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1、第3章整车的节能原理与技术3.1 汽车的燃油经济性汽车的燃油经济性是指汽车在一定的使用条件下，以最小的燃料消耗量完成单位运输工作的能力，是汽车的主要使用性能之一，它直接关系到汽车能否节能。3.1.1 汽车燃油经济性的评价指标汽车燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量,或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标。但是，等速行驶工况并没有全面反映汽车的实际运行情况，特别是在市区行驶中，频繁出现加速、减速、怠速停车等行驶工况。因此各国都制定了一些典型的循环行驶实验工况来模拟实际汽车运行状况,并以百公里燃油消耗量来评价相应行驶工况的燃油经济性。图
2、3.1汽车等速百公里燃油消耗量曲线3.1.2 汽车燃油经济性的计算1 .等速行驶工况燃油消耗量的计算根据等速行驶车速Va及阻力功率P,在万有特性图上（利用插值法）可确定相应的燃油消耗率be。从而计算出以该车速等速行驶时单位时间内的燃油消耗量Qt（单位为mLs）为式中be一一燃油消耗率g（kWh）；燃油的密度，汽油可取为6.96-7.15kgL,柴油可取7.948.13kgL.整个等速过程行经S（单位为m）行程的燃油消耗量Q（单位为mL）为。百折算成等速百公里燃油消耗量QS（单位为L100km）为图3.3汽油发动机万有特性2 .加速行驶工况燃油消耗量的计算在汽车加速行驶时，发动机还要提供为克服加
3、速阻力所消耗的功率。若加速度为dv/dt（单位为ms2）,则发动机提供的功率Pe（单位为kW）应为P=lcDvaImv.dv|c-k3600761403600dr）下面计算由val以等加速度加速行驶至va2的燃油消耗量，参看图3.4。把加速过程分隔为若干个区间，例如按速度每增加lkmh为一个小区间，每个区间的燃油消耗量可根据其平均的单位时间燃油消耗量与行驶时间之积来求得。各区间起始或终了车速所对应时刻的单位时间燃油消耗量Ql（单位为mls）,可根据相应的发动机发出的功率与燃油消耗率求得。图3.4加速过程中的燃油消耗量计算Pebe367.1/而汽车行驶速度每增加IkmZh所需时间At（单位为s）
4、为加一3.6处dr从行驶初速VaI加速至val+lkm/h所需燃油量Qt（单位为mL）为。1=；（2。+g）加式中Qto行驶初速VaI时，即to时刻的单位时间燃油消耗量（mL/s）；Qtl车速为val+lkm/h时，即H时刻的单位时间燃油消耗量（mL/s）；而由车速val+lkm/h在增加Ikm/h所需的燃油量Q2（单位为mL）为=如+Qs）加式中Qt2一一车速为val+2kmh时，即t2时刻的单位燃油消耗量（mL/s）。依此，每个区间的燃油消耗量为Qn=g（Qt（n-l）+QtnW式中Qt3、Qt4、Qtn匕、t4、tn各个时刻的单位时间燃油消耗量（mL/s）。整个加速过程的燃油消耗量Qa（
5、单位为mL）为a=i=1+23+n/=1或2a=l（,+tll）+i2/=1加速区段内汽车行驶的距离Sa（单位为m）为C_va2-va1，一行dr3 .等减速行驶工况燃油消耗量的计算减速行驶时，节气门松开（关至最小位置）并进行轻微制动，发动机处于强制怠速状态。其油耗量即为正常怠速油耗。所以减速消耗量等于减速行驶时间与息速油耗的乘积。减速时间t（单位为S）式中va2va3起始及减速终了的车速（km/h）；dv/dtd减速度（m/s2）。故减速过程燃油消耗量Qd（单位为mL）为式中Qi怠速燃油消耗量（mL/s）。减速区段内汽车行驶的距离Sd（单位为m）为Sd =吟一吟4 .怠速停车时的燃油消耗量的
6、计算若怠速停车时间为ts（单位为s）,则燃油消耗量Qid（单位为mL）为Qid=QifS5 .整个循环工况的百公里燃油消耗量对于由等速、等加速、等减速、怠速停车等行驶工况组成的循环，如ECE-RI.5和我国货车六工况法，其整个实验循环的百公里燃油消耗量QS（单位为L100km）为Qs=100S式中EQ所有过程油耗量之和（mL）；S一一整个循环的行驶距离（m）。3.1.3装有液力传动装置的汽车燃油经济性的计算对装有液力传动的汽车，其燃油经济性的计算与普通变速器的汽车有所不同。除要知道发动机的特性外，还要知道有关液力传动装置的特性，即泵的转矩曲线和特性。且发动机的节流特性常用TIq=f（n,a）及
7、Ql=f（ne,a）的形式表示。Ql系指发动机输出一定功率时每小时的燃油消耗量，称为小时燃油消耗量，单位为Lh,指节流阀开度。下图即表示在不同节流阀位置下，发动机转矩与小时燃油消耗量对其转速的变化关系曲线。要计算100km燃油消耗量时，可在发动机转矩曲线上，画上泵轮的转矩曲线TP=f（nP）,TP为泵轮转矩，nP为泵轮转速；然后根据变矩器的特性K=f（i）,确定在不同速比下的变矩比K,再按下面公式t=和=山P式中Tt一涡轮转矩；m涡轮转速。绘制不同节流阀开度下的Tt=f（nt）nP=f（nl）曲线如图3.6所示。图3.5发动机与液力变矩器的共同工作曲线和发动机的小时燃油消耗量曲线图3.6装有液
8、力变矩器汽车的转矩平衡与nP=f（nl）曲线转速坐标按下列关系换算速度坐标:Va=0.377口Wg为了确定汽车在不同道路上以不同速度行驶时，发动机的节流阀开度与转速n（n=nP）,应利用转矩平衡，即在Tt=f（va）的图上，按下列公式绘制汽车在不同道路阻力系数下等速行驶时，克服行驶阻力所需的涡轮转矩TC与行驶速度va的关系。在选取RT时，应考虑到带动液力传动辅助装置（如齿轮油泵、变矩器散热片）的能量消耗，以及离合器片在油中的传动损失。对于一般轿车，此项损失在发动机最大功率时约占6%。T（%+G1.c=%iig所得TC与Tt的交点，决定了汽车在一定道路阻力系数（例如l）下的汽车行驶速度与发动机节
9、流阀位置，并由所得速度在nP=f（nt）曲线上确定nP（即n）0于是相应的小时燃油消耗量Qt即可由图35b的Qt=f（n,）曲线上求出。而百公里燃油消耗量Qs（单位为Ll00km）可按下式求得：s=1匕7这样，汽车的百公里燃油消耗量曲线QS-Va便可求出。3.2整车的节能技术影响汽车燃油经济性的因素除汽车发动机外，还有许多方面，如汽车传动系统、汽车行驶阻力、汽车整备质量等。表3.1是美国密西根大学研究的改进汽车结构与提高燃油经济性的关系，表中给出了19801990年改进各项因素的效果。3.2.1改进传动系统1 .多轴驱动汽车驱动轴的自由离合44型传动系示意图轴头节油自动离合器节油自动离合器的特
10、点：1）节油。经使用测定，平均节油率是7%10%,即每百公里可节省燃油约Llkg。2）消除了机件空转，延长其使用寿命。3）减少行车阻力，增加汽车的滑行能力。离合器本身则具有设计紧凑，结构合理，密封性好，安全可靠，保养和维修方便等特点。2 .采用机械多档变速器传动系的档位越多，汽车在运行过程中越有可能选用合适的速比，使发动机处于最经济的工作状况，以提高汽车的燃油经济性。斯太尔重型汽车用ZFS-90变速器传动机构示意图a）装有后置副变速器b）装有前置副变速器在组合式变速器中，除上述副变速器在主变速器之后的布置形式外，当副变速器传动比较小时，也可布置在主变速器之前。有的重型货车为了得到更多的档位，在
11、主变速器的前、后都装有副变速器。3 .采用无级变速器档数无限的无级变速器，在任何条件下都提供了使发动机在最经济工况下工作的可能性。若无级变速器始终能维持较高的机械效率，则汽车的燃油经济性将显著提高。发动机最小燃油消耗特性的确定a)b-Pe图b)Pe-n图c)Pe-va图无级变速器的传动比i与发动机转速n及汽车行驶速度之间有如下关系：式中A对某一汽车而言为常数，A=0.377rico无机变速器的调节特性目前在轿车上所用的自动变速器主要有三种形式：液力自动变速器(AT)、机械无级自动变速器(CVT).电控机械无级自动变速器(ANT)。(1)液力无级自动变速器(AT)WSK系统与全同步变速器(2)机
12、械无级自动变速器(CVT)ECVT小型轿车驱动力曲线金属带式无级自动变速器(VDT-CVT)a)结构图b)原理图在汽车上单独采用无级传动的场合较少，而是常与其他传动配合使用。其典型的组合形式有如下几种：1)CVT与液力耦合器组成无级变速传动。CVT与液力耦合器组成的无级变速传动2) CVT与电磁离合器组成无级传动CVT与电磁离合器组成的无级传动3)双状态无级传动(3)电控机械无级自动变速器(AMT)双状态无级变速传动示意图3) 2.2减小汽车行驶阻力1 .减小汽车的滚动阻力汽车的滚动阻力与路面状况、行驶车速、轮胎结构，以及传动系统、润滑油料等都有关系。(1)路面状况对汽车滚动阻力的影响滚动阻力
13、的计算式如下：FLGf式中G汽车的总重(kg)；f一滚动阻力系数。(2)汽车行驶速度对滚动阻力的影响汽车行驶车速对滚动阻力的影响(3)轮胎气压对滚动阻力的影响滚动阻力系数式中a偏移距，通过轮心垂直线至路面反作用力的受力点的距离;R轮胎滚动半径滚动阻力系数与充气压力的关系轮胎载荷和胎压与偏移距a的关系（4）轮胎类型对滚动阻力的影响滚动阻力系数与轮胎结构、车速、充气压力之间的关系BJ-1060汽车装用不同轮胎时的行驶阻力2 .减小汽车的空气阻力（1）汽车车身结构与燃油消耗量的关系空气阻力与汽车车身结构密切相关，它由发动机产生的牵引力来克服。减小空气阻力，就可降低发动机消耗的功率，从而降低汽车的耗油
14、量。一般以常用的等速百公里油耗的方法来进行初步的分析。若汽车以Va等速直线行驶时，发动机相应工况的有效油耗率为be,行驶Iookm所消耗的功为W,则等速百公里油耗QL为0”也1.1022式中P燃油的密度，汽油可取6.967.15kgL,柴油可取7.948.13kgL由于消耗的功W等于行驶阻力EF与行驶距离S的乘积除以效率n,行驶阻力ZF是滚动阻力Ff与空气阻力FW之和，此时的百公里油耗QS为（FfFwM3672p因此，降低FW则可降低Qs0当高速行驶时，FW比Ff大得多，故降低FW所得到的节油效果更大。空气阻力FW的大小，用公式表示为尸二淮w21.15式中CD空气阻力系数；A汽车的迎风面积；v
15、a汽车的行驶速度。为了节约燃油，就应该减小空气阻力。从式（3.25）中可以看出，要减小空气阻力，就必须减小汽车的迎风面积，并使之具有合理的流线型，从而降低空气阻力系数CD；另外，还要保持中速行驶。空气阻力系数CD的大小，取决于汽车的外形，即汽车的流线型如何。汽车的外形从箱型、甲壳虫型、船型、鱼型到楔型，经过了五个发展时期。当今公路上实用汽车的行驶速度己达到100150kmh.为了保证较小的空气阻力和可靠的行驶稳定性，降低汽车的油耗，必须改善汽车车身的空气动力性能。（2）改善汽车车身空气动力性能的措施1）外形设计的合理优化。圆角化的影响a）圆角化前b）圆角化后大客车车头边角倒圆和流线型化对CD的影响a）原车型b）车头边角倒圆c）整个车头流线型化2）采用各种形式的减阻导流罩。导流板a）和导流罩b）箱式汽车道流罩轿
