Transcript 第二章汽车燃油经济性
第二章 汽车燃油经济性 预备知识 汽车传动系的功能、 组成、构造及工作原理。 发动机的转速特性。 汽车的动力性 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 中心思想 介绍燃油经济性评 价指标、计算方法、影 响因素以及新一代高效 节能技术。 1 引 言 问题 汽车排放的温室气体指什么？（CO2） 现今对汽车的――要求越来越高？（石油资源、发 动机排放的限制） 如何解决――问题？（在保证动力性和安全性的前 提下，节能、环保） 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 2 引 言 在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经 济行驶的能力，称作汽车的燃油经济性。 燃油经济性好，可以降低汽车的使用费用、减少同家对 进口石油的依赖性、节省石油资源；同时降低了发动机产生 的CO2(温室效应气体)的排放量，起到防止地球变暖的作用。 发动机的燃油消耗率与排放污染是有密切关系的，只能 在保证排放达到有关法规要求的前提下来降低发动机的燃油 消耗率，援高汽车的燃油经济性。 节约燃料、保护环境已成为全球关注的大事，汽车燃油 经济性受到各国政府、汽车制造业与汽车使用者的重视。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 3 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 1、人们通常如何评价？中欧L/100km，美国MPG？ 2、常用的评价指标是什么（等速百公里燃油消耗量）？ 3、怎样才能使得评价指标全面反映汽车的实际工况（综合 评价指标、典型的循环行驶工况）？ECE、EPA、China？ 4、市内测功器的循环行驶工况规范是怎样制定的（车速时 间行驶规范）？ 5、表2-1：P40 6、1997年，防止地球变暖的京都会议的主题是什么？（欧 盟主张发达国家在2010年时，温室气体排放量比1990年要 减少15％） 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 4 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行 驶百公里的燃加消耗量或一定燃油量能使汽车行驶 的里程来衡量。 在我国及欧洲，燃油经济性指标的单位为L/100Km，即 行驶100km所消耗的燃油升数。其数值越大，汽车燃油经济 性越差。 在美国 ，燃油经济性指标的单位为MPG或Mile／USgal， 指的是每加仑燃油能行驶的英里数。这个数字越大，汽车燃 油经济性越好。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 5 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价 指标，指汽车在一定载荷(我国标准规定轿车为半载、 货车为满载)下，以最高档在水平良好路面上等速行 驶100km的燃油消耗量。 常测出每隔30km/h或20km/h速度间隔的等速百公里燃 油消耗量，然后在图上连成曲线，称为等速百公里燃油消耗 量曲线，用它来评价汽车的燃油经济性，如图2-1所示。 等速工况并没有全面反映汽车的实际运行情况，持别是 在市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速停车等工况。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 6 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 7 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 图2-2给出了联合国欧洲经济委员会、美国及我国法定 的测定燃油经济性的循环行驶工况图。欧洲经济委员会 （ECE）规定，要测量车速为90km/h和120km/h的等速百 公里燃油消耗里和按ECE-R.15循环工况的百公里燃油消耗 量，并各取1/3相加作为混合百公里燃油消耗量来评定汽车 燃油经济性。美国环境保护局(EPA)规定．要测量城市循环 工况（UDDS）及公路循环工况（HWFET）的燃油经济性 （单位为每加仑燃油汽车行驶英里数mile/gal），并按下式 计算综合燃油经济性（单位：mile/gal） 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 8 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 9 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 循环工况规定了车速—时间行驶规范，例如， 何时换挡、何时制动以及行车的速度和加速度等数 值。 因此，它在路上试验比较困难，一般多规定在 室内汽车底盘测功机(转鼓试验台)上进行测试；而 规定在路上进行试验的循环工况均很简单。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 10 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 11 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 自1973年发生世界石油危机后，各国十分重视节约燃油， 不少国家制定了控制燃油消耗的法规。美国针对轿车制定了 “公司平均燃油经济性标准”（简称为CAFÉ）。CAFE是 指一个公司全部销售轿车的平均燃油经济性。若不能达到该 标准，公司将被处以罚款。 图2-3是CAFE值随时间变化的曲线。到1989年，要求 CAFE值为27.5mile/USgal（相当于10.27L/100km）。此后 再没有明确的规定。图中1990年以后的阴影部分是美国议会 讨论中提出的数值范围。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 12 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 13 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 我国原机械工业部于1984年发布了货车与客车燃油消耗 量限值标准。 在1997年防止地球变暖京都会议上，欧盟主张发达国家 在2010年时，温室气体排放量比1990年要减少15％。这必 然要求汽车燃油消耗应有相应的降低。 有资料表明，到2005年或2010年时，欧洲轿车CO2排放 量已规定为120g/km，相当的燃油消耗量应为5.17L/100km （汽油机）和4.56L/100km(柴油机)。 现在世界各国正在研制21世纪新一代超经济型轿车， 其油耗指标接近于3L/100km。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 14 第一节结束！ 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 15 第二节 汽车燃油经济性的计算 在汽车设计与开发工作中，常需要根据发动机 台架试验得到的万有特性因与汽车功率平衡图，对 汽车燃油经济性进行估算。本节将介绍燃油经济性 循环行驶试验工况的各工况，如等速行驶、加速、 减速和怠速停车等行驶工况的燃油消耗量计算方法。 注意：单位换算、运动学公式 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 16 1．等速行驶工况燃油消耗量的计算 图2-4给出了一汽油发动机的万有特性曲线。在万有特 性图上有等燃油消耗率曲线。根据这些曲线，可以确定发动 机在一定转速n、发出一定功率Pe时的燃油消耗率b。 为了便于进行计算，按照转速n和车速ua的转换关系在横 坐标上画出汽车(最高档)的行驶车速比例尺。此外，计算时 还需要汽车在水平路面上等速行驶时，为克服滚动阻力与空 气阻力，发动机应提供的功率。 根据等速行驶车速ua及阻力功率P，在万有特性图上(利 用插值法)可确定相应的燃泊消耗率b，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（mL/s）为 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 17 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 18 1．等速行驶工况燃油消耗量的计算 整个等速过程行经s（m）行程的燃油消耗量（mL）为 折算成等速百公里燃泊消耗量（L/100km）为 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 19 2．等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速阻力所 消耗的功率。 下面计算由ua1以等加速度加速行驶至ua2的燃油消耗量， 参看图2-5。把加速过程分隔为着干区间。例如按速度每增 加1km/h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 始或终了车速对应时刻的单位时间燃油消耗量Q1（mL/s）， 可根据相应的发动机发出的功率与燃油消耗率求得 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 20 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 21 2．等加速行驶工况燃油消耗量的计算 汽车行驶速度每增加1km/h所需时间（s）为 从行驶初速ua1加速至ua1＋1km/h所需燃油量（mL）为 由车速ua1＋1km/h再增加1km/h所需的燃油量（mL）为 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 22 2．等加速行驶工况燃油消耗量的计算 依此，每个区间的燃油消耗量为 整个加速过程的燃油消耗量（mL）为 加速区段内汽车行驶的距离（m）为 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 23 3．等减速行驶工况燃抽消耗量的计算 减速行驶时，油门松开(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，减速工况燃油消耗量等于减速行驶时间与怠速油耗的乘 积。减速时间（s）为 减速过程燃油消耗量（mL）为 减速区段内汽车行驶的距离（m）为 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 24 4．怠速停车时的燃油消耗量 若怠速停车时间为ts（s），则燃油消耗量（mL）为 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 25 5．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-R.15和我国货车六工况法，其整个试验循 环的百公里燃油消耗量(L/100km)为 式中， Q 为所有过程油耗量之和（mL）； s 为整个循环的行驶距离（m） 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 26 第二节结束！ 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 27 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 汽车等速百公里燃油消耗量为 由上式可知，等速百公里燃油消耗量正比于等速行驶时的行 驶阻力与燃油消耗率，反比于传动效率。 发功机的燃油消耗率，一方面取决于发动机的种类、设 计制造水平；另一方面又与汽车行驶时发动机的负荷率有关。 从万有特性图上可知．发动机负荷率低时，b值显著增大。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 28 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 当然，总的汽车燃油消耗还与加速、减速、制动、怠速 停车等工况以及汽车附件（如空调）的使用有关。 图2-6是一美国中型轿车在EPA城市和EPA公路循环工况 中的燃油化学能与汽车各处消耗能量的平衡图。由图可以看 出：汽车燃泊消耗除与行驶阻力(滚动阻力与空气阻力)、发 动机燃油消耗率以及传动系效率有关之外，还与停车怠速油 耗、汽车附件（空调等）消耗及制动能量损耗有关。在城市 循环工况中，后三个因素的影响相当大，它们消耗的能量总 计达燃油化学能的25.2％。但传统结构的汽车在这些方面尚 未找到突破性的提高燃油经济性的措施。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 29 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 30 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 一、使用方面 1．行驶车速 由图2-1可以看出，汽车在接近于低速的中等车速时燃油 消耗量Qs最低，高速时随车速增加Qs迅速加大。这是因为在 高速行驶时，虽然发动机的负荷率较高，但汽车的行驶阻力 增加很多而导致百公里油耗增加的缘故。 2．挡位选择 在一定道路上，汽车用不同排挡行驶，燃油消耗量是不 一样的。显然，在同一道路条件与车速下，虽然发动机发出 的功率相同，但挡位越低，后备功率越大，发动机的负荷率 越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，而使用 高挡时的情况则相反。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 31 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 一、使用方面 3．挂车的应用 可提高运输生产率和降低成本（如降低燃油消耗量）。 CA10B汽车经常拖挂4.5、5t挂车，行驶于坡度小于8％、 最大坡度小于11％的道路上，生产率可提高30％－50％，油 耗可降低20％－30％（以100t·km计）。 拖带挂车后，虽然汽车总的燃油消耗量增加了，但以 100t·km计的油耗却下降了，即分摊到每吨货物上的油耗下降 了。拖带挂车，节省燃油的原因有两个，一是带挂车后阻力 增加，发动机的负荷率增加，使燃油消耗率b下降；另一个 原因是汽车列车的质量利用系数(即装载质量与整车整备质量 之比)较大。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 32 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 一、使用方面 4．正确地保养与调整 汽车的调整与保养会影响到发动机的性能与汽车行驶阻 力，所以对百公里油耗有相当影响。 一般驾驶员常用滑行距离来检查底盘的技术状况。当汽 车的前轮定位正确，制动器摩擦片与制动鼓有正常的间隙， 轮胎气压正常，各相对运动零部件滑磨表面光洁、间隙恰当 并有充分的润滑油时，底盘的行驶阻力减小，滑行距离便大 大增加。阻力较小的装载质量为2.5t的汽车，在良好水平道 路上以30km/h的车速开始摘挡滑行，滑行距离应达200— 250m。当滑行距离由200m增至250m时，油耗可降低7％。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 33 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 34 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 二、汽车结构方面 1．缩减轿车总尺寸和减轻质量 大型轿车费油的原因是大幅度地增加了滚动阻力、空气 阻力、坡度阻力和加速阻力。为了保证高动力性而装用的大 排量发动机，行驶中负荷率低也是原因之一。 为了减轻质量，轿车选用材料中的铝与复合材料的比例 日益增加。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 35 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 36 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 二、汽车结构方面 2．发动机 发动机的热损失与机械损耗占燃油化学能的65％左右。 （1）提高现有汽油发动机的热效率与机械效率。 （2）扩大柴油发动机的应用范围。 （3）增压化（目前常提供选用的增压汽油机，采用增压 的柴油机已很普遍）。 （4）广泛采用电子计算机控制技术（目前各国电喷式汽 油机的产量已达世界汽油机总产量的90％左右）。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 37 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 二、汽车结构方面 3．传动系 传动系的挡位增多后，增加了选用合适挡位使发动机处 于经济工作状况的机会。因此，近年来轿车手动变速器巳基 本上采用5挡，也有采用6挡的。大型货车有采用更多挡位的 趋势，如装载质量为4t的五十铃货车装用了7挡变速器。由专 职驾驶员驾驶的重型汽车和牵引车，为了改善动力性和燃油 经济性，变速器的挡位可多至10—16个。 但不能为了提高性能而过多地增加有级式变速器的挡数， 因为这将使传动系过于复杂，而且也不便于操作选用。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 38 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 二、汽车结构方面 3．传动系 挡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；苦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。 注意：自动变速和无级变速的内容有专门的课程讲授。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 39 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 二、汽车结构方面 4．汽车外形与轮胎 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 40 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 41 第三节结束！ 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 42 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 1.原因 近年来，防止地球变暖、节约燃油、严格控制排气污染， 已成为国际社会极为关心的热点议题。 有资料表明，查明的石油储藏，按现在的开采速度，只 够世界使用50-60年；而有的环境学者则认为，当务之急是减 少CO2的排放量，防止地球变暖。 要进一步改善汽车燃料化学能利用率，即提高汽车的效 率。汽车的效率高，则油耗低、CO2排放量小。因此，当前 汽车技术发展动向常概括为“高效率、低排放、性能优、价 格低”。其中的性能是指除去燃油经济性以外的其他各种性 能。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 43 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 2.PNGV 美国于1997年，在联邦政府的支持下，成立了“新一代 汽车伙伴关系” (Partnership for A New Generation of Vehicles)。PNGV是由政府有关机构、国家实验室、大学、 汽车协会、三大汽车公司及有关配套厂商参加，联合开发研 制美国新一代汽车的合作组织。PNGV的目标是要求三大公 司在2004年提供新一代汽车的生产型样车。样车的基本要求 是在当今典型轿车的价格与各方面性能的基础上，将其按 EPA循环工况测得的燃油经济性指标提高3倍，即提高到 80mile／USgal（相当于3L/100km）。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 44 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 2.PNGV 这三种基准轿车的特性参数大体上为：整备质量1500 kg， 车宽1.85 m，发动机排量3 L，最大功率110kw。它们都是两 排6座中、高级轿车。显然，研制的新一代轿车若不跳出传 统汽车所采用的材料、工艺与汽车结构的框架，要达到 PNGV汽车计划提出的80 mile/gal的指标是不可能的。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 45 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 3.措施 这三种基准轿车的特性参数大体上为：整备质量1500 kg， 车宽1.85 m，发动机排量3 L，最大功率110kw。它们都是两 排6座中、高级轿车。显然，研制的新一代轿车若不跳出传 统汽车所采用的材料、工艺与汽车结构的框架，要达到 PNGV汽车计划提出的80 mile/gal的指标是不可能的。 为达到PNGV提出的目标，在技术策略上目前工程技术 界较为一致的看法是：采用复合动力的电力驱动装置、制动 能耗回收利用装置和大幅度降低汽车整备质量、滚动阻力系 数、空气阻力系数及附属设备能耗等。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 46 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 4. 复合动力电力驱动装置效率高的原因 复合动力的电力驱动装置是指热力发动机或动力发电机 组与典型电动汽车的电力驱动装置（包含蓄电池与电动机等） 组合在一起共同工作的驱动装置。 （1）传统汽车为了满足急加速、很高车速行驶与快速上 坡对驱动功率的要求，装备的发动机的功率均相当大。这样 大的功率储备主要是用于大加速度、更高的车速、坡道等行 驶状况。因此，在一般情况下，发动机节气门开启度小，负 荷率低，相应的燃油消耗率高。但是复合动力汽车的动力装 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 47 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 4. 复合动力电力驱动装置效率高的原因 置中，其储能部件（如蓄电池）在汽车的一般行驶中常能吸 收、储存电能，而在需要大功率时提供电能，使电动机与发 动机共同驱动汽车。因此．汽车只需装备较小的发功机，且 发动机可以常在高负荷、高效率下运转，燃油消耗率低。 （2）传统汽车发动机的设计要考虑多方面的要求，复合 动力系统中的发动机不要求过高的升功率和很好的动态特性 (指节气门急剧开大时亢即提供大转短的性能)，可以按最高 热效率的原则设计。与传统汽车发动机相比，其燃油经济性 有进一步的提高。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 48 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 4. 复合动力电力驱动装置效率高的原因 （3）复合动力系统可以在汽车停车等候或低速滑行等情 况下关机，节省燃油。 （4）复合动力系统电力驱动部分中的电动机能变作发电 机工作。当汽车要急减速时，可利用此发电机制动汽车而将 汽车的动能转换成电能存入蓄电池，所以复合动力系统可以 具有“减速滑行、制动能量回收系统”的功能，从而进一步 提高汽车燃油经济性。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 49 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 展 望 复合动力装置并不是理想的技术方案，采用燃料电池 (FueI Cell)电动车才是高效节能汽车的发展方向。 燃料电池是一种将燃料的化学能用电化学方式直接转换 成电能的电化学发电器。它的效率为内燃机的2-3倍，无污染、 无噪声，排出的不是温室气体CO2而只是水。现存的问题是 价格昂贵，体积、质量较大。燃料电池的研究开发在继续升 温，奔驰公司与福特公司分别投入4亿美元研制应用于电动 车的质子交换膜燃料电池，现已有样车在试验运行。计划到 2005年将年产20万套燃料电池组，供两大汽车公司装车生产 燃料电动车。日产的燃料电池车已进行了多年试验。 汽车理论讲义（第1版） 赵又群编著 50