第2章 汽车的燃油经济性学习目标通过本章的学习,应重点掌握汽车燃油经济性的评价指标,掌握汽车燃油经济性的计算方法,理解影响燃油经济性的汽车结构因素和使用因素;石油是现代工业,尤其是交通运输的重要能源,汽车的燃料在今后较长的一段时间仍然是石油产品;随着工业的发展,车辆的增多,使用石油产品越来越多;现在各国都把节约汽车用油作为汽车制造业和汽车运输业中的二个重大问题;节 汽车燃油经济性的评价指标汽车的燃油经济性,是指以最小的燃油消耗量完成单位运输工作量的能力;燃油消耗已占运输成本的40%左右,所以节约用油是降低运输成本的重要措施之一;汽车燃油经济性的评价指标主要又以下三种;2.1.1 单位行驶里程的燃油消耗量当燃油按质量计算时,用符号m Q 表示燃油消耗量,其单位为kg/100km;当燃油按容积计算时,用符号V Q 表示燃料消耗量,其单位为L/100km;单位行驶里程的燃油消耗量只考虑了行驶里程,没有考虑车型与载重量的差别,所以只能用于比较同类型汽车或同一辆汽车的燃料经济性,但它也可用于分析不同部件如发动机、传动系等装在同一汽车上,对燃料经济性的影响;其数值越小,汽车燃油经济性越好;2.1.2 单位运输工作量的燃油消耗量若燃油以质量计算时,该指标单位对于载重汽车为kg/100t ·km,对客车为kg/1000人·km;若燃油以容积计算时,该指标单位对于载重汽车为L/100t ·km,客车为L/1000人·km;该指标可以用来比较不同类型、不同装载质量汽车的燃料经济性;其数值越小,汽车燃油经济性越好;2.1.3 消耗单位燃油所行驶的里程美国采用消耗单位燃油所行驶的里程的评价方法,其单位是MPG 或mile/ USgal,指的是每消耗一加仑燃油能行驶的英里数1mile=1.61km,1Usgal=4.55L;其数值越大,汽车燃油经济性越好;节 汽车燃油经济性的计算在汽车设计时,常需要在实际的试验样车制成之前,先根据所选用的发动机台架试验得到的油耗曲线与汽车功率平衡图,对汽车进行燃油经济性的估算;其中包括汽车等速百公里油耗的计算,等速、加速、减速和怠速等行驶工况的油耗的计算;2.2.1 汽车等速百公里油耗的计算汽车以速度a u 在路上等速行驶时,发动机相应工况的有效燃油消耗率为e g g/kW ·h,而此时汽车行驶100km 所消耗的功率即阻力功率为P kW,则等速百公里油耗V Q L/100km 为γa e V u Pg Q 02.1=式中 γ——燃料的重度N/L,汽油取—／L,柴油取—／L ；e g ——有效燃油消耗率g/kW ．h;有效油耗率e g 与发动机的负荷率有关;所谓负荷率,是指在某一转速下,节流阀部分打开时,所发出的功率与该转速下节流阀全开时最大功率之比;有效油耗率e g 与负荷率U 的关系曲线,即为负荷特性曲线;发动机负荷特性是从台架试验上获得的,因此,由功率平衡图与负荷特性,可得出行驶时发动机的油耗;图 用功率平衡图与负荷特性计算汽车等速百公里油耗a 功率平衡图b 负荷特性c 等速百公里油耗图所示为计算汽车等速百公里油耗的功率平衡图和负荷特性图,以及计算得到等速百公里油耗曲线;图 2.1a 中,若汽车以车速'a u 在水平路上行驶,发动机应提供的功率即为汽车阻力功率P ',即bc ,此时发动机的负荷率为 ac bcU ='与车速'a u 相对应的发动机转速为'e n r i i u n g a e 377.00=,根据'e n 、U '就能在负荷特性曲线上通过插值法找出有效燃油消耗率e g 见图;汽车行驶l00km,发动机应作的功为 ''='au P W 100 若每隔一定车速如l0km/h 求出相应的百公里油耗Q ,便可作出汽车等速百公里油耗曲线Q -a u ,按同样的方法,也可算出在有坡度的道路上行驶时的等速油耗曲线见图2.1c;2.2.2 汽车等加速行驶油耗的计算方法在分析汽车燃油经济性时,除等速百公里油耗曲线外,还常用计算法确定按某试验循环行驶时的总平均百公里耗油量;为此必须进行加速、减速及停车怠速的耗油量计算;减速及停车怠速时的油耗量,可根据试验得到的怠速油耗量来估算;下面具体介绍一种确定加速时油耗的近似计算法;前面讨论知道汽车行驶的油耗V Q L/100km 为γa e e V u g P Q 02.1= 当该式中的e P 、e g 、a u 为变量时,同样也适合于计算加速过程,即此时)15.21(36722dtdu g G Au C G g Q a D T e V δψγη++=令 dt du g δψψ+='则 )15.21(36722a D T e V Au C G g Q +'=ψγη ψ'为汽车的当量道路阻力系数,即将加速行驶时的惯性力,相当于某一道路阻力来考虑;这样加速过程的燃料经济性,可用等速行驶的燃料经济性的分析方法进行分析;前面在介绍等速行驶百公里油耗计算方法时,曾作出在一定坡道上如1ψ、2ψ、3ψ,…油耗曲线图2.1c;当把加速过程用当量道路阻力系数ψ'来考虑时,如果假设其在水平良好的道路上加速行驶,0=i ,f 很小,则j g δψ='dtdu j =;因为δ、g 为常数,因此这些等速油耗曲线可以转换为在水平道路上,以相应的等加速度1j 、2j 、3j …行驶的油耗曲线如图所示;图 等加速行驶的油耗曲线图 加速时汽车油耗的确定在等加速度行驶的油耗曲线下面,画上加速过程曲线如图所示,则在对应的1t ∆、2t ∆、3t ∆等的速度间隔中,其平均加速度为111t u j ∆∆=,… ,333t u j ∆∆= 而在1t ∆与3t ∆时间间隔中的绝对油耗为11151106.31t Q u Q am ∆⨯=∆ 33353106.31t Q u Q am ∆⨯=∆ 式中 1am u ——在1t ∆小间隔时的平均速度；3am u ——在3t ∆小间隔时的平均速度;由此即可求出整个加速过程中的绝对油耗为：=Q ∑i Q ∆加速过程的油耗量计算方法分成三个步骤：（1） 把加速阻力作为道路阻力,把Q -a u 1ψ、2ψ、3ψ…转换成Q -a u 1j 、2j 、3j …2根据Q -a u 1j 、2j 、3j …和a u -t 加速过程图,分别求出每一小段时间间隔i t ∆的油耗量i Q ∆,i t ∆越小,结果越精确;（2） 把各小段计算的i Q ∆加起来,就是整个加速过程的油耗量;节 汽车燃油经济性的影响因素前面讨论得到汽车行驶的油耗V Q L/100km 为γa e e V u g P Q 02.1= 或 Te V Fg C Q η= 式中 C ——常数；F —— 行驶阻力;可以得出,汽车的燃油消耗量正比于行驶时的行驶阻力与燃油消耗率,反比于传动效率;发动机的燃油消耗率,一方面取决于发动机的种类、设计制造水平；另一方面又与汽车行驶时发动机的负荷率有关;下面分别从汽车结构和使用两个方面,讨论影响燃油经济性的因素,从而可以看出提高燃油经济性的一些途径;2.3.1 汽车结构因素设计与制造出性能良好,燃油消耗低的汽车是很重要的;通过对汽车各个主要部件的改进,可以大大节约用油;下面介绍发动机、传动系、汽车外形等方面与燃料经济性的关系;2.3.1.1 发动机方面2.3.1. 发动机的种类为了节省能源,控制排气污染,充分发挥燃料的热效率,近年来对发动机进行了多方面的研究;目前来看,比较成熟的技术有汽油喷射发动机;汽油喷射发动机可以精确地控制混合气的浓度；保证各缸供应混合气的均匀性；由于汽油是以一定压力喷人进油管中,所以雾化效果较好,燃油利用率高;柴油机的压缩比较汽油机的大,所以热效率高,特别是在部分负荷时,柴油机的有效燃油消耗率e g 较低;柴油机的燃油消耗按容量计算,比汽油机要节省20%~40%,而且柴油价格较汽油低;但是,柴油机排量大,重量大,噪声、振动较大,因此,柴油机的性能不断改善之后,扩大柴油机的使用范围是当前的发展趋势;2.3.1. 发动机的压缩比发动机的压缩比提高,热效率增加,使发动机动力性、经济性得以改善,发动机油耗率有所降低;但汽油机压缩比提NO的排放量;所以压缩比的提高有一定的限度,提高汽油机压缩比的措施高到一定程度后,会产生爆燃,,并且会增加x主要有：1改进燃烧室和进气系统,提高发动机结构的爆燃极限;2使用爆燃传感器,自动延迟产生爆燃时的点火提前角;3喷水抗爆;4开发高辛烷值汽油;2.3.1. 选用小排量发动机、提高发动机的负荷率由发动机的负荷特性可知,在转速一定的条件下,负荷率在80%~90%时,有效耗油率最低;发动机在中等转速较高负荷率下工作时,其燃料经济性较好;一般汽车在水平良好路面上,以常用速度行驶时,只利用到相应转速下发动机最大功率的20％左右;由此可见,在汽车大部分使用中,发动机的负荷率都是较低的,因此,在保证动力性足够的前提下,汽车上不宜装用大功率的发动机,以提高发动机的功率利用率,降低汽车的燃油消耗量;2.3.1. 改善发动机的燃烧过程为了改善汽油机的燃烧过程,主要趋向是采用稀薄混合气分层燃烧,其空燃比可达18以上,既能显着提高燃油经济性,又可以降低排放污染;2.3.1.2传动系的影响2.3.1. 变速器类型的影响目前在汽车上应用最广泛的仍然是机械式手动变速器,但随着人们对汽车乘坐舒适性、操纵简便性以及起步平稳性要求的增加,自动液力变速器AT和更先进的机械无级变速器CVT的应用也越来越广泛;汽车装用自动液力变速器后,由于液力变矩器的传动效率低,其燃油经济性有所下降;近年来,为了节油和进一步提高动力性,自动液力变速器的档位数有所增加,一般为四个档；在有的档位如三档进行功率分流,即较大部分功率不经过液力变矩器而直接经输出轴输出；高档装有锁止离合器,离合器锁止时完全消除了滑转,提高了传动效率,从而提高了燃油经济性;有数据表明,由于自动液力变速器使发动机在较佳工况下运转,所以装用自动液力变速器的汽车的油耗有时比装用手动变速器时还要低;装用机械无级变速器CVT的汽车的燃油经济性与操控良好的手动变速器相当,优于自动液力变速器;2.3.1. 有级变速器档数和超速档应用的影响在一定的行驶条件下,变速器应尽量用较高档位,这样发动机的负荷率较高,有效燃料消耗率较低,所以汽车燃油消耗量较低;变速器档位增多以后,选择恰当的档位机会增多,这样使汽车处于燃油消耗量较低的机会增多;但档数太多,会使变速器和传动系结构复杂,操作不便;传动系直接档的总减速比主减速器速比,是根据良好路面上的功率平衡图及直接档要求的动力因数采选择的;这样选择的传动比,在中等车速下行驶时,节气门开度仍然不大,发动机的燃料消耗率较高;为了改善良好路面上行驶时的燃料经济性,常不改变主减速器传动比,而在变速器中设置一个传动比小于1的超速档;在相同的车速和道路条件下,用超速档比用直接档时发动机的转速低,负荷率高,故燃料消耗率下降;因而可降低汽车的100km燃料消耗量;2.3.1. 主减速器传动比的影响主减速器的传动比选择的较小时,在相同的道路条件和车速下,也同样使发动机的燃料消耗率减小,有利于提高汽车的燃料经济性;但主减速器传动比过小,会导致经常被迫使用低一档的档位,最小传动比档位的利用率降低,反而使燃料消耗量增加;2.3.1. 传动系的机械效率传动系的机械效率越高,则传动过程中的功率损失越少,汽车的燃料消耗量也随之减少;2.3.1.3 汽车质量的影响汽车质量影响到滚动阻力、上坡阻力和加速阻力,因此影响燃油经济性;减小汽车质量是降低油耗最有效的措施之一;减小汽车质量方面采取的措施主要有：采用高强度轻材料,如高强度低合金钢、铝合金、塑料、树脂和各种纤维强化等材料制造汽车零件；改进汽车结构,如采用前轮驱动、承载式车身等,以及各种零件的薄壁化和小型化;汽车的轻量化、小型化也是汽车工业的发展方向之一;2.3.1.4 汽车外形与轮胎改善汽车外形,使车身形状近于流线型,以减小空气阻力系数,可以减少行驶过程中特别是高速行驶中的空气阻力,有显着的节油效果;某轿车空气阻力系数由下降到,可使油耗降低22%,预计在不久的将来,实际使用的轿车空气阻力系数可达;汽车轮胎的选用,主要影响动力性和经济性;公认子午线轮胎综合性能好,尤其滚动阻力小,与一般斜交胎相比可节油6%~8%;2.3.2 汽车使用因素的影响对于一定的车型而言,汽车燃料消耗量的多少,取决于汽车的技术状况、驾驶操作技术水平以及有关的运行条件;2.3.2.1 汽车的技术状况为了保持汽车的技术状况良好,必须正确执行汽车保修规范;正确地保养和调整可以提高发动机性能并降低汽车的行驶阻力;汽油机点火系的技术状况,如点火能量,点火提前角和火花塞型号等,都对燃烧过程有很大影响,因而影响汽车的燃料经济性;汽车底盘的技术状况与保养、调整的关系很大;正确调整传动系齿轮传动副的啮合间隙,轴承和油封的紧度,以及正常的润滑可以大大提高传动系统效率;前轮定位、制动器的正确调整可以减小汽车的行驶阻力;这些都有利于降低汽车的燃料消耗量;轮胎气压对滚动阻力系数影响很大;若轮胎气压降低30%,以40km／h的速度行驶,轿车油耗增加5—10%,柴油载货汽车油耗增加20~25%;国外十分重视检查轮胎气压,实行监测仪器仪表化,并研制了胎压警报装置,当胎压低于标准值时,警报装置发出信号,通知驾驶员;燃料和润滑油的质量对汽车的燃料消耗也有很大影响,2.3.2.2 驾驶和使用技术水平2.3.2. 发动机的起动升温油路、电路、怠速和点火提前角的正确调整及发动机预热,是顺利起动的前提;常温起动时,化油器车辆应轻踏加速踏板电喷发动机车辆不要踩加速踏板尽量一次起动成功;再次起动时间不得超过5s,两次起动间隔不得超过10s;三次起动不成功时,必须进行检查,排除故障;起动后应迅速转入怠速;起动时忌重踏和反复踏加速踏板;冬季在室外停放的化油器车辆冷起动前,应注意发动机的充分预热电喷发动机车辆不需要;关闭百叶窗,根据温度适当关闭阻风门,轻踏几次加速踏板,起动发动机;起动后,以稍高的转速运转一二分钟后逐渐推开阻风门,抬起离合器踏板,继续运转一分钟左右,再缓慢减速到怠速运转升温;汽车行驶过程中,经常遇到停车熄火后重新起动热起动的情况;此时,发动机的温度较高,起动时轻踏加速踏板,然后马上转入怠速运转;2.3.2. 汽车起步加速试验表明,发动机水温上升到40℃以上起步,具有较好的节油效果;机体温度低时燃料雾化不良,燃烧不完全,另外机油粘度大,摩擦损失功率增加,因而特别耗油;冬季汽车起步后l0km以内,车速不要超过40km/h,并根据气温适当延长低档行驶时间,直到水温和各总成温度上升至正常后,可进入正常行驶;车辆一般应从一档起步;汽车坡道起步时,加速踏板、离合器、驻车制动器的操作配合应协调,不使车辆倒退、熄火,达到平稳地顺利起步;2.3.2. 档位的选择和变换汽车在良好路面上行驶,在一定的行驶状态下,即可使用次高档,也可用最高档,但用最高档时较节约燃料;为了节约燃料,在节气门开度不超过90%的条件下,应尽可能使用最高档;汽车上坡行驶时,应及时减档;减档过早,不能充分利用汽车惯性爬坡；减档过晚,车速降低过多,常需要多换一次档,增加油耗;2.3.2. 汽车行驶速度汽车满载在良好路面上行驶时,存在一个使得等速燃料消耗最小的车速,即技术经济车速;车速高于或低于经济车速,汽车等速油耗均上升;不同车型的经济车速可通过试验得到;2.3.2. 离合器的运用两脚离合器换档是规范化操作,而经验丰富的驾驶员常采用一脚离合器换档法;试验表明,良好道路起步连续换档至40km/h,一脚离合器换档法可节约燃料,时间缩短1s；在坡道减档,一脚离合器换档法由五档到四档,节约燃料,,缩短时间;2.3.2. 加速踏板的使用汽车行驶时,加速踏板要轻踏,柔和控制,减少加速泵供油的机会;避免空轰加速踏板;试验表明,某车每空轰一次加速踏板,就要耗油3~5mL；节气门开度不宜过大,以避免加浓装置参加工作而增加油耗;2.3.2. 行车温度的控制汽车行车温度,包括发动机冷却水温度、机油温度、发动机罩内气温、变速器和驱动桥齿轮油温度等;水温过低,会使燃料不易雾化,各缸进气不均,燃烧室壁散热损失增加,燃烧速度下降,造成发动机功率和转矩下降,油耗增加；另外,机油的流动性和飞溅润滑能力下降,增加了机械损失;水温过高,会使机体过热,充气量下降,容易出现爆燃、早燃等异常燃烧现象；供油系容易发生气阻,造成功率下降,油耗增加,且在高温下机油压力和粘度下降；并加速机油因氧化和热分解而发生的变质,加快发动机的磨损;正常的发动机水温,有利于燃料的雾化和混合气的分配均匀,使得发动机有良好的燃料经济性和动力性,并保证机油的粘度和润滑能力,减少发动机的磨损;2.3.2. 合理利用滑行汽车滑行可分为减速滑行、加速滑行和下坡滑行;汽车行驶中,当前方遇障碍,以及预见性停车和到达停车场时,预先将变速器置空档的滑行,称为减速滑行;当汽车接近上述障碍时,车速已降低,可不采取制动或少用制动而顺利通过或停车,这样就可达到节约燃料和保证安全的目的;汽车以高档加速至较高车速后,空档滑行至较低的车速,然后再挂高档加速,这种加速和空档滑行交替进行的方法,称为加速滑行方法;试验结果表明,在平均车速相同的情况下,采用最佳的加速滑行模式与等速相比,满载时的节油率达%~%,空载时的节油率达%~%;一般加速滑行不适合拖带挂车的汽车列车,因汽车列车的负荷率已较高,采用加速滑行方法加速时,负荷率很高,比油耗高,节油效果不明显,甚至油耗增加;此外,加速滑行操作法,使驾驶员的劳动强度增加,对安全不利;汽车加速滑行只能在道路宽直、无视线遮挡、行人和车辆稀少的条件下采用；要求汽车的技术状况良好,滑行距离应达到加速距离的倍以上；加速滑行的最大车速,不应超过经济车速范围的上限；加速时应缓慢踏加速踏板,至全开的80%~90%,以免混合气加浓装置起作用;在高速公路行驶时不能使用加速滑行法;在坡度小于5%的缓直坡道或陡坡接近坡尾,可空档滑行；在路况熟悉的波状起伏微丘地带,可在临近坡顶时空档滑行过坡顶,至临近坡尾再挂档加速冲过第二个坡道,但在这种道路滑行时,发动机不得熄火;在长而陡的坡道上,严禁熄火空档滑行;应在高档不熄火滑行,利用发动机阻力,并施加间歇制动,控制车速;如果熄火空档滑行,长时间用行车制动器控制车速,制动器容易发热使制动效能下降,甚至失效或烧毁制动摩擦片;2.3.2.3 运行条件的影响汽车的运行条件包括气候、地理位置,道路条件等;对汽车燃料经济性的影响很大;我国幅员广大,各地区气候和地理条件差别很大,而汽车设计是按一般条件来考虑的;针对当地特殊环境,对汽车,发动机部件做相应的改变,能消除或减轻特殊环境对汽车性能的影响,达到节油的目的;例如：在高原地区运行的汽车,由于空气稀薄,使动力性下降,燃料经济性恶化;利用空气稀薄时发动机不易爆燃的条件,提高压缩比,能使功率有所恢复;化油器车辆可缩小化油器主量孔,防止混合气过浓,能改善燃油经济性;在山区及丘陵地区安装下坡或怠速节油器,可节约下坡滑行时不必要的燃油消耗；发动机冷却风扇采用风扇离合器,根据发动机工作温度调节供给冷却系的风量,既可减少驱动驸件的动力消耗,又可缩短发动机的预热时间,在北方有明显的节油效果;道路条件对汽车的燃油消耗量影响很大;不同路面的道路阻力系数相差很大;在同一车速下,当道路阻力系数增大时,汽车的燃料消耗量增加;因为道路阻力系数增大时,汽车的行驶阻力增加,汽车的行驶阻力增大,则要求发动机发出较大的功率,发动机的燃料消耗率随之减小,但前者的影响为大;在道路阻力系数增大时,汽车最低燃料消耗量对应的经济车速减小;小结Q L/100km、单位运输工作量的燃油消耗量1.汽车燃油经济性的评价指标：单位行驶里程的燃油消耗量VL/100t·km、消耗单位燃油所行驶的里程MPG2. 汽车等速百公里油耗的计算：γa e V u Pg Q 02.1= 3. 汽车等加速行驶油耗的计算：)15.21(36722a D T e V Au C G g Q +'=ψγη 4. 汽车燃油经济性的影响因素：汽车结构因素：发动机方面发动机的种类,发动机的压缩比,选用小排量发动机、提高发动机的负荷率,改善发动机的燃烧过程、传动系的影响变速器的类型、有级变速器档数、主减速器传动比、传动系的机械效率、汽车质量、汽车外形与轮胎汽车使用因素：汽车的技术状况、驾驶和使用技术水平、运行条件复习思考题1、何谓汽车的燃油经济性评价指标是什么评价试验方法有哪些2、推导出汽车的燃料消耗方程式;3、何谓等速行驶燃料经济特性如何利用它分析比较汽车的经济性4、分析发动机的负荷率对汽车燃料经济性的影响,汽车在使用时如何提高发动机的负荷亭5、某汽车总质量5360kg,轮距1650mm,车高2165mm,空气阻力系数,发动机有效油耗=245g ／ps ·h,机械效率,估算在i =的柏油路面上以60km ／h 稳速行驶百公里油耗是多少。
