节能赛车动力匹配设计开题报告

开题报告文献综述11课题研究背景本田节能竞技大赛于1981年在日本创办,是使用HONDA低油耗摩托车的四冲程发动机，设计、制造赛车，创造出表达出环保主题的车身，限用1L汽油行驶更远的距离，并最大限度的降低废气排放，是挑战节能极限的一种赛事。比赛要求参赛车辆发动机以HONDA提供的4冲程125CC发动机为基础，可自由改造。但要求气缸盖、曲轴箱、曲轴要求使用下发发动机的零部件（可加工使用）；保证排气量在125CC以下，为自然进气式，其结构必须确保润滑油不会泄露1。在迄今为止的35届比赛中创下的最高记录为3779638KM/L，相当于北京到重庆的直线往返距离还要多。同时,这项比赛也逐渐向海外扩展,泰国、巴基斯坦、俄罗斯、韩国等的参赛者相继参加了日本的比赛,上海同济大学也从2000年开始制作赛车去日本参赛。中国作为继日本泰国之后的第三个举办地,于2006年在上海举行了试行大赛,2007年11月11日,第1届HONDA中国节能竞技大赛在上海国际赛车场圆满举行,2008年11月16日,第2届HONDA中国节能竞技大赛在上海国际赛车场胜利举办。HONDA节能竞技大赛的目的是通过比赛提高社会的节能和环保意识,参赛车队通过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能,从中体会到节能的重要性。同时,比赛也为参赛者提供体验亲手制作赛车的乐趣的机会,提高实践能力。HONDA创始人本田宗一郎曾说“节能竞技大赛的宗旨在于，让肩负着人类未来的年轻人通过思考和实践来体会如何更有效地利用资源,如何把我们生存的这个星球更完好地传递给下一代。”节能、环保是HONDA一直致力解决的重要课题之一。在产品领域中,HONDA通过燃料电池、混合动力、生物乙醇弹性燃料、清洁柴油等先进的节能、环保型产品时刻走在行业的前列。在生产领域,HONDA在全球推行“绿色工厂”体系,制定独自的企业目标,努力降低产品生产环节的能源消耗和污染物以及温室气体的排放。此外,HONDA还积极开展植树造林等社会活动。节能竞技大赛作为节能环保领域的社会活动之一，今后将继续在中国举办,HONDA希望通过这项赛事,为社会节能、环保意识的提高做出贡献。12课题研究的意义近年来，随着我国经济的快速增长和人民生活水平的不断提高，汽车已越来越多地走进平常百姓家，世界汽车保有量呈现逐年递增的趋势。我国已经从2009年开始连续两年超越美国成为全球第一大汽车产销国2。预计2020年中国汽车保有量将超过2亿辆3，我国汽车保有量将以平均每年1207的速度增长，同时也带来了汽车用油量的急剧增加，2009年，我国以6200万辆的汽车保有量共消耗了13亿吨成品油，占全国汽柴油总产量的632，相比2008年净增加了1600万吨。自从1993年起首度成为石油净进口国，此后我国的石油对外依存度由当年的6逐年增加，2009我国石油对外依存度已高达52，超过了50的安全警戒线，这标志着中国能源已经从“比较安全”向“比较不安全”方向转移，2011年甚至超过了美国，达到了565。随着能源消费的持续快速增长，我国的石油对外依存度仍将不断扩大，预计到2015年将达到60，2020年达到65，汽车行业预测到2020年我国汽车用油缺口将达到13亿吨4。与之相对的，随着在用车的使用激增的同时，一方面，我国汽车节油技术的应用有限，燃油的使用效率普遍不高，汽车百公里耗油约比发达国家高205；另一方面，机动车已经作为我国使用石油资源的主要污染源之一6。伴随着我国石油消耗量的逐年增加然而带来的环境污染问题也是不言而喻的，随之的氮污染、硫污染、铅污染也是逐渐地影响到了我们的日常生活。尤其是京津冀地区的雾霾常年重度污染，严重影响了人们的健康和生活。由于我们国家还是处于社会主义国家，粗放型的市场经济所带来的繁荣是短暂的，也是社会发展过程中必不可少的一个阶段，我们国家进入WTO后市场经济的发展逐年增速，许多西方国家和欧美国家由于中国的发展他们似乎有了前所未有的危机感7。现在我国的CO2排放量一路从国三标准上升到国四标准，西方国家在其工业革命时期已经转换了发展模式，已经度过了那个先污染后治理的社会发展形态。强迫我国采用欧四标准，这一要求必然给国家带来经济上的前所未有的打击。我们国家也出台了很多相关的政策来减少环境污染，加强绿色发展。首先是乘用车节能减排，包括两个方面，一个是传统汽车的节能减排，混合动力的发展；同时引导小型汽车的消费，向轻量化和节约资源方向发展8。汽车节能减排的重要性不言而喻,考虑到当前我国的汽车节能技术发展的实际情况,除了要积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的发展外,另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状,并适合大量在用汽车的高性能节能产品9。节能竞技赛车与普通汽车的结构布局相似,由发动机、底盘和车身三大部分组成10。发动机的改造无疑是各赛车队攻关的重点,也是节能减排技术发展的主导性方向。发动机到底节不节能，最终看发动机的油耗，即燃油经济性，而衡量燃油经济性的依据是一定油耗下汽车的行驶里程数11。因此，大赛的评定标准就是参赛车辆在规定时间内行驶一定预先设定好的路程，测量油耗，计算出单位油耗下的行驶距离，单位是KM/L，这个数值越大，表明燃油经济性越好，成绩越好。中国节能竞技大赛适时迎合了时代提高社会节能和环保意识的要求,激发各参赛车队通过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能12,使其从中体会到节能重要性的同时,提高参赛者的思考和实践能力,更为将来汽车节能方面的实际应用带来了无限的未知性和可能性13。13国内外研究现状资源日益消耗导致世界能源更趋紧张，世界各国对汽车节油的工作也越来越重视，很多国家都把节能当作一项基本国策在实施，为了降低汽车燃油消耗，各国的各大汽车公司都相继地投入了大量的人力、精力和物力。在汽车节油技术方面，美国和日本的侧重点有许多相同之处，他们都将混合动力、电动汽车、燃料电池等节能环保发动机技术列入当前及未来研究的重点。同时，也注重减轻车体重量、减少行驶阻力以降低能耗等技术的研究14。同时，欧盟各国也开始了对新型节能技术的探索研究。2004年11月，有奥迪公司的工程师霍斯特领导的研究小组取得了突破。研究表明，“用激光照射气缸工作面”能使发动机耗油量最多下降75，并使气缸工作面和活塞环的磨损降低90。激光以其能量熔化工作面的表面激光脉冲结束后，熔化层立即凝固，使工作面具有陶瓷的特性，即最佳的平滑性15。随着我国慢慢地进入“汽车型的社会”，汽车耗能问题在能源消耗中所占到的比例也在逐年倍增，并成为我国对外石油高度依存度最主要的原因，所以中央政府采取各种措施减低汽车用油，以此推动全社会的节能减排16。我国在传统内燃机的节油领域是有相当大的发展空间的，发动机稀燃技术、发动机增压技术、燃油掺水节油技术、发动机可变气缸排量技术、发动机可变配气正时技术、可变进气歧管技术、可变压缩比技术、汽油机燃油喷射与点火系统的电子控制技术、柴油机燃油喷射系统的电子控制技术和电子节气门技术在我国快速发展17。清华大学承担在国家“973”重点项目新一代内燃机燃烧理论与石油替代的基础研究课题，经过这些年的不断深入研究，在新型发动机燃烧机理等方面都有了较大的发展，天津大学紧随其后开展了许多发动机领域的研究，比如在稀薄燃烧技术这一方面，经过改良后的发动机其燃油消耗率即可降低15左右，吉林大学、湖南大学、长安大学、武汉理工大学等一批车辆重点学科院校也都在陆续开展汽车动力系统优化节油的研究工作18。随着汽车研究的不断深入，节能赛车的研究也越来越受到重视，伴随着参赛院校的逐年增加，新技术新思路也层出不穷。武汉理工大学将发动机点火提前角增大为8，将压缩比改为961，将进气管向后方扭曲来避免机构干涉及提高进气质量，去除发动机散热片而改用保温材料包裹等方式来改变发动性能以降低耗油量19。北京理工大学将发动机活塞改进设计，加入压缩比块后燃油消耗量降低了16920。湖北汽车学院通过改进发动机的本体结构，点火形式，点火正时等来改善发动机性能21。同济大学使用电喷技术及电控式离合器来精确地切断及更好地提供动力，同时使用车架打孔技术来轻量化铝合金车架，北京信息科技大学使用生物学仿真设计的碳纤维车身，有效地降低了风阻减小了整车质量。本土的太原科技大学在第八届HONDA节能竞技大赛中获得了高校组第三的好成绩。参考文献12016年第十届HONDA中国节能竞技大赛大赛规则2王军方,丁焰,汤大钢机动车污染防治政策与管理J环境保护,20112414173盂庆云关于氢能在未来交通领域的应用和发展方向的思考J中国新能源,2010001134交通运输部,交通运输业智能交通发展战略（20122020年5焦健,唐林,许书权我国汽车节能产品现状分析J交通节能与环保，2007，425276ALHINTII,ALGHANDOORA,AKASHB,ETALENERGYSAVINGANDCO2MITIGATIONTHROUGHRESTRUCTURINGJORDANSTRANSPORTATIONSECTORTHEDIESELPASSENGERCARSSCENARIOJENERGYPOLICY，2007，3510500350117LEVINSONR，AKBARIHPOTENTIALBENEFITSOFCOOLROOFSONCOMMERCIALBUILDINGSCONSERVINGENERGY，SAVINGMONEY，ANDREDUCINGEMISSIONOFGREENHOUSEGASESANDAIRPOLLUTANTSJENERGYEFFICIENCY，2010，31531098中国汽车行业十三五规划思路9王嘉诚中国新能源汽车产业发展分析D硕士学位论文上海上海师范大学，201210陈家瑞，汽车构造M第三版北京，机械工业出版社，200911余志生，汽车理论M第五版北京，机械工业出版社，2009414212TAGUCHITPRESENTSTATUSOFENERGYSAVINGTECHNOLOGIESANDFUTUREPROSPECTINWHITELEDLIGHTINGJIEEJTRANSACTIONSONELECTRICALANDELECTRONICENGINEERING，2008，31212613乐思诗，唐健辉汽车节能技术之专利计量分析J图书与情报，20096747714张葵叶美国和日本汽车节油比较研究J世界科技研究与发展，20066，2839710015马志光，张葵叶，方美兰国外汽车节油经验及启示J石油大学学报，200510，215131916冯刚琼，程振彪国内外汽车技木研发的现状与趋势J汽车工业研究，2003，400317罗超汽车发动机节能技术浅析中国新技术新产品，20131210618马才伏，我国汽车使用节能研究D硕士学位论文湖南湖南大学，200919夏晓坤，颜伏伍，杜常清降低节能车燃油消耗量的研究J摩托车技术，200810707220胡美琦，段妍，陈羿男节能车发动机活塞改进设计J汽车工程师，201110353721王鑫，勾志彬，郑思哲节能车发动机性能的提升J湖北汽车工业学院学报，2011，2527577毕业设计开题报告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1研究解决的问题通过对中国节能竞技大赛规则的理解，使用HONDA125CC化油器低油耗四冲程发动机，限用1L汽油行驶更远的距离，要想跑出更远的距离，节油显得尤为重要。节油可通过两方面去实现，一方面，通过提高传动系的传动效率和减少外部阻力（空气阻力设计良好流线型的车身来降低空气阻力；滚动阻力降低整车质量。）来实现；另一方面，对发动机进行改造。本次研究是通过对发动机的再次设计来达到节油的目的。2研究方案要想对发动机进行再次设计，就需要了解发动机的基本参数和基本构成，如表1。由于发动机的性能直接影响了最终的油耗成绩。将整车经济性能提高的主导因素就是降低发动机的油耗。衡量整车燃油经济性的指标主要是行驶一定距离的燃油消耗量或单位燃油消耗量能使车辆行驶多少路程。就本田节能大赛而言，在规定时间内在指定的赛道上行驶一段距离，通过燃油消耗量换算为体积油耗程长，单位是KM/L。体积油耗程长的数据愈大说明了燃油经济性愈好。油消耗率主要取决于发动机的结构和工作过程，尤其是排量、负荷率、燃烧效率等参数。根据往届比赛的经验，车辆的平均行驶速度在30KM/H左右，处于低负载状态。因此可以对发动机缸体及活塞部分做部分改造，减小发动机排量，降低发动机输出功率，达到节油效果。在传动比选定和比赛策略的制定中需要着重考虑发动机负荷率的影响因素。“负荷率”为在一定转速下实际负荷跟该转速的最大负荷的比值。在一定范围内，负荷率越高，经济性越好。较高的燃烧效率自然降低了发动机的燃油消耗率，可以通过控制进油量，提高点火能量来改善燃烧。在避免爆燃的情况下，适度提高压缩比可提高发动机燃烧效率，对燃油经济性有促进作用。3具体改进方案1发动机减重通过分析此次比赛，每跑一圈点火次数不超过5次，每次点火间隔不超过10S。因此，发动机产生的热量很小，不需要用自带的风冷散热鳞片进行机体冷却，可以将分布在汽缸周围的鳞片切除，减去了不少重量。在比赛中，挡位的选择主要为4挡、5挡。其余挡位基本没有使用。因此，尝试将发动机的变速箱系统进行拆除，只保留4、5两挡的传动啮合齿轮。通过实际拆装实验发现，其内部结构过于复杂，而且一旦拆除这些齿轮，对齿轮的轴向定位有很大影响，对传动轴的动平衡也有很大的影响。随后放弃了拆除变速器部分齿轮的方案。节能车的电路设计与普通摩托车的一个最大区别在于，不使用摩托车发动机的磁电机进行发电，而是使用蓄电池作为主要电源。因此可以考虑将发电机厚重的线圈和转子去掉。在实际拆装后发现发动机不能正常点火，查找原因后发现，由于磁电机拆除后，无点火脉冲信号，无法控制火花塞点火。磁电机的作用还有提供点火信号的功能，不能简单的拆除，需要将凸轮轴位置传感器单独保留，以保证发动机的正常工作。2发动机保温发动机工作在温度范围为8090时，其效率最高。节能车的发动机在一个点火周期内的工作时间较短，停机时间较长。散热速度过快，对维持发动机效率不利。为了解决这个问题，在切除散热片的汽缸周围包裹一圈保温材料；选择了锡纸，锡纸能够较好的贴合缸体表面，外部用细铁丝加以固定，达到保温效果。3化油器的改进发动机的燃油直接来自于化油器的供给，化油器性能的好坏最直接的影响了最终的油耗多少。降低化油器的单位时间进油量能降低发动机的功率。如果在保证发动机正常燃烧的情况下减少进油量，经济性将大大的提高。由化油器的结构分析可知，燃油供给量多少受化油器的主量孔与针阀间的间隙控制，只要减小间隙，供油量将减小。可以通过调整主量孔大小和针阀粗细的途径来实现。根据此方案，购买不同内径的主量孔和针阀，进行配对使用测试，找到油耗量最低的一组。在化油器进气口加装一个小型的稳压腔，通过真空负压的原理进行一定程度的增压，不但增加了进气量，改善了混合气的雾化状况，而且可以实现稀薄燃烧，提高燃油经济性。4压缩比的改进发动机压缩比对气缸内混合气的形成和燃烧状况有很大影响，从而影响发动机的经济性。提高压缩比，可以提高混合气的最高温度，扩大循环温度梯度，增加内燃机膨胀比，从而提高热效率，使发动机经济性得到一定提升。但是压缩比不能过大，否则会产生爆燃和表面点火现象，引起发动机功率下降、油耗升高等严重升高。以此为基础，小幅度提高压缩比，在发动机台架上进行对比试验，确定发动机压缩比改进法案。提高压缩比最直接的方案就是减少燃烧室的容积，通过减小汽缸垫厚度或铣磨汽缸盖下面，可以快速减小燃烧室容积。5点火系的改进发动机原配为CDI点火器，更换为一种可调程序的“超级点火器”，通过电脑可以将其内部的点火参数曲线进行调整。主要更改其在发动机不同转速条件下的点火提前角，在不断的写入程序数据后，对单一变量的对比试验分析，找到最佳的点火提前角度。高压包、高压线与火花塞全部更换为NGK（日本火花塞株式会社）套装，大大提高了点火能量，保证赛车的平稳起步和加速。表11发动机主要结构及参数项目型号、形式、参数发动机型号WY1256发动机型式单缸、四冲程