第2章 汽車的燃油經濟性學習目標通過本章的學習，應重點掌握汽車燃油經濟性的評價指標，掌握汽車燃油經濟性的計算方法，理解影響燃油經濟性的汽車結構因素和使用因素。石油是現代工業(yè)，尤其是交通運輸的重要能源，汽車的燃料在今后較長的一段時間仍然是石油產品。隨著工業(yè)的發(fā)展，車輛的增多，使用石油產品越來越多?，F在各國都把節(jié)約汽車用油作為汽車制造業(yè)和汽車運輸業(yè)中的二個重大問題。2.1節(jié) 汽車燃油經濟性的評價指標 汽車的燃油經濟性，是指以最小的燃油消耗量完成單位運輸工作量的能力。燃油消耗已占運輸成本的40%左右，所以節(jié)約用油是降低運輸成本的重要措施之一。汽車燃油經濟性的評價指標主要又以下三種。2.1.1 單位行駛里程的燃油消耗量 當燃油按質量計算時，用符號表示燃油消耗量，其單位為kg/100km。當燃油按容積計算時，用符號表示燃料消耗量，其單位為L/100km。 單位行駛里程的燃油消耗量只考慮了行駛里程，沒有考慮車型與載重量的差別，所以只能用于比較同類型汽車或同一輛汽車的燃料經濟性，但它也可用于分析不同部件(如發(fā)動機、傳動系等)裝在同一汽車上，對燃料經濟性的影響。其數值越小，汽車燃油經濟性越好。2.1.2 單位運輸工作量的燃油消耗量 若燃油以質量計算時，該指標單位對于載重汽車為kg/(100t·km)，對客車為kg/(1000人·km)。 若燃油以容積計算時，該指標單位對于載重汽車為L/100t·km，客車為L/(1000人·km)。 該指標可以用來比較不同類型、不同裝載質量汽車的燃料經濟性。其數值越小，汽車燃油經濟性越好。2.1.3 消耗單位燃油所行駛的里程美國采用消耗單位燃油所行駛的里程的評價方法，其單位是MPG或mile/ USgal，指的是每消耗一加侖燃油能行駛的英里數(1mile=1.61km，1Usgal=4.55L)。其數值越大，汽車燃油經濟性越好。2.2節(jié) 汽車燃油經濟性的計算 在汽車設計時，常需要在實際的試驗樣車制成之前，先根據所選用的發(fā)動機臺架試驗得到的油耗曲線與汽車功率平衡圖，對汽車進行燃油經濟性的估算。其中包括汽車等速百公里油耗的計算，等速、加速、減速和怠速等行駛工況的油耗的計算。2.2.1 汽車等速百公里油耗的計算 汽車以速度在路上等速行駛時，發(fā)動機相應工況的有效燃油消耗率為g/(kW·h)，而此時汽車行駛100km所消耗的功率即阻力功率為kW，則等速百公里油耗 (L/100km)為 (2.1)式中 燃料的重度(N/L)，汽油取6.967.15NL，柴油取7.948.13NL；有效燃油消耗率g/(kWh)。有效油耗率與發(fā)動機的負荷率有關。所謂負荷率，是指在某一轉速下，節(jié)流閥部分打開時，所發(fā)出的功率與該轉速下節(jié)流閥全開時最大功率之比。有效油耗率與負荷率的關系曲線，即為負荷特性曲線。發(fā)動機負荷特性是從臺架試驗上獲得的，因此，由功率平衡圖與負荷特性，可得出行駛時發(fā)動機的油耗。圖2.1 用功率平衡圖與負荷特性計算汽車等速百公里油耗a)功率平衡圖 b)負荷特性 c)等速百公里油耗圖2.1所示為計算汽車等速百公里油耗的功率平衡圖和負荷特性圖，以及計算得到等速百公里油耗曲線。圖2.1a中，若汽車以車速在水平路上行駛，發(fā)動機應提供的功率即為汽車阻力功率，即，此時發(fā)動機的負荷率為 與車速相對應的發(fā)動機轉速為（），根據、就能在負荷特性曲線上通過插值法找出有效燃油消耗率 (見圖2.1b)。汽車行駛l00km，發(fā)動機應作的功為若每隔一定車速（如l0km/h）求出相應的百公里油耗，便可作出汽車等速百公里油耗曲線-，按同樣的方法，也可算出在有坡度的道路上行駛時的等速油耗曲線(見圖2.1c)。2.2.2 汽車等加速行駛油耗的計算方法 在分析汽車燃油經濟性時，除等速百公里油耗曲線外，還常用計算法確定按某試驗循環(huán)行駛時的總平均百公里耗油量。為此必須進行加速、減速及停車怠速的耗油量計算。減速及停車怠速時的油耗量，可根據試驗得到的怠速油耗量來估算。下面具體介紹一種確定加速時油耗的近似計算法。 前面討論知道汽車行駛的油耗 (L/100km)為當該式中的、為變量時，同樣也適合于計算加速過程，即此時 (2.2)令 則 (2.3)為汽車的當量道路阻力系數，即將加速行駛時的慣性力，相當于某一道路阻力來考慮。這樣加速過程的燃料經濟性，可用等速行駛的燃料經濟性的分析方法進行分析。前面在介紹等速行駛百公里油耗計算方法時，曾作出在一定坡道上(如、，)油耗曲線(圖2.1c)。當把加速過程用當量道路阻力系數來考慮時，如果假設其在水平良好的道路上加速行駛，很小，則（）。因為、為常數，因此這些等速油耗曲線可以轉換為在水平道路上，以相應的等加速度、行駛的油耗曲線如圖2.2所示。 圖2.2 等加速行駛的油耗曲線 圖2.3 加速時汽車油耗的確定在等加速度行駛的油耗曲線下面，畫上加速過程曲線如圖2.3所示，則在對應的、等的速度間隔中，其平均加速度為， ，而在與時間間隔中的絕對油耗為 式中 在小間隔時的平均速度； 在小間隔時的平均速度。 由此即可求出整個加速過程中的絕對油耗為： 加速過程的油耗量計算方法分成三個步驟：（1） 把加速阻力作為道路阻力，把-(、)轉換成-(、)（2）根據-(、)和- (加速過程)圖，分別求出每一小段時間間隔的油耗量，越小，結果越精確。（2） 把各小段計算的加起來，就是整個加速過程的油耗量。2.3節(jié) 汽車燃油經濟性的影響因素前面討論得到汽車行駛的油耗 (L/100km)為或 式中 常數；行駛阻力。可以得出，汽車的燃油消耗量正比于行駛時的行駛阻力與燃油消耗率，反比于傳動效率。發(fā)動機的燃油消耗率，一方面取決于發(fā)動機的種類、設計制造水平；另一方面又與汽車行駛時發(fā)動機的負荷率有關。下面分別從汽車結構和使用兩個方面，討論影響燃油經濟性的因素，從而可以看出提高燃油經濟性的一些途徑。2.3.1 汽車結構因素 設計與制造出性能良好，燃油消耗低的汽車是很重要的。通過對汽車各個主要部件的改進，可以大大節(jié)約用油。下面介紹發(fā)動機、傳動系、汽車外形等方面與燃料經濟性的關系。2.3.1.1 發(fā)動機方面2.3.1.1.1 發(fā)動機的種類 為了節(jié)省能源，控制排氣污染，充分發(fā)揮燃料的熱效率，近年來對發(fā)動機進行了多方面的研究。目前來看，比較成熟的技術有汽油噴射發(fā)動機。 汽油噴射發(fā)動機可以精確地控制混合氣的濃度；保證各缸供應混合氣的均勻性；由于汽油是以一定壓力噴人進油管中，所以霧化效果較好，燃油利用率高。 柴油機的壓縮比較汽油機的大，所以熱效率高，特別是在部分負荷時，柴油機的有效燃油消耗率較低。柴油機的燃油消耗(按容量計算)，比汽油機要節(jié)省20%40%，而且柴油價格較汽油低。但是，柴油機排量大，重量大，噪聲、振動較大，因此，柴油機的性能不斷改善之后，擴大柴油機的使用范圍是當前的發(fā)展趨勢。2.3.1.1.2 發(fā)動機的壓縮比發(fā)動機的壓縮比提高，熱效率增加，使發(fā)動機動力性、經濟性得以改善，發(fā)動機油耗率有所降低。但汽油機壓縮比提高到一定程度后，會產生爆燃，并且會增加的排放量。所以壓縮比的提高有一定的限度，提高汽油機壓縮比的措施主要有： （1）改進燃燒室和進氣系統(tǒng)，提高發(fā)動機結構的爆燃極限。 （2）使用爆燃傳感器，自動延遲產生爆燃時的點火提前角。 （3）噴水抗爆。 （4）開發(fā)高辛烷值汽油。2.3.1.1.3 選用小排量發(fā)動機、提高發(fā)動機的負荷率由發(fā)動機的負荷特性可知，在轉速一定的條件下，負荷率在80%90%時，有效耗油率最低。發(fā)動機在中等轉速較高負荷率下工作時，其燃料經濟性較好。一般汽車在水平良好路面上，以常用速度行駛時，只利用到相應轉速下發(fā)動機最大功率的20左右。由此可見，在汽車大部分使用中，發(fā)動機的負荷率都是較低的，因此，在保證動力性足夠的前提下，汽車上不宜裝用大功率的發(fā)動機，以提高發(fā)動機的功率利用率，降低汽車的燃油消耗量。2.3.1.1.4 改善發(fā)動機的燃燒過程為了改善汽油機的燃燒過程，主要趨向是采用稀薄混合氣分層燃燒，其空燃比可達18以上，既能顯著提高燃油經濟性，又可以降低排放污染。2.3.1.2傳動系的影響2.3.1.2.1 變速器類型的影響目前在汽車上應用最廣泛的仍然是機械式手動變速器，但隨著人們對汽車乘坐舒適性、操縱簡便性以及起步平穩(wěn)性要求的增加，自動液力變速器(AT)和更先進的機械無級變速器(CVT)的應用也越來越廣泛。汽車裝用自動液力變速器后，由于液力變矩器的傳動效率低，其燃油經濟性有所下降。近年來，為了節(jié)油和進一步提高動力性，自動液力變速器的檔位數有所增加，一般為四個檔；在有的檔位（如三檔）進行功率分流，即較大部分功率不經過液力變矩器而直接經輸出軸輸出；高檔裝有鎖止離合器，離合器鎖止時完全消除了滑轉，提高了傳動效率，從而提高了燃油經濟性。有數據表明，由于自動液力變速器使發(fā)動機在較佳工況下運轉，所以裝用自動液力變速器的汽車的油耗有時比裝用手動變速器時還要低。 裝用機械無級變速器(CVT)的汽車的燃油經濟性與操控良好的手動變速器相當，優(yōu)于自動液力變速器。2.3.1.2.2 有級變速器檔數和超速檔應用的影響 在一定的行駛條件下，變速器應盡量用較高檔位，這樣發(fā)動機的負荷率較高，有效燃料消耗率較低，所以汽車燃油消耗量較低。變速器檔位增多以后，選擇恰當的檔位機會增多，這樣使汽車處于燃油消耗量較低的機會增多。但檔數太多，會使變速器和傳動系結構復雜，操作不便。傳動系直接檔的總減速比(主減速器速比)，是根據良好路面上的功率平衡圖及直接檔要求的動力因數采選擇的。這樣選擇的傳動比，在中等車速下行駛時，節(jié)氣門開度仍然不大，發(fā)動機的燃料消耗率較高。為了改善良好路面上行駛時的燃料經濟性，常不改變主減速器傳動比，而在變速器中設置一個傳動比小于1的超速檔。在相同的車速和道路條件下，用超速檔比用直接檔時發(fā)動機的轉速低，負荷率高，故燃料消耗率下降。因而可降低汽車的100km燃料消耗量。2.3.1.2.3 主減速器傳動比的影響主減速器的傳動比選擇的較小時，在相同的道路條件和車速下，也同樣使發(fā)動機的燃料消耗率減小，有利于提高汽車的燃料經濟性。但主減速器傳動比過小，會導致經常被迫使用低一檔的檔位，最小傳動比檔位的利用率降低，反而使燃料消耗量增加。2.3.1.2.4 傳動系的機械效率傳動系的機械效率越高，則傳動過程中的功率損失越少，汽車的燃料消耗量也隨之減少。2.3.1.3 汽車質量的影響汽車質量影響到滾動阻力、上坡阻力和加速阻力，因此影響燃油經濟性。減小汽車質量是降低油耗最有效的措施之一。減小汽車質量方面采取的措施主要有：采用高強度輕材料，如高強度低合金鋼、鋁合金、塑料、樹脂和各種纖維強化等材料制造汽車零件；改進汽車結構，如采用前輪驅動、承載式車身等，以及各種零件的薄壁化和小型化。汽車的輕量化、小型化也是汽車工業(yè)的發(fā)展方向之一。2.3.1.4 汽車外形與輪胎改善汽車外形，使車身形狀近于流線型，以減小空氣阻力系數，可以減少行駛過程中特別是高速行駛中的空氣阻力，有顯著的節(jié)油效果。某轎車空氣阻力系數由0.5下降到0.3，可使油耗降低22%，預計在不久的將來，實際使用的轎車空氣阻力系數可達0.2。汽車輪胎的選用，主要影響動力性和經濟性。公認子午線輪胎綜合性能好，尤其滾動阻力小，與一般斜交胎相比可節(jié)油6%8%。2.3.2 汽車使用因素的影響 對于一定的車型而言，汽車燃料消耗量的多少，取決于汽車的技術狀況、駕駛操作技術水平以及有關的運行條件。2.3.2.1 汽車的技術狀況 為了保持汽車的技術狀況良好，必須正確執(zhí)行汽車保修規(guī)范。正確地保養(yǎng)和調整可以提高發(fā)動機性能并降低汽車的行駛阻力。 汽油機點火系的技術狀況，如點火能量，點火提前角和火花塞型號等，都對燃燒過程有很大影響，因而影響汽車的燃料經濟性。 汽車底盤的技術狀況與保養(yǎng)、調整的關系很大。正確調整傳動系齒輪傳動副的嚙合間隙，軸承和油封的緊度，以及正常的潤滑可以大大提高傳動系統(tǒng)效率。前輪定位、制動器的正確調整可以減小汽車的行駛阻力。這些都有利于降低汽車的燃料消耗量。輪胎氣壓對滾動阻力系數影響很大。若輪胎氣壓降低30%，以40kmh的速度行駛，轎車油耗增加510%，柴油載貨汽車油耗增加2025%。國外十分重視檢查輪胎氣壓，實行監(jiān)測儀器儀表化，并研制了胎壓警報裝置，當胎壓低于標準值時，警報裝置發(fā)出信號，通知駕駛員。燃料和潤滑油的質量對汽車的燃料消耗也有很大影響，2.3.2.2 駕駛和使用技術水平2.3.2.2.1 發(fā)動機的起動升溫油路、電路、怠速和點火提前角的正確調整及發(fā)動機預熱，是順利起動的前提。常溫起動時，化油器車輛應輕踏加速踏板(電噴發(fā)動機車輛不要踩加速踏板)盡量一次起動成功。再次起動時間不得超過5s，兩次起動間隔不得超過10s。三次起動不成功時，必須進行檢查，排除故障。起動后應迅速轉入怠速。起動時忌重踏和反復踏加速踏板。冬季在室外停放的化油器車輛冷起動前，應注意發(fā)動機的充分預熱(電噴發(fā)動機車輛不需要)。關閉百葉窗，根據溫度適當關閉阻風門，輕踏幾次加速踏板，起動發(fā)動機。起動后，以稍高的轉速運轉一二分鐘后逐漸推開阻風門，抬起離合器踏板，繼續(xù)運轉一分鐘左右，再緩慢減速到怠速運轉升溫。汽車行駛過程中，經常遇到停車熄火后重新起動(熱起動)的情況。此時，發(fā)動機的溫度較高，起動時輕踏加速踏板，然后馬上轉入怠速運轉。2.3.2.2.2 汽車起步加速試驗表明，發(fā)動機水溫上升到40以上起步，具有較好的節(jié)油效果。機體溫度低時燃料霧化不良，燃燒不完全，另外機油粘度大，摩擦損失功率增加，因而特別耗油。冬季汽車起步后l0km以內，車速不要超過40km/h，并根據氣溫適當延長低檔行駛時間，直到水溫和各總成溫度上升至正常后，可進入正常行駛。 車輛一般應從一檔起步。 汽車坡道起步時，加速踏板、離合器、駐車制動器的操作配合應協(xié)調，不使車輛倒退、熄火，達到平穩(wěn)地順利起步。2.3.2.2.3 檔位的選擇和變換汽車在良好路面上行駛，在一定的行駛狀態(tài)下，即可使用次高檔，也可用最高檔，但用最高檔時較節(jié)約燃料。為了節(jié)約燃料，在節(jié)氣門開度不超過90%的條件下，應盡可能使用最高檔。汽車上坡行駛時，應及時減檔。減檔過早，不能充分利用汽車慣性爬坡；減檔過晚，車速降低過多，常需要多換一次檔，增加油耗。2.3.2.2.4 汽車行駛速度 汽車滿載在良好路面上行駛時，存在一個使得等速燃料消耗最小的車速，即技術經濟車速。車速高于或低于經濟車速，汽車等速油耗均上升。不同車型的經濟車速可通過試驗得到。2.3.2.2.5 離合器的運用兩腳離合器換檔是規(guī)范化操作，而經驗豐富的駕駛員常采用一腳離合器換檔法。試驗表明，良好道路起步連續(xù)換檔至40km/h，一腳離合器換檔法可節(jié)約燃料0.4mL，時間縮短1s；在坡道減檔，一腳離合器換檔法由五檔到四檔，節(jié)約燃料1.65mL，縮短時間0.56s。2.3.2.2.6 加速踏板的使用 汽車行駛時，加速踏板要輕踏，柔和控制，減少加速泵供油的機會。避免空轟加速踏板。試驗表明，某車每空轟一次加速踏板，就要耗油35mL；節(jié)氣門開度不宜過大，以避免加濃裝置參加工作而增加油耗。2.3.2.2.7 行車溫度的控制 汽車行車溫度，包括發(fā)動機冷卻水溫度、機油溫度、發(fā)動機罩內氣溫、變速器和驅動橋齒輪油溫度等。 水溫過低，會使燃料不易霧化，各缸進氣不均，燃燒室壁散熱損失增加，燃燒速度下降，造成發(fā)動機功率和轉矩下降，油耗增加；另外，機油的流動性和飛濺潤滑能力下降，增加了機械損失。 水溫過高，會使機體過熱，充氣量下降，容易出現爆燃、早燃等異常燃燒現象；供油系容易發(fā)生氣阻，造成功率下降，油耗增加，且在高溫下機油壓力和粘度下降；并加速機油因氧化和熱分解而發(fā)生的變質，加快發(fā)動機的磨損。 正常的發(fā)動機水溫，有利于燃料的霧化和混合氣的分配均勻，使得發(fā)動機有良好的燃料經濟性和動力性，并保證機油的粘度和潤滑能力，減少發(fā)動機的磨損。2.3.2.2.8 合理利用滑行 汽車滑行可分為減速滑行、加速滑行和下坡滑行。 汽車行駛中，當前方遇障礙，以及預見性停車和到達停車場時，預先將變速器置空檔的滑行，稱為減速滑行。當汽車接近上述障礙時，車速已降低，可不采取制動或少用制動而順利通過或停車，這樣就可達到節(jié)約燃料和保證安全的目的。 汽車以高檔加速至較高車速后，空檔滑行至較低的車速，然后再掛高檔加速，這種加速和空檔滑行交替進行的方法，稱為加速滑行方法。試驗結果表明，在平均車速相同的情況下，采用最佳的加速滑行模式與等速相比，滿載時的節(jié)油率達16.7%11.8%，空載時的節(jié)油率達23.4%21.3%。 一般加速滑行不適合拖帶掛車的汽車列車，因汽車列車的負荷率已較高，采用加速滑行方法加速時，負荷率很高，比油耗高，節(jié)油效果不明顯，甚至油耗增加。此外，加速滑行操作法，使駕駛員的勞動強度增加，對安全不利。 汽車加速滑行只能在道路寬直、無視線遮擋、行人和車輛稀少的條件下采用；要求汽車的技術狀況良好，滑行距離應達到加速距離的1.5倍以上；加速滑行的最大車速，不應超過經濟車速范圍的上限；加速時應緩慢踏加速踏板，至全開的80%90%，以免混合氣加濃裝置起作用。在高速公路行駛時不能使用加速滑行法。在坡度小于5%的緩直坡道或陡坡接近坡尾，可空檔滑行；在路況熟悉的波狀起伏微丘地帶，可在臨近坡頂時空檔滑行過坡頂，至臨近坡尾再掛檔加速沖過第二個坡道，但在這種道路滑行時，發(fā)動機不得熄火。在長而陡的坡道上，嚴禁熄火空檔滑行。應在高檔不熄火滑行，利用發(fā)動機阻力，并施加間歇制動，控制車速。如果熄火空檔滑行，長時間用行車制動器控制車速，制動器容易發(fā)熱使制動效能下降，甚至失效或燒毀制動摩擦片。2.3.2.3 運行條件的影響 汽車的運行條件包括氣候、地理位置，道路條件等。對汽車燃料經濟性的影響很大。 我國幅員廣大，各地區(qū)氣候和地理條件差別很大，而汽車設計是按一般條件來考慮的。針對當地特殊環(huán)境，對汽車，發(fā)動機部件做相應的改變，能消除或減輕特殊環(huán)境對汽車性能的影響，達到節(jié)油的目的。例如：在高原地區(qū)運行的汽車，由于空氣稀薄，使動力性下降，燃料經濟性惡化。利用空氣稀薄時發(fā)動機不易爆燃的條件，提高壓縮比，能使功率有所恢復?；推鬈囕v可縮小化油器主量孔，防止混合氣過濃，能改善燃油經濟性。在山區(qū)及丘陵地區(qū)安裝下坡或怠速節(jié)油器，可節(jié)約下坡滑行時不必要的燃油消耗；發(fā)動機冷卻風扇采用風扇離合器，根據發(fā)動機工作溫度調節(jié)供給冷卻系的風量，既可減少驅動駙件的動力消耗，又可縮短發(fā)動機的預熱時間，在北方有明顯的節(jié)油效果。 道路條件對汽車的燃油消耗量影響很大。不同路面的道路阻力系數相差很大。在同一車速下，當道路阻力系數增大時，汽車的燃料消耗量增加。因為道路阻力系數增大時，汽車的行駛阻力增加，汽車的行駛阻力增大，則要求發(fā)動機發(fā)出較大的功率，發(fā)動機的燃料消耗率隨之減小，但前者的影響為大。在道路阻力系數增大時，汽車最低燃料消耗量對應的經濟車速減小。小結1. 汽車燃油經濟性的評價指標：單位行駛里程的燃油消耗量L/100km、單位運輸工作量的燃油消耗量L/100t·km、消耗單位燃油所行駛的里程MPG2. 汽車等速百公里油耗的計算：3. 汽車等加速行駛油耗的計算：4. 汽車燃油經濟性的影響因素：汽車結構因素：發(fā)動機方面（發(fā)動機的種類，發(fā)動機的壓縮比，選用小排量發(fā)動機、提高發(fā)動機的負荷率，改善發(fā)動機的燃燒過程）、傳動系的影響（變速器的類型、有級變速器檔數、主減速器傳動比、傳動系的機械效率）、汽車質量、汽車外形與輪胎汽車使用因素：汽車的技術狀況、駕駛和使用技術水平、運行條件復習思考題1、何謂汽車的燃油經濟性?評價指標是什么?評價試驗方法有哪些? 2、推導出汽車的燃料消耗方程式。3、何謂等速行駛燃料經濟特性?如何利用它分析比較汽車的經濟性? 4、分析發(fā)動機的負荷率對汽車燃料經濟性的影響，汽車在使用時如何提高發(fā)動機的負荷亭? 5、某汽車總質量5360kg，輪距1650mm，車高2165mm，空氣阻力系數0.96，發(fā)動機有效油耗=245gps·h，機械效率0.85，估算在i=0.015的柏油路面上以60kmh穩(wěn)速行駛百公里油耗是多少?