客車節能影響因素分析

李彩芬，張衛林

（1.國家知識產權局，北京 100088；2.金龍聯合汽車工業（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

能源問題不僅是制約我國經濟發展的瓶頸，也是影響國家經濟安全的重要因素和國際社會高度關注的焦點。在我國，交通運輸是消耗石油資源的主要行業[1]，所以進一步加強交通行業節能減排是社會發展的必然需要，也是貫徹落實科學發展觀、構建和諧交通的重要舉措。影響汽車油耗有諸多方面的因素，包括設計、維護保養和使用等幾個方面[2]，本文主要從整車設計方面進行闡述。

1 整車設計方面

1）整車自重。整車的油耗與自重成正比。據相關統計，整車自重每下降10%，油耗將下降1～2 個百分點[3]。因此，在進行整車設計時，應努力降低車輛自重。當然，降低車輛自重不能以犧牲整車結構強度為代價，應盡可能利用新材料、新技術、新工藝等對零部件進行優化設計來降低車輛自重。其中，采用鋁合金車身、全承載車身結合有限元結構優化設計、膠粘蒙皮技術等均是降低車輛自重的有效途徑。

2）整車造型及車身尺寸設計。整車造型及車身尺寸合理優化，對降低車身風阻系數有很大的影響，尤其對高速客車的油耗有非常顯著的影響。單純依靠車身外表形狀的最佳化是不夠的，要充分考慮車長、寬、高這些基本尺寸及它們之間的最佳比例，才能設計出外形美觀、風阻系數低的車身。對一輛12 m 旅游客車及一輛12 m 臥鋪客車進行油耗對比測試（兩者唯一區別為臥鋪客車較旅游客車高120 mm），在風速為4 m/s 的環境中、以110 km/h 車速迎風行駛情況下，臥鋪客車較旅游客車的油耗高18.3%。另外，在增大車身與地面的距離時，可減少地面效應，從而可減小風阻系數。試驗表明，空氣阻力系數降低10%，燃油節省7%左右。曾有人對兩種相同質量、相同尺寸，但具有不同空氣阻力系數（分別是0.44 和0.25）的轎車進行比較，以88 km/h 的時速行駛100 km，結果燃油消耗后者比前者節約了1.7 L[4]。盡管轎車外形與客車外形出入較大，但對于高速客車的設計仍然可以作為參考。

3）整車匹配設計。根據車輛配置，結合車輛的使用工況來進行合理的整車匹配設計，使發動機長時間工作在油耗最低區域，從而達到節油的目的。在整車匹配設計過程中，通常應注意以下幾點[5]：動力因數過大會導致油耗高（動力過剩）；動力因數過小會導致動力不足，駕駛員降低檔位行駛，油耗更高；2 檔動力因素一般在0.18 左右合適（高原適當增加到0.20～0.22，以防止冒煙）；3 檔動力因數一般在0.12 左右合適（高原適當增加到0.13～0.15，以防止冒煙）；2/3/4/5/6 檔間速比理論上呈等比數列排列最合理，同時比值越小越合理；某兩個檔位間間距過大會增加油耗；盡量選用6 檔箱；它比5檔箱省油約5%～10%。其工作區域和閉鎖點對比圖分別見圖1 和圖2。

另外，對于裝用歐IV 排放發動機，目前有兩條技術路線：其一是先通過噴射系統優化和噴射定時提前再加SCR 路線；其二是EGR+DPF 路線。第一種凈化方案的發動機燃油消耗率比較低，油耗可節省5%～7%，若扣除因尿素所增加的費用，還將有節油2%～3%的優勢。此外，這一路線對于燃油品質相對不敏感。戴姆勒·克萊斯勒公司認為，甚至含硫量350×10-6以下的歐III 燃油就可以滿足要求。因此，從節能的角度來說，歐IV 排放發動機宜采用第一種方案來實現。

再者，高速運行的客車輪胎的高速駐波現象，將大幅提高輪胎的運行溫度和滾動阻力，也就會大幅提高整車的油耗。據相關統計，輪胎滾動阻力所致油耗占車輛總油耗的25%～35%。因此，為了降低輪胎的滾動阻力，就得從減少輪胎的變形損失角度出發，而采用無內胎的子午線輪胎能極大地降低輪胎內部摩擦損失，其滾動阻力一般較斜交輪胎低20%～25%。同時，提高輪胎內氣壓是降低滾動阻力極為有效的措施。當然，單方面為追求降低滾動阻力而提高輪胎的充氣壓力會增加安全風險。米其林公司通過合理的輪胎結構設計、改進橡膠材料配方（如加入硅元素）以及合理的輪胎花紋型式設計等可以較好地降低滾動阻力，這也正是米其林公司在這方面的研究方向。

還有，目前一個值得關注的現象是，隨著電控技術的發展，為了節能，對于大型客運車輛所用發動機的最高轉速進行了降低處理，同時提高發動機的中低速扭矩并且使得中低速扭矩加大的同時也加寬其轉速范圍[6]。整車設計時，通過合理地匹配變速器各檔速比和選用小速比后橋，在保證動力性的同時，使發動機常用工況集中在低油耗區，避開高油耗區域，從而降低整車油耗。當然若能在設計發動機的同時，配合將增壓器作適應性的更改，即采用小渦輪低慣量的增壓器充分改善發動機低轉速時的增壓能力，其發動機節能效果會更佳[7]。

表1 是對一輛匹配上述改進前后發動機的12 m 客車整車百公里等速油耗的測試記錄。

表1 不同后橋主減速比等速油耗對比表

2 發動機附件系統設計

顯著影響整車油耗的發動機附件系統包括進氣系統、排氣系統、冷卻系統及供油系統等，其中尤以進氣系統和排氣系統的影響較大，具體體現在進氣阻力大和排氣背壓高對油耗增加起主要作用。

1）發動機進、排氣系統對整車油耗的影響。發動機進氣阻力大，會影響到發動機的進氣量，使得發動機功率下降，增加發動機的耗油量。筆者對一輛車長為8.9 m旅游客車進行對比試驗，進氣阻力減少1.4 kPa（通過改進風道進氣口面積及膨脹箱大小），整車油耗下降達5.2%。另外，發動機排氣背壓高，會使發動機輸出功率降低，排氣溫度加大，油耗增加[8-9]。進氣系統進氣阻力大，一般是由于空濾器通量選擇以及中冷器流量選擇不合適、中冷器壓降大及進氣管路設計和布置不合理等因素造成。而排氣背壓高主要是由于消聲器容積的選擇不合適及排氣管路設計、布置不合理等原因造成。

2）發動機進、排氣系統對整車油耗的影響試驗。筆者對一輛車長為8 m 的客車進行進、排氣系統改前后的油耗對比測試。測試由用戶在同一線路統計一周的數據進行對比所得，其結果見表2。可以看出，進排氣阻力對整車的油耗影響非常大。

表2 進排氣系統改進前后平均油耗測試對比

3）發動機冷卻系統和供油系統對整車油耗的影響。冷卻系統的影響之一是由于溫度過高會帶來油溫過高，會減少單位體積燃油的熱值和循環供油量，使發動機性能降低，增加發動機耗油量[9]。供油系統的影響則是由于設計時進回油管管徑選擇不合理或布置不合理，造成流程阻力偏大，影響發動機的正常燃燒，降低發動機的動力性和經濟性。因此，在對發動機的冷卻系統設計時，一定要根據整車匹配情況，結合車輛使用情況，合理設計冷卻系統，使發動機工作在合理的溫度范圍。

對發動機進回油管徑的設計，在保證發動機額定供油量的前提下，通過控制管路內燃油流速在1～3 m/s 內時而設計出合理管徑的進、回油管，并盡量控制油管的平直布置。對于燃油箱設計，要注意其通風及通氣，同時保證其進、回油口距在250 mm 以上，這樣可較好地控制燃油的溫度及阻力等，從而減少整車的油耗。

目前，冷卻系統設計最新的技術是風扇驅動系統中電磁風扇離合器的應用，可根據整車冷卻系統中冷卻的需要，通過溫度傳感器來控制風扇的轉速，從而降低冷卻風扇驅動功率的消耗，也就降低整車的油耗。一般在冬季油耗下降最高可達15%，夏季下降最高可達10%[10]。

3 其它影響因素

目前還有其它的一些技術作為整車降低油耗來應用。例如：一種用與美國航天飛機外層隔熱材料相同的陶瓷基原料配制和加工的高效水溶性產品超級隔熱節能環保涂料（Super Therm）、熱管理系統、內卸荷空壓機的應用等。其中，將Super Therm 涂覆在豪華空調大巴的車頂上進行測試其節能效果，結果為未涂該隔熱材料時，環境溫度在46℃時，測得車頂溫度高達90.1℃；而涂覆Super Therm 后測試，車頂溫度只有46.2℃，幾乎與環境溫度相同。以一輛12 m 長的豪華大客車為例，對其頂部噴涂Super Therm 的成本約2 000 元/輛。同樣，在Thermo King 空調上進行測試，其節能效果可達30%，客車一般只需涂覆車頂便能隔離80%太陽光照射的能量。但長期行駛在夏熱冬暖地區的客車需涂覆車身除地板外的5 個外側面，其效果較好。對該客車車身除地板外的5 個側面噴涂Super Therm 所花費的成本約6 000 元/輛，按照一輛12 m 長的大客車每天行駛800 km 計算，其空調的耗油量約3.2 L/100 km[11]，那么在夏季和冬季共6 個月的時間，僅空調要消耗約4 608 L 柴油；若使用了Super Therm，則能節約燃油1 382 L/年。按照目前0#柴油的價格7.78 元/L來計算，每年將會為客戶節約10 752 元。

對于熱管理系統技術的應用，目前只有其中部分技術進行應用，而不是一個真正意義上的將整車熱系統來進行管理。對于熱管理系統來說，首先要從系統工程的觀點，綜合考慮所有熱的問題，即將整車的熱能作為一個系統來考慮；對熱能的產生、熱能的傳遞、強化放熱過程等進行全過程的管理；其控制重點在于更少地產生熱，更多地利用熱，從而提高熱效率與降低能耗。

對于帶內卸荷空壓機應用的節能效果，主要是由于采用內卸荷方式，可大幅降低空壓機的Dute Free 時間，從而降低空壓機的能耗，達到節能的效果。WABCO 曾進行相關測試，對于每二轉704 cm3排量的壓縮機，采用內卸荷方式可節省3 kW 能耗，其節油效果可達3%左右。

4 結束語

總之，可通過多種手段來降低客車油耗，這無疑會為響應國家“節能減排”政策，降低用戶費用，促進社會科學發展，為建設資源節約和環境友好型社會作出較大的貢獻。

[1]習江鵬，王丹.道路運輸行業實施節能減排策略研究[J].交通企業管理.2008，（9）

[2]范例，司利增.影響汽車油耗的因素分析[J].農業技術與裝備.2010，（4）

[3]梁建斌.堅持設計節能降耗推動行業健康發展[[EB/OL].[2009-5-30].http：//www.higer.cn/index/download.asp?category=2&magid=1414&id=1436.

[4]莫持標.提高汽車燃油經濟性的措施[J].機電工程技術.2011，（5）

[5]林志強，林鐵堅，呂昂，等.面向城市公交的清潔低耗動力技術[C].中國內燃機學會燃燒節能凈化分會年學術年會.2009.

[6]佚名.高速公路客運車輛技術運用水平提高的探討[EB/OL].[2009-10-29].http：//www.zhinengjiaotong.com/tech/show-1556.html

[7]周紅秀，姚春德.改善車用增壓發動機加速性的技術發展[J].柴油機設計與制造.2008，（2）

[8]章聯萍.客車排氣系統設計[J].客車技術與研究，2005，27（2）：23-24.

[9]楊俊華，譚雪.某城市客車動力性和經濟性改進設計[J].客車技術與研究，2011，33（3）：28-30.

[10]張克銘.汽車散熱風扇電磁離合器[J].客車技術與研究，2011，33（1）：21-23.

[11]曾壯.空調對汽車動力性和經濟性的影響探討[J].上海汽車.1998，（8）