现代汽车节能技术研究与分析

现代汽车节能技术研究与分析内容摘要：

油、空气及废气三者的混合均匀性变的更加敏感，循环变动增加，个别缸失火的机率增加等。 图 稀薄燃烧效果 燃用均质稀混合气的技术途径： (1) 使汽油充分雾化并保证混合气混合均匀及各缸混合气分配均匀，这样可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浓度有所增加，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浓度的条件下工作。 要使汽油充分雾化，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在使汽油分子等方面采取措施。 (2) 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提高压缩比。 图 HCCI 稀薄燃烧模拟图 (3) 提高点火能量， 延长点火时间 对于常规浓度的混合气而言，普通点火系所提供的点火能量已经足够，但燃用稀混合气时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，或者多极火花塞装置来达到上述目的。 发动机的增压技术 对新鲜空气进行预压缩的过程称为增压。 增压后进入燃烧室内的新鲜空气量增多，从而提高了发动机功率。 增压是发动机提高功率的有效方法之一。 (33) 由式可知，通过下列方法可提高功率： (1) 加大气缸总排量 Vh，即增加气缸数 ，增大气缸直径 D 和行程 S。 (2) 提高转速 ，提高平均有效压力 Pme。 提高空气的压力和降低进入气缸的空气温度的办法是采用增压和中间冷却技术。 该技术除明显改善发动机的动力性外，还可改善燃油经济性。 实践证明，在小型汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压，当汽车以正常的经济车速行驶时，不仅可以获得相当好的燃油经济性，而且还由于发动机功率的增加，能得到良好的加速性能。 柴油机采用涡轮增压技术，不仅可提高功率 30%～ 100%，甚至更多；还可减少单位功率质量，缩小外形尺寸，节约原材料，降低燃油消耗。 换用柴油机 柴油机的压缩比高，热效率高，其燃料消耗量比汽油机低 30%～ 40%，加上车用柴油与车用汽油相比加工成本又低，随着世界各国对汽车节油的普遍重视，汽车发动机向柴油机化发展已是全球汽车工业发展的大趋势。 特别是近年来，随着柴油机采用涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术，柴油机排放已达到欧Ⅲ、欧Ⅳ排放标准，因而也掀起了小轿车柴油化的高潮，德国大众汽车公司、美国通用汽车公司、日本丰田汽车公司等大型汽车 公司的小轿车也采用了柴油机。 柴油汽车的发展如此之快，主要原因是柴油机热效率高，燃油消耗低，且柴油价格相对便宜，运输成本低。 柴油机与汽油机作为汽车动力装置在燃油消耗方面，主要表现在发动机部分负荷时有差别。 若发动机都在全负荷工作，它们的热效率（燃油经济性）几乎没有多大差别。 柴油机的压缩比汽油机的要高，以致理论上的指示热效率较高。 但是，高压缩比的发动机摩擦消耗功率将增大，全负荷时柴油机供油量增加，使过量空气系数Ф a值下降，导致燃烧不完全，补燃增加，向燃烧室和汽缸壁的传热损失增加，这样便抵消了高压缩比带来的益处。 处于部分负荷工作时，两种发动机燃油消耗的差别较大。 汽油机是通过改变节气门的开度来控制进入汽缸的混合气量，从而适应负荷的变化。 而柴油机是通过改变喷油量来适应负荷的需要，其供入的空气量并不发生变化，也就是说柴油机部分负荷时的空燃比加大了，因此可以得到以下的结果： (1) 部分负荷时柴油机混合气浓度较稀（空燃比大），绝热指数大，柴油机热效率高。 (2) 汽油机在部分负荷时因节气门的作用使进气管内的压力下降，而排气压力较高，引起泵气损失的增大，使热效率下降。 (3) 由于柴油机负荷减小时空燃比增大，使整个循环的温 度有所降低，因此传给汽缸壁和燃烧室的热量相应减少。 汽油机中因其空燃比变化不大，所以其热损失不会像在柴油机中那样随着负荷的减小而有所减少。 以上是从热力学角度来分析的。 由此知，在相同条件下运转的两种发动机，在部分负荷工况时柴油机的热效率要高些。 由于部分负荷时燃烧过程的差异，也会使两种发动机的燃油消耗有所不同。 例如： (1) 汽油机排气中可测到的一氧化碳含量浓度比柴油机的高，也就是汽油机燃油化学能的损失大。 (2) 汽油机在部分负荷时受到缸内残余废气的影响，其燃烧过程进行的不够完善。 柴油机因空燃比增大，部分负 荷时的燃烧反而更为有利。 (3) 汽油机在冷启动和暖机时需要使用阻风门，以便得到较浓的混合气。 柴油机不要求这样加浓，在这些工况运转时就比汽油机省油。 由此也可看出柴油机燃油消耗率随负荷不同的变化比较平缓，这对于作为汽车使用的动力装置是很合适的。 因为汽车行驶中，部分负荷工况占了大部分使用时间，只有短时间需要全负荷工作，所以，柴油机汽车有较好的燃油经济性。 柴油机的有效热效率高达 30%～ 40%，而汽油机的有效热效率仅为 20%～ 30%。 柴油机的使用寿命较长，车用柴油机的大修里程一般约为 30～ 50 万公里，而车用汽油机的大修里程一般为 20～ 30 万公里。 柴油机的排气污染较小，它排放产生的温室效应比汽油低 45%，排气成分中一氧化碳含量较低，因此柴油机一般不需要在机外安装净化处理装置。 柴油机的主要缺点是：制造维修成本较高，钢材等原材料消耗大，冷启动比较困难，工作起来噪声和振动较大，在全负荷工作时有冒黑烟现象等。 新型发动机 目前汽车发动机普遍采用往复式活塞内燃 机。 人们在不断完善现有各种内燃机的同时，还在探索新的机型，研究改善燃料和润滑济的使用经济性，扩大燃料平衡，降低排气污染、噪音和振动，提高寿命和可靠性。 现在从节约能源、提高燃油经济性的角度来介绍下列新型发动机。 绝热发动机 绝热发动机是将活塞、汽缸盖、气门、汽缸套和排气道等零件用耐高温的陶瓷材料制成，用以控制发动机燃烧室里的热量不和外界交换，减少热量损失，达到节油的目的。 绝热发动机的汽缸没有传给冷却水的散热损失，汽缸里温度很高，汽缸壁的平均温度要超过 1100℃，排气的温度也极高。 因此，排气能量更 需要充分回收。 一般绝热发动机都是排气涡轮增压的，如果不采用增压，节油的效果就不明显。 绝热发动机为了回收大量的排气热量，除了采用涡轮复合装置外，还可采用兰肯循环的方案，通过排气余热锅炉再次利用。 绝热发动机由于把原来散失在排气和冷却水中的热能大部分变成了有效功，因此热效率高，能够节油。 五十铃汽车公司制成的陶瓷柴油机（绝热发动机），发动机上的排气门、进气门、活塞顶部、汽缸套、涡轮增压器、进排气管都是用陶瓷制作，可节约燃料 50%，而功率比常规发动机高 30%。 这种绝热发动机比一般发动机轻 30%，可耐 1500℃高温 ，不需要用水泵、水箱、风扇之类的冷却装置，可以把 48%的能源作为动力输出。 热气发动机 热气发动机是一种带回热器的外燃机，采用闭式循环，里面的工作气体不更换，只能随着加热与放热而改变容积。 图 是一种菱形传动机构的热气发动机示意图。 图 热气发动机 这种发动机是由汽缸、动力活塞、排气活塞、加热器、回热器以及冷却器等部件组成。 动力活塞顶和排气活塞底构成低温空间，排气活塞顶部的空间，两个空间容积由管道连通，由动力活塞输出功率。 为了使热能转变为机械功以及使活塞运动同步，排气活塞 与动力活塞的运动相位相差 90176。 ，采用菱形机构实现联动。 热气机还有一种斜盘式的结构。 斜盘的作用是使活塞的往复运动经过斜盘变为旋转运动。 这种发动机没有曲轴，活塞与汽缸直列于斜盘上方，均匀布置在斜盘投影圆周上，由活塞杆直接推动斜盘转动。 热气发动机的优点是：热效率高，而且负荷变化时对热效率的影响小，因此省油。 由于是外燃机，可采用液体、气体、固体等多种燃料，排气污染少，润滑油消耗量少，大修期内不需要更换润滑油，振动和噪音小。 缺点是：结构复杂，加热管要用贵重的耐热合金，汽缸体和曲轴箱之间密封技术比较复杂，发动机的总 质量和尺寸较大。 但是，随着石油资源减少，以及对排气污染和噪音要求的日益严格，热气机是一种有前途的发动机。 汽车轻量化 汽车轻量化关系到我国能源规划和战略，关系到我国汽车工业的自主创新，关系到我国汽车工业的可持续发展。 汽车轻量化对汽车节油，降低排放和性能改善，能源战略规划以及汽车工业健康发展都具有重要意义，汽车轻量化是现代汽车技术的发展方向。 汽车轻量化技术 汽车轻量化可采用比铁更轻的金属材料、复合材料、可重复使用的塑料、车体和部件的结构更趋合理化的中空型结构、紧凑型结构等对策。 近年来 ，把铁制部件改用铝件和塑料材料也逐渐增多。 此外，还有把发动机的凸轮轴的曲轴等旋转部件制造成中空化结构，以减轻质量。 现今汽车引擎的汽缸顶，已大量采用铝合金制造。 汽车制造商乐意使用铝合金的原因，首先是这种材料能降低引擎重量，其次是铝合金有较佳的散热特性，尤其适合多气门引擎。 保时捷不少车型装备陶瓷制动盘，被命名为 (PCCB Porsche ceramic posite brakes)，制动盘以陶瓷制造的铸模将碳纤维连接在一起。 新材料对盐水具有极高的抗蚀能力，硬度极高的表层拥有高强的抗磨特性，其摩擦系数又不受 温度变化的影响，反复多次全力制动也没有任何热衰减。 与同尺寸的钢质制动盘相比其重量却只有钢质制动盘的一半，足以令悬挂的非弹簧负荷重量降低不少。 汽车轻量化，往往是通过这些细小技术的措施来使整体轻量化的。 而汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量。 采用轻量化材料就能在汽车载荷不变的条件下，尽可能降低整车重量，从而显著降低汽车燃油油耗。 发动机小型轻量化 现在石油能源问题尤为突出，国际原油期货价格已经突破 130 美元每桶，汽车的小型轻量化倍受人们的关注。 它不仅关系到汽车的经济性，更关系到地球资源的有效利用。 在过去汽车大都采用前置式发动机后轮驱动形式。 后来从减轻质量与确保车内有效空间的利用方面出发，迅速向 FF方式发展（即前置式发动机前轮驱动方式）。 发动机小型轻量化，最重要的是发动机总长尺寸改小了，主要是改小各缸间汽缸中心距的尺寸，因它对发动机质量、尺寸影响极大。 这可在保证各缸冷却水腔空间、减小各种受力变形，以及在保持缸盖气密条件下，应力要求减小汽缸中心距。 发 动机质量除取决于基本尺寸这一因素之外，还要受材料的选择和制造技术所制约。 使用薄壁铸造技术，用轻合金和塑料等所制造的汽缸体和汽缸套，铝合金制的发动机机体和曲轴，回转部分的中空结构，发动机凸轮轴和曲轴以塑代钢、以陶代钢，以及用陶瓷活塞销等，使零部件轻量小型，从而实现提高功率、节能和燃料费用降低的目标。 还有现在汽车也在应用一系列的新型发动机来减轻发动机的重量和燃油经济性。 材料轻量化 利用轻量化材料替代汽车上的高密度材料，从而减少汽车各部件的质量。 但是由于各种材料的性能各异，特别是强度和刚性不同，材 料间不可能是对等互换。 这就失去了轻量化材料减轻部件质量的效果。 在这种情况下，开发采用性能优异的新材料、合金材料和合成材料就显得尤为重要。 现用汽车轻量化材料具有代表性的有轻金属、高弹力钢、塑料、复合材料等。 在汽车材料构成比例中，这些材料所占比重逐渐增加。 特别是美国被日本和欧洲汽车制造商推出的小型车占据了市场后，在汽车的小型轻量化方面投入了巨大的研究开发费用，根据通用汽车公司的战略，今后将转向使用铝材料和塑料等轻量化材料。 在这之前，有很多例追求轻量化极限的样车，例如，菲亚特 VSS、福特 PROBE 等，公开在试制样 车上大胆使用塑料。 菲亚特 VSS，在采用了车体钢制壳体构造和外板的塑料化，质量比原车的 318kg 还要轻 68kg，车体框架采用镀锌处理的冲压钢板，前后部分使用高强度的冲压钢板。 因为是框架构造，外板不可能很大，所以容易塑料化。 前端、后端、侧门外使用聚碳酸酯，侧门内侧、仪表板等使用变性 PPO，发动机罩盖和车顶盖分别使用与聚酯和塑料的特性相适应的材料。 另外，菲亚特 VSS 材料费用比菲亚特原车高越 100 美金，但在骨架（车身）部分因使机械零件容易安装，可在组装过程中降低组装成本，因此应用于批量生产的可能性极大。 进而作为创新 尝试，以塑料复合材料为主体的复合式发动机在美国试制成功，这种发动机的特性是大量使用玻璃纤维和碳纤维增强环氧、。