汽车节能技术的应用与展望.doc

河南职业技术学院毕业设计（论文）题 目 汽车节能技术的应用与展望 系（分院） 汽车工程系 学生姓名 郭嘉琦 学 号 09183014 专业名称 汽车电子 指导教师 罗富坤 2012年 3 月 10日河南职业技术学院汽车工程系（分院）毕业设计（论文）任务书姓 名郭嘉琦专 业汽车电子技术班 级汽电091毕业设计（论文）题 目汽车节能技术的应用与展望毕业设计（论文）选题的目的与意义1. 了解汽车节能技术的目的与意义2. 了解汽车节能技术的分类3. 了解汽车节能技术的应用形式与方法4. 了解汽车节能技术的发展历程5. 展望汽车节能技术的未来毕业设计（论文）的资料收集情况（含指定参考资料）1. 刘玉梅：汽车节能技术与原理，机械工业出版社2010年出版2. 杨沿平：中国汽车节能思考，机械工业出版社2010年出版3. 熊云：汽车节能技术原理及应用，中国石化出版社2008年出版4. 邵毅明：汽车新能源与节能技术，人民交通出版社2008年出版5. 陈礼璠，杜爱民，陈明：汽车节能产品设计，人民交通出版社2010年出版6. 央视大型科教类纪录片汽车百年，2011年毕业设计（论文）工作进度计划12011年11月8-21日：布置毕业设计（论文）工作有关注意事项和论文命题要求。22011年12月6-26日：指导教师检查论文编写情况。32012年3月28日-4月27日：将论文上交指导教师。42012年4月28- 30日：各论文答辩小组（成员见表）进行小组答辩。52012年5月14、15日：优秀毕业论文进行答辩。62012年5月19、20日：论文成绩登记，毕业设计工作结束。接受任务日期 2011年11月9日要求完成日期 2012年3月28日学生签名： 2011年11月17日指导教师签名：年 月 日 系（分院）主任（院长）签名：年 月 日毕业设计（论文）指导教师评阅意见表姓 名郭嘉琦学 号09183014性 别男专 业汽车电子技术班 级091毕业设计（论文）题 目汽车节能技术的应用与展望评阅意见 成绩指导教师签字年 月 日毕业设计（论文）答辩意见表姓 名郭嘉琦学 号09183014性 别男专 业汽车电子技术班 级091毕业设计（论文）题 目汽车节能技术的应用与展望答辩时间地 点答辩小组成员姓 名职称学 历从事专业组 长罗富坤教授本科汽车类教学成 员万 弢讲师研究生汽车类教学王贤高讲师本科汽车类教学秘 书答辩小组意见 答 辩 成 绩：答辩小组组长签名：年 月 日汽车节能技术的应用与展望郭嘉琦摘要：随着油价的一路走高，用车养车的成本越来越高，而准备购买新车的人们现在更多关注的是他们准备购买的车是不是够环保、够省油，保养维护是不是方便和便宜，而汽车的节能技术也在现代汽车中的应用显得更加重要。关键词：汽车 节能 高效 环保随着国内的近几年来的汽车市场的火爆，我国汽车产销量达到了世界第一。而日益升高的油价让准车主养车成本越来越高的同时，也让不少目前有买车想法的人们有些彷徨，按照自己的经济情况买辆车不是什么问题，但随之带来较高的养车成本有些承担不起了。伴随着这个问题，当消费者在选择一辆车的时候，这辆车是不是省油、环保，也成为了一个不可或缺的要素之一。很多汽车厂家也看到了市场的需要，开发出了更多的环保车型。例如大众的Blue Motion蓝驱车型、奔驰的Blue EFFICIENCY和hybrid车型。随着这些应用了各种汽车节能技术的车型陆续在国内市场上市，汽车节能技术也开始慢慢进入了大众视野。汽车节能技术是用于改进汽车能源消耗的技术。汽车节能措施涉及方方面面，就目前的现状而言，有效措施包括以下几个方面：公路与交通设施的合理配套，车型及油品按需生产配置，运营的合理等非技术问题。技术方面，保证产品质量，按照规范使用和维护机器，改变汽油机燃烧方式以提高能量转换效率。在现有的燃烧方式下，可以采取以下手段进行节能：改进供油系统，汽油机改气缸燃油喷射，可提高汽油燃烧效率；改进点火系统，提高汽油机运转稳定性；减少发动机附件损失，合理的使用配件，进行相应的改装。本文主要从技术方面探讨汽车节能技术的应用与未来。一、 普通车辆的节能技术普通车辆的节能技术主要是缸内直喷发动机、智能启停系统、车身轻量化技术、节能型绿色轮胎、可变气缸技术等。（一） 缸内直喷发动机大众高效的1.4TSI发动机高效直喷发动机是近年来应用较多的汽车节能技术, 缸内直喷又称FSI，FSI(Fuel Stratified Injection)燃料分层喷射技术代表着传统汽油引擎的一个发展方向。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管。但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，所以希望喷油嘴能够直接将燃油喷入汽缸。FSI就是大众集团开发的用来改善传统汽油发动机供油方式的不足而研制的缸内直接喷射技术，先进的直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个活塞泵提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，其控制的精确度接近毫秒，其关键是考虑喷射器的安装，必须在汽缸上部留给其一定的空间。由于汽缸顶部已经布置了火花塞和多个气门，已经相当紧凑，所以将其布置在靠近进气门侧。由于喷射器的加入导致了对设计和制造的要求都相当的高，如果布置不合理、制造精度达不到要求导致刚度不足甚至漏气只能得不偿失。此外，FSI技术采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。（二） 智能启停系统智能启停系统工作过程智能启停系统旨在发动机怠速时关闭发动机。发动机停止运行后，将不再消耗燃料和产生排放。当车辆处于静止状态时，车内所需的电力将改由AGM电池供应，而耗电较大的空调系统也将转为送风机制，因此若静止时间过久，不免会影响冷房效果或造成车内闷热，手动将启停系统关闭；即便是在启停系统启动的状态下，若车辆静止过久而导致AGM电池电量不足时，仪表板右侧的黄色“ECO”灯号也会亮起，车辆自行停止启停系统运作，待电力充足后绿色“ECO”灯号亮起，系统便会重新运作。该系统的工作原理是驾驶员坐在驾驶舱内，前方路口的红灯亮起，驾驶员踩下制动踏板，停车摘挡。这时候，Start/Stop系统自动检测：发动机空转且没有挂挡；防锁定系统的车轮转速传感器显示为零；电子电池传感器显示有足够的能量进行下一次启动。满足这三个条件后，发动机自动停止转动。 而当信号灯变绿后，驾驶员踩下离合器，随即就可以启动“启动停止器”，并快速地启动发动机。驾驶员挂挡，踩油门，车辆快速启动。在高效的蓄电池技术和相应的发动机管理程序的支持下，启停系统在较低的温度下也能正常工作，只需短暂的预热过程便可激活。（三） 车身轻量化技术&车身节能设计奥迪A6车身轻量化技术车身轻量化技术即采用现代设计方法和有效的手段对车身进行优化设计，或使用新型材料（质量更轻但是强度不减），以达到减重、降耗、环保、安全的综合目标。在节能、环保和安全成为当今世界汽车工业关注的重要课题的大背景下，汽车轻量化技术的现实意义是毋庸置疑的。 研究表明，车重每减轻10%，油耗可降低6%到8%。车身重量降低100千克，意味着百公里油耗减少0.3升，每公里二氧化碳排放也将相应减少7.5克到12.5克。而车身质量占整车质量的1/3，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上。这意味着：只要通过科学的方式，将车身轻量化后，就可以有效减少燃油消耗。实际上，降低了汽车重量，碰撞时整个需要被吸收转移的能量就会减少。同时，轻的汽车制动效果好，便于主动安全控制。 即便如此，自汽车轻量化这一伟大创意诞生以来，人们对于此项技术是否会牺牲车辆安全性的猜忌，似乎从未停止过。在钢板越厚就越安全的惯性思维左右下，这种猜忌在很多时候就源自部分人对新材料技术缺乏信心。 而实际上在新材料方面，轻量化技术的目标已经由最初单纯致力于铝材研究，逐渐扩展至对型材、高强度钢材、加固塑胶及镁材料的应用；与此同时，轻量化设计也被系统地运用于车身、发动机、悬架等各个领域。 综合应用了新材料和新设计两项轻量化技术改进过的汽车，能够在省油和安全之间寻找到“黄金分割点”，以达到在保证整车高性能、安全的前提下，显著降低油耗的目的。对于轻量化技术的应用前景，全球的汽车制造商从几十年前就开始尝试。例如，早在1985年马自达汽车公司就在其生产的RX-7上用铝作为机盖材料。1990年，本田公司在其生产的NSX赛车上应用全铝技术，但是并未在量产车中推广。奥迪是第一个真正将车身轻量化技术大规模应用到量产车身的品牌。奥迪A8全铝轻量化车身框架轻质结构在奥迪及其被接管公司具有悠久的历史。在1913年，NSU打造了一款全铝车身的Type 8/24车型。10年后，奥迪 Type K继承了这种相同材料的试验型改良外观。在20世纪30年代，来自Auto Union赛车部的专家们手工打造了铝制面板，从此开始为其引人入胜的赛车和屡创车速记录的汽车打造车身和流线形面板。1936年款的 Auto Union Type C重量仅为 825千克，准备征战赛场。凭借其V16超级增压发动机产生了280 千瓦的功率，其功率与重量的比率非常接近现代勒芒跑车原型车。如今，奥迪汽车继续在赛道上驰骋。1990年左右生产的拉力赛和赛道汽车车身上包含很多塑料部件。当时有些汽车已经在使用碳素纤维复合材料制成的万向轴。该装置已经是奥迪90 Quattro上的标准配置。目前的奥迪 R18和 A4 DTM用作CFRP的工作实验车辆。投入量产时，首辆奥迪A8在1994年面世时引起了巨大反响。由于采用了ASF车身，A8在传统的钢和铸件行业内引发了一场小革命，也给供应商带来了巨大的压力。从此以后，高强度钢的强度增加了5个因数，铸造厂的质量标准获得了明显提高。奥迪ASF原理不仅使该品牌的客户受益，而且惠及整个行业。轻质结构同样对未来的电动车发挥了重要作用。牵引用蓄电池等新部件增加了大量的重量，智能轻质结构在很多领域可以补偿增加的重量。Neckarsulm的工程师们已经致力于为未来的电动车辆开发全新的解决方案。（四） 节能型绿色轮胎某品牌绿色环保轮胎绿色轮胎是指由于应用新材质和设计，而导致滚动阻力小，因而耗油低、废气排放少的子午线轮胎。在汽车行驶中，能量会被各种阻力所消耗，其中约20%的汽油被轮胎滚动阻力所消耗。使用绿色轮胎就可以减少这方面的能量消耗，从而达到省油的目的。绿色轮胎运用特殊的硅土混合技术、结构设计技术和生产技术，在不损失轮胎基本安全性能的情况下，使滚动阻力比普通轮胎下降20%，减少油耗5%以上，有效降低汽车燃油消耗，增强燃料使用效率，降低二氧化碳排放的环保型轮胎。这种轮胎可使环境和驾驶者双双获益，一方面对环境的不利影响最小化，另一方面可为消费者节省燃料费用。车辆行驶时，轮胎受压变形，橡胶分子之间相互摩擦生热就会造成能量损失，产生滚动阻力。“绿色轮胎”富含的二氧化硅就像是润滑剂，可以填平作为轮胎胎面胶的溶聚丁苯胶分子的间隙，减少橡胶分子之间的摩擦，这样就减小了轮胎与地面之间的阻力，减少油耗，达到控制汽车废气排放的环保效应。同时，“绿色轮胎”还能有效降低噪音，提高轮胎的抓着力、舒适性、操控性等安全性能。（五） 可变气缸排量技术可变气缸排量技术一般适用于多气缸大排量车型，如V6、V8、V12发动机，因为日常行驶，大多数情况下并不需要大功率的输出，所以大排量多汽缸就显得有点浪费，于是可变汽缸技术应运而生，它可以在不需要大功率的输出时，控制关闭一部分汽缸，以减少燃油的消耗。日前，大众针对1.4TSI四缸发动机推出了可变气缸技术，发动机会在低速行驶中关闭两个气缸，仅用两个气缸工作，大大提高燃油经济性。本文以本田的VCM为例介绍可变气缸排量技术。VCM的全称为Variable Cylinder Management，是本田公司研发的一种可变汽缸管理技术，它可通过关闭个别气缸的方法，使到3.5L V6引擎可在3、4、6缸之间变化，使得引擎排量也能在1.75-3.5L之间变化，从而大大节省燃油。借助这三种不同的工作模式，VCM系统能够细致地因地制宜发动机的工作排量，使其随时与动力环境的要求保持同步，大大提高了燃油经济性。同时还可以满足同一部发动机在必要时对最高性能的要求。通常，这两点对常规发动机来说是几乎无法共存的。在发动机启动，加速或者抵挡位爬山时，发动机会启动所有的6个汽缸来运行，这样主要是为了满足发动机启动初期缸体的各个部分加热均匀，或者是满足动力输出的需求。此时，发动机可以以最快速度满足最大功率或者最大扭矩的动力需要。假如当车辆处于中低速的定速巡航或者发动机低负荷需求时（怠速状态下），VCM系统会通过控制VTEC系统关闭发动机一侧的三个汽缸的进，排气以及供油来完成从V6发动机到直列3缸发动机工作模式的切换。此时，这台3.5L发动机的实际工作排量只有1.75L。在中等加速、高速巡航和缓坡行驶时，发动机将会用4个气缸来运转。此时，VCM系统会仅仅保持发动机每一列三个汽缸中最靠近远端的两个汽缸的正常工作状态，相对靠近中心那个汽缸则会被关闭。通过这种对发动机在不同工况下改变工作排量的灵活控制，这一代雅阁所搭载的3.5L VCM发动机相对于上一代雅阁所搭载的3.0L发动机，在燃油经济性上甚至还降低了7%。不过，以上说明的仅仅是工作效果，下面，笔者将对VCM系统的工作原理做更深一步的说明。1、 VCM系统是如何通过VTEC系统对发动机进行汽缸的开、闭操作的？首先，在VCM系统对发动机进行变缸操作前，会对节气门开度、车速、发动机转速、自动变速箱挡位以及其它相关的环境因素进行数据测算，以便判断是否应当根据当前的工作环境来启用相应的3缸或者4缸工作方案。此外，该系统还会额外确定发动机机油压力是否支持VCM系统进行工作模式的切换，以及在发动机进行变排量操作后，催化转化器的温度是否仍会保持在适当范围内。在这一个步骤内，VCM系统先后针对环境因素，动力需求以及环保这三个方面的条件在瞬间完成是否变缸工作的判断。 如果VCM系统判断发动机变缸，那么VTEC系统会被命令率先调整点火正时、线控节气门的开度以方便气缸开、闭能够平稳过渡。然后VCM通过VTEC系统向电子控制装置发出的指令，使与缸盖内的摇臂轴支架一样起着双重作用的滑阀有选择地将油压导向特定气缸的摇臂同步活塞，完成对摇臂的连接和断开的控制，从而达到对进、排气门的运行与停止的控制。同时，燃油控制模块会自动恢复、切断这些特定气缸的燃油供给。 简单点说，这套VCM系统的工作过程就好比是一个杠杆机构，当VCM系统工作的时候，就好比抽走了杠杆下面的“支点”，这样这个杠杆就不会再做“跷跷板”的动作了，也就是说，汽车发动机的气门就不再工作了，从而达到了关闭气缸的目的。当然，想让发动机的某个气缸重新工作，那就只需要把“支点”再给重新装上就可以了。2、 如果个别汽缸在特定情况下不工作，是不是会造成发动机的磨损不均匀？ 不会，发动机少数汽缸停止工作，仅仅是进，排气门以及燃油供给系统停止工作。但发动机的活塞依然处于正常运转状态。在整个工作过程中，发动机各个缸内的零件磨损状况是一样的。至于摇臂磨损和汽缸零件在不同温度下磨损程度的不同则是非常微小可以忽略的。 同时，需要补充一个细节：在该款发动机处于3缸或者4缸任何一种工作状态之下时，非工作缸的火花塞会继续点火，以保证火花塞的温度会在气缸重新投入工作时可以达到工作要求，并防止汽缸内残余的油气混合物造成火花塞油污，而导致点火效率下降。除了以上的汽车节能技术，还有很多汽车节能技术，例如刹车动能回收系统、太阳能汽车天窗、车用LED尾灯、大灯等，这里不再一一阐述。二、 未来汽车节能技术的展望未来的汽车节能技术较目前会更加智能、先进，燃料利用率更高、排放更环保甚至是零排放。这里主要介绍混合动力技术和纯电动技术。（一） 混合动力技术其实这项技术已经开始走入我们大众的视野，尽管它目前还有很多问题需要面对和攻克，但是这样一个趋势已经不可阻挡的开始了它的脚步。混合动力车指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。 汽车废气排放和能源成本问题一直备受关注，混合动力汽车和电动汽车被看作是一种自然的发展目标。通过了解整个混合动力和电动汽车传动系统的能量消耗的详细分析，以及传动系统内部各个相关部件的运转状态，可以最大程度的优化汽车的设计，从而达到改善油耗的目标。 混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。 以串联混合动力电动汽车为例，介绍一下混合动力电动汽车的工作原理。 车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需工作。电池电量低于60时，辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量； 当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在，使发动机工作处在相对稳定的工况，使排放得到改善。 混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同时并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在传统汽车中，当司机踩制动时，这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白浪费。而混合动力车却能大部分回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。当司机想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机并联工作，提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合，混合动力车可以单靠电机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时，可以单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。不过遗憾的是，虽然拥有众多先进技术，同时具有良好的燃油经济性，不过由于价格、售后等多方面因素的影响，混合动力车型目前并没有获得市场的充分认可和肯定，销量不佳。（二） 纯电动汽车技术比亚迪e6纯电动汽车（该车已在深圳上市）纯电