工学发动机与汽车的经济性匹配课件

1、第9章 发动机与汽车的经济性匹配 9-1 影响汽车燃油经济性的因素 汽车等速百公里燃油消耗量为： 式中：K常数 F行驶阻力 F=Ff+Fw 因此，汽车等速百公里燃油消耗量正比于等速行驶时的行驶阻力与发动机燃油消耗率，反比于传动系机械效率。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，另一方面又与汽车行驶时发动机的负荷率有关，从发动机万有特性图可知，发动机负荷率低时be值显著增大。 或 下面分别从使用与汽车结构两个方面讨论影响汽车燃油经济性的因素，从而可以看出提高燃油经济性的一些途径。 一、使用方面 （一）行驶车速 由汽车的的万有特性图可以看出，汽车等速油耗在接近于低速的中等车速时最

2、低，高速时随车速的增加而迅速增加，这是由于在高速行驶时，虽然发动机的负荷率较高，但汽车的行驶阻力却加大很多，从而导致百公里油耗的增加。 （二）档位选择 在一定道路上，汽车用不同排档行驶，燃油消耗量是不一样的，显然在同一道路条件与车速下，虽然发动机发出的功率相同，但档位越低，后备功率越大，发动机的负荷率越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，而使用高档时的情形相反，所以一般尽可能用高档行驶。最经济的驾驶方法是：高档行驶可能性未用尽以前，不应换入低档。 如图中1点使用4挡的油耗（12.5kg/100km）比2点使用3挡油耗（17kg/100km）低很多。图9-2 （三）挂车的应用 运输企业中

3、普通拖带挂车（长车），这是提高运输生产率和降低成本，包括降低油耗的一项有效措施。拖带挂车后，虽然汽车总的油耗量增加，但由于载重量增加，分摊到每吨货物上的燃油消耗量（吨百公里油耗）却下降了。拖带挂车后节省燃油的原因有两个方面：一是带挂车后阻力增加，发动机负荷率增加，有效油耗率be下降，另一方面是汽车列车的重量利用系数（即装载重量与自重之比）较大，在汽车总重一定的条件下，汽车的油耗也是一定的，若能增大重量利用系数，则同一总重的汽车能装载的货物重量增加，因而运送单位重量货物所费的燃料便下降，即100km/t的油耗便要低些。由于挂车的结构简单，自重轻，所以汽车列车的重利用系数比单车大。 （四）正确的调

4、整与保养 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大的影响。 汽车底盘的技术状况影响到汽车的行驶阻力，也就对使用油耗产生直接的影响，汽车底盘的保养与调整应保证汽车的前轮定位正确，制动器摩擦片与制动鼓有正确间隙，轮胎气压正常，各相对运动零部件滑磨表面光滑、间隙恰当并有充分的润滑油，此时底盘的行驶阻力会减小，汽车的滑行距离增加，相应使用油耗也会降低。 二、汽车结构方面 为了节省燃油，一方面依靠运输企业正确地使用车辆，但更重要的是制造厂应提供省油的汽车，因此，当前世界各国都把提高燃油经济性作为汽车发展与科研中的重大课题。 下面分别论述发动机、传动系、汽车外形、轮胎等

5、与汽车燃油经济性的关系。 （一）发动机 为了节省能源，控制排气污染，近年来对于汽车用发动机进行了多方面的研究，由目前情况来看，最现实的途径是在现有发动机的基础上，改进现有通用的汽油机的经济性，同时扩大柴油机的使用范围，另外稀薄混合气分层燃烧汽油机也是一种有前途的发动机，概括起来，提高发动机燃油经济性的主要途径为： （1）提高现有汽油发动机的热效率和机械效率。 （2）扩大柴油发动机的应用范围。（柴油机比汽油机省油，排放性能较好，但重量大，整车动力性差，噪声、振动较大） （3）增压化。（增压后，比油耗be有所下降）。 （4）电子计算机控制技术的广泛应用。（电控结合稀燃） 另外，选用小排量发动机以提

6、高发动机负荷率对节油也很有意义。（家用经济型轿车的概念、混合动力汽车） （二）传动系 传动系对燃油消耗的影响，取决于其传动效率、档数和传动比。 传动效率越高，损失于传动系的能量越少，汽车的燃油经济性也就越好。 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（在同样的车速下，采用不同的排挡行驶时，发动机的转速和负荷率都不一样，因而有效油耗率也不一样）。但档位过多，会使传动系过于复杂，而且也不便于操作选用。 档数无限的无级变速器，在任何行驶条件下提供了使发动机在最经济工况下工作的可能性，若无级变速器始终能维持较高的机械效率，则汽车的燃油经济性将显著地提高

7、。 现有的无级变速器多数为液力变矩器（液力变扭器），由于液力（自身能量损失大）变矩器的传动效率低，汽车装用自动液力变扭器以后，燃油经济性有所下降，但由于它操纵简便，乘坐舒适性好等优点而在高级小客车上得到广泛的应用。 （三）车重 车重影响到滚动阻力、上坡阻力与加速阻力，因此影响汽车的燃油经济性。 载重汽车中“重量利用系数”越大，则制造中的消耗材料少，且运输中的油耗与成本都将降低，对于轿车、也是越重越费油，又大又重的豪华型轿车比小而轻的轻型或微型汽车的油耗几乎要高35倍。因此，广泛采用轻型微型轿车可以说是节约燃料的有效措施。 （四）汽车外形与轮胎 高速行驶时的空气阻力成为汽车行驶阻力的主要部分。装

8、有导流板的货车，在高速行驶时，可减小空气阻力20%，节油（410%）。因此，汽车的流线型设计对改善高速汽车燃油经济性有重要意义。 轮胎对燃料经济性的影响，主要表现在轮胎的滚动阻力、附着性能、振动，花纹噪声等所引起的能量损失，在轮胎结构上，目前公认子午线轮胎的综合性能最好，与一般斜交轮胎相比，可节油6%8%。 9-2 发动机与汽车的经济性匹配 汽车的整车性能与发动机性能之间既有联系，又有区别，传动系是联系二者的桥梁，传动系参数不仅对汽车的动力性能，而且对经济性能都具有重大的影响。例如，汽车的经济性能是以每百公里（或每吨百公里）所消耗的燃油量g100来表示，而发动机的经济性能一般是以燃油消耗率（比

9、油耗）be(g/kWh)，二者之间的关系如下： 在汽车参数已定的情况下，i、Vh、i0（ig）和载重量T均为常数，因此，汽车的使用油耗g100仅与ig、pme、be有关，而这三者取决于当时的行驶阻力、发动机油门开度、转速、变速器档位等，当igpmebe具有最小值时，汽车才具有最佳经济性能；而发动机最佳性能则是在be具有最小值时才能获得。可见两个经济性能既有密切联系，而又各具不同的性质。传动系参数的选择是实现发动机、底盘、道路三者合理匹配的重要环节。汽车定型时，必须从发动机方面的缸数、每缸排量、平均有效压力、比油耗与底盘方面的i0、ig（排档数和各档速比），r以及道路情况等进行合理匹配，才能获得

10、较好的经济性能。 一、发动机与汽车的经济性匹配分析 在分析发动机与汽车的经济性匹配时，以汽车的万有特性图作为分析的工具。在汽车的万有特性图上，分别作出了发动机的万有特性和汽车的行驶阻力特性（各档位的车速-发动机转速对应线，各档位的行驶阻力线），以及等百公里油耗线等。 发动机与汽车的经济性匹配原则： 1) 汽车万有特性曲线上要求直接档或超速档的常用道路阻力曲线接近发动机的低油耗区，且范围要大。 2) 在汽车行驶时，一般尽量使用高档，在高档不能行驶的情况下才换入低档。 这里以某货车车为例阐明发动机、底盘、道路三者的合理匹配以提高汽车经济性能的分析方法。 柴油发动机的有关参数为：缸径110mm，行程

11、120 mm，iVh=6.842L，额定功率140PS/3000rpm，其万有特性如图4-1。 汽车底盘有关参数为：i0=7.63，i1= 6.24，i2=3.32，i3=1.90，i4=1.0，i5=0.81，r的计算值为0.478m，汽车的自重约4150kg，载重5000kg，总重量约9350kg，汽车的传动效率T是车速、减速器速比和负荷等的函数，计算中取为常数，可取T= 86.2%，A=3.52m2 ，CD取1.12。图4-1 将汽车的道路阻力曲线按牵引力Ft转化为平均有效压力pme，绘制柴油机的万有特性上，然后绘制等百公里油耗曲线，汽车的速度Va与发动机转速n（在ig、i0、r已定的情

12、况下）成线性关系，可以绘出各档下行驶速度直线，从而决定某档在一定转速n时的车速Va，这样得到该车的万有特性图，如图4-2所示。 由汽车的万有特性曲线图4-2的分析可见，该车具有良好的动力性能，但经济性匹配并不理想。一般超速档或直接档的常用道路阻力曲线最好尽量接近100%bemin曲线，第V档离此线较远，虽然第V档处在110%bemin的经济工作范围内，而直接挡IV档只有很小一段（n=1300 rpm以下）落于此范围内，可见超速档的速比仍可减小，在可能的情况下，还可以适当考虑 减小i0或略加大轮胎半径r。考虑到本柴油机需进一步提高功率至160PS/3000r/min，应使V档或IV档的阻力曲线交

13、于额定功率点，为了保证低档时的动力性能和最大爬坡度，低档应有较大的减速速比，这时可以只减小超速档的速比（例如，减至0.6左右）。 从汽车万有特性图4-2的分析可知，等百公里油耗 g100曲线与等be曲线存在根本的差别，g100随车速的增加而增大，在使用机械变速器的情况下， g100曲线具有阶跃性，当发动机转速一定时，高档的g100低于低档，只有在发动机转速较低时（图4-2中n=1200rpm），IV档的g100反而低于V档，图4-2中汽车的最经济点在第IV档,n=1200 rpm处，而不是V档，这是由发动机万有特性的性质决定的，因此，汽车在行驶中时，一定尽量使用高档，在高档不能行驶的情况下，才

14、换入低档。由图4-2还可以看出，第I、档的间隔太小，使、档的利用率降低，并使、档的 的油耗偏高；第档的速比宜适当减小。 为了突出汽车的经济性，可将V档的负载功率曲线（行驶阻力曲线）设计成靠近图4-2中100%bemin曲线。但要略低些以保证V档的动力性能不致过多地下降而引起换档频繁，而降低V档的使用率。将IV档的阻力曲线交于最大功率点可使最高档和IV档具有良好的 经济性能而又不牺牲其他低档的动力性能。应该指出：我国现有许多汽车发动机的经济性匹配存在不少问题。这方面的节能潜力还很大，值得引起重视。 为改善低速动力性能，并保证降低高档速比后的经济性能，从发动机万有特性看，还可设法使最大扭矩时转速降

15、低200300r/min，而且也有潜力，加大最大扭矩，提高扭矩储备（目前最大扭矩处排烟很低（1Bosch），油耗也很低）。 当然，在考虑汽车经济匹配的同时，也不能不考虑动力性匹配，即要求汽车有足够的后备功率。对中、大载重量汽车应保证第I档的动力因数DImax=0.300.40，以使之能够克服较大的坡度阻力，直接档的动力因数D0max应为0.05 0.06（而Dvmax应为0.030.035），以免经常换档，降低高档的利用率而使经济性降低，即对于载重汽车，第I档行驶时应能产生1.702.0m/s2的加速度，而最高档时应能产生0.250.5m/s2的加速度，这也是保证汽车的机动性和生产率所必须的。

16、 二、改善经济性匹配的途径 发动机万有特性上的100%bemin曲线是发动机不同功率时的最经济油耗线，汽车的使用油耗g100不仅与发动机的燃油消耗率be有关，而且还与传动系参数及道路行驶阻力有关。当r、i0不变时，g100的最小值是在igbepe三者之积为最小时取得，bemin往往并不是g100最低处，不同情况下，汽车的节油效果是不同的，下面分析不同情况下汽车的经济性匹配。 第一种情况：若行驶要求的功率Pe和车速Va都不变，则g100的变化率与be的变化率相同。A点：g100=20kg/100kmB点：g100=18.14kg/100kmB点比A点降低9.6%AB 第二种情况：当发动机转速保持

17、不变，改变传动比ig使发动机处于bemin工况下工作，此时，ig变小，be减小，而pe增大，igbepme的乘积并不一定降低。A点：ik=0.81g100=13.77kg/100kmB点： ik=0.595g100=17.98kg/100kmB点比A点增加30.57% AB 第三种情况：通过增加装载吨位或带拖挂来利用较高的功率，使车速Va不变，即 ig、i0、r、n均不变，以降低吨百公里油耗L/t100km 增加吨位或带拖挂时，T增大，牵引力Ft增大，pme增大，发动机负荷率提高，be可能减小；be/T减小，实际上pme的增大一般低于be/T的减小，因此，吨百公里油耗相应地减小。例如：车速50

18、km/h，满足牵引力需求的最大载重14.6吨,g100为1.677kg/t.100km, 载重5吨g100为2.754kg/t.100km，变化39.1%。 第四种情况：如果设法把发动机万有特性的低油耗区变至中等转速的较低负荷区，则无论从生产率和g100都将获得很大的经济效益。因此，改善汽车经济性匹配的有效途径之一就是使发动机的经济区位于常用排挡、常用车速区。（这必须通过降低发动机的机械损失，提高发动机的燃烧（热）效率和机械效率，改善低负荷和中等转速的工作过程来实现）。 三、经济车速与实用车速汽车的g100min总是位于车速较低处，此时的车速称为经济车速。汽车总是工作在经济车速是否就是最好呢？使汽车既省油而生产率也高的车速才是比较理想的车速，称为“实用车速”。按节油且生产率又较高的要求，“实用车速”时应使g100/Va的比值极小值。图中，在平道行驶时V档的实用车速约为50km/h，IV档的行为52km/h，档的约为34km/h，这与解放牌汽车的实际常用