汽车理论第二章com

第二章汽车的燃油经济性摘要汽车的燃油经济性是指汽车以最小的燃油消耗量完成单位运输工作的能力，是汽车重要的使用性能之一。本章首先对学习本章的意义和方法进行概括性论述，然后具体讨论汽车燃油经济性的评价指标，即等速百公里燃油消耗量；根据发动机的万有特性图和汽车的功率平衡图，对汽车的燃油经济性进行初步估算，如等速行驶、加速、减速和怠速停车等行驶工况的燃油消耗量计算方法；在此基础上分析讨论发动机性能、汽车结构及合理使用对汽车燃油经济性的影响；最后通过燃油经济性试验和实例计算来说明以上所述理论内容的具体应用。引言近年来，汽车消费增长与国内石油供应不足的矛盾开始凸显出来，油价上涨，单位运输成本也随之上涨，给国家、企业、个人带来巨大损失。特别是经济危机时期，这种矛盾更显突出，更应该通过发展和应用新技术，合理使用汽车，降低燃油消耗，提高汽车燃油经济性，对降低汽车运输成本，充分利用石油资源，减少排气污染，保护环境具有十分重要的意义。石油是现代工业特别是交通运输业的主要能源，又是化工业的基本原料，因此它是国民经济和国防建设不可缺少的战略物资。在汽车运输成本中，燃油费用已占40％左右，我国汽车运输消耗的汽油占汽油总产量的90％。作为一次性能源的石油，其储藏量随开采量的不断增加而逐渐减少，据预测世界石油储量仅够维持45年。因此，分折汽车的燃油经济性对设计、制造和使用汽车的节约燃油拥有重要意义。汽车燃油经济性是汽车的一个重要性能，也是每个拥有汽车的人最关心的指标之一。它关系到每个人的切身利益，在汽车说明书中大概最引人注意的技术规格也是燃油消耗。燃油经济性好，可以降低汽车费用、减少国家对进口石油的依赖性、节省石油资源；同时也降低了发动机产生的CO2的排放量，起到防止全球变暖的作用。由于节约能源和减少消耗能源时产生的温室效应已成为全球关注的重大事件，所以降低汽车燃油消耗似乎就成了各国政府、汽车制造者和使用者的一个永恒的课题。本章中，建立了汽车等速百公里燃油消耗量曲线，把等速百公里燃油消耗量作为汽车燃油经济性评价指标；介绍了燃油经济性循环行驶试验工况的各工况燃油消耗量计算方法；进而讨论发动机性能、汽车结构及合理使用对汽车燃油经济性的影响，比如提高压缩比、采用轻量化材料以及改善驾驶技术等；最后通过燃油经济性试验和实例计算来说明以上所述理论内容的具体应用。第一节汽车燃油经济性的评价指标汽车燃油经济性的评价通常用一定运行工况下汽车行驶100km的燃油消耗量或单位运输工作量的燃油消耗量来衡量，也有用单位燃油消耗量行使汽车行驶的里程来评价的。我国及欧洲国家的汽车燃油经济性指标用L/100km作单位，即汽车在一定的工况下行驶100km所消耗燃油的升数。其数值愈大，汽车的燃油经济性愈差。美国用MPG即mile/USgal为单位，它表示每美加仑燃油能使汽车行驶的英里数，数值愈大，汽车的燃油经济性愈好。汽车运输企业常用L/100t·km为单位，表示每完成100t·km的客、货运输量所消耗燃油的升数。客运一殷10人折合为1t。评价汽车燃油经济性指标的方法很多，其中等速行驶百公里燃油消耗量是比较简单而且被广泛应用的一种评价指标。它指汽车在一定载荷（我国标准规定轿车为半载、货车为满载）图2-1部分汽车等速百公里燃油消耗量曲线下，以最高档在良好水平路面上等速行驶100km的燃油消耗量。测出每隔10km/h速度间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在以车速为横轴，百公里燃油消耗量为纵轴，在图上绘制等速百公里燃油消耗量的特性曲线。用它可以来评价汽车的燃油经济性和找出经济车速的范围。图2—1是部分车型的等速百公里燃油消耗量特性曲线。但是，等速行驶工况并没有全面反映汽车真实的运行情况。汽车在行驶时，除用不同的速度作等速行驶外，还会根据不同情况出现加速、减速和怠速停车等工况，特别是在市区行驶的汽车，上述行驶工况会出现得更加频繁。因此各国都制定了一些符合自己国情的循环行驶工况试验标准来模拟实际汽车运行状况，并以其百公里燃油消耗量来评价汽车相应行驶工况的燃油经济性。近年来，我国已先后制定了轿车、微型汽车、不同类型的货车及客车的多工况循环试验方法标准，并以循环工况燃油消耗量作为汽车燃油经济性的综合评价指标。同时，汽车等速百公里燃油消耗量和最高档全油门加速行驶500m的加速燃油消耗量亦作为单项评价指标。第二节汽车燃油经济性的计算在汽车设计、改装和新产品开发工作中，需要根据发动机的万有特性图和汽车的功率平衡图，对汽车的燃油经济性进行初步估算，下面着重介绍汽车等速行驶，加速、减速和怠速停车等行驶工况的燃油消耗量计算方法。一、等速行驶百公里燃油消耗量的计算当汽车在良好水平路面上以最高档某一车速等速行驶时，发动机发出的功率P应与汽车行驶时的阻力功率平衡，从发动机负荷特性图中可得到发动机相应工况下的有效燃油消耗率b，则等速行驶的百公里燃油消耗量为asuPbQ02.1（L/100km）（2－1）式中Qs——等速百公里燃油消耗量，L/100km；b——发动机有效燃油消耗率，g／(kW·h)；γ——燃油重度（比重）。按国家标准规定，在气温20℃，气压100kPa的标准状态下，汽油重度为7.28N／L，柴油重度为8.14N／L。此时发动机应发出的功率为31()360076140aDaeTGfuCAuP（kW）将上式代入式(2—1)，得15.2136722aDtsAuCGfbQ（L/100km）（2－2）若已知发动机各转速下的负荷特性及有关汽车的结构参数，便很容易求出汽车等速行驶百公里燃油消耗量特性曲线，即Qs—ua曲线。此外，还可用(2—2)式来分析汽车结构因素对燃油经济性的影响。二、多工况循环行驶燃油经济性的计算多工况循环一般由等速段、加速段、减速段和怠速段所组成，只要计算出各段的燃油消耗量，就能计算出按规定循环行驶的百公里燃油消耗量。1.等速工况燃油消耗量的计算图2—2为某车用汽车发动机的万有特性曲线，图上有等燃油消耗率曲线，根据这些曲线可以确定发动机在某一转速n、发出某一功率P时的有效燃油消耗率b。为了计算方便，按发动机转速n和车速ua的换算关系在万有特性图的横坐标上画出汽车最高档的行驶车速比例尺。计算时要由已知的汽车结构参数按下式31()360076140aDaeTGfuCAuP计算出以某一规定速度等速行驶的汽车阻力功率P值，在万有特性图上可查出相应的有效燃油消耗率b，从而计算出以该车速等速行驶段单位时间的燃油消耗量Qt367PbQt（mL/s）（2－3）整个等速段行程为S米，行驶时间为t秒的燃油消耗量Q为auPbSQ102（mL）（2－4）图2-2汽油发动机万有特性2．等加速行驶工况燃油消耗量的计算汽车在加速行驶时，发动机还要提供为克服加速阻力所消耗的功率。若加速度为du/dt，则发动机应提供的功率为dtdugGuAuCGfuPaaDat360076140360013（kW）如多工况循环中某一等加速段为图2—3，需要计算由ua1加速到ua2过程的燃油消耗量。可将加速过程分隔为若干区间，例如按速度每增加1km／h为一个小区间，已知加速度du/dt，可按上式求得小区间起始或终了对应的发动机功率P值。利用万有特性图，由已求得的发动机功率P及其对应的车速ua查出有效燃油消耗率b值，代入式(2—3)便可求出相应时刻的单位时间燃油消耗量Qt。图2-3加速过程的燃油消耗量计算当汽车加速行驶，车速每增加1km/h所用时间为△t时，则dtdut6.31（s）从初始速度ua1加速至ua1+1km／h时的燃油消耗量为tQQQttt1021（mL）式中Qt0——车速为ua1时，t0时刻的单位时间燃油消耗量，mL/s；Qt1——车速为ua1+1km／h时，t1时刻的单位时间燃油消耗量，mL/s。同理，车速由ua1+1km／h再增1km／h时的燃油消耗量Q2为tQQQtt21221（mL）式中Q2——车速为ua1+2km／h时，t2时刻的单位时间燃油消耗量，mL/s。依次可计算出每个小区间加速的单位时间燃油消耗量tQQQtt32321……tQQQtnntn121由ua1加速到ua2整个加速段的燃油消耗量Qa为niniaQQQQQQ1321（mL）（2－5）或11021nititntatQtQQQ（mL）（2－6）加速段汽车行驶的距离为dtduuuSaaa92.252122（m）（2－7）3．等减速行驶工况燃油消耗量的计算在减速段，汽车作减速行驶时，应完全放松油门踏板，离合器仍然接合，必要时，允许使用轻微制动。此时发动机处于怠速状态，所以等减速段的燃油消耗量等于减速行驶的时间与发动机怠速燃油消耗率的乘积。其中减速时间为dtduuutaa6.332（s）式中ua2——等减速段起始车速，km/h；ua3——等减速段终了车速，km/h；du/dt——减速度，2ms。故减速段的燃油消耗量为233.6aaduuQQdudt（mL）（2－8）i式中Qd——等减速段的燃油消耗量，mL；Qi——发动机怠速时的燃油消耗率，mL/s。减速段汽车行驶的距离为dtduuuSaad92.252322（m）（2－9）4．怠速停车工况燃油消耗量的计算如多工况循环中没有怠速停车段，怠速停车时间为ts，发动机怠速燃油消耗率为Qi，则怠速停车段的燃油消耗量为siidtQQ（mL）5．整个循环工况的百公里燃油消耗量根据以上讨论的不同工况燃油消耗量的计算，不难求出整个循环工况的百公里燃油消耗量为SQQs100(L/100km)（2－10）式中∑Q——整个循环各工况段的燃油消耗量之和，mL；S——整个循环的行驶距离，m。第三节影响汽车燃油经济性的主要因素影响汽车燃油经济性的因素很多。从以上的分析计算中不难看出，发动机性能、汽车结构及合理使用对汽车燃油经济性都有决定性的影响。一、发动机对燃油经济性的影响发动机是汽车的动力源，发动机性能的好坏，对汽车燃油经济性的影响最大，目前提高发动机本身燃油经济性的途径有以下诸方面。长期以来，提高压缩比是提高汽油机燃油经济性的主要措施。出于压缩比太高常会引起爆燃和表面点火，并产生严重的排气污染，所以压缩比一直控制在8.5左右。近年来，随着科学技术的飞速发展及电子控制技术在汽车上的广泛应用，使压缩比得到进一步提高。如合理地改进进气系统和燃烧室，使进气旋流和挤气紊流得到了加强，从而提高了火焰传播速度；采用电子控制喷油系统和防爆燃系统等先进技术后，可使压缩比提高到10以上，最高可达到12。有试验资料表明，压缩比由9提高到10.5，燃油消耗量可降低10％。采用稀燃技术和分层燃烧技术可有效地提高发动机的燃油经济性。如改进燃烧室结构，采用电子控制点火装置提高点火强度，适当提前点火时刻，延长点火时间；采用双凸轮轴、多气门可变进气系统，提高进气流速并造成绕气缸中心线的旋流和挤压紊流，使汽油充分雾化、均匀等。采取以上措施后可使空燃比提高到25～27，这样不仅提高了发动机的燃油经济性和动力性，而且大大地改善了排气污染。电子燃油喷射系统就是利用电子计算机对进气量和喷油量进行有效的控制，以达到提高发动机燃油经济性的目的。众所周知，传统的汽油发动机燃油供给方式是采用化油器将燃油与空气混合后送入气缸进行工作的。但由于化油器的喉管狭窄，流通截面小，进气阻力大，所以充气效率较低，燃油得不到充分雾化，发动机的动力性和燃油经济性的改善受到限制，而且排气污染严重。燃油喷射装置取消了进气道中的化油器节流喉管，减小了进气阻力，改善了发动机充气状况。同时采用定时定量喷射燃油的方法供油，解决了燃油雾化及混合气均匀分配等问题，并能根据发动机的使用工况及使用场合的变化，较为精确地供给发动机具有最佳空燃比的混合气，大大提高了发动机的综合性能。当发动机处于强制怠速工况时，其燃油消耗量是正常怠速燃油消耗量的数倍，不仅浪费较多的燃油，而且增加了排放污染。采用电子控制怠速供油装置后，当强制怠速时，控制系统会驱动电磁阀