汽车使用过程中节能技术

【专家解说】： 型驱动技术在汽车上的应用...... 摘要：为了降低城市道路车辆的燃油消耗和废气的排放，回收汽车制动时的动能技术是一种有效的方法。由于飞轮回收系 — 统结构简单和效率高等特点，本文介绍了发动机——飞轮定压混合驱动系统基本原理。 ...... ------------- 浅谈客车的技术节能途径与措施 近年来，国际油价的反复波动引发了全球性的石油产品供应短缺，而汽车行业对石油的需求可占到全球石油产品总消耗量的三分之一以上。在新一轮的能源危机中，汽车产品的节能已成为汽车技术亟待解决的首要问题。 汽车产品的节能是一项工作量巨大的系统工程，由于影响因素众多，因此需要一套科学的分析方法将各种因素有机串联为一体。汽车是由车身、底盘、发动机和电器四大部分组成，若要获得良好的节能效果，则需在汽车产品的开发过程中，全面、详尽地剖析汽车能耗的每个部分，从结构细节入手，在汽车各个系统部分开展优化设计，从而实现整车节能的目的。本文以客车产品设计为例，对汽车产品的技术节能途径与措施进行简介。 技术节能基本原理 汽车在行驶过程中需要克服各种行驶阻力，这将消耗一部分功率，此外汽车的机械传动损失也将消耗一部分功率。根据输入功率与输出功率相等的原理，设定条件为平道、等速行驶，汽车的功率平衡方程如下(公式1)： 其中Pe表示发动机的输出功率，ηT表示传动系的机械效率，G表示整车质量，ua表示汽车行驶速度，CD表示空气阻力系数、A表示迎风面积，括号内的四项分别为滚动阻力功率、坡道阻力功率、空气阻力功率和加速阻力功率。 而汽车在等速行驶时的百公里油耗可以表示为(公式2)： 其中，b为发动机燃油消耗率，Y为燃油密度。 根据公式1和2可知，汽车的百公里油耗与以下几个参数有关：整车质量G，空气阻力系数CD和迎风面积A。 降低整车质量始终是汽车产品节能降耗的最有效的手段，这也是多年来各大汽车公司始终重视汽车轻量化工作的原因。此外，汽车在平道上等速行驶时，行驶阻力主要由滚动阻力和空气阻力组成。根据公式1可知，滚动阻力与车速成线性增加关系，而空气阻力则与车速成三次方增加关系。试验证明，当车速达到80km/h时，空气阻力占汽车行驶阻力的60%。因此，汽车在低速行驶时改善油耗主要通过降低滚动阻力实现，而改善高速行驶时的油耗则主要通过降低空气阻力实现。目前我国城市公交客车的平均车速较低，普遍在25km/h左右，通过造型优化改善油耗效果有限，而降低车辆的滚动阻力则是一个主要手段。对于大多数时间都在高速行驶的公路/旅游客车，通过造型优化实现空气阻力的降低，从而实现节油效果的较为明显。 车身部分 通过车身设计改善油耗的关键在于减小车身的空气阻力，主要适用于高速行驶的公路/旅游客车。汽车的空气阻力分为压力阻力和摩擦阻力两大类。 压力阻力是作用在汽车外表上的法向压力的合力在行驶方向的分力，具体可细分为以下四部分： 形状阻力：它主要与汽车的外观造型相关，约占压力阻力的60%。 干扰阻力：它是由汽车表面的凸起物，例如后视镜、流水槽、车顶行李架、外表装饰板等引起，约占压力阻力的15%。 内循环阻力：它是发动机冷却系统、车身通风所需的空气流经车体内部时构成的阻力，约占压力阻力的15%。 诱导阻力：它是空气升力在汽车水平方向的投影，约占压力阻力的10%。 降低空气阻力的关键是降低形状阻力，也就是前部车身造型的优化设计，我们常见的公路旅游客车造型多表现为大曲面、双曲线的流线式造型，这便是降低形状阻力的集中体现。 在客车车身设计时，可通过以下方法降低空气阻力，改善油耗： 1、客车总体布置结构紧凑，提高空间利用率。在保证车内正常使用空间和行李舱容积的基础上，设计师应尽可能地减小客车的高度与宽度，从而减小客车的迎风面积，降低油耗。目前很多客运公司喜欢追求外观高大的客车，在提高车辆乘坐舒适性的同时，也要相应付出能耗增加的代价。 2、优化客车整体造型。前风窗玻璃采用大曲面，前围棱线处采用大圆角过渡，整体呈现出明显的楔形，这将有效改善客车的空气动力特性，降低油耗。 3、减少车体外部凸出部位。除了国家明令禁止的外部行李架外，空调始终是客车外部主要的凸出物。为了减少空气阻力，设计师可将空调布置在整车前部，通过加装导流罩将空调与前围造型有机融为一体。2008年以后，顶置气瓶形式的燃气公路客车开始出现，由于气瓶体积较大，对空气阻力有一定的影响，因此气瓶罩的外形设计显得尤为重要，此方面可参照整车造型设计思路予以优化。 此外，快速公交系统(BRT)在2004年末进入中国，由于采用了专用车道，此类城市公交客车的运行速度最高可达40~50km/h。对于BRT公交客车，亦可采用以上设计思路，对造型进行优化，通过减小空气阻力降低能耗。例如荷兰VDL公司的Phileas系列，我国的ZK6181HG、LCK6180G、DD6182S01等。 发动机部分 发动机的油耗对于汽车的油耗有着决定性的影响，因此设计师或用户在进行发动机选用时，应结合实际使用情况进行合理选配。 目前很多用户喜欢追求大功率、大扭矩的发动机，但对动力性的不合理追求也会造成油耗的不必要增加，这是必须注意的。发动机的比油耗是随着发动机负荷的变化而变化的，通常在低负荷和满负荷状态下的比油耗较高，负荷率在80%~90%时则较低。目前客车在平路上以常用速度行驶时，发动机负荷率仅为20%左右，长期处于低负荷状态，因此在行驶条件允许的情况下，不必盲目追求客车发动机的大功率，以避免增加负荷率。 对于城市公交客车，由于车速较低，在满足车辆日常载荷的情况下，选用小排量及小功率的发动机，使得发动机的常用工况处于相对经济的区域，非常有利于能耗的节约。而对于车速长期处于80~100km/h的公路/旅游客车而言，选用大排量、低转速、大扭矩的发动机则较为合适。 冷却系统 汽车的冷却系统主要是保证发动机处于适宜的工作温度，最理想的状态是在85℃~90℃，它也是汽车发动机消耗功率最大的附件。冷却风扇是按照发动机的最大热负荷来设计的，其最大消耗功率是发动机额定功率的5%~12%，大中型客车通常需要10kW~20kW，但在绝大多数的行驶过程中，发动机都处于远低于最大热负荷的工况下工作，因此如何尽量少地消耗发动机输出功率，而且保证发动机在最大热负荷工况下能够良好散热，是冷却系统设计需要面对的主要问题。冷却系统的技术节能主要包括两个关键点——“独立”与“温控”，采用这两种措施，油耗可降低4%~7.5%。 所谓“独立”，是指将冷却风扇与发动机的传动装置相对独立出来，根据发动机的工况选择性启动，提供最适宜的冷却风量，从而实现节能效果。普通客车冷却风扇采用皮带传动，由于缺少离合器的控制，风扇工作与否完全取决于发动机，这便导致无论发动机是否需要冷却，风扇都要无谓的转动、消耗能量，此时由于强烈冷却作用的影响，发动机工作温度过低，机油黏度增大，输出功率减小，油耗是正常工况下的两倍以上。此时，若采用离合器式、电动式或液压式风扇驱动装置，则可以解决这一问题。目前常见的客车离合器风扇有电磁式、硅油式两种，它们可以在发动机不需冷却时自动断开风扇与发动机的传动，避免发动机无谓的能耗。宇通客车的“发动机热管理系统”便是应用电磁式离合器风扇实现节油的典范，此举可以降低油耗5%以上，而且提高了车辆的动力性、加速性，缩短发动机冷启动时间约2/3，在北方地区的节油效果尤为明显。至于“温控”，则是通过优化风扇、中冷器、散热器及舱体的结构，利用最小的消耗功率得到最佳的散热效果。常见的措施包括：增大中冷器和散热器的面积，保证各种工况下的散热效果；利用流体分析软件对散热舱体结构进行优化，改善冷却进排气路径，减少沿程阻力，提高吸风效果；采用大直径、低转速风扇，同时对风扇叶片结构和材质进行优化。 传动系统 传动系是将发动机的输出动力传递至驱动车轮的系统，可从传动部件的匹配计算以及日常调整维护实现节油目的。 客车传动系的匹配计算通常指确定变速器的速比及驱动桥的主减速比，这两个参数有多种组合方式，需结合车辆实际使用情况进行反复匹配计算，以获得动力性及经济性最佳的组合。对于车速较低但起步制动频繁的城市公交客车，其在行驶过程中很少达到五档以上，但却对二档起步性及加速性要求很高。因此，城市公交客车通常选用五档变速器，且二档速比尽量做到4以上，而后桥通常选用相对较大的速比(5~6)。对于车速较高的公路/旅游客车，则多以六档变速器为主，而后桥通常选用较小的速比(3~4)。由于车辆的变速器和驱动桥在设计时便需确定，属于“先天性”因素，因此需要设计师予以精心选配，以确保车辆在未来的使用中能够长期处于最佳匹配状态，从而实现技术节能的目的。 传动系统尤其要注意日常的调整维护，传动系各摩擦副间的润滑和接触状况将直接影响传动效率以及油耗。例如：离合器在行驶中的发热现象，通常意味着不正常的油耗；变速器、万向节、传动轴和驱动桥在行驶中若发生异响现象，则意味着齿轮啮合或轴传动在运转中遇到了不应有的阻力，也会发生油耗的增加；另外使用粘度、抗磨性以及温度性能不符合要求的齿轮油，也会使油耗显著增加。据试验，在相同工况下，冬季用车使用夏季齿轮油会使燃油消耗增加4%。 行驶与制动系统 汽车的行驶系统主要由悬架、车桥、轮辋和轮胎等部分组成，此系统主要是通过减小行驶中的滚动阻力来实现节能降耗。 目前，从轮胎上着手以实现技术节能较为常见，主要措施有： 1、使用无内胎子午线轮胎替代普通斜交胎。这两种轮胎的区别在于：普通斜交胎体的帘线采用相交形式，而子午线轮胎则是各层间相互平行地由一胎圈到另一胎圈、呈子午线方向(与胎冠中心线成90°)排列。子午线轮胎中的主要受力部件是由钢丝帘线制成的缓冲层，它增大了胎面行驶部分与路面的接触面积，能使压力较均衡地分布在接触面积内，可减少胎面花纹滑动，提高侧稳性。子午线轮胎的滚动阻力比普通斜交胎减小20%~30%，可实现节油3%~8%。目前子午线轮胎在公路/旅游客车上已全面采用，在城市公交客车领域也开始普及，实际节油效果显著。 2、束角与倾角。如果车辆的四轮定位不好，导致束角、倾角不正，会增加轮胎与地面的摩擦，增加燃油消耗。对于使用子午线轮胎的车辆，其前束小于普通斜交胎，更要严格控制，一般为0~3mm。 3、胎压。各种轮胎都有负荷与气压的对照表，车辆出厂前以及车辆使用中都必须严格遵守。若胎压不足，轮胎的接地面积加大，摩擦增加，不仅使轮胎两侧的胎肩磨损增大，而且增加油耗。 4、轮胎花纹。每个品牌的轮胎都有自己的花纹系列，在使用时必须结合使用路况进行选配。实践证明，纵向花纹对于客车的节油效果最为明显。 另外，广义的滚动阻力还包括车轮和制动系统的摩擦阻力，例如制动鼓转动时是否有摩擦现象，油封及轴承的摩擦力大小，均对滚动阻力有较大影响。 轻量化设计 根据公式1可知，整车质量 直接影响滚动阻力、坡道阻力和加速阻力，是影响汽车能耗的关键性因素。据研究，整备质量减少10%，可使油耗降低8.8%左右。客车的轻量化工作主要有以下两个发展方向：利用CAE有限元分析优化整车骨架结构和各类轻质材料的使用。 利用CAE技术优化整车骨架结构随着三维软件在客车设计中的应用而得以普及。近年来，全承载客车作为轻量化技术在客车上应用的典型代表，已在中国市场中得到了高度认可，安凯、青年、宇通、金龙等众多企业通过技术引进和自主研发已经掌握全承载技术，并将其应用到产品设计开发中，不仅提高了车辆的安全性能，而且取得了极佳的节油效果。2009年11月，中通客车的LCK6120GT和LCK6103HG通过节能公交产品评审，便是采用车身轻量化设计、降低车辆整备质量得以实现技术节能的。 另外，轻质材料在客车上应用对降重节油也有一定的作用，例如各类质轻高强的轻金属以及工程塑料等高分子材料。2008年，宇通客车携手ALCOA美铝公司推出ZK6126HGE，整车大量采用铝质材料，减轻车身重量接近1.5t，经郑州公交的实际使用，节能效果明显。CVE