汽車節(jié)能技術的應用與展望.doc

河南職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）題 目 汽車節(jié)能技術的應用與展望 系（分院） 汽車工程系 學生姓名 郭嘉琦 學 號 09183014 專業(yè)名稱 汽車電子 指導教師 羅富坤 2012年 3 月 10日河南職業(yè)技術學院汽車工程系（分院）畢業(yè)設計（論文）任務書姓 名郭嘉琦專 業(yè)汽車電子技術班 級汽電091畢業(yè)設計（論文）題 目汽車節(jié)能技術的應用與展望畢業(yè)設計（論文）選題的目的與意義1. 了解汽車節(jié)能技術的目的與意義2. 了解汽車節(jié)能技術的分類3. 了解汽車節(jié)能技術的應用形式與方法4. 了解汽車節(jié)能技術的發(fā)展歷程5. 展望汽車節(jié)能技術的未來畢業(yè)設計（論文）的資料收集情況（含指定參考資料）1. 劉玉梅：汽車節(jié)能技術與原理，機械工業(yè)出版社2010年出版2. 楊沿平：中國汽車節(jié)能思考，機械工業(yè)出版社2010年出版3. 熊云：汽車節(jié)能技術原理及應用，中國石化出版社2008年出版4. 邵毅明：汽車新能源與節(jié)能技術，人民交通出版社2008年出版5. 陳禮璠，杜愛民，陳明：汽車節(jié)能產品設計，人民交通出版社2010年出版6. 央視大型科教類紀錄片汽車百年，2011年畢業(yè)設計（論文）工作進度計劃12011年11月8-21日：布置畢業(yè)設計（論文）工作有關注意事項和論文命題要求。22011年12月6-26日：指導教師檢查論文編寫情況。32012年3月28日-4月27日：將論文上交指導教師。42012年4月28- 30日：各論文答辯小組（成員見表）進行小組答辯。52012年5月14、15日：優(yōu)秀畢業(yè)論文進行答辯。62012年5月19、20日：論文成績登記，畢業(yè)設計工作結束。接受任務日期 2011年11月9日要求完成日期 2012年3月28日學生簽名： 2011年11月17日指導教師簽名：年 月 日 系（分院）主任（院長）簽名：年 月 日畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱意見表姓 名郭嘉琦學 號09183014性 別男專 業(yè)汽車電子技術班 級091畢業(yè)設計（論文）題 目汽車節(jié)能技術的應用與展望評閱意見 成績指導教師簽字年 月 日畢業(yè)設計（論文）答辯意見表姓 名郭嘉琦學 號09183014性 別男專 業(yè)汽車電子技術班 級091畢業(yè)設計（論文）題 目汽車節(jié)能技術的應用與展望答辯時間地 點答辯小組成員姓 名職稱學 歷從事專業(yè)組 長羅富坤教授本科汽車類教學成 員萬 弢講師研究生汽車類教學王賢高講師本科汽車類教學秘 書答辯小組意見 答 辯 成 績：答辯小組組長簽名：年 月 日汽車節(jié)能技術的應用與展望郭嘉琦摘要：隨著油價的一路走高，用車養(yǎng)車的成本越來越高，而準備購買新車的人們現在更多關注的是他們準備購買的車是不是夠環(huán)保、夠省油，保養(yǎng)維護是不是方便和便宜，而汽車的節(jié)能技術也在現代汽車中的應用顯得更加重要。關鍵詞：汽車 節(jié)能 高效 環(huán)保隨著國內的近幾年來的汽車市場的火爆，我國汽車產銷量達到了世界第一。而日益升高的油價讓準車主養(yǎng)車成本越來越高的同時，也讓不少目前有買車想法的人們有些彷徨，按照自己的經濟情況買輛車不是什么問題，但隨之帶來較高的養(yǎng)車成本有些承擔不起了。伴隨著這個問題，當消費者在選擇一輛車的時候，這輛車是不是省油、環(huán)保，也成為了一個不可或缺的要素之一。很多汽車廠家也看到了市場的需要，開發(fā)出了更多的環(huán)保車型。例如大眾的Blue Motion藍驅車型、奔馳的Blue EFFICIENCY和hybrid車型。隨著這些應用了各種汽車節(jié)能技術的車型陸續(xù)在國內市場上市，汽車節(jié)能技術也開始慢慢進入了大眾視野。汽車節(jié)能技術是用于改進汽車能源消耗的技術。汽車節(jié)能措施涉及方方面面，就目前的現狀而言，有效措施包括以下幾個方面：公路與交通設施的合理配套，車型及油品按需生產配置，運營的合理等非技術問題。技術方面，保證產品質量，按照規(guī)范使用和維護機器，改變汽油機燃燒方式以提高能量轉換效率。在現有的燃燒方式下，可以采取以下手段進行節(jié)能：改進供油系統(tǒng)，汽油機改氣缸燃油噴射，可提高汽油燃燒效率；改進點火系統(tǒng)，提高汽油機運轉穩(wěn)定性；減少發(fā)動機附件損失，合理的使用配件，進行相應的改裝。本文主要從技術方面探討汽車節(jié)能技術的應用與未來。一、 普通車輛的節(jié)能技術普通車輛的節(jié)能技術主要是缸內直噴發(fā)動機、智能啟停系統(tǒng)、車身輕量化技術、節(jié)能型綠色輪胎、可變氣缸技術等。（一） 缸內直噴發(fā)動機大眾高效的1.4TSI發(fā)動機高效直噴發(fā)動機是近年來應用較多的汽車節(jié)能技術, 缸內直噴又稱FSI，FSI(Fuel Stratified Injection)燃料分層噴射技術代表著傳統(tǒng)汽油引擎的一個發(fā)展方向。傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機是通過電腦采集凸輪位置以及發(fā)動機各相關工況從而控制噴油嘴將汽油噴入進氣歧管。但由于噴油嘴離燃燒室有一定的距離，汽油同空氣的混合情況受進氣氣流和氣門開關的影響較大，并且微小的油顆粒會吸附在管道壁上，所以希望噴油嘴能夠直接將燃油噴入汽缸。FSI就是大眾集團開發(fā)的用來改善傳統(tǒng)汽油發(fā)動機供油方式的不足而研制的缸內直接噴射技術，先進的直噴式汽油發(fā)動機采用類似于柴油發(fā)動機的供油技術，通過一個活塞泵提供所需的100bar以上的壓力，將汽油提供給位于汽缸內的電磁噴射器。然后通過電腦控制噴射器將燃料在最恰當的時間直接注入燃燒室，其控制的精確度接近毫秒，其關鍵是考慮噴射器的安裝，必須在汽缸上部留給其一定的空間。由于汽缸頂部已經布置了火花塞和多個氣門，已經相當緊湊，所以將其布置在靠近進氣門側。由于噴射器的加入導致了對設計和制造的要求都相當的高，如果布置不合理、制造精度達不到要求導致剛度不足甚至漏氣只能得不償失。此外，FSI技術采用了兩種不同的注油模式，即分層注油和均勻注油模式。發(fā)動機低速或中速運轉時采用分層注油模式。此時節(jié)氣門為半開狀態(tài)，空氣由進氣管進入汽缸撞在活塞頂部，由于活塞頂部制作成特殊的形狀從而在火花塞附近形成期望中的渦流。當壓縮過程接近尾聲時，少量的燃油由噴射器噴出，形成可燃氣體。這種分層注油方式可充分提高發(fā)動機的經濟性，因為在轉速較低、負荷較小時除了火花塞周圍需要形成濃度較高的油氣混合物外，燃燒室的其它地方只需空氣含量較高的混合氣即可，而FSI使其與理想狀態(tài)非常接近。當節(jié)氣門完全開啟，發(fā)動機高速運轉時，大量空氣高速進入汽缸形成較強渦流并與汽油均勻混合。從而促進燃油充分燃燒，提高發(fā)動機的動力輸出。電腦不斷的根據發(fā)動機的工作狀況改變注油模式，始終保持最適宜的供油方式。燃油的充分利用不僅提高了燃油的利用效率和發(fā)動機的輸出而且改善了排放。（二） 智能啟停系統(tǒng)智能啟停系統(tǒng)工作過程智能啟停系統(tǒng)旨在發(fā)動機怠速時關閉發(fā)動機。發(fā)動機停止運行后，將不再消耗燃料和產生排放。當車輛處于靜止狀態(tài)時，車內所需的電力將改由AGM電池供應，而耗電較大的空調系統(tǒng)也將轉為送風機制，因此若靜止時間過久，不免會影響冷房效果或造成車內悶熱，手動將啟停系統(tǒng)關閉；即便是在啟停系統(tǒng)啟動的狀態(tài)下，若車輛靜止過久而導致AGM電池電量不足時，儀表板右側的黃色“ECO”燈號也會亮起，車輛自行停止啟停系統(tǒng)運作，待電力充足后綠色“ECO”燈號亮起，系統(tǒng)便會重新運作。該系統(tǒng)的工作原理是駕駛員坐在駕駛艙內，前方路口的紅燈亮起，駕駛員踩下制動踏板，停車摘擋。這時候，Start/Stop系統(tǒng)自動檢測：發(fā)動機空轉且沒有掛擋；防鎖定系統(tǒng)的車輪轉速傳感器顯示為零；電子電池傳感器顯示有足夠的能量進行下一次啟動。滿足這三個條件后，發(fā)動機自動停止轉動。 而當信號燈變綠后，駕駛員踩下離合器，隨即就可以啟動“啟動停止器”，并快速地啟動發(fā)動機。駕駛員掛擋，踩油門，車輛快速啟動。在高效的蓄電池技術和相應的發(fā)動機管理程序的支持下，啟停系統(tǒng)在較低的溫度下也能正常工作，只需短暫的預熱過程便可激活。（三） 車身輕量化技術&車身節(jié)能設計奧迪A6車身輕量化技術車身輕量化技術即采用現代設計方法和有效的手段對車身進行優(yōu)化設計，或使用新型材料（質量更輕但是強度不減），以達到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合目標。在節(jié)能、環(huán)保和安全成為當今世界汽車工業(yè)關注的重要課題的大背景下，汽車輕量化技術的現實意義是毋庸置疑的。 研究表明，車重每減輕10%，油耗可降低6%到8%。車身重量降低100千克，意味著百公里油耗減少0.3升，每公里二氧化碳排放也將相應減少7.5克到12.5克。而車身質量占整車質量的1/3，空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上。這意味著：只要通過科學的方式，將車身輕量化后，就可以有效減少燃油消耗。實際上，降低了汽車重量，碰撞時整個需要被吸收轉移的能量就會減少。同時，輕的汽車制動效果好，便于主動安全控制。 即便如此，自汽車輕量化這一偉大創(chuàng)意誕生以來，人們對于此項技術是否會犧牲車輛安全性的猜忌，似乎從未停止過。在鋼板越厚就越安全的慣性思維左右下，這種猜忌在很多時候就源自部分人對新材料技術缺乏信心。 而實際上在新材料方面，輕量化技術的目標已經由最初單純致力于鋁材研究，逐漸擴展至對型材、高強度鋼材、加固塑膠及鎂材料的應用；與此同時，輕量化設計也被系統(tǒng)地運用于車身、發(fā)動機、懸架等各個領域。 綜合應用了新材料和新設計兩項輕量化技術改進過的汽車，能夠在省油和安全之間尋找到“黃金分割點”，以達到在保證整車高性能、安全的前提下，顯著降低油耗的目的。對于輕量化技術的應用前景，全球的汽車制造商從幾十年前就開始嘗試。例如，早在1985年馬自達汽車公司就在其生產的RX-7上用鋁作為機蓋材料。1990年，本田公司在其生產的NSX賽車上應用全鋁技術，但是并未在量產車中推廣。奧迪是第一個真正將車身輕量化技術大規(guī)模應用到量產車身的品牌。奧迪A8全鋁輕量化車身框架輕質結構在奧迪及其被接管公司具有悠久的歷史。在1913年，NSU打造了一款全鋁車身的Type 8/24車型。10年后，奧迪 Type K繼承了這種相同材料的試驗型改良外觀。在20世紀30年代，來自Auto Union賽車部的專家們手工打造了鋁制面板，從此開始為其引人入勝的賽車和屢創(chuàng)車速記錄的汽車打造車身和流線形面板。1936年款的 Auto Union Type C重量僅為 825千克，準備征戰(zhàn)賽場。憑借其V16超級增壓發(fā)動機產生了280 千瓦的功率，其功率與重量的比率非常接近現代勒芒跑車原型車。如今，奧迪汽車繼續(xù)在賽道上馳騁。1990年左右生產的拉力賽和賽道汽車車身上包含很多塑料部件。當時有些汽車已經在使用碳素纖維復合材料制成的萬向軸。該裝置已經是奧迪90 Quattro上的標準配置。目前的奧迪 R18和 A4 DTM用作CFRP的工作實驗車輛。投入量產時，首輛奧迪A8在1994年面世時引起了巨大反響。由于采用了ASF車身，A8在傳統(tǒng)的鋼和鑄件行業(yè)內引發(fā)了一場小革命，也給供應商帶來了巨大的壓力。從此以后，高強度鋼的強度增加了5個因數，鑄造廠的質量標準獲得了明顯提高。奧迪ASF原理不僅使該品牌的客戶受益，而且惠及整個行業(yè)。輕質結構同樣對未來的電動車發(fā)揮了重要作用。牽引用蓄電池等新部件增加了大量的重量，智能輕質結構在很多領域可以補償增加的重量。Neckarsulm的工程師們已經致力于為未來的電動車輛開發(fā)全新的解決方案。（四） 節(jié)能型綠色輪胎某品牌綠色環(huán)保輪胎綠色輪胎是指由于應用新材質和設計，而導致滾動阻力小，因而耗油低、廢氣排放少的子午線輪胎。在汽車行駛中，能量會被各種阻力所消耗，其中約20%的汽油被輪胎滾動阻力所消耗。使用綠色輪胎就可以減少這方面的能量消耗，從而達到省油的目的。綠色輪胎運用特殊的硅土混合技術、結構設計技術和生產技術，在不損失輪胎基本安全性能的情況下，使?jié)L動阻力比普通輪胎下降20%，減少油耗5%以上，有效降低汽車燃油消耗，增強燃料使用效率，降低二氧化碳排放的環(huán)保型輪胎。這種輪胎可使環(huán)境和駕駛者雙雙獲益，一方面對環(huán)境的不利影響最小化，另一方面可為消費者節(jié)省燃料費用。車輛行駛時，輪胎受壓變形，橡膠分子之間相互摩擦生熱就會造成能量損失，產生滾動阻力?！熬G色輪胎”富含的二氧化硅就像是潤滑劑，可以填平作為輪胎胎面膠的溶聚丁苯膠分子的間隙，減少橡膠分子之間的摩擦，這樣就減小了輪胎與地面之間的阻力，減少油耗，達到控制汽車廢氣排放的環(huán)保效應。同時，“綠色輪胎”還能有效降低噪音，提高輪胎的抓著力、舒適性、操控性等安全性能。（五） 可變氣缸排量技術可變氣缸排量技術一般適用于多氣缸大排量車型，如V6、V8、V12發(fā)動機，因為日常行駛，大多數情況下并不需要大功率的輸出，所以大排量多汽缸就顯得有點浪費，于是可變汽缸技術應運而生，它可以在不需要大功率的輸出時，控制關閉一部分汽缸，以減少燃油的消耗。日前，大眾針對1.4TSI四缸發(fā)動機推出了可變氣缸技術，發(fā)動機會在低速行駛中關閉兩個氣缸，僅用兩個氣缸工作，大大提高燃油經濟性。本文以本田的VCM為例介紹可變氣缸排量技術。VCM的全稱為Variable Cylinder Management，是本田公司研發(fā)的一種可變汽缸管理技術，它可通過關閉個別氣缸的方法，使到3.5L V6引擎可在3、4、6缸之間變化，使得引擎排量也能在1.75-3.5L之間變化，從而大大節(jié)省燃油。借助這三種不同的工作模式，VCM系統(tǒng)能夠細致地因地制宜發(fā)動機的工作排量，使其隨時與動力環(huán)境的要求保持同步，大大提高了燃油經濟性。同時還可以滿足同一部發(fā)動機在必要時對最高性能的要求。通常，這兩點對常規(guī)發(fā)動機來說是幾乎無法共存的。在發(fā)動機啟動，加速或者抵擋位爬山時，發(fā)動機會啟動所有的6個汽缸來運行，這樣主要是為了滿足發(fā)動機啟動初期缸體的各個部分加熱均勻，或者是滿足動力輸出的需求。此時，發(fā)動機可以以最快速度滿足最大功率或者最大扭矩的動力需要。假如當車輛處于中低速的定速巡航或者發(fā)動機低負荷需求時（怠速狀態(tài)下），VCM系統(tǒng)會通過控制VTEC系統(tǒng)關閉發(fā)動機一側的三個汽缸的進，排氣以及供油來完成從V6發(fā)動機到直列3缸發(fā)動機工作模式的切換。此時，這臺3.5L發(fā)動機的實際工作排量只有1.75L。在中等加速、高速巡航和緩坡行駛時，發(fā)動機將會用4個氣缸來運轉。此時，VCM系統(tǒng)會僅僅保持發(fā)動機每一列三個汽缸中最靠近遠端的兩個汽缸的正常工作狀態(tài)，相對靠近中心那個汽缸則會被關閉。通過這種對發(fā)動機在不同工況下改變工作排量的靈活控制，這一代雅閣所搭載的3.5L VCM發(fā)動機相對于上一代雅閣所搭載的3.0L發(fā)動機，在燃油經濟性上甚至還降低了7%。不過，以上說明的僅僅是工作效果，下面，筆者將對VCM系統(tǒng)的工作原理做更深一步的說明。1、 VCM系統(tǒng)是如何通過VTEC系統(tǒng)對發(fā)動機進行汽缸的開、閉操作的？首先，在VCM系統(tǒng)對發(fā)動機進行變缸操作前，會對節(jié)氣門開度、車速、發(fā)動機轉速、自動變速箱擋位以及其它相關的環(huán)境因素進行數據測算，以便判斷是否應當根據當前的工作環(huán)境來啟用相應的3缸或者4缸工作方案。此外，該系統(tǒng)還會額外確定發(fā)動機機油壓力是否支持VCM系統(tǒng)進行工作模式的切換，以及在發(fā)動機進行變排量操作后，催化轉化器的溫度是否仍會保持在適當范圍內。在這一個步驟內，VCM系統(tǒng)先后針對環(huán)境因素，動力需求以及環(huán)保這三個方面的條件在瞬間完成是否變缸工作的判斷。 如果VCM系統(tǒng)判斷發(fā)動機變缸，那么VTEC系統(tǒng)會被命令率先調整點火正時、線控節(jié)氣門的開度以方便氣缸開、閉能夠平穩(wěn)過渡。然后VCM通過VTEC系統(tǒng)向電子控制裝置發(fā)出的指令，使與缸蓋內的搖臂軸支架一樣起著雙重作用的滑閥有選擇地將油壓導向特定氣缸的搖臂同步活塞，完成對搖臂的連接和斷開的控制，從而達到對進、排氣門的運行與停止的控制。同時，燃油控制模塊會自動恢復、切斷這些特定氣缸的燃油供給。 簡單點說，這套VCM系統(tǒng)的工作過程就好比是一個杠桿機構，當VCM系統(tǒng)工作的時候，就好比抽走了杠桿下面的“支點”，這樣這個杠桿就不會再做“蹺蹺板”的動作了，也就是說，汽車發(fā)動機的氣門就不再工作了，從而達到了關閉氣缸的目的。當然，想讓發(fā)動機的某個氣缸重新工作，那就只需要把“支點”再給重新裝上就可以了。2、 如果個別汽缸在特定情況下不工作，是不是會造成發(fā)動機的磨損不均勻？ 不會，發(fā)動機少數汽缸停止工作，僅僅是進，排氣門以及燃油供給系統(tǒng)停止工作。但發(fā)動機的活塞依然處于正常運轉狀態(tài)。在整個工作過程中，發(fā)動機各個缸內的零件磨損狀況是一樣的。至于搖臂磨損和汽缸零件在不同溫度下磨損程度的不同則是非常微小可以忽略的。 同時，需要補充一個細節(jié)：在該款發(fā)動機處于3缸或者4缸任何一種工作狀態(tài)之下時，非工作缸的火花塞會繼續(xù)點火，以保證火花塞的溫度會在氣缸重新投入工作時可以達到工作要求，并防止汽缸內殘余的油氣混合物造成火花塞油污，而導致點火效率下降。除了以上的汽車節(jié)能技術，還有很多汽車節(jié)能技術，例如剎車動能回收系統(tǒng)、太陽能汽車天窗、車用LED尾燈、大燈等，這里不再一一闡述。二、 未來汽車節(jié)能技術的展望未來的汽車節(jié)能技術較目前會更加智能、先進，燃料利用率更高、排放更環(huán)保甚至是零排放。這里主要介紹混合動力技術和純電動技術。（一） 混合動力技術其實這項技術已經開始走入我們大眾的視野，盡管它目前還有很多問題需要面對和攻克，但是這樣一個趨勢已經不可阻擋的開始了它的腳步?；旌蟿恿囍竿瑫r裝備兩種動力來源熱動力源（由傳統(tǒng)的汽油機或者柴油機產生）與電動力源（電池與電動機）的汽車。通過在混合動力汽車上使用電機，使得動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行工況要求靈活調控，而發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內工作，從而降低油耗與排放。 汽車廢氣排放和能源成本問題一直備受關注，混合動力汽車和電動汽車被看作是一種自然的發(fā)展目標。通過了解整個混合動力和電動汽車傳動系統(tǒng)的能量消耗的詳細分析，以及傳動系統(tǒng)內部各個相關部件的運轉狀態(tài)，可以最大程度的優(yōu)化汽車的設計，從而達到改善油耗的目標。 混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)和電池組等部分構成。 以串聯混合動力電動汽車為例，介紹一下混合動力電動汽車的工作原理。 車輛行駛之初，蓄電池處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統(tǒng)不需工作。電池電量低于60時，輔助動力系統(tǒng)起動：當車輛能量需求較大時，輔助動力系統(tǒng)與蓄電池組同時為驅動系統(tǒng)提供能量； 當車輛能量需求較小時，輔助動力系統(tǒng)為驅動系統(tǒng)提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動機工作處在相對穩(wěn)定的工況，使排放得到改善。 混合動力汽車采用能夠滿足汽車巡航需要的較小發(fā)動機，依靠電動機或其它輔助裝置提供加速與爬坡所需的附加動力。其結果是提高了總體效率，同時并未犧牲性能?；旌蟿恿囋O計成可回收制動能量。在傳統(tǒng)汽車中，當司機踩制動時，這種本可用來給汽車加速的能量作為熱量被白白浪費。而混合動力車卻能大部分回收這些能量，并將其暫時貯存起來供加速時再用。當司機想要有最大的加速度時，汽油發(fā)動機和電動機并聯工作，提供可與強大的汽油發(fā)動機相當的起步性能。在對加速性要求不太高的場合，混合動力車可以單靠電機行駛，或者單靠汽油發(fā)動機行駛，或者二者結合以取得最大的效率。比如在公路上巡航時使用汽油發(fā)動機。而在低速行駛時，可以單靠電機拖動，不用汽油發(fā)動機輔助。即使在發(fā)動機關閉時電動轉向助力系統(tǒng)仍可保持操縱功能，提供比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)更大的效率。不過遺憾的是，雖然擁有眾多先進技術，同時具有良好的燃油經濟性，不過由于價格、售后等多方面因素的影響，混合動力車型目前并沒有獲得市場的充分認可和肯定，銷量不佳。（二） 純電動汽車技術比亞迪e6純電動汽車（該車已在深圳上市）純電