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主流汽車(chē)節(jié)能技術(shù)與節(jié)能效果分析論文
摘要：隨著人類(lèi)逐漸進(jìn)入汽車(chē)時(shí)代，能源危機(jī)、環(huán)境污染、交通擁堵等問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，對(duì)汽車(chē)行業(yè)低碳發(fā)展、節(jié)能減排的要求愈發(fā)迫切。文章從發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、低摩擦、輕量化、電子電器、替代燃料、混合動(dòng)力七個(gè)領(lǐng)域，對(duì)全球主流汽車(chē)節(jié)能技術(shù)的基本原理和節(jié)能效果展開(kāi)了論述。
關(guān)鍵詞：汽車(chē)節(jié)能；節(jié)能技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)；變速器；低摩擦；輕量化
全球原油供需形勢(shì)不容樂(lè)觀。受全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、汽車(chē)保有量增加等多重因素驅(qū)動(dòng)，全球原油消費(fèi)量逐年遞增。隨著原油資源的枯竭和原油消費(fèi)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，未來(lái)全球原油供需形勢(shì)將更加嚴(yán)峻。因此，節(jié)能減排是目前全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共同趨勢(shì)和轉(zhuǎn)型升級(jí)方向。
1發(fā)動(dòng)機(jī)
1.1缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）。GDI是指將燃油噴嘴噴油器安裝于氣缸內(nèi)，以壓力較高的燃油直接噴入氣缸內(nèi)與進(jìn)氣混合，并通過(guò)優(yōu)化和匹配設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高噴射壓力，使燃油霧化的效果更為細(xì)致，真正做到精準(zhǔn)地按比例控制噴油，讓燃油和空氣能夠在整個(gè)汽缸內(nèi)進(jìn)行均勻的混合，從而實(shí)現(xiàn)燃油的充分燃燒的一種技術(shù)。采用缸內(nèi)直噴技術(shù)較多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油2%~5%。
1.2增壓技術(shù)。渦輪增壓技術(shù)是一種利用排氣廢氣的能量沖擊排氣管道中的渦輪，同時(shí)帶動(dòng)進(jìn)氣管道的渦輪，使進(jìn)氣增壓后送入到氣缸，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的技術(shù)。渦輪增壓技通過(guò)減小原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量使節(jié)能效果達(dá)到4%~10%。
1.3廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）。EGR是將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的一小部分再送回氣缸的一種技術(shù)。再循環(huán)廢氣由于具有惰性會(huì)延緩燃耗過(guò)程，從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過(guò)程放緩，減少NOx的生成。廢氣再循環(huán)技術(shù)通過(guò)減緩爆震的影響可提高壓縮比，同時(shí)優(yōu)化點(diǎn)火時(shí)間，并降低泵氣損失，達(dá)到節(jié)能效果。
1.4停缸技術(shù)（VCM）。VCM是指發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，通過(guò)相關(guān)機(jī)構(gòu)切斷部分氣缸的燃油供給、點(diǎn)火和進(jìn)排氣，使剩余工作氣缸負(fù)荷率增大的一種技術(shù)。VCM一般可降低能耗3%~8%。
1.5阿特金森循環(huán)�，F(xiàn)代阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)使用電子控制裝置，通過(guò)推遲進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，在壓縮沖程從進(jìn)氣門(mén)排除部分燃?xì)�，減少進(jìn)氣量，從而實(shí)現(xiàn)膨脹比大于壓縮比，提高燃油利用率，達(dá)到節(jié)油的目的，一般可帶來(lái)2%~8%的能耗降低。
1.6清潔高效柴油機(jī)技術(shù)。由于柴油機(jī)的壓縮比較大，目前主要采用電控的高壓共軌噴射，通過(guò)高壓油泵加壓，帶電磁閥的噴油控制噴油時(shí)機(jī)和噴油量，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油的噴射的精確、高效控制。目前，與同等動(dòng)力水平的自然吸氣汽油機(jī)相比，清潔高效柴油機(jī)能耗要降低15%~30%。
1.7可變氣門(mén)正時(shí)和升程技術(shù)（VVT和VVL）。VVT是一種根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況來(lái)調(diào)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合時(shí)間、角度的技術(shù)。VVL是一種根據(jù)汽車(chē)運(yùn)行情況來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)升程的技術(shù)。可變氣門(mén)正時(shí)和升程技術(shù)已成熟應(yīng)用。
2高效變速器
2.16MT。6MT即含有6個(gè)前進(jìn)擋的手動(dòng)變速器，結(jié)構(gòu)上僅是比5MT多出一組齒輪，在同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下可以跑得更快，在相同的速度下行駛，6MT的轉(zhuǎn)速低于5MT，從而達(dá)到了節(jié)油的效果，一般較5MT節(jié)油1%~3%。
2.2多檔AT。在傳統(tǒng)4檔位自動(dòng)變速箱基礎(chǔ)上增加的每個(gè)檔位，都幫助發(fā)動(dòng)機(jī)處在一個(gè)很好的工作狀態(tài)，因此提高了潛在效能。5AT較傳統(tǒng)4AT能耗降低2%~3%、6AT較傳統(tǒng)4AT能耗降低3%~5%、7AT較傳統(tǒng)4AT能耗降低5%~7%、8AT較傳統(tǒng)4AT能耗降低6%~8%。
2.3機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）。AMT在不改變?cè)?chē)變速箱的主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝微電腦控制的電動(dòng)裝置，取代原來(lái)由人工操作完成的離合器的分離、接合及變速器的選檔、換擋動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)換檔全過(guò)程的自動(dòng)化。采用AMT技術(shù)后，與傳統(tǒng)AT相比，AMT整車(chē)能耗可降低5%~10%。
2.4無(wú)極變速器（CVT）。CVT是通過(guò)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的可動(dòng)盤(pán)做軸向移動(dòng)來(lái)改變主動(dòng)輪、從動(dòng)輪錐面與V型傳動(dòng)帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動(dòng)比。與傳統(tǒng)4AT相比，CVT一般可降低能耗2%~6%。
2.5雙離合自動(dòng)變速箱。雙離合自動(dòng)變速箱融合了手動(dòng)變速箱和自動(dòng)變速箱二者的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)離合器控制單數(shù)檔位齒輪，另一個(gè)離合器控制雙檔位齒輪。當(dāng)一個(gè)檔位正在工作時(shí)，相鄰檔位的齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài)，當(dāng)換擋時(shí)刻來(lái)臨就可以只通過(guò)操縱離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋。相較于4AT，能耗可降低2%~7.5%。
3低摩擦技術(shù)
3.1低滾阻輪胎汽車(chē)行駛過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的行駛阻力，其中近80%為空氣阻力，其余20%為滾動(dòng)阻力。汽車(chē)油耗有相當(dāng)一部分用于克服輪胎摩擦阻力。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)定，輪胎滾動(dòng)阻力每降低7%，就可使汽車(chē)燃油消耗降低1%。
3.2低風(fēng)阻設(shè)計(jì)汽車(chē)風(fēng)阻是指汽車(chē)的外部與氣流作用產(chǎn)生的阻力。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在同等風(fēng)速下，風(fēng)阻系數(shù)每降低10%，能耗可降低7%。
4輕量化技術(shù)
減少汽車(chē)自身質(zhì)量是降低油耗的最有效的措施之一。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)自重每減少10%，NEDC工況下能耗可降低6%~8%、排放降低5%~6%。
4.1輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化利用。CAD、CAE技術(shù)，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車(chē)身實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)，對(duì)各構(gòu)件的開(kāi)頭配置、板材厚度的變化進(jìn)行分析，并可從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該車(chē)的相關(guān)進(jìn)行工程分析和剛度、強(qiáng)度計(jì)算。
4.2先進(jìn)輕量化材料的應(yīng)用。鋁合金是目前汽車(chē)材料中應(yīng)用最多的輕質(zhì)材料，各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)也比較成熟。鎂鋁合金已經(jīng)應(yīng)用于儀表板骨架和橫梁、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、進(jìn)氣支管等；高強(qiáng)度鋼已經(jīng)應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)、懸架等零部件上；鈦已經(jīng)應(yīng)用于氣門(mén)等部件；塑料是汽車(chē)使用得最多的非金屬材料，已經(jīng)應(yīng)于儀表盤(pán)、側(cè)圍內(nèi)測(cè)板等。
4.3輕量化工藝。內(nèi)高壓成形技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用有排氣系統(tǒng)異形管件、副車(chē)架總成等。激光加工技術(shù)主要應(yīng)用于拼焊板制造、白車(chē)聲零部件加工等。采用激光技術(shù)制造車(chē)身，車(chē)身質(zhì)量減輕20%。半固態(tài)加工技術(shù)適用于具有較寬液固共存區(qū)的合金體系。超高強(qiáng)度熱成型技術(shù)主要用于生產(chǎn)輕量且超高強(qiáng)度的沖壓件，質(zhì)量減輕20%以上。
5先進(jìn)電子電器
5.1智能節(jié)油系統(tǒng)（STT）。STT是一套控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止的系統(tǒng)。此項(xiàng)技術(shù)在一般路況條件下可以降低能耗5%左右，而在擁堵路段最高可降低能耗10%~15%。5.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器與轉(zhuǎn)向軸鏈接在一起，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器開(kāi)始工作，把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移變成電信號(hào)傳給ECU，ECU根據(jù)車(chē)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)決定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，從而完成實(shí)時(shí)控制助力轉(zhuǎn)向。與HPS（機(jī)械助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）相比，EPS可降低能耗1%~2%。
5.3電子節(jié)溫器。電子節(jié)溫器是指車(chē)輛冷卻液溫度調(diào)節(jié)、冷卻液的循環(huán)、冷卻風(fēng)扇的工作等均由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制的裝置。電子節(jié)溫器相對(duì)于裝備傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)能夠降低能耗1%~2%。
5.4可變排量機(jī)油泵�？勺兣帕繖C(jī)油泵是指一種可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際機(jī)油量需求量來(lái)調(diào)節(jié)供油量的機(jī)油泵。該變量泵技術(shù)使得發(fā)動(dòng)機(jī)在中高速下的主油道壓力保持一個(gè)相對(duì)恒定值，在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油需求的同時(shí)，減少功率消耗，起到節(jié)能減排的作用，一般能降低發(fā)動(dòng)機(jī)1%~2%的燃油能耗。
5.5再生制動(dòng)能量回收。車(chē)輛在制動(dòng)或減速過(guò)程中耗費(fèi)多余的能量，將這些能量回收利用能夠降低車(chē)輛的能量消耗，提高燃油的經(jīng)濟(jì)性。目前該項(xiàng)技術(shù)多用于混合動(dòng)力與新能源車(chē)型。
6替代燃料
替代燃料汽車(chē)是指使用其他類(lèi)型燃料，部分或完全取代石油基燃料（汽油、柴油）的汽車(chē)。替代燃料總體上可劃分為三類(lèi)：醇、醚、酯類(lèi)等含氧燃料，合成油，氣體燃料。替代燃料汽車(chē)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)、工作原理、節(jié)能技術(shù)應(yīng)用一致。一般只需根據(jù)替代燃料的主要物化性能，對(duì)原內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料供給、儲(chǔ)存系統(tǒng)及相關(guān)零部件進(jìn)行必要的技術(shù)改造即可。通過(guò)專(zhuān)用技術(shù)、專(zhuān)機(jī)開(kāi)發(fā)，充分利用天然氣高熱值等燃料特性，提高節(jié)能效率。
7混合動(dòng)力
混個(gè)動(dòng)力是指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力來(lái)源—熱動(dòng)力源與電動(dòng)力源�；旌蟿�(dòng)力是目前技術(shù)成熟、節(jié)能效率最高、社會(huì)成本最低且在世界范圍內(nèi)接受度高的乘用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)�；旌蟿�(dòng)力系統(tǒng)主要由內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。應(yīng)用怠速啟停、低速電動(dòng)、小型化、能量回收等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%的節(jié)能效果。
作者:康寧 張偉 靳永言 張士偉 單位:長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院
參考文獻(xiàn)
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[2]王艷杰,張晨.汽車(chē)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2015（7）:114-116.
[3]中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司,中國(guó)節(jié)能汽車(chē)藍(lán)皮書(shū)[M].北京:社會(huì)科學(xué)出版社,2016.9.
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