（车辆工程专业论文）提高在用车辆燃油经济性的试验研究.pdf

火连理一j ：大学专业学位硕士学位论文 摘要 在广泛收集国、内外汽车节油概况资料的基础上，本文系统地论述和分析了汽车节 油的基本原理，其中包括发动机节油原理与节油途径、主要的发动机节油技术、整车节 油原理和节油途径。通过近几年的汽车保有量的变化，利用回归分析得出预测公式，对 未来几年的我国的汽车保有量进行了预测，进一步证明了节油的重要性。对在用车辆的 燃油经济性的影响因素进行了分析和研究，主要包括汽车结构、新型燃料、节能新技术、 汽车维修质量、使用因素和人们的节油意识等。通过试验，对使用因素对在用车辆的燃 油经济性的影响进行了研究与分析，得出了一些具有实际指导意义的使用操作规程。在 驾驶操作方面，应尽量做到发动机能一次起动成功；对燃油喷射汽车，起动时不要踩油 门踏板；低温起动前需要预热发动机；车辆停放应注意保温，避免车辆温度过低；保持 蓄电池有足够的容量与端电压，车辆充电系应保持良好的工作状态；一旦起动，应立即 转入怠速运转。起步过程中，发动机转速应低而平稳变化，车速不要突变。平路起步后， 应尽快循序换入高速档；换档时应脚轻手快，平稳而迅速。坚持中速行驶，尽量采用经 济车速。行车中应注意车辆保温，保证发动机工作温度为8 0 9 0 。为了节油，可以 适当进行滑行，并必须确保安全。燃料、润滑油和齿轮油应以使用手册为选择依据或根 据发动机的结构参数和负荷的大小来选择。润滑油的粘度应尽可能减小。试验表明，发 动机使用5 w 3 0 比用1 5 w 4 0 平均节油约3 7 ；后桥齿轮油以8 5 w 9 0 或8 0 w 9 0 代替 1 4 0 号齿轮油，节油率可达3 左右。对于加有清净剂的燃油，再添加清净剂，效果并不 明显，并会增加费用。使用摩宝磁性金属处理剂对富康轿车进行的试验表明，使用发动 机润滑油添d ! ：i t f u 的节油率约为6 2 。因此建议有选择的使用发动机润滑油减摩节能添加 剂。 关键词：在用汽车；燃油经济性：节油原理；使用因素；试验研究 宋进棒：提高在_ i ； j 车辆燃油经济性的试验研究 e x p e r i m e n tr e s e a r c hf o ri m p r o v e m e n to ff u e le c o n o m y o fi n 。u s ev e h i c l e s a b s t r a c t t h es y s t e m a t i c a la n a l y s i sf o rt h eb a s i ce n e r g y s a v i n gp r i n c i p l e si sm a d ei nt h et h e s i s ，o n t h eb a s i so ft h ec o l l e c t i o no ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g ne n e r g y - s a v i n gi n f o r m a t i o no nv e h i c l e s t h e s ep r i n c i p l e si n c l u d et h em e c h a n i s m m e a n sa n dt e c h n o l o g yf o re n g i n e sa n dv e h i c l e s t h e t o t a ln u m b e r so fv e h i c l e si nu s ei nt h ef u t u r ey e a r si no u rc o u n t r ya r ep r e d i c t e d ，b yr e g r e s s i o n a n a l y s i s t ot h ev e h i c l en u m b e r si nt h en e a r p a s ty e a r s t h er e s u l t s s h o wt h a tv e h i c l e e n e r g y - s a v i n gi sv e r yi m p o r t a n ta n ds h o u l dn o tb ei g n o r e d t h ef a c t o r s s u c ha sv e h i c l e c o n s t r u c t i o n ，n e wf u e l s ，e n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g i e s ，s e r v i c eq u a l i t y ，v e h i c l eo p e r a t i o na n d o p e r a t o r ss e n s eo ff u e l s a v i n g ，t h a ta f f e c to nt h ee c o n o m yo fv e h i c l ei nu s e ，a r er e s e a r c h e d a n da n a l y z e d e s p e c i a l l y ，t h ee f f e c to fo p e r a t i o no nf u e le c o n o m yo fv e h i c l ei nu s ei sa l s o r e s e a r c h e d ，s ot h eo p e r a t i n gp r o c e d u r e st h a ta r ep e r f o r m e dt oh e l pd e c r e a s ef u e lc o n s u m p t i o n i np r a c t i c ea r ef o u n d t h em a i no p e r m i n gp r o c e d u r e sa r e ：s t a r tu pt h ee n g i n ea so n c ea s p o s s i b l e ，d o n td e p r e s st h ea c c e l e r a t i o np e d a lw h e nf u e l i n j e c t e de n g i n e sa r es t a r t e d ；h o l dt h e b a k e r yi nf u l l c h a r g ec o n d i t i o na n dc h a r g i n gs y s t e mi nn o r m a lo p e r m i n gc o n d i t i o n ；m a i n t a i n e n g i n es p e e dl o wa n di t sc h a n g ee v e n l yw h e nv e h i c l ei ss t a r t e d ；s h i f tu pt h ev e h i c l ei n s e q u e n c ea f t e rt h ev e h i c l eh a v es t a r t e do na l e v e la n ds t r a i g h tr o a d ，d r i v ea tam o d e r a t es p e e d ， a n dc o a s ti no r d e rt os a v ef u e lw h e np o s s i b l e ；m a i n t a i nt h ee n g i n et e m p e r a t u r ew i t h i nar a n g e o f8 0 一9 0 d u r i n gr u r m i n g ；s e l e c tc o r r e c t l yf u e l ，e n g i n eo i la n dg e a ro i l ，a c c o r d i n gt ot h e s u g g e s t i o no fv e h i c l em a n u f a c t u r e s c o n f i g u r a t i o na n di t sp a r a m e t e r s , a n dw o r k i n gl o a d n e l o w e rv i s c o s i t ye n g i n eo i la n dg e a ro i li ss e l e c t e d ，t od e c r e a s et h ed r a gt oa c to nt h em o v i n g p a r t sc o n t a c t e dt oe a c ha n o t h e r a p p l i c a t i o no f e n e r g y - s a v i n ga n da n t i f r i c t i o na d d i t i v e st ot h e e n g i n eo i l i sr e c o m m e n d e d k e yw o r d ：v e h i c l ei nu s e ；f u e le c o n o m y ；e n e r g y - s a v i n gp r i n c i p l e s ；o p e r a t i n gf a c t o r s ； e x p e r i m e n tr e s e a r c h 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 作者签名：猫醴盔： ：日期：童丝丝? 大连理工人学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 鏖堂丝 皂婴年土月旦日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 提高在用车辆燃油经济性的试验研究 1 1 本课题研究的目的和意义 汽车是人类文明进步的象征。在发达国家，汽车已经成为重要的代步工具，现在， 全世界汽车保有量已达8 亿多辆。在我国，小型轿车正在迅速进入百姓家庭。当前，我 国的汽车保有量己达2 8 0 0 多万辆。到2 0 1 0 年，我国汽车保有量将超过6 0 0 0 万辆“1 。 随着汽车的普及，它所带来的能源消耗、环境污染和交通事故的问题日渐突出。因 此，汽车的节能、低污染和安全性是当前也是未来汽车发展的三大主题。汽车产量和保 有量的大幅增加，使得汽车消耗的燃油量与曰俱增，汽车己成为石油消耗量最大的运输 工具。在我国，2 0 0 2 年的汽车保有量已达2 0 7 0 万辆，而当年我国原油产量为1 6 亿 吨，进口石油则超过7 2 0 0 万吨，汽车用汽油的消耗量占我国汽油产量的8 7 ，车用柴油 消耗量占柴油产量的2 1 。我国的能源供给形势并不乐观，随着汽车保有量的增加，车 用燃料将越来越多地依赖进口。国际上油气资源丰富的地区，大多形势都动荡不稳。另 外，汽车保有量的增加，还使大气质量状况不断恶化。因此，研究如何提高汽车燃油经 济性，不仅能减少石油资源的消耗，对减缓我国对进口石油的依赖性，保持国民经济的 持续平稳发展，改善大、中型城市的空气质量，都具有重要的意义，而且对降低汽车拥 有者和汽车使用者的燃油费用也具有重要的价值。 1 2 国内外汽车节油概况 1 2 1 国外汽车节油概况 汽车节油受到了世界各国的广泛重视，许多国家都制定了相关政策。工业发达国家 对节能非常重视，将节能看作是第五能源( 除煤炭、石油、水电、核能四大能源之外的 第五能源) 。 1 9 7 5 年，美国颁布了1 9 7 8 1 9 8 8 年小客车油耗法规。此法规规定小客车的油耗到 1 9 8 5 年要比1 9 7 5 年下降3 1 5 。1 9 8 5 年，美国出台了新的油耗法规，规定小客车油耗 到1 9 9 5 年要比1 9 8 5 年下降1 2 5 ，轻型载货汽车油耗到1 9 9 5 年要比1 9 8 5 年下降7 1 。 为了满足新的法规，美国各大汽车公司投入大量研究经费，研究降低汽车油耗的技术。 宋进桂：提高在用车辆燃油经济性的试验研究 美国实施燃料经济性法规后，仅在2 0 0 1 年年就节约了1 9 1 亿吨原油和9 2 0 亿美元的 费用。 日本所需石油全部依靠进口，因此同本自2 0 世纪6 0 年代起就高度重视发展节能型 汽车。1 9 7 9 年2 月，日本颁布了小客车油耗法规，规定小客车平均油耗到1 9 8 5 年要比 1 9 7 8 年下降1 1 4 。1 9 8 8 年，日本新油耗法规规定，小客车平均油耗到1 9 9 5 年要比1 9 8 6 年下降6 2 。到2 0 0 5 年，燃用柴油的客车其燃料经济性将达到8 6 l 1 0 0 k m ，比1 9 9 5 年提高了1 6 。至02 0 1 0 年，燃用汽油的客车其燃料经济性将达到6 6 l 1 0 0 k m 。比1 9 9 5 年提高2 2 8 0 1 。 1 9 7 4 年，法国政府成立了国家能源机构。1 9 7 5 年法国中央计划委员会制定了法国 的“能源政策”。1 9 9 1 年，法国政府向标志一雪铁龙公司和雷诺公司投资2 3 亿法郎， 共同生产电动轿车。 各国能源法规的制定与实施，推动了节能技术的快速发展，形形色色的节能新技术、 新装置、新材料应运而生或得以迅速发展。汽油机电子控制燃油喷射、缸内汽油喷射、 柴油机高压共轨电子喷油技术、闭缸节油、分层充气、稀燃技术、柴油掺水、计算机控 制点火、全铝发动机、无级变速器、汽车导流罩、子午线轮胎等都是节能技术研究成果 的典型例子。 1 2 2 国内汽车节油概况 1 9 8 6 年1 月，国务院颁布了节约能源管理暂行条例，这是我国第一部节约能源 的管理办法。1 9 9 0 年1 2 月8 日，国务院第六次节能办公会议确定，从1 9 9 1 年开始，每 年举行一次“全国节约宣传周”活动，以增强全民节能意识。 1 9 9 8 年，国务院颁布了中华人民共和国节约能源法，从此把我国的节能工作纳 入了法制化的轨道。 近些年来，由于引进、吸收了园外一些先进技术，汽车制造部门为降低汽车油耗， 进行了大量的试验和改进国产汽车结构工作，有的已在生产过程中广泛应用，并取得了 明显的成效。第一汽车制造厂生产的c a l 0 9 1 系列载货汽车的低速转矩比原有车型提高 了1 3 ，最大功率提高了1 5 ，燃油经济性提高了3 5 5 ；长春一汽一大众引进 德国轿车发动机技术，采用的五气阀式的发动机，降低了进气阻力，改善了换气性能， 获得了良好的节能效果；第二汽车制造厂生产的东风e q l 0 9 0 系列载货汽车，节能效果 明显：北京吉普越野汽车加装前桥离合器后，可节油2 3 。 各汽车厂家引进或合作生产的新型轿车广泛采用电控汽油喷射技术，使国产轿车的 技术水平和节能水平上了一个台阶。在汽车使用与管理方面，交通部汽车运输业车辆 大连理工大学专业学位硕士学位论文 技术管理规定，对车辆报废、技术改造，合理使用，汽车柴油机化，汽车维护和检测 智能化手段，以及各种节能装置的研究、推广、应用方面作了明确的规定。这标志着我 国汽车节能技术己向纵深发展。 2 0 0 4 年6 月1 日出台的新的汽车产业发展政策提出：“汽车产业及相关产业要 注重发展和应用新技术，提高汽车的燃油经济性。2 0 1 0 年前，乘用车新车平均油耗比 2 0 0 3 年降低1 5 以上。要依据有关节能方面技术规范的强制性要求，建立汽车产品油 耗公示制度”“1 。该政策对降低乘用车燃油消耗提出了明确的目标。新的汽车产业发 展政策对商用汽车的节能虽未提出明确的要求，但商用汽车制造商和用户面临着降低 燃泊消耗的强大压力，因为石油资源日趋紧张，油价不断上扬，商用汽车用户也不得不 考虑节油问题，以便降低运营成本。今年，国家又提出建立节约型社会，人们的节能意 识在不断加强。 由此可见，我国的汽车节油也正在受到政府的重视，制造厂商在政策和法规的压力 推动下，必须不断采用新技术，不断降低油耗，才能在激烈的市场竞争中获取一席之地。 1 3 本课题研究的问题 从前面的介绍可以看出，在汽车节能方面，国内外的有关节油法规主要是针对制造 领域而制定。实际上，汽车节油与汽车的使用也是密切相关的。虽然，在汽车的使用领 域，许多机构和专家也进行了研究，并取得了不少的有价值的成果，但是与制造领域相 比，人们对汽车使用领域的研究的重视程度还不够，研究成果多是经验总结，对生产实 际的指导意义不够强。在我国，汽车正在成为重要的交通工具，特别是小型轿车正在进 入家庭。因此，研究如何正确使用在用车辆( 特别是新型汽车) ，实现节能降耗，具有 现实意义。 本课题主要通过试验的方法，研究现代新型轿车的燃油经济性的影响因素，特别是 使用因素对现代轿车燃油经济性的影响，旨在寻找使用因素与燃油经济性之间的内在联 系，总结建立以节油为基础的实用的新型汽车使用规程。 宋进桂：提高在用车辆燃油经济性的试验研究 2 汽车节油原理 2 1 汽车节油效果的评价指标 采取节油措施后，可用节油率来评价节油效果的好坏。 f = 髻1 0 0 ( 2 1 ) 式中：况r 一采取节油措施前的耗油量( k g h ) ； 卜采取节油措施后的耗油量( k g h ) 。 节油率也可以用下式表示： h e o - h e f = f 1 0 0 ( 2 2 ) 式中：挽，一采取节油措施前的油耗( k g k w h ) ； 卜采取节油措施后的油耗( k g k w h ) 。 2 2 发动机节油原理 2 2 1 发动机特性 ( 1 ) 发动机速度特性 发动机的有效功率只、有效转矩，和燃油消耗率魔随曲轴转速7 而变化的规律，叫 做发动机的速度特性。节气门在小开度、中等开度和全开时，所得到的速度特性曲线见 图2 1 。节气门开度最大时所得的组特性曲线称为发动机外特性曲线。节气门在其他 开度情况下所得到的特性曲线被称为部分特性曲线。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 1 汽油机速度特性 s p e e dc h a r a c t e r i s t i c so fg a s o l i n e e n g i n e ” 图2 2 柴油机的速度特性 f i g 2 2s p e e dc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e le n g i n e 汽油机的速度特性如图1 1 所示。由图可见，发动机最小比油耗6 相应的转速 m 介于最大转矩的转速门和最大功率的转速m 之问，即居于发动机某一中间转速。并且 随转速的不断增加，比油耗如曲线上翘幅度加大。节气门开度愈小，则比油耗瑰曲线的 弯曲度愈大。柴油机的速度特性如图2 2 所示。 ( 2 ) 发动机负荷特性 鳘 宋进桂：提高在用车辆燃油经济性的试验研究 在转速一定的情况下，发动机经济性能指标( 单位耗油量及燃油消耗率随负荷 的变化而变化的关系叫做发动机负荷特性。用于表示负荷特性的曲线被称为负荷特性曲 线。发动机在不同转速下有不同的负荷特性曲线，但其变化趋势是一样的。 负荷特性反映着发动机在不同负荷下运行的燃料经济性。在负荷特性曲线上，良点 越低说明发动机的经济性越好。同时，要使汽车在大部分运行条件下都能保证具有较好 的燃料经济性，还应要求玩曲线变化比较平缓，弯曲度越小越好。这一点对经常在中、 小负荷下运行的汽车用发动机尤为重要。 汽油机的负荷在7 0 8 0 时，比油耗院最低。汽油机和柴油机的负荷特性曲线 见图2 3 和图2 4 。柴油机的良曲线比汽油机变化平缓，加之柴油机热负荷高，比油耗 玩比汽油机低2 0 3 0 ，这就是柴油机汽车比汽油机汽车省油的原因。 图2 3 汽油机负荷特性 大连理工大学专业学位硕士学位论文 | 女转? 图2 4 柴油机负荷特性 f i g 2 4l o a dc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e le n g i n e ( 3 ) 发动机万有特性 对于工况变化大的车用发动机，要分析各种工况下的性能，就需要在一张图上全面 表示出内燃机性能。这种发动机的多参数特性称为万有特性。 万有特性曲线的最内层燃油消耗率良最低，越向外燃油消耗率6 。值越高。最低油耗 率6 。区域越宽，经济性越好。 对于车用发动机而言，经济区最好在万有特性的中问位置，这样可使常用转速和常 用负荷落在最经济区域内。另外，人们希望等燃油消耗率玩曲线沿横坐标方向跨度大， 这样，在发动机负荷变化不大，而转速变化较大的情况下工作时，燃油消耗率变化较小。 1 ) 汽油机的万有特性。汽油机万有特性( 见图2 5 ) 的特点是：最低耗油率偏高，经 济区域偏小；等耗油率曲线在低速区向大负荷收敛，这说明汽油机在低速、低效率时的 耗油率随负荷的减小而急剧增大。在实际应用中，应尽量避免使用这种情况；汽油机的 等功率曲线随转速升高而斜穿等耗油率曲线，转速越高越费油。因此，在实际应用中， 当汽车等功率运行时，驾驶员应尽量使用高速档，以便降低发动机转速，实现节油。汽 油机变负荷时，平均耗油率偏高。 宋进桂：提高在用车辆燃洒经济性的试验研究 k 一f 幡2 薯k r o 啦r 蕞强o ，：，拍 “黧霉巨筻拶罨港 簿粤_ 降至l ，：萋謦乏长利 图2 ，5 汽油机万有特性 f i g 2 5u n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i c so fg a s o l i n ee n g i n e 2 ) 柴油机的万有特性。与汽油机相比，柴油机万有特性具有以下特点：最低耗油率 偏低，并且经济区域较宽；等耗油率趋线在高、低速均不收敛，变化比较平坦。柴油机 相对汽车变速工况的适应性好；等功率曲线向高速延伸时，耗油率的变化不大，所以采 用低速档时，柴油机的转矩和功率储备较大。在使用中，以柴油机为动力的汽车可以长 时间使用低速档。 2 2 。2 发动机节油途径与节油原理 ( 1 ) 提高发动机机械效率 由发动机原理可知，发动机的指示功率只和机械效率韫分别为： 只= 只+ 只( 2 3 ) 拂2 鲁一鲁 c z n ， 或 枷= 鲁一鲁 汜s ， 或拂= i 一旦2( 2 6 ) p m 式中，厅一发动机的有效功率； 卜发动机的机械损失功率； 矿发动机的有效功； 肜发动机的指示功； 8 大连理_ f _ 大学专业学位硕士学位论文 即乙发动机的机械损失功； p 。气缸的平均机械损失压力； p 。气缸的平均指示压力。 由上面4 个公式可见，减小只、p ，均可提高机械效率，因而也就提高了 燃油经济性。 发动机的机械损失主要包括机械摩擦损失、附件消耗损失和泵气损失三个部分。 机械摩擦损失主要包括活塞组件的摩擦损失、轴承( 主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴 承) 摩擦损失、配气机构摩擦损失及传动摩擦损失等。适度减小活塞环的截面尺寸、弹 力，适度减小曲轴轴颈的直径和宽度，保持良好的润滑，采用低粘度优质润滑油，尽量 形成流体摩擦，这些措施对减小机械摩擦损失都是有利的。 驱动冷却水泵、冷却风扇、机油泵、空调冷凝器风扇、发电机、空气压缩机等附件 均消耗发动机的功率。其中一些主要的耗能装置( 冷却风扇、空调压缩机等) 均应采用 控制装置( 离合器等) 并保持状况良好，以便不需要时将其切断，实现节油。 泵气损失是指在进、排气行程中，工质的流动时的节流和摩擦等因素所造成的能量 损失。减小进排气阻力，即可减小泵气损失。如采用多气门结构等。 影响机械效率的因素有：转速、负荷、润滑条件等。随着转速的升高，机械摩擦 损失和流体运动摩擦损失会增加，因而砺会下降。润滑油粘度对砺影响很大。应尽量选 用低粘度润滑油，以便改善起动时的润滑条件，并在运行中保持发动机的正常工作温度 8 0 9 0 。 ( 2 ) 提高充气效率 充气效率是指发动机在进气行程中实际进入气缸内的新鲜气体( 空气或可燃混合气) 的质量历与在进气状态f 充满气缸工作容积的气体质量现的比值，用聃来表示，即 ，7 y 2 嚣x 1 0 0 ( 2 7 ) 当燃料供给量一定时，聃提高可使混合气的浓度变稀，即过量空气系数缱当加大， 燃烧时供氧充分，改善燃烧条件，燃料能彻底燃烧，因而有利于燃油经济性能的提高。 提高臻的主要途径是： 1 ) 减小进气流动损失。如增大进气门直径，选择合适的排气门直径：采用多气门 ( 每缸4 气门，两个进气门，两个排气门) 结构；适当增大气门升程；采用较小的髟口 值( 短行程发动机) 。 2 ) 减小进气管道阻力。空气滤清器阻力应小，纸质滤芯空气滤清器阻力最小，还 应对空气滤清器进行定期维护：迸气管和进气道内壁应光滑，拐弯小。 3 ) 减小排气系统阻力。对排气系统的设计，既要考虑消声效果、排气净化效果， 又要兼顾排气阻力对发动机换气性能的影响。在使用中，要保持排气系统状态良好。 4 ) 对新鲜充气进行冷却。对自然吸气式发动机，保持发动机的正常温度，使发动 机不要过热，无需对进气进行冷却。但是，对增压式发动机来说，经过增压后，进气充 量温度升高而膨胀，使聃下降，因而需要用中冷器进行冷却。 5 ) 合理选择配气相位。气门迟关可充分利用进、排气流惯性，是进气量增加，排 气彻底：进气门早开和排气门迟关科减小节流损失；进、排气门迭开有利于燃烧室扫气 和对燃烧室零件的冷却。合理的配气相位能增加发动机进气量，提高玎v 。 一般发动机的配气相位是固定不变的，聃也只有在某一转速时才能达到最大值。因 此，将配气相位设计成可变的，并由计算机进行控制( 如本田的v t e c 、丰田的v v t i 等) ，可使枷在一个较大的转速范围上均可获得最佳值。 ( 3 ) 使毋。与发动机工况合理匹配 从发动机理论可知，当混合气的过量空气系数西。为1 1 ( 空燃比为1 6 6 ) 时，由 于氧分子较多，燃油分子能得到充分燃烧，因而燃油经济性最好；当混合气的过量空气 系数币。为o 8 8 ( 空燃比为1 3 2 ) 时，由于燃油分子较多，燃油燃烧速度较快，释放出 的热量多，因而功率最大，但经济性略差。考虑到发动机正常工作，应使西。在获得最 大功率和获得最低油耗的西艟之间，见图2 6 。 劳慧了、| f 、 “声三 | j ； ，f 多7 | ：0 4 06 0 8 0；l 珐0 。 托彘赫 慧遵 p m 能 。誊气洲， 鹱鲢，mi 书8 t 蔓“1 图2 6 理想的驴。随负荷的变化关系( 理想化油器特性) f i g 2 6i d e a lr e l a t i o no f 曲。v a r i n gw i t he n g i n el o a d ( i d e a lc h a r a c t e r i s t i c so fc a r b u r e t o r ) 卜最大功率曲线 2 一最佳燃油经济性曲线3 一理想化油器特性曲线 旧 瞄 蚪 守 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 对一台发动机的试验表明，过量空气系数西。由0 9 8 增为1 0 5 ( 空燃比从1 5 4 增 为1 5 4 ) ，燃油消耗率降低1 5 9 k w h ，见图2 7 。当西昶过1 _ 1 后，由于混合气过稀， 容易出现缺火，因而燃油消耗率迅速增加“3 。为了降低排放，现代轿车电控发动机一般 采用三元催化转换器，这就要求混合气的空燃比保持在理论空燃比( 1 5 7 ：1 ) 附近的很 小范围，即过量空气系数为0 9 7 1 0 3 。 j 。骢n 8 l + 搦 i ，f ；! 麓 眠 图2 7 庐对燃油经济性的影响( n = 3 0 0 0 r m i n ) f i g 2 7e f f e c to f 毋口o i lf u e le c o n o m y ( a tas p e e do f3 0 0 0 r m i n ) ( 4 ) 提高循环热效率 理论循环的热效率可用下式表示 对等容加热循环 萨，一六 对等压加热循环 栌一古黜 对混合加热循环 聃= l 上! 竺：二1 2 s 。 ( a 1 ) 十舰( p 一1 ) 】 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 宋进桂：提高在用车辆燃油经济性的试验研究 上面公式中，占为压缩比；r 为等熵指数；，毛为压力升高比，等压加热循环的五= 1 ； p 预膨胀比，等容加热循环的p = 1 。 从上面的公式可见，影响热效率讯的因素有压缩比s 、等熵指数r 、压力升高比丑 和预膨胀比p 。压缩比越大，热效率越高( 见图2 8 ) ；对混合加热循环，预膨胀比p 越 小，热效率越高，预膨胀比p = 1 即等容循环，热效率研高达0 5 7 5 ( 见图2 9 ) 。等熵 指数r 越大，热效率1 t 越高。 因此要提高循环热效率，以便提高燃油经济性，应从下述三个方面来考虑：一是尽 可能的提高压缩比：二是应使燃料尽可能在上止点附近燃烧，以便获得较高的等容度。 这样使实际循环能够向等容循环( 热效率高) 靠近。在实际使用中，也应创造条件( 如 保持正常的工作温度，良好的气缸密封性，使燃油充分雾化等) 使燃料迅速燃烧；三是 使用稀混合气，这是因为稀混合气的等熵指数值增大。 另外，考虑到发动机的实际循环，还应降低工质传热损失、早燃损失和后燃损失、 换气损失、不完全燃烧损失、缸内流动损失、工质泄漏损失，以便提高热效率，改善燃 油经济性。 2 2 3 发动机节油技术与节油装置 ( 1 ) 稀薄燃烧技术 从前面的分析可见，混合气越稀，等熵指数j f 越大，热效率耽越高。因此稀薄燃烧 ( l e a nc o m b u s t i o n ) 是一项非常有潜力的节油技术。采用稀薄燃烧的汽油发动机可以 燃烧极其稀薄( 空燃比a f 为1 8 以上，即西。为1 2 2 以上) 的混合气。 由于稀薄混合气的燃烧速度缓慢，使补燃增加甚至失火，因而使热效率和燃油经济 性下降。因此，采用稀薄燃烧必须解决燃烧速度问题。 1 ) 采用均质稀薄混合气稀薄燃烧技术 对这种情况，应通过预热混合气，提高进气流速，对汽油进行磁化等措施，使汽油 充分雾化，确保混合气混合均匀和各缸分配均匀，以免造成失火和燃烧不稳定现象；同 时，为了提高燃烧速度，应组织好缸内气体运动和提高压缩比；采用高能点火系统，使 用双火花塞，提高点火能量，确保稀薄混合气的可靠点火燃烧。 2 ) 分层充气技术 均质混合气稀燃技术主要不足是稀薄程度会受到混合气均匀度、点火能量等因素的 限制。而利用分层充气实现稀薄燃烧即可克服这个不足。分层充气可以使火花塞附近的 局部区域供给适宜点火( a f = - 1 2 1 3 4 ，即仉= 0 8 o 9 ) 的浓混合气，而在其他区域 大连理工大学专业学位硕士学位论文 供给非常稀的混合气，也可以实现稀混合气的燃烧。现代汽车发动机普遍采用电子控制 燃油喷射系统，这也给供给分层混合气提供了便利条件。 德士古t c p 分层燃烧系统( 图2 8 ) 将火花塞至于顺气流喷射的燃油油雾的浓 度最大的区域，因而实现分层燃烧。试验表明，采用该系统的汽油机的油耗达到了柴油 机的水平，比普通化油器式发动机减少3 0 。 福特的p r o c o ( p r o g r a m m e dc o m b u s t i o np r o c e s s ) 程控燃烧系统见图2 9 。布置在 气缸中心位置的喷油器提供低压、低贯穿力、大喷雾锥角的油雾，安装在喷油器附近的 火花塞周围有较浓的混合气。该系统配合切向或螺旋进气道和采用较大的挤气面积，因 而空燃比a f 可在1 2 2 0 之间变化，怠速时a f 高达6 0 。油耗不高于柴油机。三菱m c p ( m i t s u b i s h ic o m b u s t i o np r o c e s s ) 系统与p r o c o 系统类似。 图2 9 福特的p r o c o 燃烧系统 f i g 2 9c o m b u s t i o ns y s t e mo ff o r dp r o c o 宋进桂：提高在用车辆燃油经济性的试验研究 有些分层充气系统采用两套供油装置。汉堡霍尔贝皇系统( 图2 1 0 ) 利用凸顶活塞 在压缩上止点时将燃烧室分隔成主、副两室，每个燃烧室各设有一个喷油器。一只喷油 器为装有火花塞的副燃烧室供油，从而形成浓混合气，另一只喷油器为主燃烧室喷油， 形成稀薄混合气。 波尔舍分层充气系统( s k s ) 是一种采用两套供油装置的双室式分层充气系统，见 图2 1 l 。副室上方的喷油器能在副室内形成很容易被火花塞点燃的浓混合气，进气管喷 油器使主室内形成稀薄混合气。波尔舍s k s 系统以所谓的三级燃烧而著称，即燃烧时先 在点燃室内形成火焰核心，之后副室内的浓混合气再燃烧，最后副室内的部分燃烧产物 高速喷入主室并形成强烈涡流，并使主室内的稀薄混合气燃烧。s k s 系统可使用a f = 3 0 5 的稀混合气。大众v w p c i 系统也是一种采用两套供油装置的双室式分层充气系统。 。登，交辨 图2 1 0 汉堡霍尔贝里系统 f i g 2 1 0h a n b o r nh o r b e r ys y s t e r m 图2 1 1 波尔舍分层充气系统 f i g 2 11b o s c hs t r a t i f i c a t i o nc h a r g i n gs y s , t e m 大连理工大学专业学位硕士学位论文 三菱汽车公司开发的采用挡板分层( b a r r e 卜s t r a t i f i c a t i o n ) 的稀燃技术显示出 改善燃油经济性的巨大潜力“1 。 本田汽车公司通过采用具有特殊的气门关闭系统和燃油喷射技术的可变涡流系统， 实现了轴向分层充气，进一步提高了稀薄燃烧极限。在部分负荷时，空燃比达到2 2 ，制 动比油耗降低了1 2 ，并有效的将低了n o ，排放。 马自达汽车公司的周边燃烧过程( s c p ) 是一种新的稀薄燃烧概念。s c p 将多个( 每 只气缸3 个、6 个或者1 2 个) 火花塞和喷油器沿燃烧室的周边呈径向布置。点火后，火 焰沿四周向中央转播。在三点( 三个火花塞) s c p 概念发动机上，将压缩比由原型机的 9 提高为1 2 0 ，在稀薄燃烧区燃烧，n 0 排放降低3 0 5 0 ，燃油经济性也大大改善”3 。 哥伦比亚大学的伊文斯在文献 8 中介绍了一种为提高稀薄燃烧速度而设计的燃烧 室。此燃烧室在活塞顶上设有若干产生空气射流的凹腔，利用挤气运动产生喷向燃烧室 中心的空气射流，增加了燃烧初期燃烧室内的涡流强度，增加了燃烧速度。试验证明， 制动比油耗降低约5 ，h c 、n 毡排放量也明显下降。 ( 2 ) 进气增压技术 增压是一种对新鲜空气进行预压缩的的过程。增压和中冷可提高充气效率，使指示 功率和有效功率都提高，也就是提高了机械效率，自然可以明显改善高效率区运行的经 济性。除了明显提高发动机功率外，还能提高燃油经济性。对高原地区使用的汽车发动 机，使用增压技术尤为必要。 增压不仅使功率范围增大，而且高效率的经济运行范围也扩大了。在低效率区，增 压对经济性没有明显改善。增压发动机这一特点，对于经常满负荷高速运转的重型汽车 十分有利。同一功率的增压与非增压发动机相比，采用增压可以减小发动机排量，使同 一功率的机械损失减小，因而在宽转速范围内，增压机型的经济性比非增压机型好。增 压机型的这一特点，对于中、轻型载货汽车及经常处于中等负荷或部分负荷的汽车也是 有利的。 ( 3 ) 燃油掺水技术 燃油掺水后形成乳化油，这种乳化油是油包水型，即油为连续相，水为分散相水以 微小的颗粒分散悬浮在油中。这种乳化油在经过喷油器或化油器后被一次雾化，形成许 多油包水颗粒：在进入气缸后，油包水颗粒中的水在缸内高温条件下迅速汽化，使油包 水颗粒外层的油膜出现爆炸性破裂( 微爆) ，因而被分散成非常小的燃油颗粒，这就是 二次雾化作用。显然，水颗粒的微爆作用所导致的二次雾化，使混合气的质量得到改善， 燃烧速度得以提高。试验证明，燃油掺水能节油5 1 0 ，汽油掺水节油效果更明显， 宋进桂：提高在用车辆燃油经济性的试验研究 最高可达1 5 。掺水的比例为：柴油掺水时水的体积分数以1 5 2 0 为宜，汽油掺 水时水的体积百分数约为1 0 1 5 。 美国h a r r i e r 公司的柴油机清洁器( h d c ) 就是种柴油乳化睫置。第二代h a r r i e r 清洁器是一种全电子控帝装置，在发动机运转对。可改变掺水量，掺水量的大小由发动 机的负荷和转速来确定。其掺水量为5 2 5 。该装置是为降低排放而设计，尽管这 样，燃油消耗量仍可降低2 6 。该装置有 【l 、k 2 和船三种型号。j ( 3 型清洁器可使 排气中的微粒减少3 5 4 0 ，一氧化碳减少1 5 2 5 ，氮氧化物减少1 5 。1 。 河南省化工厅吴生林等人研制了h 卜1 型乳化剂和c j 2 型乳化器，并按0 柴油： 水：乳化剂= 7 0 ：3 0 ：1 ( 重量) 配制出价格低廉且各方面性能与纯柴油相近的乳化油。用 x 1 9 5 型柴油机，在c w 2 2 型电涡流测功机上，对0 # 柴油和乳化油进行对比试验，结果表 明节油率8 1 0 ；将乳化油应用j n - - 1 5 0 柴油汽车上，做行车试验，其节油率为 1 5 2 6 2 1 4 8 i 埘。 ( 4 ) 闭缸节油技术 一般所称的油耗率是指外特性上最低油耗率，最低油耗出现在负荷率7 0 8 0 的 位置上。汽车运行中的路面状况在不断变化。因而节气门开度也就不断变化，要使汽车 在各种工况下都能达到外特性上最低油耗率是不可能的。因为现代汽车的功率较大，行 驶在平坦良好的道路上时，大多在部分负荷下工作，实际使用功率仅为最大功率的3 0 5 0 ；而只有当汽车在重车起步、加速、上坡和满载高速行驶时，发动机才处于最 大或较大负荷下工作。就我国现有的公路状况而言，满载连续高速行驶的时机并不多。 为了既考虑大负荷工作时的需要，又要考虑较小负荷时节油的需要，在负荷率低时，将 多缸发动机的部分气缸关闭从而提高了负荷率，这就是汽车闭缸节油的原理。 采用精确的计算机控制系统，不仅使闭缸操作自动进行，不用驾驶员操作，而且节 油效果亦得到优化。 ( 5 ) 电控燃油喷射技术 在乘用汽车及轻型货车的汽油机和柴油机上以及重型货车柴油机上，广泛地使用了 电子控制燃油喷射。电子控制燃油喷射能够实现燃油计量的精确控制，因而实现了提高 动力性、经济性和排放性能的综合效果。电控燃油喷射系统的组成有三个子系统：燃油 供给系统、空气供给系统和电子控制系统。电子控制系统由传感器、e c u 和执行器组成。 汽油机电控燃油喷射系统通过喷油器将燃油从下面三个位置引入发动机： 1 ) 从进气总管节气门体( 原来化油器的位置) 处。这种系统叫做单点喷射系统。 2 ) 从进气管的末端进气门上方引入发动机。这种系统叫做多点燃油喷射系统。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 ) 喷油器装在气缸盖上，将汽油直接喷入气缸。这种供油方式被称为缸内喷射。 这是一种最先进的燃油喷射方式。日本三菱汽车公司的轿车发动机广泛采用了这种技 术。 柴油机电控燃油喷射系统采用高压缸内喷射，而且要求在毫秒级的时间内完成喷油 定时、喷油率和喷油压力的精确控制，难度很大。 在柴油机电控燃油喷射系统中，有一种系统并不改变传统喷油系统的工作原理和基 本结构，只是用电控装置取代机械调速器和提前器，对油量调节杆( 直列泵) 和溢流环套 ( v e 分配泵) 的位置，以及油泵主、从动轴的相互位置进行低频连续调节，以实现油量和 定时的控制，所以叫做位置控制式电控燃油喷射系统。 另一种系统利用安装在高压油路中的电磁溢流阀来直接控制喷油始点和喷油量，还 可通过变更电磁阀升程，或改变高压油路中的油压来实现喷油率和喷油压力的控制。这 种系统叫做时间控制式电控燃油喷射系统。该系统具有每缸一阀( 真列泵) 、能分缸调控 和响应快等优点，己成为当前柴油机电控喷油系统的主要发展方向。现在发达国家的大 部分轿车和轻型货车柴油机正在采用先进的高压共轨喷油系统( 见图2 1 2 ) ，重型货车 广泛采用电控泵喷嘴和单体泵均为时间控制式电控燃油喷射系统。 图2 1 2 高压共轨电控燃油喷射系统 f i g 2 1 2h i g h p r e s s u r ee l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e df u e i n j e c t i o ns y s t e mw i t hc o n l m o nr a i l l - - e c u 2 高压共轨腔3 一三通电磁阀4 一泄油道5 - - 单向节流量孔6 一液压活塞 7 一常规油嘴8 一喷油器9 高压供油泵1 0 一低压输油泵1 1 一转速传感器 1 2 - - 气缸检测器1 3 一调压控制阀1 4 一加速踏板传感器 寐雌提高在用车辆燃油经济性的试验研究 ( 6 ) 计算机控制点火系 在现代轿车上，广泛应用了计算机控制的点火系统。该系统由于通过计算机对点火 正时进行最佳控制，并且提高了点火能量，从而大大改善了点火的可靠性，混合气燃烧 更加完全，燃油经济性明显提高。 ( 7 ) 发动机节油装置 除了上述发动机节油技术外，在用汽车还可加装一些小型的节油装置。 1 ) 磁化节油器 磁化节油