汽車節(jié)能技術研究

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊汽車節(jié)能技術研究第4頁共27頁1緒論1.1課題背景（1）汽車節(jié)能技術分析的作用和意義大家知道，汽車工業(yè)的飛速發(fā)展是人類文明的一大驕傲。與此同時，汽車對能源的消耗和廢氣的排放也日漸成為人類發(fā)展的一大障礙。2002年地球峰會大會的主要目的就是敦促各國在可持續(xù)發(fā)展領域采取實際行動。各國政府在大會上紛紛提出行動計劃、時間表和伙伴關系項目，特別是中國總理朱镕基在大會上宣布中國已核準旨在減緩全球變暖的《京都議定書》，受到與會代表的高度贊揚。汽車工業(yè)對可持續(xù)發(fā)展應做出的貢獻就是減少燃油的消耗量、降低排放。采用先進科學的節(jié)能措施減少汽車廢氣對大氣的污染、改善人類生態(tài)環(huán)境、節(jié)省石油資源。（2）我國汽車化進程對石油消費的影響除了汽車保有量增加這個原因外,造成我國汽車燃油消耗量巨大的另一個原因是我國的汽車技術整體比歐美、日本等發(fā)達國家落后10～20年,歐洲的柴油機技術和美國、日本的混合動力汽車的研制成功以及可替用燃料的不斷研制，把汽車能耗進一步降低，而我國老舊車比例高達25%,汽車每百公里平均耗油比發(fā)達國家高20%以上。我國現(xiàn)在行駛的乘用車很多是從國外引進的上世紀80年代的車型,即使是最近幾年生產(chǎn)的汽車,節(jié)油技術的采用也非常有限。從2004年銷售量排名前15名車型的節(jié)油技術應用情況可以看出,節(jié)油技術的應用只集中在一部分中高檔汽車,而應用得較多的技術是“電控燃料噴射技術”的一種,即MPI(多點電噴汽油)技術。該技術是和“三元催化技術”共同誕生的技術,是一種極其普通的技術。而我國應用像“可變氣門正時和升程技術”這樣新技術的車型只有“廣州本田”的“雅閣”和“飛度”,以及“上海大眾”的“帕薩特”等少量車型。同時,由于很多節(jié)油技術的采用要求成品油具有較高的質(zhì)量,例如,具有代表性的節(jié)油技術——直噴技術、稀薄燃燒技術、透平增壓技術、共軌噴射技術、尾氣再循環(huán)技術等都需要燃油中的硫含量和多環(huán)芳烴含有量保持較低水平,但是我國目前的油品質(zhì)量沒有達到這些要求,譬如硫含量還相當高,所以也造成了很多節(jié)油技術無法采用。隨著當前我國國民經(jīng)濟和汽車工的快速發(fā)展,以及由此帶來的能源消耗和環(huán)境問題的日益突出,交通節(jié)能減排工作的重要性不斷增加，而汽車節(jié)能減排則又是其中的重要組成部分,重要性不言而喻?？紤]到當前我國的汽車節(jié)能技術發(fā)展的實際狀況,除了要積極推進以混合動力、燃料電池、柴油、醇類汽車等為代表的新能源汽車技術的不斷發(fā)展外,另一個推進汽車節(jié)能減排工作的措施就是大力研究開發(fā)適合我國現(xiàn)階段汽車行業(yè)技術現(xiàn)狀以及適合大量在用汽車的高性能汽車節(jié)能產(chǎn)品。1.2本文研究內(nèi)容目前，節(jié)能技術在汽車設計、制造以及使用方面已得到了廣泛的應用，并朝著多元化的趨勢發(fā)展。因此針對這個發(fā)展的趨勢，本文重點從兩方面入手進行研究：發(fā)動機節(jié)能技術、整車節(jié)能技術。從技術層面尋求降低汽車油耗的的方法，達到節(jié)約能源的目的。增大燃燒率，例如，把直徑為3mm的油滴霧化成直徑為30μm的細油滴1百萬顆，由于質(zhì)量燃燒率大致反比于油滴直徑平方值，則燃燒率可增加1萬倍。因此，燃油的霧化質(zhì)量直接影響發(fā)動機的燃燒特性。利用螺旋進氣道、切向進氣道產(chǎn)生繞氣缸中心線的進氣渦流，或組織繞其旋轉軸線平行于曲軸的翻滾氣流，或通過活塞頂?shù)娜紵倚螤罱M織擠流，可以加快燃燒室內(nèi)氣流速度。改進點火系統(tǒng)，包括提高點火能量，優(yōu)化點火位置，增加點火持續(xù)時間，以及提高點火區(qū)域的溫度等，可以促使發(fā)動機燃料的完全燃燒，提高燃油的經(jīng)濟性。（2）分層燃燒技術在燃燒時的火焰中心，即火花塞附件的可燃混合氣濃度，對著火有直接的影響，在A/F為12—13.5偏濃的范圍內(nèi)，最適宜點火，即著火性最好。但是一旦已經(jīng)形成火焰，則由于其高溫和渦流的作用，燃燒室中其余區(qū)域的混合氣即使很稀，也能點燃、傳播火焰并繼續(xù)燃燒。所以在火花塞附件的混合氣濃一點，其余的混合氣稀一點，這就是分層燃燒原理。相對而言，濃度基本不變的，則叫均質(zhì)燃燒。通過分層燃燒，可以大幅度提高A/F值，大多數(shù)稀燃發(fā)動機都采用分層燃燒方式。實際上，一般在中小負荷工況時采用分層燃燒，在大負荷采用弱分層燃燒。所謂弱分層是指混合氣濃度差值較小，這樣有助于防止燃燒時產(chǎn)生黑煙和熄火的傾向。分層燃燒的稀燃特點，主要有單室式和雙室式：1）單室式單室式主要利用噴油噴油嘴所形成的旋轉氣流，火花塞、噴油器與燃燒室的匹配，以及供油方式和熱量處理等各種方式進行分層燃燒，如圖2.1。噴油嘴在火花塞9附近造成較濃的混合氣。并且由箭頭6方向的氣流擾動，產(chǎn)生較好的效果。該裝置的A/F值可達100。雙室式如圖2.2浙江大學在195柴油機上作的實驗，采用雙室式的分層燃燒，其空然比可達到A/F=37。圖2.1德士古—TCP系統(tǒng)的順氣噴射方案1.噴霧2.可燃混合氣3.焰面4.燃燒氣體5.帶導氣屏的進氣閥6.空氣流7.排氣閥8.噴油器9.火花塞圖2.2195柴油機的分層燃燒1.活塞2.氣門3.進氣管4.副通管5.主通道6.主室7.副室8.噴嘴9.火花塞（3）稀薄燃燒控制稀薄燃燒發(fā)動機，其實只在部分負荷工況范圍實行稀薄燃燒，而在起動、怠速、加速和全負荷下都不采用稀薄燃燒。所以，各種有關的參數(shù)必須根據(jù)工況進行控制。涉及稀薄燃燒的控制參數(shù)有：進氣渦流比、噴油正時、點火正時和過量空氣系數(shù)。1）進氣渦流比控制不論采用非均質(zhì)混合氣還是均質(zhì)混合氣，稀薄燃燒汽油機都要組織適當?shù)母變?nèi)空氣運動，以促使油束霧化和加速燃燒。稀薄燃燒汽油機普遍采用多氣門技術。分層充氣和缸內(nèi)空氣運動的電子控制往往和多氣門技術聯(lián)系在一起。缸內(nèi)空氣運動主要有翻滾氣流如圖2.3和進氣渦流如圖2.4。不同的氣門形成可以組織不同的進氣渦流。2）噴油正時控制噴油正時對稀薄燃燒的燃燒率和燃燒穩(wěn)定性有一定的影響。在形成分層充氣的場合，這主要是因為噴油正時影響充氣分層狀況。以AVL四氣門HCFB系統(tǒng)為例，進氣沖程中，相對推遲噴油可提高燃燒穩(wěn)定性。噴油過早會使?jié)饣旌蠚饧性谌紵业牡撞?，而燃燒室頂部火花塞周圍卻是稀混合氣，稱為“負充量分層”，導致燃燒延緩，燃燒穩(wěn)定性惡化，而對應于最佳燃燒穩(wěn)定性的噴油正時往往會造成NOX排放過高。圖2.3旋轉軸線平行于曲軸中心線的翻滾1.火花塞2.噴油器3..混合氣4.空氣5.混合氣和空氣的分層圖2.4分差螺旋進氣道產(chǎn)生的進氣渦流3）點火正時控制混合氣變稀，則著火落后期和速燃期都加長，實現(xiàn)最佳轉矩的最小點火提前（MBT）將增大。隨著缸內(nèi)空氣運動的增強，MBT明顯減小、燃燒速率將變得對點火正時十分敏感。所以，稀薄燃燒的點火提前角必須重新進行調(diào)整。點火正時還要考慮過量空氣系數(shù)λ，空氣運動情況和噴油正時等因素。總的來說，隨著λ的增大，點火提前角應增大。4）λ閉環(huán)控制稀薄燃燒發(fā)動機的過量空氣系數(shù)λ超出常規(guī)，λ的大小影響著發(fā)動機的性能和排放，給發(fā)動機工作過程帶來困難，圍繞著稀薄燃燒所采取的各項措施，如組織進氣渦流、調(diào)整噴油正時和點火正時等，都與λ的大小有關，所以要進行λ閉環(huán)控制。稀薄燃燒λ閉環(huán)控制目標主要由發(fā)動機負荷和轉速確定，可以用λ特性場表示。不同的稀薄燃燒發(fā)動機因其組織缸內(nèi)空氣運動的方式不同、燃燒室結構不同、氣門和火花塞位置不同等原因，其λ特性場或A/F特性場會有較大差別。5）燃燒極限控制混合氣濃度接近稀燃極限時，燃燒開始不穩(wěn)定，平均指示壓力的波動明顯增大。這種濃度表現(xiàn)在：一是同一工作循環(huán)內(nèi)缸與缸之間的平均指示壓力波動增大；二是在同一個缸內(nèi)不同工作循環(huán)之間的平均指示壓力波動也增大。假定循環(huán)與循環(huán)之間的轉矩波動多大，便可知該缸混合氣已超稀燃極限，此時必須增加噴油量，使混合氣加濃，以免發(fā)生缺火；如果轉矩波動過小，則表明混合氣濃度離開稀燃極限尚遠，應該減少噴油量，使混合氣變稀，以充分發(fā)揮稀薄燃燒在節(jié)油和降低NOX排放方面的潛力。2.4直噴汽油機汽油直接噴射（GasolineDirentInjection,縮寫為GDI）就是指直接往氣缸內(nèi)噴射汽油。它同時也采用稀薄燃燒技術。GDI可使汽車節(jié)油達20%左右，因為提高了高工況時的體積效率，GDI還能使最大轉矩提高10%左右，將燃油經(jīng)濟性提高到接近柴油機的水平。汽油直接噴射噴油器的構造與進氣口噴射器相比有一些固有的特點。因為噴油器要安裝在缸蓋里面，且一直伸展到氣缸，在現(xiàn)代四氣門發(fā)動機中只有很小的空間可供噴油器使用，噴油器下段直徑必須盡可能小，以便給缸蓋冷卻水套留有足夠的空間，所以要將發(fā)針做得細長。盡管噴油器殼體很細，卻不得影響最高達12Mpa的燃油壓力和大的油束角度?？紤]到價格、批量生產(chǎn)的開始日期和運行的可靠性，首選電磁驅動噴油器。2.5電控直噴柴油機柴油機由于其功率大，燃油消耗率低，國內(nèi)外大部分中、重型汽車都采用柴油機作動力，輕型車用柴油機的比重也在穩(wěn)步增長。柴油機的燃油噴射系統(tǒng)與汽油機截然不同，通常把燃油噴射系統(tǒng)中最關鍵的部件——油泵油嘴比喻為柴油機的心臟，長期以來柴油機都是采用機械控制系統(tǒng)來控制噴油泵的供油量和噴油正時。機械控制系統(tǒng)中的機械調(diào)速器和機械噴油提前器控制精度低，反應不靈敏，無法滿足柴油機進一步改善性能的要求。隨著石油危機和日益嚴格的排放法規(guī)的推動，柴油機電控技術也日益發(fā)展和成熟起來。直噴柴油機是最節(jié)能的內(nèi)燃機，在轎車上使用較晚，原因是轉速范圍較窄，NOX和PM微粒的排放以及振動和噪聲等問題。直到20世紀90年代這些問題逐漸得到解決，才開始大量應用于轎車。此外，直噴柴油機對柴油的要求較高，特別是對硫含量有嚴格的要求。直噴柴油機電控系統(tǒng)的特點、原理和分類柴油機電控技術與汽油機電控技術有許多相似之處，整個系統(tǒng)都是由傳感器、電控單元和執(zhí)行器三個部分組成。電控柴油機上所用的傳感器，如轉速、壓力、溫度等傳感器以及加速踏板傳感器，與汽油機電控系統(tǒng)都是一樣的。電控單元在硬件方面也很相似，在整車管理系統(tǒng)的軟件方面也有近似處。電控柴油噴射系統(tǒng)主要控制噴油量和噴油正時。柴油機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點，其噴射壓力高達60—150Mpa甚至超過200Mpa，為汽油噴射的幾百倍，上千倍。對燃油高壓噴射系統(tǒng)實施噴油量的電子控制比較困難，柴油噴射對噴射正時的精度要求高，相對于上止點的角度位置遠比汽油機要求準確，導致柴油噴射的電控執(zhí)行器更復雜，因此柴油機電控技術的關鍵和難點就是柴油噴射電控執(zhí)行器。柴油機在機械控制時代，就已經(jīng)有直列泵、分配泵、泵噴嘴、單缸泵等結構不同的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)各有其特點和適用范圍，每種系統(tǒng)中又有多種不同結構。實施電控技術的執(zhí)行機構比較復雜，也形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化。電控柴油噴射系統(tǒng)根據(jù)其產(chǎn)生高壓燃油的機構，可分為直列泵電控噴射系統(tǒng)，分配泵電控噴射系統(tǒng)，泵噴嘴電控噴射系統(tǒng)，單缸泵電控噴射系統(tǒng)，共軌式電控噴射系統(tǒng)。其中共軌式電控噴射是電控技術發(fā)展起來所形成的新型噴射機構。其他系統(tǒng)都是在原來的噴射機構上加上電控執(zhí)行機構后形成的。對電控泵噴嘴系統(tǒng)來說，合適的低壓供油系統(tǒng)也很重要。由于進回油道是鑄造在氣缸蓋內(nèi)，燃油本身在壓縮和溢流中會產(chǎn)生熱量又要傳給燃油，因此要求輸油泵提供足夠大供油量，保證個缸噴油器之間溫差不要太大，各缸噴油量差別足夠小。PED系統(tǒng)所裝備的輸油泵供油壓力在標定轉速下為500KPa，供油量350L/h。它由輸油泵、粗濾器，濾清器、壓力調(diào)節(jié)器、控制閥、電動泵等組成。其中電動泵可在柴油機關掉后，為冷卻仍處于高溫ECU提供循環(huán)供油。在回油路上裝有啟動時所需的放氣螺塞。2.6發(fā)動機增壓和中冷技術增壓是內(nèi)燃機發(fā)展的一個飛躍。用增壓的方式來提高進氣量密度，可以幾成甚至幾倍的增加功率，同時還能改善熱效率、提高經(jīng)濟性、減少排氣中的有害成分、降低噪聲。單位質(zhì)量的功率增加，也可以降低發(fā)動機的質(zhì)量。（1）增壓的主要方式增壓方式主要有機械增壓、排氣渦輪增壓、復合增壓、慣性增壓、氣波增壓等。機械增壓是指壓氣機由內(nèi)燃機曲軸通過傳動裝置直接驅動的增壓方式。機械增壓的特點是：不增加發(fā)動機背壓，但消耗其有效功率，總體布置有一定局限性；增壓壓力一般不超過0.15—0.17Mpa；過多地提高增壓壓力，會使驅動壓氣機耗功過大，機械效率明顯下降，經(jīng)濟性惡化。排氣渦輪增壓是指利用排氣量使排氣在渦輪中進一步膨脹作功，用于驅動壓氣機的增壓方式。排氣渦輪增壓的特點是：不消耗發(fā)動機有效功，增壓器可以自由布置在所需的位置，渦輪有有一定的消聲作用，并進一步減少排氣中的有害成分。排氣渦輪增壓有單級渦輪增壓和二級渦輪增壓兩類。單級渦輪增壓：由一臺渦輪機和一臺壓氣機組成的或幾臺渦輪增壓器并聯(lián)的渦輪增壓叫單級渦輪增壓，多用于中、小型柴油機。小型柴油機、汽油機一般用徑流式渦輪、離心式壓氣機；二級渦輪增壓：空氣經(jīng)兩臺串聯(lián)的渦輪增壓器壓縮后進入發(fā)動機，這類增壓系統(tǒng)稱為二級渦輪增壓。（2）增壓器渦輪增壓器主要由渦輪和壓氣機組成。發(fā)動機排氣經(jīng)排氣管進入渦輪，對渦輪作功，渦輪葉輪與壓氣機葉輪同軸，從而帶動壓氣機吸入外界空氣并壓縮后送至發(fā)動機進氣管。（3）中冷器在增壓柴油機為降低進入汽缸的空氣溫度、增加空氣密度、減少排放，使增壓后的空氣先在中間冷卻器中冷卻，再進入氣缸，稱為增壓中冷。增壓中冷可以在柴油機的熱負荷不增加甚至降低以及機械負荷增加不多的前提下，較大幅度地提高柴油機功率，還可提高發(fā)動機的經(jīng)濟性、降低排放、節(jié)省能源。為了反映中間冷卻程度，通常用中冷度來表示，即中冷器前后空氣溫度差與中冷器前空氣溫度的比值。目前采用的中冷器都屬錯流外冷間壁式冷卻方式，根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，有水冷式和風冷式兩大類。水冷式冷卻根據(jù)冷卻水系的不同又分以下兩種方式：2）用獨立的冷卻水系冷卻。柴油機有兩套獨立的冷卻水系，高溫冷卻水系用來冷卻發(fā)動機，低溫冷卻水系主要用于機油冷卻器和中冷器。這種冷卻方式冷卻效果最好，在船用和固定用途柴油機中普遍應用。風冷式冷卻根據(jù)驅動冷卻風扇的動力不同，可分為以下兩種方式：1）用柴油機曲軸驅動風扇。這種方式適用于車用柴油機，把中冷器設置在冷卻水箱前面，用柴油機曲軸驅動冷卻風扇與汽車行駛時的迎風同時冷卻中冷器和水箱。車用柴油機普遍采用這種冷卻方式，但在低負荷時易出現(xiàn)充氣過冷現(xiàn)象。2）用壓縮空氣渦輪驅動風扇。由壓氣機分出一小股氣流驅動一個渦輪，用渦輪帶動風扇冷卻中冷器。由于驅動渦輪的氣流流量有限，渦輪作功較少，風扇提供的冷卻風量較少，顯然其冷卻效果較差。由于增壓壓力隨負荷變化，因此這種冷卻方式的冷卻風量也隨負荷變化，低負荷時風量小，高負荷時風量大，有利于兼顧不同負荷時的燃燒性能。且其尺寸小，在車上安裝方便，在運用車輛上也有應用。（4）排氣能量的利用目前生產(chǎn)的車用增壓柴油機中，幾乎都采用排氣渦輪增壓系統(tǒng)，通過排氣來驅動渦輪增壓器工作，從而吸收排氣能量來實現(xiàn)增壓的目的。排氣的最大可用能E由三部分組成：①排氣門打開時，氣缸內(nèi)氣體等熵膨脹到大氣壓力所作上午功Eb；②活塞推出排氣，排氣得到的能量Ec；③掃氣空氣所具有的能量Es。排氣門前排氣具有的能量，在流經(jīng)排氣門、氣缸蓋排氣道、排氣歧管、排氣總管，最后到達渦輪前，存在著一系列的損失，總能量損失ΔE包括如下幾個方面：ΔE=ΔEv+ΔEc+ΔEd+ΔEm+ΔEf+ΔEh（2-4）式中ΔEv—流經(jīng)排氣門出的節(jié)流損失；ΔEc—流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失；ΔEd—管道面積突擴時的流動損失；ΔEm—不同參數(shù)氣流摻混和撞擊形成的損失；ΔEf—由于氣體的粘性而形成的摩擦損失；ΔEh—氣流向外界散熱所形成的能量損失。這些損失直接影響著排氣能量可被渦輪回收的程度，是排氣渦輪增壓柴油機排氣管設計和改進時所必須關注的重要方面。ΔEv是能量傳遞中的主要損失，約占總損失的60%—70%。尤其是在初期排氣，氣缸中高壓高溫氣體流出時，因排氣管中壓力低而形成超臨界流動，所以減少這部分節(jié)流損失對提高排氣中能量的利用率是很重要的。在設計中，應使排氣門后的通流面積盡可能大（一般采用四氣門結構）、開啟速度盡可能快，以使排氣很快流出，排氣門后的壓力Pr很快升高，從而減少節(jié)流損失。另外，排氣管容積不應太大，排氣管要細而短。當在結構上受限制時，做得“細而長”比“粗而短”要好。在排氣初期，大量排氣涌入較細長的歧管中，形成“堵塞”，很快在排氣門后建立起較高的壓力波峰，減小排氣門前后壓差，從而大大減少節(jié)流損失，并把氣體所具有的較大速度在歧管中保持下來并傳送到渦輪，提高了對排氣動能的利用率。由于歧管中流速高而使摩擦損失加大，但其他損失減小，所以總起來說，它的能量傳遞效率較高。細而長的排氣管不僅能夠使排氣門后的壓力Pr在排氣初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排擠功減少，并有利于掃氣。（5）增壓器和發(fā)動機的匹配以單級渦輪增壓系統(tǒng)為例，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在這個增壓系統(tǒng)中，壓氣機所提供的空氣正好等于柴油機所需的空氣量。因此，在穩(wěn)定工況下，壓氣機提供的增壓壓力等于柴油機所需的增壓壓力。因此，可在壓氣機特性曲線圖上，將該工況下以增壓比∏b和空氣流量qmb為表征的增壓器好柴油機聯(lián)合運行點確定下來。這樣，當柴油機按某一特性運行時的所有工況點都可在壓氣機特性曲線上確定下來。如果高增壓柴油機主要是在高速、高負荷下運轉，則必須把增壓器的高效率運轉區(qū)域設計得廣一些。車用柴油機低轉速工況要求較苛刻，不僅以外特性運轉，而且轉矩的適應性系數(shù)高，所以增壓器的高效率區(qū)域選在柴油機轉速較低的地方，這樣做即使在標定工況時性能稍差一些也是值得的。對于超高增壓柴油機，低工況性能更為突出。因此，在選配渦輪增壓器時，除了要進行變工況運行的配合性能計算外，還必須進行樣機的配合調(diào)整實驗，以滿足各方面的要求。（6）可變渦輪增壓在柴油機進行正常設計和經(jīng)過估算及性能模擬計算來選配渦輪增壓器后，一般在配合性能上不會出現(xiàn)太大偏差。但對于車用柴油機，如果增壓系統(tǒng)滿足高速時增壓適量的要求，則在低速時供氣就會不足；如果滿足低速時的供氣量，則在高速時就可能增壓過量。因此，必須采取一些措施，才能彌補其高低工況不能同時滿足較佳匹配的矛盾。對于車用高速柴油機及某些超高增壓中速柴油機，為了改進低工況性能，可采用高速時放氣的措施，但高工況經(jīng)濟性不好。近年來，發(fā)展了一種可變渦輪噴嘴環(huán)出口截面的渦輪增壓器，簡稱變截面渦輪增壓器。在發(fā)動機低速時，讓噴嘴環(huán)出口截面積自動減小，使得流出速度相應提高，增壓器轉速上升，壓氣機出口壓力增大，供氣量加大；在高速時，讓噴嘴環(huán)出口截面積增大，增壓器轉速相對減小，增壓壓力降低，增壓不過量。采用變截面渦輪的優(yōu)點是：①在不損害高轉速經(jīng)濟性的條件下，增大低速轉矩；②擴大了低油耗率的運行區(qū)；③使柴油機的加速性能提高；④可以滿足要求越來越高的排放和噪聲規(guī)范等。但要使可變截面渦輪達到實用化，必須滿足：①從渦輪調(diào)節(jié)結構往外漏氣應盡可能少，且當噴嘴面積改變、使氣流流向偏離時，不致使渦輪效率降低過多；②結構及操作系統(tǒng)簡單，操作方便；③所有結構操作系統(tǒng)具有較高的可靠性等。車用發(fā)動機大多用徑流渦輪增壓器，這給采用可變截面渦輪增壓器帶來方便。在有葉徑流渦輪的情況下，可以采用改變噴嘴葉片安裝角度的方法來改變噴嘴環(huán)出口截面積。如圖2.5為一變截面多葉片可變噴嘴增壓器三維示意圖。圖2.5變截面多葉片可變噴油嘴增壓器噴嘴環(huán)截面積大小及檔數(shù)是由實際運轉要求確定的，在最大轉矩時，增壓壓力最高?？刂破鳎‥CU）根據(jù)發(fā)動機轉速、噴油泵齒條位移（相當于負荷）、水溫和增壓壓力等信號對壓力控制調(diào)節(jié)閥的開啟和關閉時間比（負荷比）進行調(diào)節(jié)，從而控制真空泵產(chǎn)生的負壓?？梢愿鶕?jù)發(fā)動機工況的最佳負荷比圖譜預先輸入到控制器中。控制器與電控柴油噴射系統(tǒng)的控制器也可互相通訊。由于采用可變噴嘴渦輪增壓器，在低速時可變噴嘴渦輪增壓器處于小噴嘴開度，增壓壓力可提高，因此大大改善了低速工況性能。由于采用了可變截面渦輪增壓器，使柴油機加速、負荷特性都得到改善。整機穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)性能改進，低油耗區(qū)域擴大，轉矩儲備系數(shù)加大。（7）增壓器的瞬態(tài)性能柴油機瞬態(tài)特性是在變速或負荷情況下柴油機的性能。渦輪增壓柴油機不像非增壓柴油機那樣很快響應負荷和轉速的突然變化。在加速、加負荷過程中，空氣流量與加油量變化速率之間的差異導致了燃燒空氣系數(shù)低于極限值。因此，渦輪增壓柴油機瞬態(tài)響應特性較差的決定因素是供氣量。供氣量比供油量的時間滯后，其原因是多方面的。燃油入氣缸燃燒后，氣體能量增加，而渦輪得到的能量增加顯然要滯后一些，因為在排氣門開啟之間氣體的能量不可能影響渦輪；在排氣門開啟以后，由于排氣管中氣體的可壓縮性，也得經(jīng)過幾個工作循環(huán)，排氣管中的氣體壓力才能逐步上升，渦輪得到的能量才能不斷增加。另外，由于渦輪的功率比壓氣機的功率大而使渦輪增壓器的轉速增加，但渦輪增壓器轉子具有一定的轉動慣量，要加速轉子的旋轉速度也需消耗一部分能量，這也是其瞬態(tài)響應滯后的另一個重要原因。再者，增壓器的旋轉速度不斷上升才能使增壓壓力不斷提高，但由于進氣管具有一定的容積，這就使增壓壓力只能逐步提高。只有當增壓壓力提高后，才能增大進入氣缸的供氣量。這些因素都將使供氣量滯后。當然，發(fā)動機響應快慢還與發(fā)動機運動件的轉動慣量有關，若希望加速性能好，則希望發(fā)動機轉動慣量盡可能小。改善增壓柴油機瞬態(tài)特性的根本措施是使增壓壓力更快地提高，沖入氣缸的空氣量更快增加。盡量減小進氣管和排氣管的容積，在加速或加負荷過程中，使其中氣體壓力較快增大，響應速度加快，因此變壓系統(tǒng)比定壓系統(tǒng)響應速度快；在低工況運行時減小渦輪通流面積，若從低工況到高工況時渦輪通流面積小，則將使排氣管中的壓力更快上升，渦輪功率增加較快，使增壓壓力更快上升，從而改善瞬態(tài)特性。2.7可變進氣技術（1）可變進氣渦流系統(tǒng)通常，進氣道是根據(jù)發(fā)動機在標定工況或最大轉矩工況下的性能要求進行設計的，并制成樹脂氣道模型后在穩(wěn)流氣道試驗臺上測量渦流強度和流量系數(shù)，經(jīng)過多次試驗修改后定型，投入生產(chǎn)。這樣的氣道，其性能只在某個轉速附近能達到最佳，而進氣渦流強度隨轉速工況的變化是無法控制的。原理上，隨發(fā)動機轉速升高，進氣渦流增強，當轉速升高到一定程度時，進氣渦流過強，或者在低速時進氣渦流強度過弱，這兩種情況都不能使燃油與空氣達到最佳混合。對燃油經(jīng)濟型和排放都會產(chǎn)生不利影響。這樣就產(chǎn)生了企圖控制進氣渦流強度以滿足高速、低速各種工況要求的設計思想。采用電控可變進氣渦流系統(tǒng)后，發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性都獲得改善。（2）可變氣門正時汽車發(fā)動機要適應負荷和轉速變化的運行條件，氣門正時對充氣系數(shù)、熱效率和機械效率都有影響?？勺儦忾T正時的主要作用是在寬廣的運行條件下改善充氣系數(shù)、提高標定功率、怠速穩(wěn)定性以及降低排放，從而使發(fā)動機動力性和燃油經(jīng)濟性得到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。進氣門和排氣門對發(fā)動機充氣交換過程的控制。其特性參數(shù)主要是3個：氣門開啟相位、氣門開啟持續(xù)角度（指氣門保持升起持續(xù)的曲軸轉速）和氣門升程。這3個特性參數(shù)對發(fā)動機的性能、油耗和排放有重要影響。通常將氣門開啟相位和開啟持續(xù)角度統(tǒng)稱為氣門正時。隨著發(fā)動機負荷和轉速的改變，這3個特性參數(shù)（特別是進氣門開啟相位和開啟持續(xù)角度）應對應不同的優(yōu)化要求。進氣門開啟相位提前，一方面為進氣過程提供了較多的時間，有利于解決高轉速時進氣時間不足的問題；另一方面，氣門重疊角增大，有更多的廢氣進入進氣管，隨后又同新鮮充量一起返回氣缸，造成了較高的內(nèi)部排氣再循環(huán)率，可降低油耗及NOX排放，但同時也導致起動困難、怠速不穩(wěn)和低速工作粗暴。進氣門關閉相位推遲，一方面在高轉速時有利于高速氣流的慣性提高體積效率；另一方面在低轉速時又會將已經(jīng)吸入氣缸的新鮮充量又推回到進氣管中。氣門升程增大，一方面在高負荷時有利于提高容積效率；另一方面在低負荷時不得不將節(jié)氣門關得更小，造成更大的泵氣損失和節(jié)流損失?？梢?，出于不同的考慮，對氣門特性參數(shù)提出了不同要求。為了提高標定功率，要提早開啟、推遲關閉進氣門，并提高進氣門升程；為了提高低速轉矩，要提早關閉進氣門；為了改善起動性能并提高怠速穩(wěn)定性，則要推遲開啟進氣門，減小氣門重疊。進氣門特性參數(shù)對發(fā)動機的影響比排氣門特性參數(shù)大；進氣門關閉相位的影響比開啟相位大。（3）可變進氣管長度進氣門的開啟關閉和活塞向下運動會使進氣系統(tǒng)產(chǎn)生膨脹波。膨脹波從進氣門出發(fā)，以當?shù)芈曀賯鞑サ焦芏?。由于進氣系統(tǒng)的管端是敞開的，膨脹波在此變成壓縮波并同時以當?shù)芈曀俜聪騻骰剡M氣門。如果這個壓縮波傳到進氣門時進氣門開啟著，那么由于壓縮波引起的質(zhì)點振動方向與進氣氣流方向一致，進氣氣流因此而得到增強，氣體體積效率將會提高，轉矩也將增大。、整車節(jié)能技術3.1汽車傳動系統(tǒng)匹配優(yōu)化汽車傳動系對汽車燃油經(jīng)濟性油重要影響，主要影響因素包括汽車傳動系的檔數(shù)、傳動比和傳動效率等。（1）傳動系統(tǒng)的最優(yōu)匹配與參數(shù)優(yōu)化在汽車設計過程中，當發(fā)動機性能和汽車的常用行駛工況確定后，傳動系統(tǒng)與發(fā)動機的匹配和參數(shù)選擇是否恰當直接影響汽車的動力性、燃料經(jīng)濟性等。變速器的傳動比范圍、檔位數(shù)、傳動比分配規(guī)律和主傳動比等參數(shù)都影響到整車的燃油經(jīng)濟性，在滿足汽車動力性能的前提下，優(yōu)化傳動系各參數(shù)，使汽車常用工況處于發(fā)動機最佳經(jīng)濟區(qū)，則可有效地降低汽車的燃油消耗。（2）無級變速傳動裝置無級變速傳動裝置，即ContinuouslyVariableTransmission(CVT)，是理想的傳動系統(tǒng)。采用CVT使得駕駛方便，傳動系統(tǒng)與發(fā)動機得到最優(yōu)匹配。CVT主要由CVT傳動器和控制系統(tǒng)組成。傳動器包括傳動帶、輸入軸、輸出軸、主動輪、被動輪、離合器和殼體等。1）傳動帶由兩根厚片組合成的柔性鋼帶及許多金屬片組成。其中金屬帶承受由主動輪所傳遞的推力（不是拉力），柔性鋼帶將金屬片保持成帶狀，并支撐金屬帶。2）CVT傳動器它的輸入軸帶動行星齒輪裝置旋轉，行星齒輪裝置的主動部分是行星架，被動部分是太陽輪，直接驅動CVT主動輪及齒輪BANG、前進檔離合器和倒檔制動器，用以實現(xiàn)汽車的前進、倒車和起步。油泵將油輸入主動輪伺服油缸和被動伺服油缸，推動主動滑動半輪和從動滑動半輪。由于金屬傳動帶長度不變，當主動滑動半輪左（右）移動，通過控制系統(tǒng)的作用，從動滑動半輪要向（右）左作相應的移動，從而改變傳動比。CVT裝置的控制系統(tǒng)CVT裝置傳動比的變化是通過改變主動輪和從動輪V槽寬度實現(xiàn)的。由于傳動帶的長度是不變的，所以主動輪V槽寬度和被動輪V槽寬度應同時相應地變化。（3）CVT基本原理如圖3.1是通過改變主、被動帶輪直徑，改變CVT傳動比的原理圖。圖3.1CVT原理圖1．主動輪2.緊邊輪3.松邊輪4.被動輪圖3.1a傳動比為1，即主傳動帶輪槽寬相等。圖3.1b主動帶輪槽寬度變窄，被動帶輪槽變寬，傳動比減小。圖3.1c還可看到，金屬帶的工作邊在主動輪的出端金屬帶受推，而不像通常皮帶傳動，工作邊受拉。（4）CVT最佳燃油經(jīng)濟性調(diào)節(jié)特性如圖3.2是發(fā)動機負荷特性，某一固定轉速n1，它在b—Pe曲線表達了燃油消耗率與發(fā)動機輸出功率的關系。其最低點表達在發(fā)動機轉速n1時，相應的最小油耗效率。將各個不同轉速曲線的最低點連接而成的包絡線，即是發(fā)動機最經(jīng)濟工況。這條曲線是最低燃油消耗率曲線，使CVT裝置在這條曲線上工作，是最經(jīng)濟的。圖3.2發(fā)動機負荷特性的燃油消耗率3.2汽車空氣動力學設計空氣阻力所消耗的功率與車速的三次方成正比，就是說在車速低的時候，空氣阻力功率消耗所占比例不大，在車速高的時候，空氣阻力將是主要的阻力（1）空氣阻力系數(shù)圖3-3示出了汽車所受到的氣動力和氣動力矩。當汽車沿著x軸行駛，而且受到與質(zhì)心成β角的側向合成氣流作用使，汽車上將受到以下氣動力和氣動力矩：D—空氣阻力；L—升力；S—側向力；PM—俯仰力矩；RM—側傾力矩；YM—橫擺力矩。被稱為氣動六分力或氣動六分量。相應的系數(shù)為CD、CL、CS、CPM、CRM和CYM，其表達式為：空氣阻力系數(shù)；（3-1）生力系數(shù)；（3-2）側向力系數(shù)；（3-3）俯仰力矩系數(shù)；（3-3）側傾力矩系數(shù)；（3-4）橫擺力矩系數(shù)；（3-5）式中：ρ—空氣密度，ρ=1.2258kg/m3；v∞—合成氣流相對速度，m/s；A—汽車迎風面積，m2；α—軸距，m。其中對燃油經(jīng)濟性影響最大的是CD，為了保證正常行駛CL也十分重要。希望通過降低汽車的這些系數(shù)，以減小氣動力的影響。減小CD可以降低行駛阻力及其消耗；同時減小CD可以減小升力。汽車的升力會減小車輪對地面的壓力，這個壓力也稱為接地力。由于接地力的減小將降低前軸的操縱性和后軸的驅動能力，因此升力常常是有害的，應予以控制。傳統(tǒng)的汽車造型是“細部優(yōu)化”，細部優(yōu)化的意思是按照造型風格、汽車結構布置和性能要求提出原型汽車，在次基礎上進行空氣動力學修正。當前所謂的“汽車造型整體優(yōu)化”或稱為“整體最佳化的理論”是使氣流不從汽車表面分離。它以空氣動力學特性最佳形體為依據(jù)，作為原型將它改造成汽車。改造原則是盡量不破壞流場，即氣流盡量不產(chǎn)生分離。改造后汽車的CD比所依據(jù)的形體要大些，但盡可能地接近它。顯然“整體優(yōu)化”比“細部優(yōu)化”先進，但是“整體優(yōu)化”設計得到的各種汽車外形很容易趨向一致，而抹殺了個性，缺乏造型的獨特風格。（2）降低空氣阻力系數(shù)CD的措施1）空氣阻力的組成如表3.1所列的是作用在汽車上的5種空氣阻力。其中的壓差阻力是由空氣流場中的分離所致。摩擦阻力是指車身表面與空氣摩擦所造成的阻力，干擾阻力是指后視鏡、門把手等外露部件造成的阻力。內(nèi)流阻力是指汽車內(nèi)部的氣體流動造成的阻力。壓差阻力所占的份額最大，所以對油耗影響最大的是車輛正面的空氣阻力。2）降低CD的措施a改善轎車前端形狀改變轎車前端外形，能找到CD最小的外形。b改善后窗傾角和車頂?shù)墓岸?，拱起越小，則CD降低。c正確選擇離地間隙d放置擾流板e優(yōu)化發(fā)動機艙內(nèi)流場表3.1作用在汽車上的5種主要空氣阻力項目產(chǎn)生原因影響因素壓差阻力（形狀阻力）由氣流在車體上產(chǎn)生的分離和漩渦導致的壓強增加引起車身各個表面的形狀及其交接處的轉折曲率及傾角摩擦阻力車身表面面積和粗糙度誘導阻力由升力向后傾斜引起車身外形、底板外形以及輪腔等內(nèi)流阻力由發(fā)動機冷卻氣流和室內(nèi)通風、空調(diào)等引起干擾阻力由不平整的車身外部零件引起氣流干擾所致后視鏡、流水槽、導流板、擋泥板、天線、門把手、頭燈以及底盤部件等3.3輕量化整車質(zhì)量與百公里燃油消耗成正比，是影響燃油消耗的重要因素。通過減輕汽車質(zhì)量可以降低汽車油耗。（1）輕量化的概念汽車輕量化就是通過應用輕質(zhì)材料及采取相應的優(yōu)化結構和工藝來達到降低整車質(zhì)量，而不影響汽車基本性能的一種設計方法。零件的可靠性取決于可運行性和損壞的可能性。例如生產(chǎn)者要節(jié)省車窗手柄的質(zhì)量，就可能要冒損壞率提高的風險（如在打開結冰的車窗玻璃時）。節(jié)省原材料，或者減少材料使用數(shù)量，可以降低材料方面的成本，但使用一種更輕、強度更高的材料，往往又使材料成本上升，繼而引起生產(chǎn)成本增加。這是汽車輕量化過程中需要解決的矛盾，僅簡單地采用輕質(zhì)材料往往達不到理想效果。（2）減輕質(zhì)量的措施車身的剛度由車身結構形狀，材料厚度以及彈性模量決定。車身質(zhì)量通常是通過設計措施以及使用比一般低碳車身鋼板密度小的替代材料來實現(xiàn)，這兩個措施是不可分割的，由于材料特性不同，輕金屬和塑料的形狀結構和造型常常與鋼完全不同。1）替代材料的應用就汽車車身而言，輕量化的材料途徑主要有使用高強鋼板車身、鋁鎂合金車身和塑料車身。前兩種方法更適合大批量生產(chǎn)車型，第三種方法則比較適合小批量生產(chǎn)車型。2）結構措施對大面積塑料和輕金屬構件的強化，處于美學方面的原因，可在看不見的一側加筋。在罩子上除了彎曲載荷外，在開和關時單側受力還會引起扭轉，有必要加一個中間支撐。輕金屬一般強度較低，靠提高壁厚增加強度勢必會增加質(zhì)量，一般設計成框架橫截面。前后擋風玻璃采用粘接方式可以改善車身的扭