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关键词:
汽车节能能源技术途径
目录
1引言
2能源与节能的概念
3汽车能量消耗的主要因素
3.1热量转变为机械功时的损失
3.2指示功率转变为有效功率时的机械损失
3.3有效功率转变为汽车动功率时的传动损失
4汽车发动机的新技术
4.1涡轮增压
4.2均质压燃发动机
4.3转子发动机
4.4发动机的稀燃技术
4.5电子燃油喷射系统
4.6混合动力
4.7可变气门正时技术
5汽车节能的主要途径与方法
5.1车身设计
5.2车辆自重
5.3车辆润滑
5.4传动机构
5.5轮胎
5.6制动器的调整
5.7路况设计与保养
5.8良好的驾驶习惯培养
6新型能源汽车
6.1柴油发动机
6.2纯电动汽车
6.3氢燃料与电驱动混合动力
6.4乙醇燃料
6.5天然气
6.6太阳能
7结语
参考文献
致谢
节能减排”,是贯彻落实科学发展观,构建社会主义和谐社会的重大举措;
是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择;
是推进经济结构调整,转变增长方式的必由之路;
是提高人民生活质量,维护中华民族长远利益的必然要求。
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,汽车对能源的消耗和废气的排放也日渐成为人类发展的一大障碍。
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。
随着国家节能政策的逐步实施,国家对汽车燃油经济性标准的要求越来越严格,同时随着燃油价格的持续上涨,消费者对汽车产品的燃油经济性也越来越关注。
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,欧洲的柴油机技术和美国、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。
随着当前我国国民经济和汽车工的快速发展,以及由此带来的能源消耗和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。
伴随着世界不断的迅速发展,能源的消耗越来越重,而汽车对能源的消耗占到很大一部分,同时还严重的污染空气,污染我们的环境。
石油还是一种不可再生能源。
这时人们不得不寻找新能源和节约现有的能源来保持可持续发展,同时来造福人类的后代。
《中华人民共和国节约能源法》中规定了能源和节能的概念。
能源,是指煤炭、原油、天然气、电力、焦炭、煤气、热力、成品油、液化石油气、生物质能和其他直接或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。
节能,是指加强用能管理,采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施,减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费,更加有效、合理的利用能源。
节能是国家发展经济的一项长远战略方针。
汽车依靠发动机发出的动力,通过传动装置推动汽车前进,而发动机是依靠燃料在气缸内燃烧,放出热量,使燃气的温度和压力增加,体积膨胀,推动活塞做功而获得动力。
在此过程中,燃料燃烧后只有一小部分能量转化为有用功,其余大部分以不同形式分别损失在发动机本身和汽车传动装置中。
汽车能量转换时的损失情况,可分为以下三点:
3.1热量转变为机械功时的损失
燃料发出热能的损失,主要是排气、散热、漏气等造成的。
发动机工作时气缸内热量的利用程度,用指示功率表示,它是指气体膨胀推动活塞在单位时间内所做的功。
指示功率=(推动活塞做功的有效热量)/(燃料总热量)
上式说明,推动活塞所做功的有效热量越多,发动机的指示功率越高,则热量损失越少。
一般四行程汽油机的指示功率为0.25-0.35,热量损失达65%-75%;
柴油机的指示功率为0.4左右,热量损失达60%。
3.2指示功率转变为有效功率时的机械损失
发动机发出的有效功率,经过传动装置传到驱动轮时,由于一部分有效功率损失在传动装置中,所以驱动功率又小于有效功率。
为表明有效功率的利用程度,可用传动效率来表示。
传动效率=(驱动轮功率)/(有效功率)
汽油发动机的机械效率约为0.7-0.9,说明发动机的功由活塞经曲轴到飞轮时,摩擦损失达10%-30%。
表3-1为柴油机和汽油机热量分配表。
3.3有效功率转变为汽车传动功率时的传动损失
发动机发出的有效功率,经过传动装置传到驱动轮时,由于一部分有效功率损失在传动装置中,所以驱动功率又小于有效功率。
传动效率=(驱动轮功率)/(有效功率)
不同车辆的传动效率大约为80%-95%,即有5%-20%的有效功率消耗于传动装置中。
直接档因为是动力直接从中间轴传递,在变速器内部不经过齿轮传递,所以光从传动效率应来说,直接档比其它档位稍高。
发动机及附件能耗占60%,克服空气阻力的能量占21%,能量转化为机械能传到轮胎,用于克服轮胎滚动阻力做功的能量占13%。
汽车节能的关键是降低热能损失和降低摩擦。
4.1涡轮增压
涡轮增压,是一种利用内燃机运作所产生的废气驱动空气压缩机的技术。
与超级增压器功能相若,两者都可增加进入内燃机或锅炉的空气流量,从而令机器效率提升。
常见用于汽车引擎中,透过利用排出废气的热量及流量,涡轮增压器能提升内燃机的马力输出。
涡轮增压的英文名字为Turbo,一般来说,如果我们在轿车尾部看到Turbo或者T,即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机了。
相信大家都在路上看过不少这样的车型,譬如奥迪A6的1.8T,帕萨特1.8T,宝来1.8T等等。
涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量,从而提高发动机的功率和扭矩,让车子更有劲。
一台发动机装上涡轮增压器后,其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。
这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。
在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。
不过在经过了增压之后,发动机在工作时候的压力和温度都大大升高,因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短,而且机械性能、润滑性能都会受到影响,这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。
一般来说,涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入汽缸。
当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入汽缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。
涡轮增压从工作方式上基本上可以分为以下几种系统:
(1)废气涡轮增压系统
(2)机械增压系统(3)复合增压系统
4.2均质压燃发动机
均质压然发动机技术是一项比较前沿的活塞式内燃机的燃烧技术,目前上述于研究阶段。
但均质压然发动机与混合动力的组合,可以回避发动机难以实现均质压燃的工况,具有重要的实用价值。
应在各自单元技术相对成熟时,实现二者的优化配合。
4.3转子发动机
转子发动机与传统往复式发动机的比较往复式发动机和转子发动机都依靠空燃混合气燃烧产生的膨胀压力以获得转动力。
两种发动机的机构差异在于使用膨胀压力的方式。
在往复式发动机中,产生在活塞顶部表面的膨胀压力向下推动活塞,机械力被传给连杆,带动曲轴转动。
转子发动机对于转子发动机,膨胀压力作用在转子的侧面。
从而将三角形转子的三个面之一推向偏心轴的中心。
这种发动机是由德国人菲加士·
汪克尔(FelixWankel,1902-1988)所发明。
一向对新技术情有独钟的马自达公司投巨资从汪克尔公司买下了这项技术。
由于这是一项高新技术,懂得这项技术的人寥寥无几,发动机坏了无人会修,而且耗油大,汽车界有人对这种发动机的市场前景产生了怀疑唯有马自达公司仍然深信转子发动机的潜力,独自研究和生产转子发动机,并为此付出了相当大的代价。
他们逐步克服了转子发动机的缺陷,成功地由试验性生产过渡到商业性生产,并将安装了转子发动机的RX-7型跑车打入了美国市场,令人刮目相看。
一般发动机是往复运动式发动机,工作时活塞在气缸里做往复直线运动,为了把活塞的直线运动转化为旋转运动,必须使用曲柄滑块机构。
转子发动机则不同,它直接将可燃气的燃烧膨胀力转化为驱动扭矩。
与往复式发动机相比,转子发动机取消了无用的直线运动,因而同样功率的转子发动机尺寸较小,重量较轻,而且振动和噪声较低,具有较大优势转子引擎的转子每旋转一圈就作功三次,与一般的四冲程发动机每旋转两圈才作功一次相比,具有高马力容积比(引擎容积较小就能输出较多动力)的优点。
另外,由于转子引擎的轴向运转特性,它不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的运转转速。
整个发动机只有两个转动部件,与一般的四冲程发动机具有进、排气活门等二十多个活动部件相比结构大大简化,发生故障的可能性也大大减小。
由于没有往复式发动机的高压缩比,使得燃烧不能够很充分。
虽然马自达公司曾经给转子发动机增加了单涡轮增压和双涡轮增压等东西,但只是提高了输出马力,并适度的减少了尾气排放,但还是与往复式发动机有着很大的差距。
由于三角转子引擎的相邻容腔间只有一个径向密封片,径向密封片与缸体始终是线接触,并且径向密封片上与缸体接触的位置始终在变化,因此三个燃烧室非完全隔离(密封),径向密封片磨损快。
引擎使用一段时间之后容易因为油封材料磨损而造成漏气问题,大幅增加油耗与污染。
其独特的机械结构也造成这类引擎较难维修。
易理偶式转子发动机是发明人集二十几年的研究所得,它与一般发动机的原理虽然相同,具备吸气、压缩、爆发、排气等四程序工作循环,但由于结构的根本不同。
它的动力消耗少,发动机的转子是回旋式运动,活动部件少。
易理转子发动机将吸气、压缩和爆发、排气在不同的汽缸内完成,其本身的特殊构造冲破了往复式发动机吸、压、爆、排在一缸做功的模式,又摆脱了汪克尔等三角转子发动机的框架,也解决了日本马自达转子发动机的成本高、油耗大,维修难,零部件制作难度高等弊端。
4.4发动机的稀燃技术
发动机稀燃技术稀燃是稀薄燃烧的简称,指发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧,空燃比可达25:
1,甚至更高。
稀薄燃烧不仅使燃料的燃烧更加完全,而且也减少了换气损失,同时辅以相应的排放控制措施,大大降低了汽油机的有害排放物,因此具有良好的经济性和排放性能。
稀薄燃烧可以提高发动机燃料经济性的主要原因是,由于稀混合气中的汽油分子有更多的机会与空气中氧分子接触,燃烧完全。
采用稀混合气,由于气缸内压力低、温度低,不易发生爆燃,则可以提高热效率。
燃用稀混合气,由于其燃烧后最高温度降低,一方面使通过汽缸壁的传热损失较小,另一方面燃烧产物的离解损失减少,使热效率得以提高。
且当采用稀薄混合气燃烧时,由于进入缸内空气的量增加,减小了泵吸损失,这对汽油机部分负荷经济性的改善非常有利。
另外,的比热容较小,多变指数K较高,因为发动机的热效率高,燃油经济性好。
从理论上讲,混合气越稀,热效率越高。
但就普通发动机来说,当过量空气系数α>
1.05~1.15后,油耗反而增加。
这是由于混合气过稀时,发动机混合气分配的均匀性变得更加敏感,循环变动率增加,个别缸失火的概率增加;
等等,如果不解决这些问题,盲目地调稀混合气,不但不能发挥稀混合气理论上的优势,反而会费油1燃用混合气的技术途径1)使汽油充分雾化,对均质燃烧要保证混合气均匀及各缸混合气分配均匀。
消除局部区域混合气偏稀的现象,避免电喷发动机调整时的有意加浓;
同时,使缸内混合气的实际含量有所增加,失火及不稳定现象就会大大减少,发动机便可以在较稀混合气含量的条件下工作。
要是汽油充分雾化,可以在预热、增加进气流的速度、增强进气流的扰动、增加汽油的乳化度以及使汽油分子磁化等方面采取措施。
2)采用结构紧凑的燃烧室。
使压缩时形成挤流,以提高燃烧速度从而提高燃烧效率,减少热损失。
一般采用火花塞放在正中的半球形或蓬顶形燃烧室,或其他紧凑型的燃烧室。
3)加快燃烧速度。
这是稀燃技术的必要条件和实施的基础。
提高燃烧速度的主要措施是组织缸内的气体运动和调高压缩比。
4)提高点火能量,延长点火的持续时间。
对于常规含量的混合气而言,普通点火系所提供的点火能量已经足够,但燃用稀混合气就应当设法提高点火能量。
高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成,火焰传播距离缩短,燃烧速度提高,稀燃极限大。
有些稀燃发动机采用双火花塞或者多级火花塞装置来达到上述目的。
5)采用分层燃烧技术。
如果稀燃技术的混合比达到25:
1以上,按照常规是无法点燃的,因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。
如果在火花塞附近的局部区域内供给适宜点火的浓混合气,而在其他区域供给相当稀的混合气,也可以实现稀混合气燃烧。
在这种情况下,即使采用普通店获悉,也能很快地点燃很稀的混合气,于是火焰得以传播并遍及整个燃烧室。
把采用上述方式工作的汽油机成为分层充气汽油机或分层燃烧汽油机。
分层充气是稀混合气燃烧的主要手段,绝大多数稀燃发动机都是采用分层充气方案。
2、分层燃烧系统分层燃烧系统基本均采用燃油喷射技术。
按照燃油喷射的不同形式,将分层稀燃系统分为气道喷射(PFI)稀燃系统和直接喷射(GDI)稀燃系统;
按照混合气的不同组织方式,将分层稀燃系统分为轴向分层稀燃系统和纵向(滚流)分层稀燃系统。
稀燃汽油机一般可分为进气道燃油喷射式和缸内燃油喷射式两类。
一般情况下,将进气道燃油喷射式汽油机称为稀燃汽油机,将缸内燃油喷射式汽油机称为直喷式汽油机。
4.5电子燃油喷射系统
电子燃油喷射控制系统(简称EFI或EGI系统),是一个以电子控制装置(又称电脑或ECU)为控制中心,利用安装在发动机不同部位上的各种传感器,测得发动机的各种工作参数,按照在电脑中设定的控制程序,通过控制喷油器,精确地控制喷油量,使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气。
它通过电脑中的控制程序,能实现起动加浓、暖机加浓、加速加浓、全负荷加浓、减速调稀、强制断油、自动怠速控制等功能,满足发动机特殊工况对混合气的要求,使发动机获得良好的燃料经济性和排放性,也提高了汽车的使用性能,深受用户的青睐。
电子控制燃油喷射系统的喷油压力是由电动燃油泵提供的,电动燃油泵装在油箱内,浸在燃油中。
油箱内的燃油被电动燃油泵吸出并加压,压力燃油经燃油滤清器滤去杂质后,被送至发动机上方的分配油管。
分配油管与安装在各缸进气歧管上的喷油器相通。
喷油器是一种电磁阀,由电脑控制。
通电时电磁阀开启,压力燃油以雾状喷入进气歧管内,与空气混合,在进气行程中被吸进气缸。
分配油管的末端装有燃油压力调节器,用来调整分配油管中燃油的压力,使燃油压力保持某一定值,多余的燃油从燃油压力调节器上的回油口返回燃油箱。
进气量由驾驶员通过加速踏板操纵节气门来控制。
节气门开度不同,进气量也不同,进气歧管内的真空度也不同。
在同一转速下,进气歧管真空度与进气量成一定的比例关系。
进气管压力传感器可将进气歧管内真空度的变化转变成电信号的变化,并传送给电脑,电脑根据进气歧管真空度的大小计算出发动机进气量,再根据曲轴位置传感器测得信号计算出发动机转速。
根据进气量和转速计算出相应的基本喷油量。
电脑根据进气压力和发动机转速控制各缸喷油器,通过控制每次喷油的持续时间来控制喷油量。
喷油持续时间愈长,喷油量就愈大。
一般每次喷油的持续时间为2~10ms。
各缸喷油器每次喷油的开始时刻则由电脑根据安装于离合器壳体上的发动机转速(曲轴位置)传感器测得某一位置信号来控制。
这种类型的燃油喷射系统的每个喷油器在发动机每个工作循环中喷油两次,喷油是间断进行的,属于间歇喷射方式。
发动机在不同工况下运转,对混合气浓度的要求也不同。
特别是在一些特殊工况下(如起动、急加速、急减速等),对混合气浓度有特殊的要求。
电脑要根据有关传感器测得的运转工况,按不同的方式控制喷油量。
喷油量的控制方式可分为起动控制、运转控制、断油控制和反馈控制。
4.6混合动力
通常所说的混合动力一般是指油电混合动力,即燃料(汽油,柴油等)和电能的混合。
混合动力汽车是有电动马达作为发动机的辅助动力驱动汽车。
1997年,第一款量产混合动力车普锐斯推向日本市场,当年售出18000辆。
1999年,本田混合动力双门小车insight在美国推出,受到好评。
2007年年底,美国权威机构Autodata的统计数据显示,2007年10月份美国混合动力车的销售量与上一年相比,同期增长了30个百分点,销售量为24443辆。
混合动力车型甚至成了平淡的美国汽车市场的一大亮点:
2007年,美国市场销售混合动力车型超过30万辆。
2007年5月17日,丰田混合动力车全球累计销售突破100万辆。
混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式。
[1]优点在于车辆启动停止时,只靠电机带动,不达到一定速度,发动机就不工作,因此,便能使发动机一直保持在最佳工况状态,动力性好,排放量很低。
而且电能的来源都是发动机,只需加油即可。
随着世界各国环境保护的措施越来越严格,替代燃油发动机汽车的方案也越来越多,例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等。
但目前最有实用性价值并巳有商业化运转的模式,只有混合动力汽车。
混合动力汽车的关键是混合动力系统,它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。
经过十多年的发展,混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展,即集成化混合动力总成系统。
混合动力总成以动力传输路线分类,可分为串联式、并联式和混联式等三种
混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。
4.7可变气门正时技术
发动机可变气门正时技术(VVT,VariableValveTiming)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种,发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量,使充量系数增加,发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。
合理选择配气正时,保证最好的充气效率hv,是改善发动机性能极为
重要的技术问题。
分析内燃机的工作原理,不难得出这样的结论:
在进、排气门开闭的四个时期中,进气门迟闭角的改变对充气效率hv影响最大。
进气门迟闭角改变对充气效率hv和发动机功率的影响关系可以通过图1进一步给以说明。
图1中每条充气效率hv曲线体现了在一定的配气正时下,充气效率hv随转速变化的关系。
如迟闭角为40°
时,充气效率hv是在约1800r/min的转速下达到最高值,说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气。
当转速高于此转速时,气流惯性增加,就使一部分本来可以利用气流惯性进入汽缸的气体被关在汽缸之外,加之转速上升,流动阻力增加,所以使充气效率hv下降。
当转速低于此转速时,气流惯性减小,压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管,充气效率hv也下降。
图中不同充气效率hv曲线之间,体现了在不同的配气正时下,充气效率hv随转速变化的关系。
不同的进气迟闭角与充气效率hv曲线最大值相当的转速不同,一般迟闭角增大,与充气效率hv曲线最大值相当的转速也增加。
迟闭角为40°
与迟闭角为60°
的充气效率hv曲线相比,曲线最大值相当的转速分别为1800r/min和2200r/min。
由于转速增加,气流速度加大,大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。
改变进气迟闭角可以改变充气效率hv曲线随转速变化的趋向,以调整发动机扭矩曲线,满足不同的使用要求。
不过,更确切地说,加大进气门迟闭角,高转速时充气效率hv增加有利于最大功率的提高,但对低速和中速性能则不利。
减小进气迟闭角,能防止气体被推回进气管,有利于提高最大扭矩,但降低了最大功率。
因此,理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时做出调整,应具有一定程度的灵活性。
显然,对于传统的凸轮挺杆气门机构来说,由于在工作中无法做出相应的调整,也就难于达到上述要求,因而限制了发动机性能的进一步提高。
整个VTEC系统由发动机电脑控制,发动机电脑接收转速、进气压力、车速及冷却液温度等信息并进行处理,输出相应的控制信号,通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统,从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制,改变进气门的开度和时间。
5.1车身设计
汽车在空气中运动,空气本身也有运动,两者的相对运动,形成了汽车的行驶阻力。
相对运动速度越高,汽车的行驶阻力就越大,空气阻力对整车的动力性和燃油经济性影响就越明显。
汽车空气阻力来降低汽车的燃油消耗率是一种行之有效的措施。
研究表明,汽车以一般车速行驶时,约有20%-30%的发动机有效功率消耗于克服空气阻力,高速行驶时,约有50%-60%的发动机有效功率消耗于克服空气阻力。
汽车行驶时受到的空气阻力分为压力阻力和摩擦阻力两大部分。
作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力,称为压力阻力;
主要由形状、循环和诱导阻力组成;
摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。
各种阻力所占空气阻力的比例:
形状阻力:
主要与汽车的形状有关(长、宽、高及其比例),约占58%
干扰阻力:
汽车突出部件,如后视镜、门把手、悬架导向杆等,约占14%;
内循环阻力:
发动机冷却系车身通风等气流流过汽车内部,占12%
诱导阻力:
空气升力在水平方向的分力,占7%;
摩擦阻力:
占9%;
减小空气阻力,可以通过两个途径来实现,一是减小汽车的迎风面积;
二是减小汽车的空气阻力系数。
减小汽车的空气阻力系数,需要在汽车设计和制造是提高汽车的流线型,流线型越好,产生的阻力就越小,燃油消耗就越少。
同一车辆,质量越大,整车的油耗就会越高。
从节油的方面考虑,在完成相同的运输量的情况下,消耗的燃油越少越好。
减轻汽车自重,一方面可以增加装载量,降低吨百公里油耗,另一方面,即使是空驶,其油耗也可以降低。
降低汽车自重,也是降低整车油耗的有效措施之一。
因此,在整车设计过程中,达到整车性能要求后要努力降低车辆自重。
应用CAE分析,优化零部件结构
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