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汽車使用過程中節能技術

畢業論文謝謝: 問提問者：網友 | 2017-05-03

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環保節能型驅動技術在汽車上的應用...... 摘要：為了降低城市道路車輛的燃油消耗和廢氣的排放，回收汽車制動時的動能技術是一種有效的方法。由于飛輪回收系 — 統結構簡單和效率高等特點，本文介紹了發動機——飛輪定壓混合驅動系統基本原理。 ...... ------------- 淺談客車的技術節能途徑與措施近年來，國際油價的反復波動引發了全球性的石油產品供應短缺，而汽車行業對石油的需求可占到全球石油產品總消耗量的三分之一以上。在新一輪的能源危機中，汽車產品的節能已成為汽車技術亟待解決的首要問題。汽車產品的節能是一項工作量巨大的系統工程，由于影響因素眾多，因此需要一套科學的分析方法將各種因素有機串聯為一體。汽車是由車身、底盤、發動機和電器四大部分組成，若要獲得良好的節能效果，則需在汽車產品的開發過程中，全面、詳盡地剖析汽車能耗的每個部分，從結構細節入手，在汽車各個系統部分開展優化設計，從而實現整車節能的目的。本文以客車產品設計為例，對汽車產品的技術節能途徑與措施進行簡介。技術節能基本原理汽車在行駛過程中需要克服各種行駛阻力，這將消耗一部分功率，此外汽車的機械傳動損失也將消耗一部分功率。根據輸入功率與輸出功率相等的原理，設定條件為平道、等速行駛，汽車的功率平衡方程如下(公式1)：其中Pe表示發動機的輸出功率，ηT表示傳動系的機械效率，G表示整車質量，ua表示汽車行駛速度，CD表示空氣阻力系數、A表示迎風面積，括號內的四項分別為滾動阻力功率、坡道阻力功率、空氣阻力功率和加速阻力功率。而汽車在等速行駛時的百公里油耗可以表示為(公式2)：其中，b為發動機燃油消耗率，Y為燃油密度。根據公式1和2可知，汽車的百公里油耗與以下幾個參數有關：整車質量G，空氣阻力系數CD和迎風面積A。降低整車質量始終是汽車產品節能降耗的最有效的手段，這也是多年來各大汽車公司始終重視汽車輕量化工作的原因。此外，汽車在平道上等速行駛時，行駛阻力主要由滾動阻力和空氣阻力組成。根據公式1可知，滾動阻力與車速成線性增加關系，而空氣阻力則與車速成三次方增加關系。試驗證明，當車速達到80km/h時，空氣阻力占汽車行駛阻力的60%。因此，汽車在低速行駛時改善油耗主要通過降低滾動阻力實現，而改善高速行駛時的油耗則主要通過降低空氣阻力實現。目前我國城市公交客車的平均車速較低，普遍在25km/h左右，通過造型優化改善油耗效果有限，而降低車輛的滾動阻力則是一個主要手段。對于大多數時間都在高速行駛的公路/旅游客車，通過造型優化實現空氣阻力的降低，從而實現節油效果的較為明顯。車身部分通過車身設計改善油耗的關鍵在于減小車身的空氣阻力，主要適用于高速行駛的公路/旅游客車。汽車的空氣阻力分為壓力阻力和摩擦阻力兩大類。壓力阻力是作用在汽車外表上的法向壓力的合力在行駛方向的分力，具體可細分為以下四部分：形狀阻力：它主要與汽車的外觀造型相關，約占壓力阻力的60%。干擾阻力：它是由汽車表面的凸起物，例如后視鏡、流水槽、車頂行李架、外表裝飾板等引起，約占壓力阻力的15%。內循環阻力：它是發動機冷卻系統、車身通風所需的空氣流經車體內部時構成的阻力，約占壓力阻力的15%。誘導阻力：它是空氣升力在汽車水平方向的投影，約占壓力阻力的10%。降低空氣阻力的關鍵是降低形狀阻力，也就是前部車身造型的優化設計，我們常見的公路旅游客車造型多表現為大曲面、雙曲線的流線式造型，這便是降低形狀阻力的集中體現。在客車車身設計時，可通過以下方法降低空氣阻力，改善油耗： 1、客車總體布置結構緊湊，提高空間利用率。在保證車內正常使用空間和行李艙容積的基礎上，設計師應盡可能地減小客車的高度與寬度，從而減小客車的迎風面積，降低油耗。目前很多客運公司喜歡追求外觀高大的客車，在提高車輛乘坐舒適性的同時，也要相應付出能耗增加的代價。 2、優化客車整體造型。前風窗玻璃采用大曲面，前圍棱線處采用大圓角過渡，整體呈現出明顯的楔形，這將有效改善客車的空氣動力特性，降低油耗。 3、減少車體外部凸出部位。除了國家明令禁止的外部行李架外，空調始終是客車外部主要的凸出物。為了減少空氣阻力，設計師可將空調布置在整車前部，通過加裝導流罩將空調與前圍造型有機融為一體。2008年以后，頂置氣瓶形式的燃氣公路客車開始出現，由于氣瓶體積較大，對空氣阻力有一定的影響，因此氣瓶罩的外形設計顯得尤為重要，此方面可參照整車造型設計思路予以優化。此外，快速公交系統(BRT)在2004年末進入中國，由于采用了專用車道，此類城市公交客車的運行速度最高可達40~50km/h。對于BRT公交客車，亦可采用以上設計思路，對造型進行優化，通過減小空氣阻力降低能耗。例如荷蘭VDL公司的Phileas系列，我國的ZK6181HG、LCK6180G、DD6182S01等。發動機部分發動機的油耗對于汽車的油耗有著決定性的影響，因此設計師或用戶在進行發動機選用時，應結合實際使用情況進行合理選配。目前很多用戶喜歡追求大功率、大扭矩的發動機，但對動力性的不合理追求也會造成油耗的不必要增加，這是必須注意的。發動機的比油耗是隨著發動機負荷的變化而變化的，通常在低負荷和滿負荷狀態下的比油耗較高，負荷率在80%~90%時則較低。目前客車在平路上以常用速度行駛時，發動機負荷率僅為20%左右，長期處于低負荷狀態，因此在行駛條件允許的情況下，不必盲目追求客車發動機的大功率，以避免增加負荷率。對于城市公交客車，由于車速較低，在滿足車輛日常載荷的情況下，選用小排量及小功率的發動機，使得發動機的常用工況處于相對經濟的區域，非常有利于能耗的節約。而對于車速長期處于80~100km/h的公路/旅游客車而言，選用大排量、低轉速、大扭矩的發動機則較為合適。冷卻系統汽車的冷卻系統主要是保證發動機處于適宜的工作溫度，最理想的狀態是在85℃~90℃，它也是汽車發動機消耗功率最大的附件。冷卻風扇是按照發動機的最大熱負荷來設計的，其最大消耗功率是發動機額定功率的5%~12%，大中型客車通常需要10kW~20kW，但在絕大多數的行駛過程中，發動機都處于遠低于最大熱負荷的工況下工作，因此如何盡量少地消耗發動機輸出功率，而且保證發動機在最大熱負荷工況下能夠良好散熱，是冷卻系統設計需要面對的主要問題。冷卻系統的技術節能主要包括兩個關鍵點——“獨立”與“溫控”，采用這兩種措施，油耗可降低4%~7.5%。所謂“獨立”，是指將冷卻風扇與發動機的傳動裝置相對獨立出來，根據發動機的工況選擇性啟動，提供最適宜的冷卻風量，從而實現節能效果。普通客車冷卻風扇采用皮帶傳動，由于缺少離合器的控制，風扇工作與否完全取決于發動機，這便導致無論發動機是否需要冷卻，風扇都要無謂的轉動、消耗能量，此時由于強烈冷卻作用的影響，發動機工作溫度過低，機油黏度增大，輸出功率減小，油耗是正常工況下的兩倍以上。此時，若采用離合器式、電動式或液壓式風扇驅動裝置，則可以解決這一問題。目前常見的客車離合器風扇有電磁式、硅油式兩種，它們可以在發動機不需冷卻時自動斷開風扇與發動機的傳動，避免發動機無謂的能耗。宇通客車的“發動機熱管理系統”便是應用電磁式離合器風扇實現節油的典范，此舉可以降低油耗5%以上，而且提高了車輛的動力性、加速性，縮短發動機冷啟動時間約2/3，在北方地區的節油效果尤為明顯。至于“溫控”，則是通過優化風扇、中冷器、散熱器及艙體的結構，利用最小的消耗功率得到最佳的散熱效果。常見的措施包括：增大中冷器和散熱器的面積，保證各種工況下的散熱效果；利用流體分析軟件對散熱艙體結構進行優化，改善冷卻進排氣路徑，減少沿程阻力，提高吸風效果；采用大直徑、低轉速風扇，同時對風扇葉片結構和材質進行優化。傳動系統傳動系是將發動機的輸出動力傳遞至驅動車輪的系統，可從傳動部件的匹配計算以及日常調整維護實現節油目的。客車傳動系的匹配計算通常指確定變速器的速比及驅動橋的主減速比，這兩個參數有多種組合方式，需結合車輛實際使用情況進行反復匹配計算，以獲得動力性及經濟性最佳的組合。對于車速較低但起步制動頻繁的城市公交客車，其在行駛過程中很少達到五檔以上，但卻對二檔起步性及加速性要求很高。因此，城市公交客車通常選用五檔變速器，且二檔速比盡量做到4以上，而后橋通常選用相對較大的速比(5~6)。對于車速較高的公路/旅游客車，則多以六檔變速器為主，而后橋通常選用較小的速比(3~4)。由于車輛的變速器和驅動橋在設計時便需確定，屬于“先天性”因素，因此需要設計師予以精心選配，以確保車輛在未來的使用中能夠長期處于最佳匹配狀態，從而實現技術節能的目的。傳動系統尤其要注意日常的調整維護，傳動系各摩擦副間的潤滑和接觸狀況將直接影響傳動效率以及油耗。例如：離合器在行駛中的發熱現象，通常意味著不正常的油耗；變速器、萬向節、傳動軸和驅動橋在行駛中若發生異響現象，則意味著齒輪嚙合或軸傳動在運轉中遇到了不應有的阻力，也會發生油耗的增加；另外使用粘度、抗磨性以及溫度性能不符合要求的齒輪油，也會使油耗顯著增加。據試驗，在相同工況下，冬季用車使用夏季齒輪油會使燃油消耗增加4%。行駛與制動系統汽車的行駛系統主要由懸架、車橋、輪輞和輪胎等部分組成，此系統主要是通過減小行駛中的滾動阻力來實現節能降耗。目前，從輪胎上著手以實現技術節能較為常見，主要措施有： 1、使用無內胎子午線輪胎替代普通斜交胎。這兩種輪胎的區別在于：普通斜交胎體的簾線采用相交形式，而子午線輪胎則是各層間相互平行地由一胎圈到另一胎圈、呈子午線方向(與胎冠中心線成90°)排列。子午線輪胎中的主要受力部件是由鋼絲簾線制成的緩沖層，它增大了胎面行駛部分與路面的接觸面積，能使壓力較均衡地分布在接觸面積內，可減少胎面花紋滑動，提高側穩性。子午線輪胎的滾動阻力比普通斜交胎減小20%~30%，可實現節油3%~8%。目前子午線輪胎在公路/旅游客車上已全面采用，在城市公交客車領域也開始普及，實際節油效果顯著。 2、束角與傾角。如果車輛的四輪定位不好，導致束角、傾角不正，會增加輪胎與地面的摩擦，增加燃油消耗。對于使用子午線輪胎的車輛，其前束小于普通斜交胎，更要嚴格控制，一般為0~3mm。 3、胎壓。各種輪胎都有負荷與氣壓的對照表，車輛出廠前以及車輛使用中都必須嚴格遵守。若胎壓不足，輪胎的接地面積加大，摩擦增加，不僅使輪胎兩側的胎肩磨損增大，而且增加油耗。 4、輪胎花紋。每個品牌的輪胎都有自己的花紋系列，在使用時必須結合使用路況進行選配。實踐證明，縱向花紋對于客車的節油效果最為明顯。另外，廣義的滾動阻力還包括車輪和制動系統的摩擦阻力，例如制動鼓轉動時是否有摩擦現象，油封及軸承的摩擦力大小，均對滾動阻力有較大影響。輕量化設計根據公式1可知，整車質量直接影響滾動阻力、坡道阻力和加速阻力，是影響汽車能耗的關鍵性因素。據研究，整備質量減少10%，可使油耗降低8.8%左右。客車的輕量化工作主要有以下兩個發展方向：利用CAE有限元分析優化整車骨架結構和各類輕質材料的使用。利用CAE技術優化整車骨架結構隨著三維軟件在客車設計中的應用而得以普及。近年來，全承載客車作為輕量化技術在客車上應用的典型代表，已在中國市場中得到了高度認可，安凱、青年、宇通、金龍等眾多企業通過技術引進和自主研發已經掌握全承載技術，并將其應用到產品設計開發中，不僅提高了車輛的安全性能，而且取得了極佳的節油效果。2009年11月，中通客車的LCK6120GT和LCK6103HG通過節能公交產品評審，便是采用車身輕量化設計、降低車輛整備質量得以實現技術節能的。另外，輕質材料在客車上應用對降重節油也有一定的作用，例如各類質輕高強的輕金屬以及工程塑料等高分子材料。2008年，宇通客車攜手ALCOA美鋁公司推出ZK6126HGE，整車大量采用鋁質材料，減輕車身重量接近1.5t，經鄭州公交的實際使用，節能效果明顯。CVE: 回答者：網友

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