avoid mechanical loss, effective power car, reduce vehicle use fuel consumption, reduce emissions, improve vehicles use economy.

car; Mechanical loss; power; Energy saving

U465.9

A

1671-7988(2016)07-233-04

于秩祥，實驗師，就職于江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實驗實訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心。主要從事汽車和工程機械車輛結(jié)構(gòu)改進，汽車電氣系統(tǒng)和發(fā)動機檢測，汽車性能測試，汽車理論和實踐教學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.075