工學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車的經(jīng)濟(jì)性匹配課件

1、第9章 發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車的經(jīng)濟(jì)性匹配 9-1 影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的因素 汽車等速百公里燃油消耗量為： 式中：K常數(shù) F行駛阻力 F=Ff+Fw 因此，汽車等速百公里燃油消耗量正比于等速行駛時(shí)的行駛阻力與發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，反比于傳動(dòng)系機(jī)械效率。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率一方面取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的種類、設(shè)計(jì)制造水平，另一方面又與汽車行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率有關(guān)，從發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖可知，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率低時(shí)be值顯著增大。 或 下面分別從使用與汽車結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面討論影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的因素，從而可以看出提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一些途徑。 一、使用方面 （一）行駛車速 由汽車的的萬有特性圖可以看出，汽車等速油耗在接近于低速的中等車速時(shí)最

2、低，高速時(shí)隨車速的增加而迅速增加，這是由于在高速行駛時(shí)，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率較高，但汽車的行駛阻力卻加大很多，從而導(dǎo)致百公里油耗的增加。 （二）檔位選擇 在一定道路上，汽車用不同排檔行駛，燃油消耗量是不一樣的，顯然在同一道路條件與車速下，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率相同，但檔位越低，后備功率越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，而使用高檔時(shí)的情形相反，所以一般盡可能用高檔行駛。最經(jīng)濟(jì)的駕駛方法是：高檔行駛可能性未用盡以前，不應(yīng)換入低檔。 如圖中1點(diǎn)使用4擋的油耗（12.5kg/100km）比2點(diǎn)使用3擋油耗（17kg/100km）低很多。圖9-2 （三）掛車的應(yīng)用 運(yùn)輸企業(yè)中

3、普通拖帶掛車（長車），這是提高運(yùn)輸生產(chǎn)率和降低成本，包括降低油耗的一項(xiàng)有效措施。拖帶掛車后，雖然汽車總的油耗量增加，但由于載重量增加，分?jǐn)偟矫繃嵷浳锷系娜加拖牧浚▏嵃俟镉秃模﹨s下降了。拖帶掛車后節(jié)省燃油的原因有兩個(gè)方面：一是帶掛車后阻力增加，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率增加，有效油耗率be下降，另一方面是汽車列車的重量利用系數(shù)（即裝載重量與自重之比）較大，在汽車總重一定的條件下，汽車的油耗也是一定的，若能增大重量利用系數(shù)，則同一總重的汽車能裝載的貨物重量增加，因而運(yùn)送單位重量貨物所費(fèi)的燃料便下降，即100km/t的油耗便要低些。由于掛車的結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，所以汽車列車的重利用系數(shù)比單車大。 （四）正確的調(diào)

4、整與保養(yǎng) 汽車的調(diào)整與保養(yǎng)會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與汽車行駛阻力，所以對(duì)百公里油耗有相當(dāng)大的影響。 汽車底盤的技術(shù)狀況影響到汽車的行駛阻力，也就對(duì)使用油耗產(chǎn)生直接的影響，汽車底盤的保養(yǎng)與調(diào)整應(yīng)保證汽車的前輪定位正確，制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)鼓有正確間隙，輪胎氣壓正常，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)零部件滑磨表面光滑、間隙恰當(dāng)并有充分的潤滑油，此時(shí)底盤的行駛阻力會(huì)減小，汽車的滑行距離增加，相應(yīng)使用油耗也會(huì)降低。 二、汽車結(jié)構(gòu)方面 為了節(jié)省燃油，一方面依靠運(yùn)輸企業(yè)正確地使用車輛，但更重要的是制造廠應(yīng)提供省油的汽車，因此，當(dāng)前世界各國都把提高燃油經(jīng)濟(jì)性作為汽車發(fā)展與科研中的重大課題。 下面分別論述發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、汽車外形、輪胎等

5、與汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系。 （一）發(fā)動(dòng)機(jī) 為了節(jié)省能源，控制排氣污染，近年來對(duì)于汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了多方面的研究，由目前情況來看，最現(xiàn)實(shí)的途徑是在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)現(xiàn)有通用的汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)擴(kuò)大柴油機(jī)的使用范圍，另外稀薄混合氣分層燃燒汽油機(jī)也是一種有前途的發(fā)動(dòng)機(jī)，概括起來，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的主要途徑為： （1）提高現(xiàn)有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和機(jī)械效率。 （2）擴(kuò)大柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。（柴油機(jī)比汽油機(jī)省油，排放性能較好，但重量大，整車動(dòng)力性差，噪聲、振動(dòng)較大） （3）增壓化。（增壓后，比油耗be有所下降）。 （4）電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用。（電控結(jié)合稀燃） 另外，選用小排量發(fā)動(dòng)機(jī)以提

6、高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率對(duì)節(jié)油也很有意義。（家用經(jīng)濟(jì)型轎車的概念、混合動(dòng)力汽車） （二）傳動(dòng)系 傳動(dòng)系對(duì)燃油消耗的影響，取決于其傳動(dòng)效率、檔數(shù)和傳動(dòng)比。 傳動(dòng)效率越高，損失于傳動(dòng)系的能量越少，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性也就越好。 傳動(dòng)系的檔位增多后，增加了選用合適檔位使發(fā)動(dòng)機(jī)處于經(jīng)濟(jì)工作狀況的機(jī)會(huì)，有利于提高燃油經(jīng)濟(jì)性（在同樣的車速下，采用不同的排擋行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率都不一樣，因而有效油耗率也不一樣）。但檔位過多，會(huì)使傳動(dòng)系過于復(fù)雜，而且也不便于操作選用。 檔數(shù)無限的無級(jí)變速器，在任何行駛條件下提供了使發(fā)動(dòng)機(jī)在最經(jīng)濟(jì)工況下工作的可能性，若無級(jí)變速器始終能維持較高的機(jī)械效率，則汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性將顯著地提高

7、。 現(xiàn)有的無級(jí)變速器多數(shù)為液力變矩器（液力變扭器），由于液力（自身能量損失大）變矩器的傳動(dòng)效率低，汽車裝用自動(dòng)液力變扭器以后，燃油經(jīng)濟(jì)性有所下降，但由于它操縱簡便，乘坐舒適性好等優(yōu)點(diǎn)而在高級(jí)小客車上得到廣泛的應(yīng)用。 （三）車重 車重影響到滾動(dòng)阻力、上坡阻力與加速阻力，因此影響汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。 載重汽車中“重量利用系數(shù)”越大，則制造中的消耗材料少，且運(yùn)輸中的油耗與成本都將降低，對(duì)于轎車、也是越重越費(fèi)油，又大又重的豪華型轎車比小而輕的輕型或微型汽車的油耗幾乎要高35倍。因此，廣泛采用輕型微型轎車可以說是節(jié)約燃料的有效措施。 （四）汽車外形與輪胎 高速行駛時(shí)的空氣阻力成為汽車行駛阻力的主要部分。裝

8、有導(dǎo)流板的貨車，在高速行駛時(shí)，可減小空氣阻力20%，節(jié)油（410%）。因此，汽車的流線型設(shè)計(jì)對(duì)改善高速汽車燃油經(jīng)濟(jì)性有重要意義。 輪胎對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性的影響，主要表現(xiàn)在輪胎的滾動(dòng)阻力、附著性能、振動(dòng)，花紋噪聲等所引起的能量損失，在輪胎結(jié)構(gòu)上，目前公認(rèn)子午線輪胎的綜合性能最好，與一般斜交輪胎相比，可節(jié)油6%8%。 9-2 發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車的經(jīng)濟(jì)性匹配 汽車的整車性能與發(fā)動(dòng)機(jī)性能之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別，傳動(dòng)系是聯(lián)系二者的橋梁，傳動(dòng)系參數(shù)不僅對(duì)汽車的動(dòng)力性能，而且對(duì)經(jīng)濟(jì)性能都具有重大的影響。例如，汽車的經(jīng)濟(jì)性能是以每百公里（或每噸百公里）所消耗的燃油量g100來表示，而發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能一般是以燃油消耗率（比

9、油耗）be(g/kWh)，二者之間的關(guān)系如下： 在汽車參數(shù)已定的情況下，i、Vh、i0（ig）和載重量T均為常數(shù)，因此，汽車的使用油耗g100僅與ig、pme、be有關(guān)，而這三者取決于當(dāng)時(shí)的行駛阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度、轉(zhuǎn)速、變速器檔位等，當(dāng)igpmebe具有最小值時(shí)，汽車才具有最佳經(jīng)濟(jì)性能；而發(fā)動(dòng)機(jī)最佳性能則是在be具有最小值時(shí)才能獲得?？梢妰蓚€(gè)經(jīng)濟(jì)性能既有密切聯(lián)系，而又各具不同的性質(zhì)。傳動(dòng)系參數(shù)的選擇是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、道路三者合理匹配的重要環(huán)節(jié)。汽車定型時(shí)，必須從發(fā)動(dòng)機(jī)方面的缸數(shù)、每缸排量、平均有效壓力、比油耗與底盤方面的i0、ig（排檔數(shù)和各檔速比），r以及道路情況等進(jìn)行合理匹配，才能獲得

10、較好的經(jīng)濟(jì)性能。 一、發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車的經(jīng)濟(jì)性匹配分析 在分析發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車的經(jīng)濟(jì)性匹配時(shí)，以汽車的萬有特性圖作為分析的工具。在汽車的萬有特性圖上，分別作出了發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性和汽車的行駛阻力特性（各檔位的車速-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)線，各檔位的行駛阻力線），以及等百公里油耗線等。 發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車的經(jīng)濟(jì)性匹配原則： 1) 汽車萬有特性曲線上要求直接檔或超速檔的常用道路阻力曲線接近發(fā)動(dòng)機(jī)的低油耗區(qū)，且范圍要大。 2) 在汽車行駛時(shí)，一般盡量使用高檔，在高檔不能行駛的情況下才換入低檔。 這里以某貨車車為例闡明發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、道路三者的合理匹配以提高汽車經(jīng)濟(jì)性能的分析方法。 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)為：缸徑110mm，行程

11、120 mm，iVh=6.842L，額定功率140PS/3000rpm，其萬有特性如圖4-1。 汽車底盤有關(guān)參數(shù)為：i0=7.63，i1= 6.24，i2=3.32，i3=1.90，i4=1.0，i5=0.81，r的計(jì)算值為0.478m，汽車的自重約4150kg，載重5000kg，總重量約9350kg，汽車的傳動(dòng)效率T是車速、減速器速比和負(fù)荷等的函數(shù)，計(jì)算中取為常數(shù)，可取T= 86.2%，A=3.52m2 ，CD取1.12。圖4-1 將汽車的道路阻力曲線按牽引力Ft轉(zhuǎn)化為平均有效壓力pme，繪制柴油機(jī)的萬有特性上，然后繪制等百公里油耗曲線，汽車的速度Va與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n（在ig、i0、r已定的情

12、況下）成線性關(guān)系，可以繪出各檔下行駛速度直線，從而決定某檔在一定轉(zhuǎn)速n時(shí)的車速Va，這樣得到該車的萬有特性圖，如圖4-2所示。 由汽車的萬有特性曲線圖4-2的分析可見，該車具有良好的動(dòng)力性能，但經(jīng)濟(jì)性匹配并不理想。一般超速檔或直接檔的常用道路阻力曲線最好盡量接近100%bemin曲線，第V檔離此線較遠(yuǎn)，雖然第V檔處在110%bemin的經(jīng)濟(jì)工作范圍內(nèi)，而直接擋IV檔只有很小一段（n=1300 rpm以下）落于此范圍內(nèi)，可見超速檔的速比仍可減小，在可能的情況下，還可以適當(dāng)考慮 減小i0或略加大輪胎半徑r?？紤]到本柴油機(jī)需進(jìn)一步提高功率至160PS/3000r/min，應(yīng)使V檔或IV檔的阻力曲線交

13、于額定功率點(diǎn)，為了保證低檔時(shí)的動(dòng)力性能和最大爬坡度，低檔應(yīng)有較大的減速速比，這時(shí)可以只減小超速檔的速比（例如，減至0.6左右）。 從汽車萬有特性圖4-2的分析可知，等百公里油耗 g100曲線與等be曲線存在根本的差別，g100隨車速的增加而增大，在使用機(jī)械變速器的情況下， g100曲線具有階躍性，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，高檔的g100低于低檔，只有在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)（圖4-2中n=1200rpm），IV檔的g100反而低于V檔，圖4-2中汽車的最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)在第IV檔,n=1200 rpm處，而不是V檔，這是由發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性的性質(zhì)決定的，因此，汽車在行駛中時(shí)，一定盡量使用高檔，在高檔不能行駛的情況下，才

14、換入低檔。由圖4-2還可以看出，第I、檔的間隔太小，使、檔的利用率降低，并使、檔的 的油耗偏高；第檔的速比宜適當(dāng)減小。 為了突出汽車的經(jīng)濟(jì)性，可將V檔的負(fù)載功率曲線（行駛阻力曲線）設(shè)計(jì)成靠近圖4-2中100%bemin曲線。但要略低些以保證V檔的動(dòng)力性能不致過多地下降而引起換檔頻繁，而降低V檔的使用率。將IV檔的阻力曲線交于最大功率點(diǎn)可使最高檔和IV檔具有良好的 經(jīng)濟(jì)性能而又不犧牲其他低檔的動(dòng)力性能。應(yīng)該指出：我國現(xiàn)有許多汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性匹配存在不少問題。這方面的節(jié)能潛力還很大，值得引起重視。 為改善低速動(dòng)力性能，并保證降低高檔速比后的經(jīng)濟(jì)性能，從發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性看，還可設(shè)法使最大扭矩時(shí)轉(zhuǎn)速降

15、低200300r/min，而且也有潛力，加大最大扭矩，提高扭矩儲(chǔ)備（目前最大扭矩處排煙很低（1Bosch），油耗也很低）。 當(dāng)然，在考慮汽車經(jīng)濟(jì)匹配的同時(shí)，也不能不考慮動(dòng)力性匹配，即要求汽車有足夠的后備功率。對(duì)中、大載重量汽車應(yīng)保證第I檔的動(dòng)力因數(shù)DImax=0.300.40，以使之能夠克服較大的坡度阻力，直接檔的動(dòng)力因數(shù)D0max應(yīng)為0.05 0.06（而Dvmax應(yīng)為0.030.035），以免經(jīng)常換檔，降低高檔的利用率而使經(jīng)濟(jì)性降低，即對(duì)于載重汽車，第I檔行駛時(shí)應(yīng)能產(chǎn)生1.702.0m/s2的加速度，而最高檔時(shí)應(yīng)能產(chǎn)生0.250.5m/s2的加速度，這也是保證汽車的機(jī)動(dòng)性和生產(chǎn)率所必須的。

16、 二、改善經(jīng)濟(jì)性匹配的途徑 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性上的100%bemin曲線是發(fā)動(dòng)機(jī)不同功率時(shí)的最經(jīng)濟(jì)油耗線，汽車的使用油耗g100不僅與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率be有關(guān)，而且還與傳動(dòng)系參數(shù)及道路行駛阻力有關(guān)。當(dāng)r、i0不變時(shí)，g100的最小值是在igbepe三者之積為最小時(shí)取得，bemin往往并不是g100最低處，不同情況下，汽車的節(jié)油效果是不同的，下面分析不同情況下汽車的經(jīng)濟(jì)性匹配。 第一種情況：若行駛要求的功率Pe和車速Va都不變，則g100的變化率與be的變化率相同。A點(diǎn)：g100=20kg/100kmB點(diǎn)：g100=18.14kg/100kmB點(diǎn)比A點(diǎn)降低9.6%AB 第二種情況：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持

17、不變，改變傳動(dòng)比ig使發(fā)動(dòng)機(jī)處于bemin工況下工作，此時(shí)，ig變小，be減小，而pe增大，igbepme的乘積并不一定降低。A點(diǎn)：ik=0.81g100=13.77kg/100kmB點(diǎn)： ik=0.595g100=17.98kg/100kmB點(diǎn)比A點(diǎn)增加30.57% AB 第三種情況：通過增加裝載噸位或帶拖掛來利用較高的功率，使車速Va不變，即 ig、i0、r、n均不變，以降低噸百公里油耗L/t100km 增加噸位或帶拖掛時(shí)，T增大，牽引力Ft增大，pme增大，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率提高，be可能減?。籦e/T減小，實(shí)際上pme的增大一般低于be/T的減小，因此，噸百公里油耗相應(yīng)地減小。例如：車速50

18、km/h，滿足牽引力需求的最大載重14.6噸,g100為1.677kg/t.100km, 載重5噸g100為2.754kg/t.100km，變化39.1%。 第四種情況：如果設(shè)法把發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性的低油耗區(qū)變至中等轉(zhuǎn)速的較低負(fù)荷區(qū)，則無論從生產(chǎn)率和g100都將獲得很大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，改善汽車經(jīng)濟(jì)性匹配的有效途徑之一就是使發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)位于常用排擋、常用車速區(qū)。（這必須通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒（熱）效率和機(jī)械效率，改善低負(fù)荷和中等轉(zhuǎn)速的工作過程來實(shí)現(xiàn)）。 三、經(jīng)濟(jì)車速與實(shí)用車速汽車的g100min總是位于車速較低處，此時(shí)的車速稱為經(jīng)濟(jì)車速。汽車總是工作在經(jīng)濟(jì)車速是否就是最好呢？使汽車既省油而生產(chǎn)率也高的車速才是比較理想的車速，稱為“實(shí)用車速”。按節(jié)油且生產(chǎn)率又較高的要求，“實(shí)用車速”時(shí)應(yīng)使g100/Va的比值極小值。圖中，在平道行駛時(shí)V檔的實(shí)用車速約為50km/h，IV檔的行為52km/h，檔的約為34km/h，這與解放牌汽車的實(shí)際常用