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合肥工业大学车辆工程系 祝安定

车辆理论. 第二章. 汽车的燃油经济性. 合肥工业大学车辆工程系 祝安定. 车辆理论. 汽车燃油经济性的评价指标 汽车燃油经济性的计算 影响汽车燃油经济性的因素 新一代高效率节能汽车的研究. 车辆理论. 一.引言 能源、环境和可持续发展 是当今全球最热门的话题。经济的发展，发展中国家的迅速工业化和城市化，汽车工业的快速发展和全球范围的激烈竞争，造成大城市人口集中、交通拥挤、环境恶化，石油资源的大量消耗。 迄今为止，人类仍然没有发现能够替代汽车的产品。 节能和环保 自然成为汽车技术发展的主要方向之一。

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Presentation Transcript

  1. 车辆理论 第二章 汽车的燃油经济性 合肥工业大学车辆工程系 祝安定

  2. 车辆理论 • 汽车燃油经济性的评价指标 • 汽车燃油经济性的计算 • 影响汽车燃油经济性的因素 • 新一代高效率节能汽车的研究

  3. 车辆理论 一.引言 能源、环境和可持续发展是当今全球最热门的话题。经济的发展，发展中国家的迅速工业化和城市化，汽车工业的快速发展和全球范围的激烈竞争，造成大城市人口集中、交通拥挤、环境恶化，石油资源的大量消耗。 迄今为止，人类仍然没有发现能够替代汽车的产品。节能和环保自然成为汽车技术发展的主要方向之一。 传统燃油汽车在历史上的辉煌和今后发展的前景，能源和环境问题使人们对代用燃料汽车寄予希望。电动汽车以及以混合动力和燃料电池汽车为代表的新一代电动汽车是目前和今后长远的发展方向。

  4. 车辆理论 汽车的燃油经济性 • 定义：在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力。 • 可以降低汽车的使用费用、节省石油资源；同时也降低了发动机产生的CO2。 • 发动机的燃油消耗率与排放污染密切相关

  5. 车辆理论 第一节 汽车燃油经济性的评价指标 • 衡量标准：一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量；一定燃油量能使汽车行驶的里程 • 我国及欧洲：L/100km • 美国：mile/Usgal MPG 1 gal=3.78L (US) 1 gal=4.545L (UK)

  6. 车辆理论 等速百公里燃油消耗量曲线 汽车燃油经济性的评价指标 • 等速行驶百公里燃油消耗量：汽车在一定载荷下，以最高档在良好水平路面上等速行驶100km的燃油消耗量。

  7. 车辆理论 汽车燃油经济性的评价指标 复杂工况燃油消耗的计算方法 • 欧洲城市(Economic Commission for Europe) 循环行驶试验工况: 规定了ua-t行驶规范，如换挡时机、制动时机等，多在室内汽车底盘测功机(转鼓试验台)上进行测试

  8. 车辆理论 汽车燃料经济性试验方法 测定汽车燃料经济性的试验方法有多种。根据对各种使用因素的控制程度，试验方法可分为以下几类： • 不加控制的道路试验； • 控制的道路试验； • 道路循环试验(包括等速油耗、加速油耗、制动油耗、怠速油耗等)； • 室内实验，如汽车底盘测功机(即转鼓试验台)上的循环试验。

  9. 车辆理论 用汽车测功机测量的油耗有以下优缺点 室内试验可不受外界气候条件的限制,由于能控制试验条件，可对不同气温条件的汽车工况进行模拟试验,周围环境影响的修正系数可以减到最少 便于控制行驶状况，故能采用符合实际的复杂循环 可以同时进行燃料经济性与排气污染试验；能采用多种测量油耗的方法。测量油耗的重复性好 不易准确地确定道路滚动阻力与汽车空气阻力 室内冷却风扇产生的冷却气流与道路上行驶时的实际情况有差异 难以给出准确的惯性阻力。

  10. 车辆理论 汽车燃油经济性的评价指标 美国(Environmental Protection Agency) 燃油经济性的综合评价指标 城市循环工况UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule ) 公路循环工况HWFET (HighWay Fuel Economy Driving Schedule )

  11. 车辆理论 汽车燃油经济性的评价指标 • 我国商用车和乘用车的路上行驶循环工况 货车为六工况，客车为四工况，轿车为十五工况

  12. 车辆理论 汽车燃油经济性的评价指标 各国家制定控制燃油消耗的法规 美国：轿车CAFE（Corporate Average Fuel Economy）,一个公司全部销售轿车的平均燃油经济性 2007年12月美国新《能源法案》，2020年，35mpg 2008年CAFE标准: 2015年31.8 mpg 奥巴马:2027年50 mpg

  13. 车辆理论 汽车燃油经济性的评价指标 碳平衡法计算燃料消耗量 • 质量守恒：汽(柴)油经过发动机燃烧后,排气中碳质量的总和与燃烧前的燃油中碳质量总和应该相等 • 汽油车:FC=0.1554(0.866HC+0.429CO+0.273CO2)/D • 柴油车:FC=0.1555(0.866HC+0.429CO+0.273CO2)/D 式中:FC为燃油消耗量(L/100km); HC为碳氢排放量 (g/km);排放量CO(g/km);排放量CO2(g/km)；D为288K(15°C)下的燃油密度(kg/L)

  14. 车辆理论 第二节 汽车燃油经济性的计算 1.等速行驶工况燃油消耗量的计算 • 根据ua及阻力功率P，在万有特性图上（利用差值法）可确定相应的燃油消耗率b。从而可算出以该车速等速行驶时单位时间内的燃油消耗量Qt(mL/s)

  15. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 1.等速行驶工况燃油消耗量的计算 （3600/9.8=367.1） （mL/s） 等速行驶S(m)的燃油消耗为 b—燃油消耗率[g/(kw·h)] r—燃油的密度（kg/L） （mL） 等速百公里燃油消耗Qs： （L/100km）

  16. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 2. 等加速行驶工况燃油消耗量的计算 • 在汽车加速行驶时，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（m/s2），则发动机提供的功率P（kW）应为

  17. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 2. 等加速行驶工况燃油消耗量的计算 • 下面计算由ua1以等加速度加速行驶至ua2的燃油消耗量，如图所示。 图 等加速过程的燃油消耗量计算

  18. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 2. 等加速行驶工况燃油消耗量的计算 • 把加速过程分隔为若干个区间，例如按速度每增加1km/h为一个小区间，每个区间的燃油消耗量可根据其平均的单位时间燃油消耗量与行驶时间之积来求得。各区间起始或终了车速所对应时刻的单位时间燃油消耗量Qt(mL/s)，可根据相应的发动机发出的功率与燃油消耗率求得 而汽车行驶速度每增加1km/h所需时间Δt(s)为

  19. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 2. 等加速行驶工况燃油消耗量的计算 • 从行驶初速ua1加速至ua1+1km/h所需燃油量（mL）为 式中： Qto为行驶初速ua1时，即t0时刻的单位时间燃油消耗量（mL/s）； Qt1为车速为ua1+1km/h时，即t1时刻的单位时间燃油消耗量（mL/s）。

  20. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 2. 等加速行驶工况燃油消耗量的计算 • 由车速ua1+1km/h再增加1km/h所需的燃油量（mL）为 式中： Qt2为车速为ua1+2km/h时，即t2时刻的单位时间燃油消耗量（mL/s）。

  21. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 2. 等加速行驶工况燃油消耗量的计算 • 依此，每个区间的燃油消耗量为 式中： Qt3、Qt4,…，Qtn为t3，t4，…，tn各个时刻的单位时间燃油消耗量（mL/s）。

  22. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 2. 等加速行驶工况燃油消耗量的计算 • 整个加速过程的燃油消耗量（mL/s）为 或 • 加速区段内汽车行驶的距离（m）为

  23. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 3 等减速行驶工况燃油消耗量的计算 • 减速行驶时，油门松开（关至最小位置）并进行轻微制动，发动机处于强制怠速状态，其油耗量即为正常怠速油耗。所以，减速工况燃油消耗量等于减速行驶时间与怠速油耗的乘积。减速时间（s）为 式中： ua2、ua3为起始及减速终了的车速（km/h）； 为减速度（m/s2）。

  24. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 3 等减速行驶工况燃油消耗量的计算 • 减速过程燃油消耗量（mL）为 式中： Qi为怠速燃油消耗率（ml/s）。 • 减速区段内汽车行驶的距离（m）为

  25. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 4. 怠速停车时的燃油消耗量 若怠速停车时间为ts（s），则燃油消耗量（mL）为

  26. 汽车燃油经济性的计算 车辆理论 5. 整个循环工况的百公里燃油消耗量 • 对于由等速、等加速、等减速、怠速停车等行驶工况组成的循环，在整个试验循环的百公里燃油消耗量（L/100km）为 式中： ΣQ为所有过程油耗量之和（mL）； S为整个循环的行驶距离（m）。

  27. 车辆理论 第三节 影响汽车燃油经济性的因素 • 由上节可知，汽车等速百公里燃油消耗量为 或 式中： C为常数； F为行驶阻力， 由上式可知，等速百公里燃油消耗量正比于等速行驶时的行驶阻力与燃油消耗率，反比于传动效率。

  28. 车辆理论 影响汽车燃油经济性的因素 • 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；另一方面与汽车行驶时发动机的负荷率有关。从万有特性图可知，发动机负荷率低时，b值显著增大。

  29. 车辆理论 一 使用方面 （一）行驶车速：中等车速时，燃油消耗量最低 （二）档位选择：尽量使用高档 （三）挂车的应用： 拖带挂车后节省燃油的原因有二个： ① 带挂车后Ff↑，发动机的负荷率↑，b↓ ② 汽车列车的质量利用系数（即装载质量与整车整备质量之比）较大。

  30. 车辆理论 使用方面 （四）正确的保养与调整 汽车的调整与保养会影响到发动机的性能与汽车行驶阻力，所以对百公里油耗有相当的影响。一般驾驶员常用滑行距离来检查底盘的技术状况。

  31. 车辆理论 二 汽车结构方面 （一）增减轿车总尺寸和减轻质量 • 大型轿车废油的原因是大幅度的增加了滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力。为了保证高动力性而装用的大排量发动机，行驶中负荷率大也是原因之一。 • Ulrich Seiffert 先生以Volkswagen Golf轿车为基础，认为一辆轿车的质量若能较少10%，按美国综合循环油耗计，可节油3%-4%。 • 货车中“质量利用系数”越大，则制造中的消耗材料减少，运输中的油耗与成本都将降低。现在中吨位货车的质量利用系数有的已超过了1.4。

  32. 车辆理论 （二）发动机 • 提高发动机燃油经济性的途径有 ： 1)提高现有汽油发动机的热效率与机械效率 2)扩大柴油发动机的应用范围 3)增压化 4)电控技术的应用

  33. 车辆理论 （三）传动系 • 传动系的档位增多后，增加了选用合适档位使发动机处于经济工作状况的机会，有利于提高燃油经济性。

  34. 车辆理论 （四）汽车外形与轮胎 • 目前认为，在CD值降至0.25以前，降低CD值是节约燃料的有效途径。目前CD值最低可达0.2左右。 • 汽车对轮胎提出各种要求，如耐磨性，耐久性及要求它保证动力、经济等各种使用性能。现在公认子午线轮胎的综合性能最好。由于它的滚动阻力小，与一般斜交轮胎相比，可节油6%-8%。

  35. 车辆理论 第四节 新一代高效率节能汽车的研究 • 当前汽车技术的发展动向常概括为：“高效率、低排放、性能优、价格低”美国在1993年成立了“新一代汽车伙伴关系”（Partnership of A New Generation of Vehicles 简称PNGV）。 指标：三大公司相应产品燃油经济性指标提高3倍（至2004年） 26.6mile/gal——80mile/gal 8.848L/100km——3L/100km

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  41. 车辆理论 混合动力汽车节能降耗的技术措施 • 采用混合动力的电力驱动装置； • 制动能耗回收利用装置； • 发动机改进； • 大幅度降低汽车整备质量、滚动阻力系数、空气阻力系数及附属设备能耗等。

  42. 车辆理论 一 混合动力电动汽车效率高的原因 1）小的发动机+电动机/发电机作为动力源。 2）混合动力系统中的Enginge不要求过高的升功率和很好的动态特性（指节气门急剧开大时立即提供大转矩的特性），可以按最高热效率的原则设计。 3）混合动力车在停机与低速滑行情况下关机，节省燃油。 4）混合动力中在制动或滑行中能够进行能量回收。 5）大量使用新材料、新工艺、新结构。 6）减少汽车装备质量、滚动阻力系数与空气阻力系数。

  43. 车辆理论

  44. 车辆理论 1）串联式HEV（SHEV） 由于Engine与驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于市内频繁的起步、加速和低速运行工况，可以使发动机稳定于高效区或低排放区工作。但动力传动系的效率低，能量需要经二次转换。

  45. 车辆理论 • 2）并联式HEV 发动机和电动机分别独立地向汽车驱动轮提供动力。效率高，要维持发动机在最佳区工作则控制系统和控制策略等较复杂。

  46. 车辆理论 电动/发电机 变速器 驱动桥 内燃机 电池 逆变器 日本本田公司的Insight结构图

  47. 车辆理论 并联式混合动力系统常见结构 • 单轴式结构

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