汽车节能技术研究

1.1 课题背景

（1）汽车节能技术分析的作用与意义

大家知道，汽车工业的飞速发展是人类文明的一大骄傲。与此同时，汽车对能源的消耗与废气的排放也日渐成为人类发展的一大障碍。2002年地球峰会大会的主要目的就是敦促各国在可持续发展领域采取实际行动。各国政府在大会上纷纷提出行动计划、时间表与伙伴关系项目，特别是中国总理朱镕基在大会上宣布中国已核准旨在减缓全球变暖的《京都议定书》，受到与会代表的高度赞扬。汽车工业对可持续发展应做出的贡献就是减少燃油的消耗量、降低排放。采用先进科学的节能措施减少汽车废气对大气的污染、改善人类生态环境、节省石油资源。

（2）我国汽车化进程对石油消费的影响

随着经济的快速增长,我国的汽车化进程也越来越快。汽车化进程的快速发展加快了我国石油消费的增长。我国的原油消费量从 1990年的 1.18亿吨上升到 2005年的 3.0亿吨,其间,1996年我国开始从原油净出口国变为净进口国。在之后仅仅 10年的时间里,我国的石油进口对外依存度上升到 40%。汽车消费占石油消费的比例不断上升。1980年,我国汽车消费占全国石油消费的比例为 12%,1990年上升到 19%,2000年上升到 21%(IEA,2005年)。而根据我国的统计资料,2004年该比例已经达到 25%。2005年我国的汽车普及率仅仅为 24辆/1000人,而2030年的汽车保有量将达到 2278万辆,普及率将上升到 152辆/1000人,汽车消费的石油在石油消费中所占比例将不断上升。世界各研究机构对 2030年我国车用石油占石油总消费比例的预测如下:IEA(国际能源署),37%(2004年);TSINGHUA(清华大学核能与新能源技术研究院),37%(2004年);ERI(中国能源研究所),41%(2005年);EDMC(日本能源经济研究所计量分析部),43%(2006年)。从以上各研究机构的预测值可以看出,我国用于汽车消费的石油消费比例在 2030年将上升到 40%[1]左右 ,所以，随着我国汽车化进程的快速发展与汽车普及率的快速增加,我国石油消费量在近几十年内将会迅速增加。 除了汽车保有量增加这个原因外,造成我国汽车燃油消耗量巨大的另一个原因是我国的汽车技术整体比欧美、日本等发达国家落后 10～20年,欧洲的柴油机技术与美国、日本的混合动力汽车的研制成功以及可替用燃料的不断研制，把汽车能耗进一步降低，而我国老旧车比例高达 25%,汽车每百公里平均耗油比

发达国家高 20%以上。我国现在行驶的乘用车很多是从国外引进的上世纪 80年代的车型,即使是最近几年生产的汽车,节油技术的采用也非常有限。从 2004年销售量排名前 15名车型的节油技术应用情况可以看出,节油技术的应用只集中在一部分中高档汽车,而应用得较多的技术是“电控燃料喷射技术”的一种,即 MPI(多点电喷汽油) 技术。该技术是与“三元催化技术”共同诞生的技术,是一种极其普通的技术。而我国应用像“可变气门正时与升程技术”这样新技术的车型只有“广州本田”的“雅阁”与“飞度”,以及“上海大众”的“帕萨特”等少量车型。同时,由于很多节油技术的采用要求成品油具有较高的质量,例如,具有代表性的节油技术——直喷技术、稀薄燃烧技术、透平增压技术、共轨喷射技术、尾气再循环技术等都需要燃油中的硫含量与多环芳烃含有量保持较低水平,但是我国目前的油品质量没有达到这些要求,譬如硫含量还相当高,所以也造成了很多节油技术无法采用。随着当前我国国民经济与汽车工的快速发展,以及由此带来的能源消耗与环境问题的日益突出,交通节能减排工作的重要性不断增加，而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分,重要性不言而喻。考虑到当前我国的汽车节能技术发展的实际状况,除了要积极推进以混合动力、燃料电池、柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的不断发展外,另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品。 1.2 本文研究内容

目前，节能技术在汽车设计、制造以及使用方面已得到了广泛的应用，并朝着多元化的趋势发展。因此针对这个发展的趋势，本文重点从两方面入手进行研究：发动机节能技术、整车节能技术。从技术层面寻求降低汽车油耗的的方法，达到节约能源的目的。

2 发动机的节能技术

发动机节能是汽车节能技术的关键。发动机节能技术的核心是提高发动机的燃烧效率，而提高热效率就是组织好发动机各个工作过程，减少各种损耗，以及正确选择汽车动力机械的机型。 2.1 发动机节能原理

发动机循环热效率是衡量发动机燃油经济性的重要参数之一，根据热力学定律可以推导出汽油机、低速柴油机、与高速柴油机的理想循环热效率分别为： 汽油机定容加热（奥托）循环的热效率： tv = 11k1 （2-1）

低速柴油机定压加热(狄塞尔)循环的热效率：

1(k1)tp1k1 （2-2）

k(1)高速柴油机混合加热循环的热效率：

t1式中：- 压缩比；

К- 绝热指数； λ - 压力升高比；

ρ- 预胀比。

1k1(1) （2-3）

[(1)k(1)]在混合加热循环的热效率表达式中，ρ=1时，即转换为ηtv,λ=1时即转换为ηtp。从以上三种理想循环的热效率公式可知，要提高发动机的热效率，应尽量提高压缩比ε与绝热指数κ。

实际发动机循环受到各种损失与因素的影响：工质具有不同的成分、比热、分指数与不同的高温分解特性等，因此直接影响发动机工作过程的组织与热效率：由于换气损失、传热损失、时间损失、燃烧损失、涡流与节流损失、泄露损失、机械损失等不可避免损失的存在，发动机实际热效率远远小于理想循环的热效率。

提高发动机的热效率，关键是组织好进、排气过程、喷油过程、燃油过程，减少各种损失。主要措施有：提高压缩比，稀燃技术，直喷技术，增压、中冷

技术，可变进气技术，改善进排气过程，改善混合气在汽缸中的流动方式，改进点火配置提高点火能量，优化燃烧过程，电控喷射技术，高压共轨技术，绝热发动机技术等。 2.2 汽油机电控喷射系统

由于化油器式汽油机具有许多先天性的难以控制与改进的缺点，现在已经被汽油喷射系统所代替。化油器与汽油喷射系统有同一个设计目标：在任何工况下都应向发动机提供最佳的空气—燃油混合气。电控喷射系统可以根据工况非常精确的控制发动机空燃比，保证动力系优良的运转性能，减少燃料消耗。

汽油喷射系统也经历了长期发展过程，从单点喷射（SFI）到多点喷射(MPI),从机械控制喷射到机电控制喷射到电子控制喷射，从连续喷射到间隔喷射到顺序喷射，从节气门喷射到进气门前喷射到缸内直接喷射。

随着汽油喷射系统的发展，发动机管理系统也由原来的喷射系统与点火系统分别控制发展到由同一控制单元集中控制，有些公司的管理系统甚至也将传动系统的管理与发动机的管理系统集成在一起。随着电子节气门的出现，对于进气量控制也不再由驾驶员直接操纵节气门开度，而是由发动机管理系统来对进气系统与进气量进行控制。 2.3 稀燃技术

从发动机的燃烧理论知道，混合气过量空气系数λ>1.1时，发动机具有较好的燃油经济性，但是目前汽油机大量采用的带有三元催化废气净化的电控喷射系统，必须严格保持λ<1，故此限制了油耗进一步降低。采用稀燃技术可以在λ远大于1的条件下保证发动机正常运转，不仅能提高燃油经济性，而且具有较好的排放性能。

（1）着火极限问题与解决措施

由于受到着火极限的限制，过浓或过稀的混合气在压缩行程终了时，不能点燃，无法着火。在一般条件下，当过量空气系数λ≥1.4时，过稀的混合气便达到了着火极限，相当于空然比A/F≥20.58。

稀薄燃烧技术发动机的空然比可以高达50—100，远远大于着火极限。为保证顺利点火所采取的措施主要有加强雾化、组织一定的气流运动、改进点火系统与采用分层燃烧技术。

加强雾化，可以使燃油的颗粒细化，油粒均匀分布，增加蒸发气化面积以

增大燃烧率，例如，把直径为3mm的油滴雾化成直径为30µm的细油滴1百万颗，由于质量燃烧率大致反比于油滴直径平方值，则燃烧率可增加1万倍。因此，燃油的雾化质量直接影响发动机的燃烧特性。

利用螺旋进气道、切向进气道产生绕气缸中心线的进气涡流，或组织绕其旋转轴线平行于曲轴的翻滚气流，或通过活塞顶的燃烧室形状组织挤流，可以加快燃烧室内气流速度。

改进点火系统，包括提高点火能量，优化点火位置，增加点火持续时间，以及提高点火区域的温度等，可以促使发动机燃料的完全燃烧，提高燃油的经济性。

（2）分层燃烧技术

在燃烧时的火焰中心，即火花塞附件的可燃混合气浓度，对着火有直接的影响，在A/F为12—13.5偏浓的范围内，最适宜点火，即着火性最好。但是一旦已经形成火焰，则由于其高温与涡流的作用，燃烧室中其余区域的混合气即使很稀，也能点燃、传播火焰并继续燃烧。所以在火花塞附件的混合气浓一点，其余的混合气稀一点，这就是分层燃烧原理。相对而言，浓度基本不变的，则叫均质燃烧。

通过分层燃烧，可以大幅度提高A/F值，大多数稀燃发动机都采用分层燃烧方式。实际上，一般在中小负荷工况时采用分层燃烧，在大负荷采用弱分层燃烧。所谓弱分层是指混合气浓度差值较小，这样有助于防止燃烧时产生黑烟与熄火的倾向。

分层燃烧的稀燃特点，主要有单室式与双室式：

1）单室式 单室式主要利用喷油喷油嘴所形成的旋转气流，火花塞、喷油器与燃烧室的匹配，以及供油方式与热量处理等各种方式进行分层燃烧，如图2.1。喷油嘴在火花塞9附近造成较浓的混合气。并且由箭头6方向的气流扰动，产生较好的效果。该装置的A/F值可达100。

2）双室式 如图2.2浙江大学在195柴油机上作的实验，采用双室式的分层燃

烧，其空然比可达到A/F=37。

图2.1 德士古—TCP 系统的顺气喷射方案

1.喷雾 2.可燃混合气 3.焰面 4.燃烧气体 5.带导气屏的进气阀 6.空气流 7.排气阀

8.喷油器 9.火花塞

图2.2 195柴油机的分层燃烧

1.活塞 2.气门 3.进气管 4.副通管 5.主通道 6.主室 7.副室 8.喷嘴 9.火花塞

目前的应用情况是单室式的居多。现在成功的应用例子：三菱的GDI与丰田的D4均为单室式。 （3）稀薄燃烧控制

稀薄燃烧发动机，其实只在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧，而在起动、怠速、加速与全负荷下都不采用稀薄燃烧。所以，各种有关的参数必须根据工况进行控制。涉及稀薄燃烧的控制参数有：进气涡流比、喷油正时、点火正时与过量空气系数。 1）进气涡流比控制

不论采用非均质混合气还是均质混合气，稀薄燃烧汽油机都要组织适当的缸内空气运动，以促使油束雾化与加速燃烧。稀薄燃烧汽油机普遍采用多气门技术。分层充气与缸内空气运动的电子控制往往与多气门技术联系在一起。缸内空气运动主要有翻滚气流 如图2.3与进气涡流 如图2.4。不同的气门形成可

以组织不同的进气涡流。 2）喷油正时控制

喷油正时对稀薄燃烧的燃烧率与燃烧稳定性有一定的影响。在形成分层充气的场合，这主要是因为喷油正时影响充气分层状况。以AVL四气门HCFB系统为例，进气冲程中，相对推迟喷油可提高燃烧稳定性。喷油过早会使浓混合气集中在燃烧室的底部，而燃烧室顶部火花塞周围却是稀混合气，称为“负充量分层”，导致燃烧延缓，燃烧稳定性恶化，而对应于最佳燃烧稳定性的喷油正时往往会造成NOX排放过高。

图2.3 旋转轴线平行于曲轴中心线的翻滚

1.火花塞 2.喷油器 3..混合气 4.空气 5.混合气与空气的分层

图2.4 分差螺旋进气道产生的进气涡流

3）点火正时控制

混合气变稀，则着火落后期与速燃期都加长，实现最佳转矩的最小点火提前（MBT）将增大。随着缸内空气运动的增强，MBT明显减小、燃烧速率将变得对点火正时十分敏感。所以，稀薄燃烧的点火提前角必须重新进行调整。点火

正时还要考虑过量空气系数λ，空气运动情况与喷油正时等因素。总的来说，随着λ的增大，点火提前角应增大。 4）λ闭环控制

稀薄燃烧发动机的过量空气系数λ超出常规，λ的大小影响着发动机的性能与排放，给发动机工作过程带来困难，围绕着稀薄燃烧所采取的各项措施，如组织进气涡流、调整喷油正时与点火正时等，都与λ的大小有关，所以要进行λ闭环控制。

稀薄燃烧λ闭环控制目标主要由发动机负荷与转速确定，可以用λ特性场表示。不同的稀薄燃烧发动机因其组织缸内空气运动的方式不同、燃烧室结构不同、气门与火花塞位置不同等原因，其λ特性场或A/F特性场会有较大差别。 5）燃烧极限控制

混合气浓度接近稀燃极限时，燃烧开始不稳定，平均指示压力的波动明显增大。这种浓度表现在：一是同一工作循环内缸与缸之间的平均指示压力波动增大；二是在同一个缸内不同工作循环之间的平均指示压力波动也增大。

假定循环与循环之间的转矩波动多大，便可知该缸混合气已超稀燃极限，此时必须增加喷油量，使混合气加浓，以免发生缺火；如果转矩波动过小，则表明混合气浓度离开稀燃极限尚远，应该减少喷油量，使混合气变稀，以充分发挥稀薄燃烧在节油与降低NOX排放方面的潜力。 2.4 直喷汽油机

汽油直接喷射（Gasoline Dirent Injection,缩写为GDI）就是指直接往气缸内喷射汽油。它同时也采用稀薄燃烧技术。

由于汽油直接喷入燃烧室，消除了节气门所引起的泵气损失；由于汽油的气化吸热作用，使燃烧室温度降低，从而提高充气效率，以利用采用更大的压缩比而不产生早燃、爆震等现象。

直喷汽油机采用稀燃、分层充气/燃烧、点控喷油、多气门、排放后处理等多项技术。可在空然比A/F超过100的情况下稳定运行，远远超过发动机可达到的每循环可能的最大吸气量与每循环最小喷油量之比。低工况时可以放弃使用节气门节流，采用调节每循环喷油量便可实现发动机转矩的调节。此时的汽油机从变量调节变成了类似柴油机的变质调节。

GDI可使汽车节油达20%左右，因为提高了高工况时的体积效率，GDI还

能使最大转矩提高10%左右，将燃油经济性提高到接近柴油机的水平。

汽油直接喷射喷油器的构造与进气口喷射器相比有一些固有的特点。因为喷油器要安装在缸盖里面，且一直伸展到气缸，在现代四气门发动机中只有很小的空间可供喷油器使用，喷油器下段直径必须尽可能小，以便给缸盖冷却水套留有足够的空间，所以要将发针做得细长。尽管喷油器壳体很细，却不得影响最高达12Mpa的燃油压力与大的油束角度。考虑到价格、批量生产的开始日期与运行的可靠性，首选电磁驱动喷油器。 2.5 电控直喷柴油机

柴油机由于其功率大，燃油消耗率低，国内外大部分中、重型汽车都采用柴油机作动力，轻型车用柴油机的比重也在稳步增长。柴油机的燃油喷射系统与汽油机截然不同，通常把燃油喷射系统中最关键的部件——油泵油嘴比喻为柴油机的心脏，长期以来柴油机都是采用机械控制系统来控制喷油泵的供油量与喷油正时。

机械控制系统中的机械调速器与机械喷油提前器控制精度低，反应不灵敏，无法满足柴油机进一步改善性能的要求。随着石油危机与日益严格的排放法规的推动，柴油机电控技术也日益发展与成熟起来。

直喷柴油机是最节能的内燃机，在轿车上使用较晚，原因是转速范围较窄，NOX与PM微粒的排放以及振动与噪声等问题。直到20世纪90年代这些问题逐渐得到解决，才开始大量应用于轿车。此外，直喷柴油机对柴油的要求较高，特别是对硫含量有严格的要求。

直喷柴油机电控系统的特点、原理与分类

柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元与执行器三个部分组成。电控柴油机上所用的传感器，如转速、压力、温度等传感器以及加速踏板传感器，与汽油机电控系统都是一样的。电控单元在硬件方面也很相似，在整车管理系统的软件方面也有近似处。

电控柴油喷射系统主要控制喷油量与喷油正时。柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力高达60—150Mpa甚至超过200Mpa，为汽油喷射的几百倍，上千倍。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制比较困难，柴油喷射对喷射正时的精度要求高，相对于上止点的角度位置远比汽油机要求准确，导致柴油喷射的电控执行器更复杂，因此柴油机电控技术的关键与难点

就是柴油喷射电控执行器。

柴油机在机械控制时代，就已经有直列泵、分配泵、泵喷嘴、单缸泵等结构不同的系统，每个系统各有其特点与适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，也形成了柴油喷射系统的多样化。

电控柴油喷射系统根据其直接控制的量而分为位置控制与时间控制两类。位置控制系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油嘴系统，而且还保留了喷油泵中齿条齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为微机控制。而时间控制系统可以保留原来的喷油泵-高压油管-喷油嘴系统，也可以采用新型的产生高压的燃油系统，而用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射。

电控柴油喷射系统根据其产生高压燃油的机构，可分为直列泵电控喷射系统，分配泵电控喷射系统，泵喷嘴电控喷射系统，单缸泵电控喷射系统，共轨式电控喷射系统。其中共轨式电控喷射是电控技术发展起来所形成的新型喷射机构。其他系统都是在原来的喷射机构上加上电控执行机构后形成的。

对电控泵喷嘴系统来说，合适的低压供油系统也很重要。由于进回油道是铸造在气缸盖内，燃油本身在压缩与溢流中会产生热量又要传给燃油，因此要求输油泵提供足够大供油量，保证个缸喷油器之间温差不要太大，各缸喷油量差别足够小。PED系统所装备的输油泵供油压力在标定转速下为500KPa，供油量350L/h。它由输油泵、粗滤器，滤清器、压力调节器、控制阀、电动泵等组成。其中电动泵可在柴油机关掉后，为冷却仍处于高温ECU提供循环供油。在回油路上装有启动时所需的放气螺塞。 2.6 发动机增压与中冷技术

增压是内燃机发展的一个飞跃。用增压的方式来提高进气量密度，可以几成甚至几倍的增加功率，同时还能改善热效率、提高经济性、减少排气中的有害成分、降低噪声。单位质量的功率增加，也可以降低发动机的质量。 （1）增压的主要方式

增压方式主要有机械增压、排气涡轮增压、复合增压、惯性增压、气波增压等。

机械增压是指压气机由内燃机曲轴通过传动装置直接驱动的增压方式。机械增压的特点是：不增加发动机背压，但消耗其有效功率，总体布置有一定局

限性；增压压力一般不超过0.15—0.17Mpa；过多地提高增压压力，会使驱动压气机耗功过大，机械效率明显下降，经济性恶化。

排气涡轮增压是指利用排气量使排气在涡轮中进一步膨胀作功，用于驱动压气机的增压方式。排气涡轮增压的特点是：不消耗发动机有效功，增压器可以自由布置在所需的位置，涡轮有有一定的消声作用，并进一步减少排气中的有害成分。

排气涡轮增压有单级涡轮增压与二级涡轮增压两类。单级涡轮增压：由一台涡轮机与一台压气机组成的或几台涡轮增压器并联的涡轮增压叫单级涡轮增压，多用于中、小型柴油机。小型柴油机、汽油机一般用径流式涡轮、离心式压气机；二级涡轮增压：空气经两台串联的涡轮增压器压缩后进入发动机，这类增压系统称为二级涡轮增压。

（2）增压器 涡轮增压器主要由涡轮与压气机组成。发动机排气经排气管进入涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至发动机进气管。

（3）中冷器 在增压柴油机为降低进入汽缸的空气温度、增加空气密度、减少排放，使增压后的空气先在中间冷却器中冷却，再进入气缸，称为增压中冷。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低以及机械负荷增加不多的前提下，较大幅度地提高柴油机功率，还可提高发动机的经济性、降低排放、节省能源。

为了反映中间冷却程度，通常用中冷度来表示，即中冷器前后空气温度差与中冷器前空气温度的比值。

目前采用的中冷器都属错流外冷间壁式冷却方式，根据冷却介质的不同，有水冷式与风冷式两大类。

水冷式冷却根据冷却水系的不同又分以下两种方式：

1）用柴油机冷却系的冷却水冷却。这种冷却方式不需另设水路，结构简单柴油机冷却水的温度较高，在低负荷时可对增压空气进行加热，有利于提高低负荷时的燃烧性能；但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差因此，这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。

2）用独立的冷却水系冷却。柴油机有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动机，低温冷却水系主要用于机油冷却器与中冷器。这种冷却方式冷

却效果最好，在船用与固定用途柴油机中普遍应用。

风冷式冷却根据驱动冷却风扇的动力不同，可分为以下两种方式： 1）用柴油机曲轴驱动风扇。这种方式适用于车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却风扇与汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器与水箱。车用柴油机普遍采用这种冷却方式，但在低负荷时易出现充气过冷现象。

2）用压缩空气涡轮驱动风扇。由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器。由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮作功较少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变化，因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时风量大，有利于兼顾不同负荷时的燃烧性能。且其尺寸小，在车上安装方便，在运用车辆上也有应用。 （4）排气能量的利用

目前生产的车用增压柴油机中，几乎都采用排气涡轮增压系统，通过排气来驱动涡轮增压器工作，从而吸收排气能量来实现增压的目的。

排气的最大可用能E由三部分组成：①排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所作上午功Eb；②活塞推出排气，排气得到的能量Ec；③扫气空气所具有的能量Es。排气门前排气具有的能量，在流经排气门、气缸盖排气道、排气歧管、排气总管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失ΔE包括如下几个方面：

ΔE=ΔEv+ΔEc+ΔEd+ΔEm+ΔEf+ΔEh （2-4）

式中 Δ Ev—流经排气门出的节流损失； ΔEc—流经各种缩口处的节流损失； ΔEd—管道面积突扩时的流动损失；

ΔEm—不同参数气流 掺混与撞击形成的损失； ΔEf—由于气体的粘性而形成的摩擦损失；

ΔEh—气流向外界散热所形成的能量损失。

这些损失直接影响着排气能量可被涡轮回收的程度，是排气涡轮增压柴油机排气管设计与改进时所必须关注的重要方面。

ΔEv是能量传递中的主要损失，约占总损失的60%—70%。尤其是在初期

排气，气缸中高压高温气体流出时，因排气管中压力低而形成超临界流动，所以减少这部分节流损失对提高排气中能量的利用率是很重要的。在设计中，应使排气门后的通流面积尽可能大（一般采用四气门结构）、开启速度尽可能快，以使排气很快流出，排气门后的压力Pr很快升高，从而减少节流损失。另外，排气管容积不应太大，排气管要细而短。当在结构上受限制时，做得“细而长”比“粗而短”要好。在排气初期，大量排气涌入较细长的歧管中，形成“堵塞”，很快在排气门后建立起较高的压力波峰，减小排气门前后压差，从而大大减少节流损失，并把气体所具有的较大速度在歧管中保持下来并传送到涡轮，提高了对排气动能的利用率。由于歧管中流速高而使摩擦损失加大，但其他损失减小，所以总起来说，它的能量传递效率较高。细而长的排气管不仅能够使排气门后的压力Pr在排气初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排挤功减少，并有利于扫气。

（5）增压器与发动机的匹配

以单级涡轮增压系统为例，根据质量守恒定律，在这个增压系统中，压气机所提供的空气正好等于柴油机所需的空气量。因此，在稳定工况下，压气机提供的增压压力等于柴油机所需的增压压力。因此，可在压气机特性曲线图上，将该工况下以增压比∏b与空气流量qmb为表征的增压器好柴油机联合运行点确定下来。这样，当柴油机按某一特性运行时的所有工况点都可在压气机特性曲线上确定下来。

如果高增压柴油机主要是在高速、高负荷下运转，则必须把增压器的高效率运转区域设计得广一些。车用柴油机低转速工况要求较苛刻，不仅以外特性运转，而且转矩的适应性系数高，所以增压器的高效率区域选在柴油机转速较低的地方，这样做即使在标定工况时性能稍差一些也是值得的。对于超高增压柴油机，低工况性能更为突出。因此，在选配涡轮增压器时，除了要进行变工况运行的配合性能计算外，还必须进行样机的配合调整实验，以满足各方面的要求。

（6）可变涡轮增压

在柴油机进行正常设计与经过估算及性能模拟计算来选配涡轮增压器后，一般在配合性能上不会出现太大偏差。但对于车用柴油机，如果增压系统满足高速时增压适量的要求，则在低速时供气就会不足；如果满足低速时的供气量，

则在高速时就可能增压过量。因此，必须采取一些措施，才能弥补其高低工况不能同时满足较佳匹配的矛盾。

对于车用高速柴油机及某些超高增压中速柴油机，为了改进低工况性能，可采用高速时放气的措施，但高工况经济性不好。近年来，发展了一种可变涡轮喷嘴环出口截面的涡轮增压器，简称变截面涡轮增压器。在发动机低速时，让喷嘴环出口截面积自动减小，使得流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，供气量加大；在高速时，让喷嘴环出口截面积增大，增压器转速相对减小，增压压力降低，增压不过量。

采用变截面涡轮的优点是：①在不损害高转速经济性的条件下，增大低速转矩；②扩大了低油耗率的运行区；③使柴油机的加速性能提高；④可以满足要求越来越高的排放与噪声规范等。但要使可变截面涡轮达到实用化，必须满足：①从涡轮调节结构往外漏气应尽可能少，且当喷嘴面积改变、使气流流向偏离时，不致使涡轮效率降低过多；②结构及操作系统简单，操作方便；③所有结构操作系统具有较高的可靠性等。

车用发动机大多用径流涡轮增压器，这给采用可变截面涡轮增压器带来方便。在有叶径流涡轮的情况下，可以采用改变喷嘴叶片安装角度的方法来改变喷嘴环出口截面积。如图2.5为一变截面多叶片可变喷嘴增压器三维示意图。

图2.5 变截面多叶片可变喷油嘴增压器

喷嘴环截面积大小及档数是由实际运转要求确定的，在最大转矩时，增压压力最高。控制器（ECU）根据发动机转速、喷油泵齿条位移（相当于负荷）、水温与增压压力等信号对压力控制调节阀的开启与关闭时间比（负荷比）进行调节，从而控制真空泵产生的负压。可以根据发动机工况的最佳负荷比图谱预

先输入到控制器中。控制器与电控柴油喷射系统的控制器也可互相通讯。由于采用可变喷嘴涡轮增压器，在低速时可变喷嘴涡轮增压器处于小喷嘴开度，增压压力可提高，因此大大改善了低速工况性能。

由于采用了可变截面涡轮增压器，使柴油机加速、负荷特性都得到改善。整机稳态及瞬态性能改进，低油耗区域扩大，转矩储备系数加大。 （7）增压器的瞬态性能

柴油机瞬态特性是在变速或负荷情况下柴油机的性能。涡轮增压柴油机不像非增压柴油机那样很快响应负荷与转速的突然变化。在加速、加负荷过程中，空气流量与加油量变化速率之间的差异导致了燃烧空气系数低于极限值。因此，涡轮增压柴油机瞬态响应特性较差的决定因素是供气量。

供气量比供油量的时间滞后，其原因是多方面的。燃油入气缸燃烧后，气体能量增加，而涡轮得到的能量增加显然要滞后一些，因为在排气门开启之间气体的能量不可能影响涡轮；在排气门开启以后，由于排气管中气体的可压缩性，也得经过几个工作循环，排气管中的气体压力才能逐步上升，涡轮得到的能量才能不断增加。另外，由于涡轮的功率比压气机的功率大而使涡轮增压器的转速增加，但涡轮增压器转子具有一定的转动惯量，要加速转子的旋转速度也需消耗一部分能量，这也是其瞬态响应滞后的另一个重要原因。再者，增压器的旋转速度不断上升才能使增压压力不断提高，但由于进气管具有一定的容积，这就使增压压力只能逐步提高。只有当增压压力提高后，才能增大进入气缸的供气量。这些因素都将使供气量滞后。当然，发动机响应快慢还与发动机运动件的转动惯量有关，若希望加速性能好，则希望发动机转动惯量尽可能小。

改善增压柴油机瞬态特性的根本措施是使增压压力更快地提高，冲入气缸的空气量更快增加。尽量减小进气管与排气管的容积，在加速或加负荷过程中，使其中气体压力较快增大，响应速度加快，因此变压系统比定压系统响应速度快；在低工况运行时减小涡轮通流面积，若从低工况到高工况时涡轮通流面积小，则将使排气管中的压力更快上升，涡轮功率增加较快，使增压压力更快上升，从而改善瞬态特性。 2.7 可变进气技术 （1）可变进气涡流系统

通常，进气道是根据发动机在标定工况或最大转矩工况下的性能要求进行

设计的，并制成树脂气道模型后在稳流气道试验台上测量涡流强度与流量系数，经过多次试验修改后定型，投入生产。这样的气道，其性能只在某个转速附近能达到最佳，而进气涡流强度随转速工况的变化是无法控制的。原理上，随发动机转速升高，进气涡流增强，当转速升高到一定程度时，进气涡流过强，或者在低速时进气涡流强度过弱，这两种情况都不能使燃油与空气达到最佳混合。对燃油经济型与排放都会产生不利影响。这样就产生了企图控制进气涡流强度以满足高速、低速各种工况要求的设计思想。采用电控可变进气涡流系统后，发动机的动力性与经济性都获得改善。 （2）可变气门正时

汽车发动机要适应负荷与转速变化的运行条件，气门正时对充气系数、热效率与机械效率都有影响。可变气门正时的主要作用是在宽广的运行条件下改善充气系数、提高标定功率、怠速稳定性以及降低排放，从而使发动机动力性与燃油经济性得到协调统一。

进气门与排气门对发动机充气交换过程的控制。其特性参数主要是3个：气门开启相位、气门开启持续角度（指气门保持升起持续的曲轴转速）与气门升程。这3个特性参数对发动机的性能、油耗与排放有重要影响。通常将气门开启相位与开启持续角度统称为气门正时。随着发动机负荷与转速的改变，这3个特性参数（特别是进气门开启相位与开启持续角度）应对应不同的优化要求。

进气门开启相位提前，一方面为进气过程提供了较多的时间，有利于解决高转速时进气时间不足的问题；另一方面，气门重叠角增大，有更多的废气进入进气管，随后又同新鲜充量一起返回气缸，造成了较高的内部排气再循环率，可降低油耗及NOX排放，但同时也导致起动困难、怠速不稳与低速工作粗暴。

进气门关闭相位推迟，一方面在高转速时有利于高速气流的惯性提高体积效率；另一方面在低转速时又会将已经吸入气缸的新鲜充量又推回到进气管中。

气门升程增大，一方面在高负荷时有利于提高容积效率；另一方面在低负荷时不得不将节气门关得更小，造成更大的泵气损失与节流损失。

可见，出于不同的考虑，对气门特性参数提出了不同要求。为了提高标定功率，要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门升程；为了提高低速转矩，要提早关闭进气门；为了改善起动性能并提高怠速稳定性，则要推迟开启进气门，减小气门重叠。进气门特性参数对发动机的影响比排气门特性参数大；进

气门关闭相位的影响比开启相位大。

在传统的发动机中，由于这3个特性参数在运行过程中不能改变，所以只能根据对性能要求的不同侧重面进行折衷。过去往往将气门正时设计成对高速全负荷工况最为有利，以便求得最大的标定功率。近年因为更注重油耗与排放，所以将气门正时的优化策略改成对低速工况更为有利。但是，固定的气门正时终究只能设计成对某一个转速或狭小的转速范围有利，低于这个转速或转速范围则要求进气门推迟开启、提早关闭；反之，则要求进气门提早开启、推迟关闭。可变气门操纵（Variable Valve Actuation，缩写为VVA）便是针对这种情况设计的气门特性参数可变的进、排气系统，用以实现对各种工况优化。若进是气门开启相位与开启持续角度可变，便称可变气门正时（Variable Valve Timing，缩写为VVT）有的文献将可变气门升程也纳入可变气门正时的范围内。VVA均采用上置式双凸轮轴（Double Over Head Camshaft，缩写为DOHC）,分别操纵进气门与排气门，可为每缸两气门或四气门。

可变气门可以在部分负荷工况只要缩短或延长进气门开启持续角度与/或降低进气门升程，不必减少节气门开度便能减少进气量，从而减少进气管真空度造成的泵气损失与节气门的节流损失；低速时降低气门升程至1mm左右能增强絮流，加速燃烧，改善冷起动与怠速性能而节油。同时，缩减气门叠开角能减少进气与排气过程的互相干扰，燃油经济性得以提高。还因为在怠速工况通过缩减气门叠开角减少参与废气提高怠速稳定性，从而可以在较低转速下达到稳定的怠速运转，减少了气门节流损失，也有利于提高燃油经济性，减低能源的消耗。 （3）可变进气管长度

进气门的开启关闭与活塞向下运动会使进气系统产生膨胀波。膨胀波从进气门出发，以当地声速传播到管端。由于进气系统的管端是敞开的，膨胀波在此变成压缩波并同时以当地声速反向传回进气门。如果这个压缩波传到进气门时进气门开启着，那么由于压缩波引起的质点振动方向与进气气流方向一致，进气气流因此而得到增强，气体体积效率将会提高，转矩也将增大。 、

3 整车节能技术

低燃耗发动机是汽车节能的基础，但装有低燃耗发动机的汽车未必就有良好的燃油经济性，还要看发动机与传动系的匹配情况，匹配优化传动系参数可使发动机经常在经济区域内工作。减少空气阻力系数、轮胎道路阻力系数与汽车轻量化等都属于整车节能技术范畴。 3.1 汽车传动系统匹配优化

汽车传动系对汽车燃油经济性油重要影响，主要影响因素包括汽车传动系的档数、传动比与传动效率等。 （1）传动系统的最优匹配与参数优化

在汽车设计过程中，当发动机性能与汽车的常用行驶工况确定后，传动系统与发动机的匹配与参数选择是否恰当直接影响汽车的动力性、燃料经济性等。变速器的传动比范围、档位数、传动比分配规律与主传动比等参数都影响到整车的燃油经济性，在满足汽车动力性能的前提下，优化传动系各参数，使汽车常用工况处于发动机最佳经济区，则可有效地降低汽车的燃油消耗。 （2）无级变速传动装置

无级变速传动装置，即Continuously Variable Transmission(CVT)，是理想的

传动系统。采用CVT使得驾驶方便，传动系统与发动机得到最优匹配。

CVT主要由CVT传动器与控制系统组成。传动器包括传动带、输入轴、输出轴、主动轮、被动轮、离合器与壳体等。

1）传动带 由两根厚片组合成的柔性钢带及许多金属片组成。其中金属带承

受由主动轮所传递的推力（不是拉力），柔性钢带将金属片保持成带状，并支撑金属带。

2） CVT传动器 它的输入轴带动行星齿轮装置旋转，行星齿轮装置的主动部分是行星架，被动部分是太阳轮，直接驱动CVT主动轮及齿轮BANG、前进档离合器与倒档制动器，用以实现汽车的前进、倒车与起步。

油泵将油输入主动轮伺服油缸与被动伺服油缸，推动主动滑动半轮与从动滑动半轮。由于金属传动带长度不变，当主动滑动半轮左（右）移动，通过控制系统的作用，从动滑动半轮要向（右）左作相应的移动，从而改变传动比。 CVT装置的控制系统

CVT装置传动比的变化是通过改变主动轮与从动轮V槽宽度实现的。由于传动带的长度是不变的，所以主动轮V槽宽度与被动轮V槽宽度应同时相应地变化。

（3）CVT基本原理

如图3.1是通过改变主、被动带轮直径，改变CVT传动比的原理图。

图3.1 CVT 原理图

1．主动轮 2.紧边轮 3.松边轮 4.被动轮

图3.1a 传动比为1，即主传动带轮槽宽相等。图3.1b 主动带轮槽宽度变窄，被动带轮槽变宽，传动比减小。图3.1c 还可看到，金属带的工作边在主动轮的出端金属带受推，而不像通常皮带传动，工作边受拉。 （4）CVT最佳燃油经济性调节特性

如图3.2是发动机负荷特性，某一固定转速n1，它在b—Pe曲线表达了燃油消耗率与发动机输出功率的关系。其最低点表达在发动机转速n1时，相应的最小油耗效率。将各个不同转速曲线的最低点连接而成的包络线，即是发动机

最经济工况。这条曲线是最低燃油消耗率曲线，使CVT装置在这条曲线上工作，是最经济的。

图3.2 发动机负荷特性的燃油消耗率

3.2 汽车空气动力学设计

空气阻力所消耗的功率与车速的三次方成正比，就是说在车速低的时候，空气阻力功率消耗所占比例不大，在车速高的时候，空气阻力将是主要的阻力 （1）空气阻力系数

图3-3示出了汽车所受到的气动力与气动力矩。当汽车沿着x轴行驶，而且受到与质心成β角的侧向合成气流作用使，汽车上将受到以下气动力与气动力矩：D—空气阻力；L—升力；S—侧向力；PM—俯仰力矩；RM—侧倾力矩；YM—横摆力矩。被称为气动六分力或气动六分量。相应的系数为CD、CL、CS、CPM、CRM与CYM，其表达式为： 空气阻力系数

CDD12A2； （3-1）

生力系数

CLL12A2； （3-2）

侧向力系数

CSS12A2； （3-3）

俯仰力矩系数

CPMPM12Aa2； （3-3）

侧倾力矩系数

CRMRM12Aa2； （3-4）

横摆力矩系数

CYMYM12Aa2； （3-5）

式中：ρ—空气密度，ρ=1.2258kg/m3 ； v∞—合成气流相对速度，m/s； A—汽车迎风面积，m2； α—轴距，m。

其中对燃油经济性影响最大的是CD，为了保证正常行驶CL也十分重要。希望通过降低汽车的这些系数，以减小气动力的影响。

减小CD可以降低行驶阻力及其消耗；同时减小CD可以减小升力。汽车的升力会减小车轮对地面的压力，这个压力也称为接地力。由于接地力的减小将降低前轴的操纵性与后轴的驱动能力，因此升力常常是有害的，应予以控制。 传统的汽车造型是“细部优化”，细部优化的意思是按照造型风格、汽车结构布置与性能要求提出原型汽车，在次基础上进行空气动力学修正。当前所谓的“汽车造型整体优化”或称为“整体最佳化的理论”是使气流不从汽车表面分离。它以空气动力学特性最佳形体为依据，作为原型将它改造成汽车。改造原则是尽量不破坏流场，即气流尽量不产生分离。改造后汽车的CD比所依据的形体要大些，但尽可能地接近它。显然“整体优化”比“细部优化”先进，但是“整体优化”设计得到的各种汽车外形很容易趋向一致，而抹杀了个性，缺乏造型的独特风格。

（2）降低空气阻力系数CD的措施 1）空气阻力的组成

如表3.1所列的是作用在汽车上的5种空气阻力。其中的压差阻力是由空气

流场中的分离所致。摩擦阻力是指车身表面与空气摩擦所造成的阻力，干扰阻力是指后视镜、门把手等外露部件造成的阻力。内流阻力是指汽车内部的气体流动造成的阻力。压差阻力所占的份额最大，所以对油耗影响最大的是车辆正面的空气阻力。 2）降低CD的措施

a 改善轿车前端形状 改变轿车前端外形，能找到CD最小的外形。 b 改善后窗倾角与车顶的拱度，拱起越小，则CD降低。 c 正确选择离地间隙 d 放置扰流板 e 优化发动机舱内流场

表3.1 作用在汽车上的5种主要空气阻力

项目 压差阻力 （形状阻力） 摩擦阻力 诱导阻力 内流阻力 产生原因 由气流在车体上产生的分离与漩涡导致的压强增加引起 由车身表面与空气的摩擦而引起 由升力向后倾斜引起 由发动机冷却气流与室内通风、空调等引起 由不平整的车身外部零件引起气流干扰所致 影响因素 车身各个表面的形状及其交接处的转折曲率及倾角 车身表面面积与粗糙度 车身外形、底板外形以及轮腔等 隔栅、进气道、散热器制动器冷却风、室内通风进气口以及排气口 后视镜、流水槽、导流板、挡泥板、天线、门把手、头灯以及底盘部件等 干扰阻力 3.3 轻量化 整车质量与百公里燃油消耗成正比，是影响燃油消耗的重要因素。通过减轻汽车质量可以降低汽车油耗。 （1）轻量化的概念

汽车轻量化就是通过应用轻质材料及采取相应的优化结构与工艺来达到降低整车质量，而不影响汽车基本性能的一种设计方法。

零件的可靠性取决于可运行性与损坏的可能性。例如生产者要节省车窗手柄的质量，就可能要冒损坏率提高的风险（如在打开结冰的车窗玻璃时）。

节省原材料，或者减少材料使用数量，可以降低材料方面的成本，但使用一种更轻、强度更高的材料，往往又使材料成本上升，继而引起生产成本增加。这是汽车轻量化过程中需要解决的矛盾，仅简单地采用轻质材料往往达不到理想效果。

（2）减轻质量的措施

车身的刚度由车身结构形状，材料厚度以及弹性模量决定。车身质量通常是通过设计措施以及使用比一般低碳车身钢板密度小的替代材料来实现，这两个措施是不可分割的，由于材料特性不同，轻金属与塑料的形状结构与造型常常与钢完全不同。 1）替代材料的应用

替代车身材料的应用主要取决于材料的强敌、加工性与价格。轻金属与传统材料相比，优点是质量轻，缺点是成本高、疲劳强度低。采用轻金属时，由于复杂接缝与造型方法的原因（在深度冲压时断裂的危险），加工难度也会增加。此外生产时能量消耗也明显比钢高。

就汽车车身而言，轻量化的材料途径主要有使用高强钢板车身、铝镁合金车身与塑料车身。前两种方法更适合大批量生产车型，第三种方法则比较适合小批量生产车型。 2）结构措施

零件尺寸的确定取决于其刚度与疲劳强度，可以通过压槽连接与加筋的方法解决强度问题。

对大面积塑料与轻金属构件的强化，处于美学方面的原因，可在看不见的一侧加筋。在罩子上除了弯曲载荷外，在开与关时单侧受力还会引起扭转，有必要加一个中间支撑。

轻金属一般强度较低，靠提高壁厚增加强度势必会增加质量，一般设计成框架横截面。前后挡风玻璃采用粘接方式可以改善车身的扭转刚度。在确定侧围板与车顶架的尺寸时，考虑到其扭转载荷较低，可以通过减小板厚与采用较小的截面来节省质量。通过用焊缝取代焊点（例如，激光焊接）形成闭合框架可以大大增加其扭转刚度。

（3）影响轻量化的因素

实践证明，通过轻量化措施可以改善油耗与排放性能，目前在大规模生产中还存在一些影响轻量化的因素，如： 1）附加机构质量对轻量化的影响。 2）材料成本对轻量化的影响。 3）总能量平衡对轻量化的影响。

汽车综合性能、安全性与舒适性的不断提高，要求汽车不断增加设备与装置，这就导致了整车质量的不断增加。而轻量化所减少的质量只能用来弥补上述机构引起的质量增加，这样轻量化的优势被抵消了。

轻量化的费用也是目前受到限制的原因。如轿车材料成本占总成本的一半，其中主要是钢铁，若用大量铝、镁代替钢铁，必然会使整车成本增加。以铝为例，使用铝较多的汽车，生产能耗明显高于使用钢的汽车，然而在汽车整个使用期间的能源消耗较少，使其在总能量平衡方面有较大竞争力。为了使塑料能够回收利用，必然尽可能限制不可再生塑料，零件的结构要适合与回收利用。 （4）综合运用CD与轻量化降低油耗

降低空气阻力系数CD与车辆轻量化都是有效降低能耗的措施。对于一定车型采取何种措施要视具体情况而定。例如：对于小型车而言，空气阻力所消耗的油量在总油量中占的比例较高。另外，小型车继续轻量化的可能性较小，所以这类车降耗的主要措施是尽量的降低车辆的空气阻力系数；对于中高级轿车，滚动阻力与加速阻力所对应的油耗在总油耗中占有相当的比例，滚动阻力与加速阻力都是与整车质量成正比，而空气阻力产生的油耗只占总油耗量的22.5%，因此这类车降低油耗的主要措施是尽量进行轻量化。

结 论

本文主要分两大部分分析了汽车节能的各种技术，其中发动机节能是汽车节能领域的基础，各种技术可联合使用以求不断完善发动机的节能功能，同时对我国的燃油品质提出可更高的要求；整车节能技术体现了科技的进步与创新，以及新型材料的运用与汽车设计的新理念，是汽车节能技术的进一步的发展；汽车在实际的运行使用中的方法，与每位驾驶员是紧密相关的，注意日常的驾驶操作与车辆合理维护，同时需要我们大家逐渐形成节能环保的意识。

致 谢

经过几个月的忙碌与工作，本次毕业论文已经接近尾声，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有丁继斌老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。

在这里首先要感谢我的老师丁老师。丁老师平日里工作繁多，但在我做毕业论文的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定与修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的论文较为复杂烦琐，但是丁老师仍然细心地纠正论文中的错误。除了丁老师的专业水平外，他的治学严谨与科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习与工作。

其次要感谢与我一起作毕业论文的同学伙伴，在本次设计中勤奋工作，他们克服了许多困难来完成此次毕业论文，并承担了大部分的工作量。如果没有他们的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。

最后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持与鼓励。此次毕业论文才

会顺利完成。

参考文献

[1] 蔡凤田.汽车节能与环保实用技术[M].北京：人民交通出版社,1999 [2] 李朝晖. 汽车新技术[M].重庆：重庆大学出版社，2004 [3] 周允等.汽车百科全书[M].北京：机械工业出版社，1992

[4] 边耀璋.汽车节能基础理论及应用[M].北京：人民交通出版社，1990 [5] 崔心存.现代汽车新技术[M].北京：人民交通出版社，2001 [6] 陆家祥.车用内燃机增压[M].北京：机械工业出版社，1999 [7] 林森.未来汽车塑料化[M].新民晚报，1998.12

[8] 姜立新.CVT调节特性与控制系统的分析.上海汽车，1998.3 [9] 韩庆著.新能源技术[M]. 北京：化学工业出版社，2000

[10] 邵毅明著.汽车新能源与节能技术[M].北京：人民交通出版社，2008