汽車節能那點事

05-28

汽車節能那點事

來自專欄汽車技術演化

汽車節能是個老生常談的研究課題。隨著人類社會發展, 能源危機、環境污染、交通擁堵等問題日趨嚴峻, 對汽車行業低碳發展、節能減排的要求愈發迫切。人們從發動機、變速器、低摩擦、輕量化、電子電器、替代燃料、混合動力等領域,在車輛節能技術上尋求突破。進一步降低汽車能耗是目前全球汽車產業發展的共同趨勢和轉型升級方向。

汽車節能技術

眾所周知，汽車行駛過程，是燃料中的化學能經過發動機燃燒轉變為動能，再經由傳動系統和輪胎轉化為車輛行駛動能的過程。

從能量的角度講，車輛的行駛就是燃料的能量被各種部件和行駛中的阻力不斷耗散掉的同時，驅動車輛行駛的過程。

車輛能量的傳遞和消耗如下圖所示：

從燃料到車身，每一個環節都存在著能量的耗費和損失，他們分別是：

發動機效率損失、傳動系統損失、輪胎滾動阻力損失、空氣阻力損失、制動摩擦力阻力損失。

因此汽車節能需從提升發動機效率、提升傳動系統效率、降低車輛阻力三個環節分別入手。

汽車技術經過百年的發展，基於減少能量損失的原則開發並應用了大量節能技術，下圖為近年來主流的汽車節能技術：

本文將簡單介紹這些技術的基本原理

1 發動機效率提升技術

圖 1典型發動機能量轉換示意

現有發動機的效率通常約為25%，考慮到車輛日常行駛工況，效率遠遠更低，因此發動機效率提升空間非常大，是汽車節能的最重要環節。

在發動機效率提升上已經有了非常多的技術，取得了不錯的成果。最新豐田混動技術發動機效率高達40%；馬自達預計2019年量產的HCCI發動機號稱最高效率達到50%。理論上內燃機效率提升的瓶頸在55%。現在市場上的主流車型效率水平距離這個目標仍有很長的路要走。未來好的節能技術將進一步普及，使量產車的效率進一步接近理論極限。

缸內直噴技術 (GDI)

GDI是指將燃油噴嘴噴油器安裝於氣缸內, 以壓力較高的燃油直接噴入氣缸內與進氣混合, 並通過優化和匹配設計, 進一步提高噴射壓力, 使燃油霧化的效果更為細緻。真正做到精準地按比例控制噴油, 讓燃油和空氣能夠在整個汽缸內進行均勻的混合, 從而實現燃油的充分燃燒的一種技術。採用缸內直噴技術較多點噴射發動機節油2%~5%。

增壓技術

渦輪增壓技術是一種利用排氣廢氣的能量衝擊排氣管道中的渦輪,

同時帶動進氣管道的渦輪, 使進氣增壓後送入到氣缸, 從而提高發動機的功率的技術。渦輪增壓技通過減小原來發動機的排量使節能效果達到4%~10%。

廢氣再循環技術 (EGR)

EGR是將發動機排氣的一小部分再送回氣缸的一種技術。再循環廢氣由於具有惰性會延緩燃耗過程, 從而導致燃燒室中的壓力形成過程放緩, 減少NOx的生成。廢氣再循環技術通過減緩爆震的影響可提高壓縮比, 同時優化點火時間, 並降低泵氣損失, 達到節能效果。

停缸技術 (VCM)

VCM是指發動機在部分負荷下運行時, 通過相關機構切斷部分氣缸的燃油供給、點火和進排氣,

使剩餘工作氣缸負荷率增大的一種技術。VCM一般可降低能耗3%~8%。

可變氣門正時和升程技術 (VVT和VVL)& 阿特金森循環

VVT是根據發動機的運行情況來調節氣門的開合時間、角度，VVL是調整氣門升程。兩種技術均可根據發動機工況優化發動機進氣過程，提高燃燒效率。可變氣門正時和升程技術現已成熟應用。

阿特金森循環也是優化氣門開合時機的技術, 通過推遲進氣門關閉, 在壓縮衝程從進氣門排除部分燃氣, 減少進氣量, 從而實現膨脹比大於壓縮比, 提高燃油利用率, 達到節油的目的, 一般可帶來2%~8%的能耗降低。

HCCI均質壓燃

HCCI是汽油發動機的一種新型燃燒方式，它的點火過程同柴油發動機相類似：通過活塞壓縮混合氣使之溫度升高至一定程度時自行燃燒。該技術可極大提高空燃比和壓縮比，大幅提升發動機效率。

該技術在高低負荷下的控制上還有一些技術問題待解決，因此該技術還未普及，最快預計2019年能量產。該技術是未來值得關注的技術之一。

2 高效傳動系統

現有傳動系統的效率損失高達20%，採用技術手段降低該環節的損失對整車的節能同樣能起到不錯的效果。

多檔變速箱

變速箱每增加一個檔位, 都幫助發動機處在一個很好的工作狀態, 因此提高了潛在效能。5AT較傳統4AT能耗降低2%~3%、6AT較傳統4AT能耗降低3%~5%、7AT較傳統4AT能耗降低5%~7%、8AT較傳統4AT能耗降低6%~8%。

無極變速 (CVT)

CVT是通過主動輪與從動輪的可動盤做軸向移動來改變主動輪、從動輪錐面與V型傳動帶嚙合的工作半徑, 從而改變傳動比。理論上CVT有無數傳動比，以使發動機始終處在最佳工作狀態。所以即使帶傳動效率比齒輪傳動效率低， CVT仍可降低能耗約2%~6%（與傳統4AT相比）。

雙離合變速

雙離合自動變速箱融合了手動變速箱和自動變速箱二者的優點。一個離合器控制奇數檔位齒輪, 另一個離合器控制偶數檔位齒輪。當一個檔位正在工作時,

相鄰檔位的齒輪進入嚙合狀態, 當換擋時刻來臨就可以只通過操縱離合器來實現換擋。避免了傳統AT變速箱液力變矩器的攪油損失。相較於4AT, 能耗可降低2%~7.5%。

3 降阻力技術

車輛的能耗與車輛受到的阻力成正比。車輛的阻力越大，行駛同樣距離與耗費能耗能量就越多。因此車輛阻力是對車輛能耗極為重要的影響因素。

汽車行駛過程中, 有各種各樣的行駛阻力, 其中空氣阻力約佔40%, 滾動阻力約各佔35%，制動阻力約佔25%。每種阻力都有著重要的影響。

低滾阻輪胎

輪胎的滾動阻力與車重和輪胎的滾阻係數以及車速都有關。採用低滾阻輪胎可極降低滾阻係數，減少輪胎的滾阻。滾阻在車輛的阻力中佔比十分可觀，在保證車輛的舒適性、安全性相的前提下設計更低滾動阻力的輪胎是輪胎技術的重要研究方向。

低風阻設計

車輛行駛中的空氣阻力

汽車風阻是指汽車的外部與氣流作用產生的阻力。隨車輛的迎風面積和車速增加而增大。同時風阻還與車輛造型設計有關，風阻越低的造型風阻係數越低。

風阻是整車受到阻力的大頭，尤其在高速條件下，對車輛的能耗影響極大。因此降低風阻可顯著優化車輛的能耗。

自然界最低風阻係數形狀是雨滴，風阻係數是0.05。現有常見車型的風阻係數約為0.3。已有多款概念車的風阻係數達到了0.18、0.15的水平，樹立了未來發展的標杆。

風阻係數0.15水滴造型概念車

風阻係數每降低10%則整車可節能約4%。可以預見，未來汽車依靠降低風阻實現節能上仍有極大提升空間。

輕量化技術

減少汽車自身質量有2個效果。一是間接降低了輪胎的滾動阻力，二是減少了車輛制動過程中的動能損耗。是降低油耗的最有效的措施之一。據相關數據顯示, 汽車自重每減少10%, NEDC工況下能耗可降低6%~8%、排放降低5%~6%。

鋁、鎂合金，玻璃纖維、碳纖維，塑料，陶瓷等材料均得到應用並逐漸普及。其中碳纖維替代鋼結構可實現減重40%-60%。整車結構設計也隨著車型的更新換代逐年提升，未來整車輕量化上有望取得巨大突破。

再生制動能量回收技術

車輛在制動或減速過程中耗費多餘的能量,通常這些能量都由輪胎制動摩擦片消耗掉了。通過電機將這些能量發電回收利用能夠降低車輛總的能量消耗, 提高燃油的經濟性。目前該項技術多用於混合動力與電動車型。

該方法現在強混和純電動車上已可以將減少近80%的制動帶來的能量損失。已十分接近理想狀態了。

混合動力技術

混合動力是指同時裝備兩種動力來源—熱動力源與電動力源，是一大類技術的統稱，從最基本的自動啟停的弱混到本田通用的強混系統都可以歸為混合動力範疇。

混合動力系統主要由內燃機、電動機、動力電池與機械傳動系統組成。利用電機高效工作區範圍廣的特點輔助內燃機，與內燃機協同互補，極大優化內燃機工況。

同時混合動力車通常還具備阿特金森循環發動機、制動能量回收、ECVT電子無級變速等技術。多種技術效果疊加下可實現高達30%的節能效果。

混合動力是目前技術成熟、節能效率最高且在世界範圍內接受度高的乘用車動力系統。