主流汽車節(jié)能技術(shù)與節(jié)能效果

康寧，張偉，靳永言，張士偉

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

行業(yè)綜述

主流汽車節(jié)能技術(shù)與節(jié)能效果

康寧，張偉，靳永言，張士偉

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著人類逐漸進(jìn)入汽車時(shí)代，能源危機(jī)、環(huán)境污染、交通擁堵等問題日趨嚴(yán)峻，對(duì)汽車行業(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)全球主流汽車節(jié)能技術(shù)的基本原理和節(jié)能效果展開了論述。

汽車節(jié)能；節(jié)能技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)；變速器；低摩擦；輕量化

CLC NO.: U461 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)11-84-03

引言

全球原油供需形勢(shì)不容樂觀。受全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、汽車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，未來全球原油供需形勢(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)。渦輪增壓技通過減小原來發(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)延緩燃耗過程，從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過程放緩，減少NOx的生成。廢氣再循環(huán)技術(shù)通過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)

現(xiàn)代阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)使用電子控制裝置，通過推遲進(jìn)氣門關(guān)閉，在壓縮沖程從進(jìn)氣門排除部分燃?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)行情況來調(diào)節(jié)氣門的開合時(shí)間、角度的技術(shù)。VVL是一種根據(jù)汽車運(yùn)行情況來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門升程的技術(shù)。可變氣門正時(shí)和升程技術(shù)已成熟應(yīng)用。

2 高效變速器

2.1 6MT

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)囎兯傧涞闹黧w結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過加裝微電腦控制的電動(dòng)裝置，取代原來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)換檔全過程的自動(dòng)化。采用AMT技術(shù)后，與傳統(tǒng)AT相比，AMT整車能耗可降低5%～10%。

2.4 無極變速器（CVT）

CVT是通過主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的可動(dòng)盤做軸向移動(dòng)來改變主動(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)刻來臨就可以只通過操縱離合器來實(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

汽車行駛過程中，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%，就可使汽車燃油消耗降低1%。

3.2 低風(fēng)阻設(shè)計(jì)

汽車風(fēng)阻是指汽車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)件的開頭配置、板材厚度的變化進(jìn)行分析，并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該車的相關(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)用于汽車車身、底盤、懸架等零部件上；鈦已經(jīng)應(yīng)用于氣門等部件；塑料是汽車使用得最多的非金屬材料，已經(jīng)應(yīng)于儀表盤、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)在汽車制造中的應(yīng)用有排氣系統(tǒng)異形管件、副車架總成等。激光加工技術(shù)主要應(yīng)用于拼焊板制造、白車聲零部件加工等。采用激光技術(shù)制造車身，車身質(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

可變排量機(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

車輛在制動(dòng)或減速過程中耗費(fèi)多余的能量，將這些能量回收利用能夠降低車輛的能量消耗，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)力與新能源車型。

6 替代燃料

替代燃料汽車是指使用其他類型燃料，部分或完全取代石油基燃料（汽油、柴油）的汽車。替代燃料總體上可劃分為三類：醇、醚、酯類等含氧燃料，合成油，氣體燃料。替代燃料汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的結(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。通過專用技術(shù)、專機(jī)開發(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)力來源—熱動(dòng)力源與電動(dòng)力源。混合動(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。

[1] 張新元,淺談汽車節(jié)能技術(shù)與節(jié)能方法[J].科技展望,2017（3）:120.

[2] 王艷杰,張晨.汽車節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[J].汽車實(shí)用技術(shù),2015（7）:114-116.

[3] 中國汽車工程研究院股份有限公司,中國節(jié)能汽車藍(lán)皮書[M].北京:社會(huì)科學(xué)出版社,2016.9.

Summary and application effect of energy saving technology for mainstream automobile

Kang Ning, Zhang Wei, Jin Yongyan, Zhang Shiwei
（School of automotive engineering, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064）

with the development of mankind has gradually entered the era of automobile, energy crisis, environmental pollution, traffic congestion and other problems have become more and more serious, the development of low carbon and energy saving emission reduction requirements of the automotive industry has become increasingly urgent, In this paper, the basic principle and the energy saving effect of the global mainstream automobile energy saving technology are discussed from seven aspects, such as engine, transmission, low friction, light weight, electronic appliances, alternative fuels, hybrid power.

automobile energy saving; energy saving technology; engine; transmission; low friction; light weight

U461

：A

：1671-7988 (2017)11-84-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.11.030

康寧，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。