減少汽車機(jī)械損失的節(jié)能技術(shù)

于秩祥

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州 221116）

減少汽車機(jī)械損失的節(jié)能技術(shù)

于秩祥

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州 221116）

汽車行駛過程中機(jī)械損失消耗很多動(dòng)力系統(tǒng)的指示功率，從而對(duì)外輸出的有效功率減少。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率始終等于機(jī)械傳動(dòng)損失功率與全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率。一般汽車機(jī)械損失所消耗的功率占指示功率的10%~30%，故有效降低機(jī)械損失，特別是汽車上各種類型的機(jī)械損失，可提高車輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能減排效果。文章根據(jù)汽車上各系統(tǒng)的機(jī)械損失產(chǎn)生機(jī)理，分析其特點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)實(shí)用技術(shù)降低或避免機(jī)械損失，提高汽車有效功率，降低汽車使用油耗，減少尾氣排放，改善汽車使用經(jīng)濟(jì)性。

汽車；機(jī)械損失；功率；節(jié)能

CLC NO.:U465.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-233-04

引言

汽車的燃油消耗與加速、減速、制動(dòng)、怠速停車等工況以及汽車附加（如空調(diào)、空氣壓縮機(jī)和轉(zhuǎn)向液壓泵）的使用有關(guān)。如圖1所示，美國環(huán)保局EPA城市和EPA公路循環(huán)工況中的燃油化學(xué)能與汽車各處消耗能量的平衡圖。由圖1可以看出，汽車燃油消耗與汽車行駛阻力（滾動(dòng)阻力與空氣阻力）、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率以及傳動(dòng)效率有關(guān)之外，還同停車怠速油耗、汽車附件消耗及制動(dòng)能量消耗有關(guān)。在城市循環(huán)工況中，后三個(gè)因素的影響相當(dāng)大，它們消耗的能量總計(jì)達(dá)燃油化學(xué)能的25.2%。通過改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低汽車各方面的機(jī)械損失可提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖1 美國中型轎車EPA城市、公路循環(huán)行駛工況的能量平衡圖

汽車行駛時(shí)，不僅驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力相互平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和汽車行駛的阻力功率也總是平衡的。也就是說，在汽車行駛的各種工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率始終等于機(jī)械傳動(dòng)損失功率與全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率。

汽車運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率有滾動(dòng)阻力功率Pf、空氣阻力功率Pw、坡度阻力功率Pi、和加速阻力功率Pj，乘以車速ua，并經(jīng)單位換算出汽車功率平衡方程式⑴：

由汽車功率平衡方程式可知，在車輛傳動(dòng)效率一定的情況下，通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)械損失和外部機(jī)械損失（滾動(dòng)阻力功率、加速阻力功率、空氣阻力功率和坡度阻力功率）可提高汽車行駛動(dòng)力和燃油經(jīng)濟(jì)性。

1、減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失技術(shù)

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率Pe等于發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率Pi減去機(jī)械損失的功率Pm。如式（2）所示。發(fā)動(dòng)機(jī)指示功率Pi和機(jī)械損失功率Pm由測(cè)功機(jī)測(cè)得，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)指示功率Pi一定時(shí)，有效減小機(jī)械損失功率Pm可提高發(fā)動(dòng)機(jī)Pe。

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失主要由摩擦損失、泵氣損失和附件損失三個(gè)部分組成。其中磨損損失占機(jī)械損失的70%，驅(qū)動(dòng)附件損失占10%~20%，泵氣損失占10%~20%。合理有效的優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用新技術(shù)、新材料可適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失。

1.1 降低磨損損失

摩擦損失主要包括活塞、活塞環(huán)與氣缸套間的摩擦損失，以及滑動(dòng)軸承（主軸承、連桿軸承等）處的摩擦損失。此外，還有一部分流體摩擦損失，即高速運(yùn)動(dòng)的部件引起周圍的空氣、油霧等擾動(dòng)引起的損失，這些損失可以進(jìn)一步的降低。盡可能減小相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸面積，例如活塞換厚度、滑動(dòng)軸承寬度。以汽油機(jī)活塞為例，在保證足夠的強(qiáng)度和密封性能，活塞的高度直徑比應(yīng)小于1，可在氣環(huán)和活塞裙部凃以高分子耐磨材料，如圖2所示。同時(shí)盡可能減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，從而減小慣性力以及接觸面上的壓力。采用高等級(jí)，低黏度的合成潤滑油，例如采用API:SN，SAE：0W20，級(jí)別的全合成潤滑油，可有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件的摩擦損失。

圖2 活塞裙部涂層圖

1.2 泵氣損失

泵氣損失約占發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)機(jī)械損失的10%~20%。在發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程中，由于需要克服氣體流動(dòng)阻力，因而在進(jìn)氣過程中氣缸內(nèi)壓力低于大氣壓力，在排氣過程中氣缸內(nèi)壓力高于大氣壓力。在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，尤其采用廢氣渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于進(jìn)氣壓力的顯著提高，完全可能出現(xiàn)進(jìn)氣壓力高于排氣壓力的情況，這時(shí)，泵氣損失就變成了泵氣正功，不但不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率造成損失，反而會(huì)為發(fā)動(dòng)機(jī)增加一部分額外的功率。這也是廢氣渦輪增加發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率一般較高，經(jīng)濟(jì)性也較好的主要原因之一。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變配氣相位技術(shù)，使用無節(jié)氣門的配氣機(jī)構(gòu)，能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程中的泵氣損失，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

1.3 驅(qū)動(dòng)附件損失

一是權(quán)威性。在信息報(bào)道方面，專業(yè)記者仍然占有權(quán)威內(nèi)容的發(fā)布權(quán)。在諸如“香港回歸二十周年”“金磚會(huì)議”等重大報(bào)道中，仍由央視新聞等傳統(tǒng)媒體權(quán)威發(fā)布領(lǐng)導(dǎo)人講話和會(huì)議內(nèi)容，在關(guān)乎國計(jì)民生的問題上其關(guān)注度仍然在網(wǎng)絡(luò)中保持領(lǐng)先。

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有多種附件需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)一部分功率來驅(qū)動(dòng)，這些附件包括：配氣機(jī)構(gòu)、冷卻水泵、機(jī)油泵、空調(diào)壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)以及柴油高壓油泵等。為提高汽車動(dòng)力性，降低燃油消耗，達(dá)到節(jié)能減排目的。例如配氣機(jī)構(gòu)和冷卻水泵可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)附件損失功率。大部分汽車的空調(diào)系統(tǒng)都是非獨(dú)立式的，它的壓縮機(jī)都是通過皮帶輪直接由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。汽車在高速行駛時(shí)，輸入的制冷量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加，汽車制冷量增多，不僅浪費(fèi)一部分功率，也影響汽車的行駛性能?？勺兣帕靠照{(diào)此時(shí)便會(huì)自動(dòng)調(diào)整工作排量，降低制冷量，減小功率損耗。

一般的非變排量機(jī)油泵，其出油量大小是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加，二者呈線性關(guān)系。而為了保證低轉(zhuǎn)速時(shí)的最低出油量及高轉(zhuǎn)速時(shí)的最小油壓，機(jī)油泵會(huì)被設(shè)計(jì)的很大，這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置提出了更高的要求。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)，多余的潤滑油會(huì)從油路中返回，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗增加。而變排量機(jī)油泵會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)情況，調(diào)節(jié)油壓與油量，從而達(dá)到節(jié)油的目的。電動(dòng)助力則是將助力機(jī)構(gòu)由復(fù)雜的液壓機(jī)構(gòu)變成了依靠電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生助力的系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常簡單，沒有了液壓泵、儲(chǔ)液罐、液壓管路和轉(zhuǎn)向柱閥體結(jié)構(gòu)，而是由傳感器、控制單元和助力電機(jī)構(gòu)成。而帶動(dòng)助力電機(jī)的正是12V電源系統(tǒng)，不從發(fā)動(dòng)機(jī)“借力”，也就間接節(jié)省了燃油消耗。

2、減少滾動(dòng)阻力功率技術(shù)

汽車滾動(dòng)阻力由式⑴可知，主要取決于汽車重量、汽車行駛速度和滾動(dòng)阻力系數(shù)，汽車重量和行駛速度是根據(jù)汽車使用狀況而定，唯獨(dú)滾動(dòng)阻力系數(shù)是一定，滾動(dòng)阻力系數(shù)是由路面類型和輪胎結(jié)構(gòu)決定的，而路面類型根據(jù)行駛環(huán)境在不斷改變，唯一能降低滾動(dòng)阻力系數(shù)的就是輪胎的結(jié)構(gòu)。

汽車燃料消耗的14%~20%是由輪胎滾動(dòng)阻力造成的，而輪胎滾動(dòng)阻力的近3/4來自于胎面，有效改善輪胎橡膠中的組成部分，可減少輪胎與地面的滾動(dòng)阻力。例如，低滾動(dòng)阻力輪胎是通過在橡膠中添加特殊改性聚合物，能有效減少分子間的摩擦生熱，降低輪胎胎面與地面的滾動(dòng)阻力。輪胎橡膠中添加特殊聚合物主要以有機(jī)硅和各類添加劑組成在一起，使碳分子凝集降低，當(dāng)輪胎胎面與地面產(chǎn)生摩擦?xí)r可有效減少摩擦產(chǎn)生的熱量，降低能量損失，同時(shí)增加輪胎耐磨力，從而使輪胎能有效降低滾動(dòng)阻力，節(jié)省燃油消耗。硅吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、有較高的機(jī)械強(qiáng)度等原因，所以硅膠胎相對(duì)于普通輪胎更耐磨和抗老化，并將輪胎橡膠用量減少以達(dá)到輕量化。

3、減少坡度阻力功率技術(shù)

汽車坡度阻力主要是道路坡度、汽車重量和行駛速度所影響。行駛速度和汽車重量一定的時(shí)，坡度阻力主要受道路坡度影響，坡度越大，阻力越大。由于坡度阻力和滾動(dòng)阻力均屬于與道路有關(guān)的阻力，而且均與汽車重量成正比，所以有效減小汽車重量，使汽車輕量化，可降低坡度有效阻力功率。

圖3 承載式車身輕量化結(jié)構(gòu)

汽車輕量化是個(gè)系統(tǒng)而繁雜的工程，材料上的輕并不是唯一是目的，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是要考慮的重要因素。在材料里包含了白車身材料和零部件材料的輕量化，看似簡單的轎車白車身其實(shí)也是輕量化的重要目標(biāo)，全鋁車身、碳纖維覆蓋件、鋁車門、鋁防撞梁、壓鑄鋁合金塔頂，用在承載式車身結(jié)構(gòu)上如圖3所示。未來車身結(jié)構(gòu)將從鋼→鋁合金→美鋁合金→碳纖維→塑料復(fù)合材料變遷。而變速箱殼體、差速器殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋等等這些零部件都大量運(yùn)用鋁合金則為整車輕量化的效果錦上添花。

根據(jù)汽車安全性考慮，汽車輕量化并不是簡單的將鐵的換成鋁的。“高強(qiáng)度”和“輕量化”這兩大關(guān)鍵詞并不矛盾，任何輕量化都應(yīng)該是在保證車體強(qiáng)度下完成，高強(qiáng)度的車身結(jié)構(gòu)只是基本功課，在保障強(qiáng)度的同時(shí)利用材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減掉冗余的重量才是講究“高效低能耗”的這個(gè)時(shí)代最被重視的。承載結(jié)構(gòu)使用更高強(qiáng)度的材料，比以前用的材料更少，但是卻能達(dá)到同樣強(qiáng)度，以翼子板為例，將翼子板的受力進(jìn)行分析并逐步進(jìn)行優(yōu)化，也就是說一點(diǎn)一點(diǎn)的拿掉多余部分而剩下的結(jié)構(gòu)就為最精簡且不影響強(qiáng)度的最優(yōu)結(jié)果。

4、減少加速阻力功率技術(shù)

式中，Iw為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；If為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；i0為主傳動(dòng)比；ig為變速器的速比。

根據(jù)公⑶可知，當(dāng)汽車主減速比和變速器的速比一定時(shí)，汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)取決與車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。采用鋁合金輪圈和合成橡膠輪胎,可有效降低輪胎總成質(zhì)量，減小車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用高強(qiáng)度工程塑料正時(shí)帶輪、正時(shí)皮帶、合金飛輪和輕量化離合器總成，可以有效減小飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

5、減小空氣阻力功率技術(shù)

汽車燃料在推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)已經(jīng)消耗了一大部分動(dòng)力，而當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，一部分的動(dòng)力需要用來克服空氣阻力。在一般轎車中，這幾部分阻力的大致比例為：形狀阻力占58%，干擾阻力占14%，內(nèi)循環(huán)阻力占12%，誘導(dǎo)阻力占7%，摩擦阻力占9%。因此空氣阻力直接影響到汽車所需要的功率，從而影響汽車燃油消耗。消耗于空氣阻力的功率為：

式中：ρ空氣密度；CD空氣阻力系數(shù)；A：汽車正面投影面積；ua車速；ηT：汽車傳動(dòng)效率。

可見，消耗于空氣阻力的功率與車速的三次方、空氣阻力系數(shù)和汽車正面投影面積成正比。車速越快用于克服空氣阻力的功率越大，消耗的燃油就越多。汽車高速行駛時(shí)，35%~40%的空氣會(huì)從車身上面流過，10%~15%從車身下面流過，20~30%從車身側(cè)面流過。一臺(tái)具有優(yōu)秀空氣動(dòng)力學(xué)表面的車輛，應(yīng)該是讓大量氣流通過車身側(cè)面，并對(duì)車底進(jìn)行流線化處理，壓低發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端，減緩前風(fēng)擋玻璃從而減少上下車身壓力差，同時(shí)盡可能的減少車輛的正面投影面積，對(duì)于汽車尾部而言，應(yīng)避免車頂氣流與地板下部上卷的氣流混合形成尾渦。由式⑷可知，在汽車上產(chǎn)生的主要空氣阻力是壓力阻力，包括迎面阻力和壓差阻力。迎面阻力很好理解，就是空氣迎頭撞上車頭而產(chǎn)生的阻力，這個(gè)阻力可以通過把車頭設(shè)計(jì)成流線型來降低。設(shè)計(jì)汽車流線外形，能有效降低空氣阻力系數(shù)，從而降低空氣阻力。

壓差阻力是空氣流至車尾，車身的走勢(shì)從逐漸擴(kuò)大變成逐漸收縮，層流的空氣在這里開始變成湍流，到車尾垂直平面的部分最為嚴(yán)重，產(chǎn)生了空氣分離區(qū)，這個(gè)分離區(qū)里往往是負(fù)壓，這個(gè)負(fù)壓和車頭的正壓產(chǎn)生的壓差形成了與行駛方向相反的力即壓差阻力。如圖4所示，由于兩箱車車尾面積大，因而產(chǎn)生的負(fù)壓較大，造成前后的壓差就更大，車輛的空氣阻力相應(yīng)的越高。為改善這種情況，在車輛尾部應(yīng)安裝擾流板，來減小空氣阻力。

圖4 二箱車與三箱車壓差阻力形成比較

另外，車輛底部凸凹不平也會(huì)提高空氣阻力，各種裸露的管線和橫梁直接導(dǎo)致了底盤下氣流的紊亂，一般轎車底盤風(fēng)阻系數(shù)在0.034左右，如圖5所示。為了消除底盤的風(fēng)阻，將車輛底盤用塑料護(hù)板包裹，蓋板從車身中部或由后輪以后向上稍稍升高。平整的塑料護(hù)板增加了車輛下部的平滑度，減小了摩擦阻力，能夠有效降低車輛的高速行駛風(fēng)阻。

圖5 汽車底部覆蓋件

車輛外形流線不代表阻力低，特別是車頭。因?yàn)楹芏嗫諝獠⒉皇茄剀囶^外廓流動(dòng)的，不少空氣都通過進(jìn)氣格柵吹進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)艙直接吹拂發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器。這部分阻力約占汽車風(fēng)阻的12%。為了解決這部分阻力有些廠家開始使用電子控制的可開閉格柵。電子系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車速和發(fā)動(dòng)機(jī)是否需要空氣冷卻來開閉進(jìn)氣格柵，當(dāng)格柵關(guān)閉時(shí)氣流不再經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)艙，這部分阻力消除。如圖6所示。

圖6 汽車進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)

6、結(jié)論

⑴使用高分子、合金技術(shù)材料減小發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率。采用先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，減少驅(qū)動(dòng)附件功率（水泵、空氣壓縮機(jī)、液壓泵等），減少內(nèi)部摩擦和驅(qū)動(dòng)消耗的機(jī)械損失。

⑵降低發(fā)動(dòng)機(jī)排量，采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，使用合金和高強(qiáng)度塑料等輕量化部件，降低發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)總重量和泵氣功產(chǎn)生的機(jī)械損失。

⑶采用美鋁高強(qiáng)度車身板材，高強(qiáng)度輕量化鋼板，降低整車質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，減少汽車重量損耗的機(jī)械損失。

⑷改善輪胎橡膠材料，降低輪胎與地面產(chǎn)生的滾阻力系數(shù)，減小汽車輪胎產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力損失。

⑸合理選用車型，優(yōu)化汽車外形結(jié)構(gòu)，使用各類空氣擾流套件，改善空氣阻力系數(shù)，降低汽車高速行駛的空氣阻力，從而降低因空氣阻力帶來的汽車動(dòng)力損失。

[1] 于秩祥.乘用車使用低滾動(dòng)阻力輪胎的節(jié)能減排分析[J].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2011(6).

[2] 余志生主編.汽車?yán)碚摰?版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[3] 耿彤編著.德國汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4] 傅立敏著.汽車設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[5] （德）Robert Bosch主編.魏春源等譯.汽車工程手冊(cè)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.

[6] 于秩祥編著.汽車傳感器原理與應(yīng)用[M].長春:吉林人民出版社, 2013.

[7] 劉玉梅主編.汽車節(jié)能技術(shù)與原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

Reduce automobile mechanical loss of energy saving technology

Yu Zhixiang
( Experimental and Occupational Skills Management Center, Jiangsu Institute of Architectural Technology, Jiangsu Xuzhou 221116 )

The car in the process of mechanical loss indicated power consume a lot of power system, thus reduces the effective power of foreign output. Power from the engine is always equal to the mechanical transmission loss power and all the power consumed by a resistance movement. General motors power consumed by a mechanical loss accounts for 10% ~ 30% of indicated power, effectively reduce the mechanical loss, especially in cars of various types of mechanical loss, can greatly improve the power performance and fuel economy of vehicles, energy conservation and emissions reduction. According to the mechanical loss of car the system mechanism, analysis of its characteristics, combined with advanced practical technology to reduce or avoid mechanical loss, effective power car, reduce vehicle use fuel consumption, reduce emissions, improve vehicles use economy.

car; Mechanical loss; power; Energy saving

U465.9

A

1671-7988(2016)07-233-04

于秩祥，實(shí)驗(yàn)師，就職于江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心。主要從事汽車和工程機(jī)械車輛結(jié)構(gòu)改進(jìn)，汽車電氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)，汽車性能測(cè)試，汽車?yán)碚摵蛯?shí)踐教學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.075