汽车节能技术研究

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊汽车节能技术研究第4页共27页1绪论1.1课题背景（1）汽车节能技术分析的作用和意义大家知道，汽车工业的飞速发展是人类文明的一大骄傲。与此同时，汽车对能源的消耗和废气的排放也日渐成为人类发展的一大障碍。2002年地球峰会大会的主要目的就是敦促各国在可持续发展领域采取实际行动。各国政府在大会上纷纷提出行动计划、时间表和伙伴关系项目，特别是中国总理朱镕基在大会上宣布中国已核准旨在减缓全球变暖的《京都议定书》，受到与会代表的高度赞扬。汽车工业对可持续发展应做出的贡献就是减少燃油的消耗量、降低排放。采用先进科学的节能措施减少汽车废气对大气的污染、改善人类生态环境、节省石油资源。（2）我国汽车化进程对石油消费的影响除了汽车保有量增加这个原因外,造成我国汽车燃油消耗量巨大的另一个原因是我国的汽车技术整体比欧美、日本等发达国家落后10～20年,欧洲的柴油机技术和美国、日本的混合动力汽车的研制成功以及可替用燃料的不断研制，把汽车能耗进一步降低，而我国老旧车比例高达25%,汽车每百公里平均耗油比发达国家高20%以上。我国现在行驶的乘用车很多是从国外引进的上世纪80年代的车型,即使是最近几年生产的汽车,节油技术的采用也非常有限。从2004年销售量排名前15名车型的节油技术应用情况可以看出,节油技术的应用只集中在一部分中高档汽车,而应用得较多的技术是“电控燃料喷射技术”的一种,即MPI(多点电喷汽油)技术。该技术是和“三元催化技术”共同诞生的技术,是一种极其普通的技术。而我国应用像“可变气门正时和升程技术”这样新技术的车型只有“广州本田”的“雅阁”和“飞度”,以及“上海大众”的“帕萨特”等少量车型。同时,由于很多节油技术的采用要求成品油具有较高的质量,例如,具有代表性的节油技术——直喷技术、稀薄燃烧技术、透平增压技术、共轨喷射技术、尾气再循环技术等都需要燃油中的硫含量和多环芳烃含有量保持较低水平,但是我国目前的油品质量没有达到这些要求,譬如硫含量还相当高,所以也造成了很多节油技术无法采用。随着当前我国国民经济和汽车工的快速发展,以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出,交通节能减排工作的重要性不断增加，而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分,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状况,除了要积极推进以混合动力、燃料电池、柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的不断发展外,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以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品。1.2本文研究内容目前，节能技术在汽车设计、制造以及使用方面已得到了广泛的应用，并朝着多元化的趋势发展。因此针对这个发展的趋势，本文重点从两方面入手进行研究：发动机节能技术、整车节能技术。从技术层面寻求降低汽车油耗的的方法，达到节约能源的目的。增大燃烧率，例如，把直径为3mm的油滴雾化成直径为30µm的细油滴1百万颗，由于质量燃烧率大致反比于油滴直径平方值，则燃烧率可增加1万倍。因此，燃油的雾化质量直接影响发动机的燃烧特性。利用螺旋进气道、切向进气道产生绕气缸中心线的进气涡流，或组织绕其旋转轴线平行于曲轴的翻滚气流，或通过活塞顶的燃烧室形状组织挤流，可以加快燃烧室内气流速度。改进点火系统，包括提高点火能量，优化点火位置，增加点火持续时间，以及提高点火区域的温度等，可以促使发动机燃料的完全燃烧，提高燃油的经济性。（2）分层燃烧技术在燃烧时的火焰中心，即火花塞附件的可燃混合气浓度，对着火有直接的影响，在A/F为12—13.5偏浓的范围内，最适宜点火，即着火性最好。但是一旦已经形成火焰，则由于其高温和涡流的作用，燃烧室中其余区域的混合气即使很稀，也能点燃、传播火焰并继续燃烧。所以在火花塞附件的混合气浓一点，其余的混合气稀一点，这就是分层燃烧原理。相对而言，浓度基本不变的，则叫均质燃烧。通过分层燃烧，可以大幅度提高A/F值，大多数稀燃发动机都采用分层燃烧方式。实际上，一般在中小负荷工况时采用分层燃烧，在大负荷采用弱分层燃烧。所谓弱分层是指混合气浓度差值较小，这样有助于防止燃烧时产生黑烟和熄火的倾向。分层燃烧的稀燃特点，主要有单室式和双室式：1）单室式单室式主要利用喷油喷油嘴所形成的旋转气流，火花塞、喷油器与燃烧室的匹配，以及供油方式和热量处理等各种方式进行分层燃烧，如图2.1。喷油嘴在火花塞9附近造成较浓的混合气。并且由箭头6方向的气流扰动，产生较好的效果。该装置的A/F值可达100。双室式如图2.2浙江大学在195柴油机上作的实验，采用双室式的分层燃烧，其空然比可达到A/F=37。图2.1德士古—TCP系统的顺气喷射方案1.喷雾2.可燃混合气3.焰面4.燃烧气体5.带导气屏的进气阀6.空气流7.排气阀8.喷油器9.火花塞图2.2195柴油机的分层燃烧1.活塞2.气门3.进气管4.副通管5.主通道6.主室7.副室8.喷嘴9.火花塞（3）稀薄燃烧控制稀薄燃烧发动机，其实只在部分负荷工况范围实行稀薄燃烧，而在起动、怠速、加速和全负荷下都不采用稀薄燃烧。所以，各种有关的参数必须根据工况进行控制。涉及稀薄燃烧的控制参数有：进气涡流比、喷油正时、点火正时和过量空气系数。1）进气涡流比控制不论采用非均质混合气还是均质混合气，稀薄燃烧汽油机都要组织适当的缸内空气运动，以促使油束雾化和加速燃烧。稀薄燃烧汽油机普遍采用多气门技术。分层充气和缸内空气运动的电子控制往往和多气门技术联系在一起。缸内空气运动主要有翻滚气流如图2.3和进气涡流如图2.4。不同的气门形成可以组织不同的进气涡流。2）喷油正时控制喷油正时对稀薄燃烧的燃烧率和燃烧稳定性有一定的影响。在形成分层充气的场合，这主要是因为喷油正时影响充气分层状况。以AVL四气门HCFB系统为例，进气冲程中，相对推迟喷油可提高燃烧稳定性。喷油过早会使浓混合气集中在燃烧室的底部，而燃烧室顶部火花塞周围却是稀混合气，称为“负充量分层”，导致燃烧延缓，燃烧稳定性恶化，而对应于最佳燃烧稳定性的喷油正时往往会造成NOX排放过高。图2.3旋转轴线平行于曲轴中心线的翻滚1.火花塞2.喷油器3..混合气4.空气5.混合气和空气的分层图2.4分差螺旋进气道产生的进气涡流3）点火正时控制混合气变稀，则着火落后期和速燃期都加长，实现最佳转矩的最小点火提前（MBT）将增大。随着缸内空气运动的增强，MBT明显减小、燃烧速率将变得对点火正时十分敏感。所以，稀薄燃烧的点火提前角必须重新进行调整。点火正时还要考虑过量空气系数λ，空气运动情况和喷油正时等因素。总的来说，随着λ的增大，点火提前角应增大。4）λ闭环控制稀薄燃烧发动机的过量空气系数λ超出常规，λ的大小影响着发动机的性能和排放，给发动机工作过程带来困难，围绕着稀薄燃烧所采取的各项措施，如组织进气涡流、调整喷油正时和点火正时等，都与λ的大小有关，所以要进行λ闭环控制。稀薄燃烧λ闭环控制目标主要由发动机负荷和转速确定，可以用λ特性场表示。不同的稀薄燃烧发动机因其组织缸内空气运动的方式不同、燃烧室结构不同、气门和火花塞位置不同等原因，其λ特性场或A/F特性场会有较大差别。5）燃烧极限控制混合气浓度接近稀燃极限时，燃烧开始不稳定，平均指示压力的波动明显增大。这种浓度表现在：一是同一工作循环内缸与缸之间的平均指示压力波动增大；二是在同一个缸内不同工作循环之间的平均指示压力波动也增大。假定循环与循环之间的转矩波动多大，便可知该缸混合气已超稀燃极限，此时必须增加喷油量，使混合气加浓，以免发生缺火；如果转矩波动过小，则表明混合气浓度离开稀燃极限尚远，应该减少喷油量，使混合气变稀，以充分发挥稀薄燃烧在节油和降低NOX排放方面的潜力。2.4直喷汽油机汽油直接喷射（GasolineDirentInjection,缩写为GDI）就是指直接往气缸内喷射汽油。它同时也采用稀薄燃烧技术。GDI可使汽车节油达20%左右，因为提高了高工况时的体积效率，GDI还能使最大转矩提高10%左右，将燃油经济性提高到接近柴油机的水平。汽油直接喷射喷油器的构造与进气口喷射器相比有一些固有的特点。因为喷油器要安装在缸盖里面，且一直伸展到气缸，在现代四气门发动机中只有很小的空间可供喷油器使用，喷油器下段直径必须尽可能小，以便给缸盖冷却水套留有足够的空间，所以要将发针做得细长。尽管喷油器壳体很细，却不得影响最高达12Mpa的燃油压力和大的油束角度。考虑到价格、批量生产的开始日期和运行的可靠性，首选电磁驱动喷油器。2.5电控直喷柴油机柴油机由于其功率大，燃油消耗率低，国内外大部分中、重型汽车都采用柴油机作动力，轻型车用柴油机的比重也在稳步增长。柴油机的燃油喷射系统与汽油机截然不同，通常把燃油喷射系统中最关键的部件——油泵油嘴比喻为柴油机的心脏，长期以来柴油机都是采用机械控制系统来控制喷油泵的供油量和喷油正时。机械控制系统中的机械调速器和机械喷油提前器控制精度低，反应不灵敏，无法满足柴油机进一步改善性能的要求。随着石油危机和日益严格的排放法规的推动，柴油机电控技术也日益发展和成熟起来。直喷柴油机是最节能的内燃机，在轿车上使用较晚，原因是转速范围较窄，NOX和PM微粒的排放以及振动和噪声等问题。直到20世纪90年代这些问题逐渐得到解决，才开始大量应用于轿车。此外，直喷柴油机对柴油的要求较高，特别是对硫含量有严格的要求。直喷柴油机电控系统的特点、原理和分类柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三个部分组成。电控柴油机上所用的传感器，如转速、压力、温度等传感器以及加速踏板传感器，与汽油机电控系统都是一样的。电控单元在硬件方面也很相似，在整车管理系统的软件方面也有近似处。电控柴油喷射系统主要控制喷油量和喷油正时。柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力高达60—150Mpa甚至超过200Mpa，为汽油喷射的几百倍，上千倍。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制比较困难，柴油喷射对喷射正时的精度要求高，相对于上止点的角度位置远比汽油机要求准确，导致柴油喷射的电控执行器更复杂，因此柴油机电控技术的关键和难点就是柴油喷射电控执行器。柴油机在机械控制时代，就已经有直列泵、分配泵、泵喷嘴、单缸泵等结构不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，也形成了柴油喷射系统的多样化。电控柴油喷射系统根据其产生高压燃油的机构，可分为直列泵电控喷射系统，分配泵电控喷射系统，泵喷嘴电控喷射系统，单缸泵电控喷射系统，共轨式电控喷射系统。其中共轨式电控喷射是电控技术发展起来所形成的新型喷射机构。其他系统都是在原来的喷射机构上加上电控执行机构后形成的。对电控泵喷嘴系统来说，合适的低压供油系统也很重要。由于进回油道是铸造在气缸盖内，燃油本身在压缩和溢流中会产生热量又要传给燃油，因此要求输油泵提供足够大供油量，保证个缸喷油器之间温差不要太大，各缸喷油量差别足够小。PED系统所装备的输油泵供油压力在标定转速下为500KPa，供油量350L/h。它由输油泵、粗滤器，滤清器、压力调节器、控制阀、电动泵等组成。其中电动泵可在柴油机关掉后，为冷却仍处于高温ECU提供循环供油。在回油路上装有启动时所需的放气螺塞。2.6发动机增压和中冷技术增压是内燃机发展的一个飞跃。用增压的方式来提高进气量密度，可以几成甚至几倍的增加功率，同时还能改善热效率、提高经济性、减少排气中的有害成分、降低噪声。单位质量的功率增加，也可以降低发动机的质量。（1）增压的主要方式增压方式主要有机械增压、排气涡轮增压、复合增压、惯性增压、气波增压等。机械增压是指压气机由内燃机曲轴通过传动装置直接驱动的增压方式。机械增压的特点是：不增加发动机背压，但消耗其有效功率，总体布置有一定局限性；增压压力一般不超过0.15—0.17Mpa；过多地提高增压压力，会使驱动压气机耗功过大，机械效率明显下降，经济性恶化。排气涡轮增压是指利用排气量使排气在涡轮中进一步膨胀作功，用于驱动压气机的增压方式。排气涡轮增压的特点是：不消耗发动机有效功，增压器可以自由布置在所需的位置，涡轮有有一定的消声作用，并进一步减少排气中的有害成分。排气涡轮增压有单级涡轮增压和二级涡轮增压两类。单级涡轮增压：由一台涡轮机和一台压气机组成的或几台涡轮增压器并联的涡轮增压叫单级涡轮增压，多用于中、小型柴油机。小型柴油机、汽油机一般用径流式涡轮、离心式压气机；二级涡轮增压：空气经两台串联的涡轮增压器压缩后进入发动机，这类增压系统称为二级涡轮增压。（2）增压器涡轮增压器主要由涡轮和压气机组成。发动机排气经排气管进入涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至发动机进气管。（3）中冷器在增压柴油机为降低进入汽缸的空气温度、增加空气密度、减少排放，使增压后的空气先在中间冷却器中冷却，再进入气缸，称为增压中冷。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低以及机械负荷增加不多的前提下，较大幅度地提高柴油机功率，还可提高发动机的经济性、降低排放、节省能源。为了反映中间冷却程度，通常用中冷度来表示，即中冷器前后空气温度差与中冷器前空气温度的比值。目前采用的中冷器都属错流外冷间壁式冷却方式，根据冷却介质的不同，有水冷式和风冷式两大类。水冷式冷却根据冷却水系的不同又分以下两种方式：2）用独立的冷却水系冷却。柴油机有两套独立的冷却水系，高温冷却水系用来冷却发动机，低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器。这种冷却方式冷却效果最好，在船用和固定用途柴油机中普遍应用。风冷式冷却根据驱动冷却风扇的动力不同，可分为以下两种方式：1）用柴油机曲轴驱动风扇。这种方式适用于车用柴油机，把中冷器设置在冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却风扇与汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。车用柴油机普遍采用这种冷却方式，但在低负荷时易出现充气过冷现象。2）用压缩空气涡轮驱动风扇。由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，用涡轮带动风扇冷却中冷器。由于驱动涡轮的气流流量有限，涡轮作功较少，风扇提供的冷却风量较少，显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变化，因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化，低负荷时风量小，高负荷时风量大，有利于兼顾不同负荷时的燃烧性能。且其尺寸小，在车上安装方便，在运用车辆上也有应用。（4）排气能量的利用目前生产的车用增压柴油机中，几乎都采用排气涡轮增压系统，通过排气来驱动涡轮增压器工作，从而吸收排气能量来实现增压的目的。排气的最大可用能E由三部分组成：①排气门打开时，气缸内气体等熵膨胀到大气压力所作上午功Eb；②活塞推出排气，排气得到的能量Ec；③扫气空气所具有的能量Es。排气门前排气具有的能量，在流经排气门、气缸盖排气道、排气歧管、排气总管，最后到达涡轮前，存在着一系列的损失，总能量损失ΔE包括如下几个方面：ΔE=ΔEv+ΔEc+ΔEd+ΔEm+ΔEf+ΔEh（2-4）式中ΔEv—流经排气门出的节流损失；ΔEc—流经各种缩口处的节流损失；ΔEd—管道面积突扩时的流动损失；ΔEm—不同参数气流掺混和撞击形成的损失；ΔEf—由于气体的粘性而形成的摩擦损失；ΔEh—气流向外界散热所形成的能量损失。这些损失直接影响着排气能量可被涡轮回收的程度，是排气涡轮增压柴油机排气管设计和改进时所必须关注的重要方面。ΔEv是能量传递中的主要损失，约占总损失的60%—70%。尤其是在初期排气，气缸中高压高温气体流出时，因排气管中压力低而形成超临界流动，所以减少这部分节流损失对提高排气中能量的利用率是很重要的。在设计中，应使排气门后的通流面积尽可能大（一般采用四气门结构）、开启速度尽可能快，以使排气很快流出，排气门后的压力Pr很快升高，从而减少节流损失。另外，排气管容积不应太大，排气管要细而短。当在结构上受限制时，做得“细而长”比“粗而短”要好。在排气初期，大量排气涌入较细长的歧管中，形成“堵塞”，很快在排气门后建立起较高的压力波峰，减小排气门前后压差，从而大大减少节流损失，并把气体所具有的较大速度在歧管中保持下来并传送到涡轮，提高了对排气动能的利用率。由于歧管中流速高而使摩擦损失加大，但其他损失减小，所以总起来说，它的能量传递效率较高。细而长的排气管不仅能够使排气门后的压力Pr在排气初期很快升高，而且又能很快下降，使活塞排挤功减少，并有利于扫气。（5）增压器和发动机的匹配以单级涡轮增压系统为例，根据质量守恒定律，在这个增压系统中，压气机所提供的空气正好等于柴油机所需的空气量。因此，在稳定工况下，压气机提供的增压压力等于柴油机所需的增压压力。因此，可在压气机特性曲线图上，将该工况下以增压比∏b和空气流量qmb为表征的增压器好柴油机联合运行点确定下来。这样，当柴油机按某一特性运行时的所有工况点都可在压气机特性曲线上确定下来。如果高增压柴油机主要是在高速、高负荷下运转，则必须把增压器的高效率运转区域设计得广一些。车用柴油机低转速工况要求较苛刻，不仅以外特性运转，而且转矩的适应性系数高，所以增压器的高效率区域选在柴油机转速较低的地方，这样做即使在标定工况时性能稍差一些也是值得的。对于超高增压柴油机，低工况性能更为突出。因此，在选配涡轮增压器时，除了要进行变工况运行的配合性能计算外，还必须进行样机的配合调整实验，以满足各方面的要求。（6）可变涡轮增压在柴油机进行正常设计和经过估算及性能模拟计算来选配涡轮增压器后，一般在配合性能上不会出现太大偏差。但对于车用柴油机，如果增压系统满足高速时增压适量的要求，则在低速时供气就会不足；如果满足低速时的供气量，则在高速时就可能增压过量。因此，必须采取一些措施，才能弥补其高低工况不能同时满足较佳匹配的矛盾。对于车用高速柴油机及某些超高增压中速柴油机，为了改进低工况性能，可采用高速时放气的措施，但高工况经济性不好。近年来，发展了一种可变涡轮喷嘴环出口截面的涡轮增压器，简称变截面涡轮增压器。在发动机低速时，让喷嘴环出口截面积自动减小，使得流出速度相应提高，增压器转速上升，压气机出口压力增大，供气量加大；在高速时，让喷嘴环出口截面积增大，增压器转速相对减小，增压压力降低，增压不过量。采用变截面涡轮的优点是：①在不损害高转速经济性的条件下，增大低速转矩；②扩大了低油耗率的运行区；③使柴油机的加速性能提高；④可以满足要求越来越高的排放和噪声规范等。但要使可变截面涡轮达到实用化，必须满足：①从涡轮调节结构往外漏气应尽可能少，且当喷嘴面积改变、使气流流向偏离时，不致使涡轮效率降低过多；②结构及操作系统简单，操作方便；③所有结构操作系统具有较高的可靠性等。车用发动机大多用径流涡轮增压器，这给采用可变截面涡轮增压器带来方便。在有叶径流涡轮的情况下，可以采用改变喷嘴叶片安装角度的方法来改变喷嘴环出口截面积。如图2.5为一变截面多叶片可变喷嘴增压器三维示意图。图2.5变截面多叶片可变喷油嘴增压器喷嘴环截面积大小及档数是由实际运转要求确定的，在最大转矩时，增压压力最高。控制器（ECU）根据发动机转速、喷油泵齿条位移（相当于负荷）、水温和增压压力等信号对压力控制调节阀的开启和关闭时间比（负荷比）进行调节，从而控制真空泵产生的负压。可以根据发动机工况的最佳负荷比图谱预先输入到控制器中。控制器与电控柴油喷射系统的控制器也可互相通讯。由于采用可变喷嘴涡轮增压器，在低速时可变喷嘴涡轮增压器处于小喷嘴开度，增压压力可提高，因此大大改善了低速工况性能。由于采用了可变截面涡轮增压器，使柴油机加速、负荷特性都得到改善。整机稳态及瞬态性能改进，低油耗区域扩大，转矩储备系数加大。（7）增压器的瞬态性能柴油机瞬态特性是在变速或负荷情况下柴油机的性能。涡轮增压柴油机不像非增压柴油机那样很快响应负荷和转速的突然变化。在加速、加负荷过程中，空气流量与加油量变化速率之间的差异导致了燃烧空气系数低于极限值。因此，涡轮增压柴油机瞬态响应特性较差的决定因素是供气量。供气量比供油量的时间滞后，其原因是多方面的。燃油入气缸燃烧后，气体能量增加，而涡轮得到的能量增加显然要滞后一些，因为在排气门开启之间气体的能量不可能影响涡轮；在排气门开启以后，由于排气管中气体的可压缩性，也得经过几个工作循环，排气管中的气体压力才能逐步上升，涡轮得到的能量才能不断增加。另外，由于涡轮的功率比压气机的功率大而使涡轮增压器的转速增加，但涡轮增压器转子具有一定的转动惯量，要加速转子的旋转速度也需消耗一部分能量，这也是其瞬态响应滞后的另一个重要原因。再者，增压器的旋转速度不断上升才能使增压压力不断提高，但由于进气管具有一定的容积，这就使增压压力只能逐步提高。只有当增压压力提高后，才能增大进入气缸的供气量。这些因素都将使供气量滞后。当然，发动机响应快慢还与发动机运动件的转动惯量有关，若希望加速性能好，则希望发动机转动惯量尽可能小。改善增压柴油机瞬态特性的根本措施是使增压压力更快地提高，冲入气缸的空气量更快增加。尽量减小进气管和排气管的容积，在加速或加负荷过程中，使其中气体压力较快增大，响应速度加快，因此变压系统比定压系统响应速度快；在低工况运行时减小涡轮通流面积，若从低工况到高工况时涡轮通流面积小，则将使排气管中的压力更快上升，涡轮功率增加较快，使增压压力更快上升，从而改善瞬态特性。2.7可变进气技术（1）可变进气涡流系统通常，进气道是根据发动机在标定工况或最大转矩工况下的性能要求进行设计的，并制成树脂气道模型后在稳流气道试验台上测量涡流强度和流量系数，经过多次试验修改后定型，投入生产。这样的气道，其性能只在某个转速附近能达到最佳，而进气涡流强度随转速工况的变化是无法控制的。原理上，随发动机转速升高，进气涡流增强，当转速升高到一定程度时，进气涡流过强，或者在低速时进气涡流强度过弱，这两种情况都不能使燃油与空气达到最佳混合。对燃油经济型和排放都会产生不利影响。这样就产生了企图控制进气涡流强度以满足高速、低速各种工况要求的设计思想。采用电控可变进气涡流系统后，发动机的动力性与经济性都获得改善。（2）可变气门正时汽车发动机要适应负荷和转速变化的运行条件，气门正时对充气系数、热效率和机械效率都有影响。可变气门正时的主要作用是在宽广的运行条件下改善充气系数、提高标定功率、怠速稳定性以及降低排放，从而使发动机动力性和燃油经济性得到协调统一。进气门和排气门对发动机充气交换过程的控制。其特性参数主要是3个：气门开启相位、气门开启持续角度（指气门保持升起持续的曲轴转速）和气门升程。这3个特性参数对发动机的性能、油耗和排放有重要影响。通常将气门开启相位和开启持续角度统称为气门正时。随着发动机负荷和转速的改变，这3个特性参数（特别是进气门开启相位和开启持续角度）应对应不同的优化要求。进气门开启相位提前，一方面为进气过程提供了较多的时间，有利于解决高转速时进气时间不足的问题；另一方面，气门重叠角增大，有更多的废气进入进气管，随后又同新鲜充量一起返回气缸，造成了较高的内部排气再循环率，可降低油耗及NOX排放，但同时也导致起动困难、怠速不稳和低速工作粗暴。进气门关闭相位推迟，一方面在高转速时有利于高速气流的惯性提高体积效率；另一方面在低转速时又会将已经吸入气缸的新鲜充量又推回到进气管中。气门升程增大，一方面在高负荷时有利于提高容积效率；另一方面在低负荷时不得不将节气门关得更小，造成更大的泵气损失和节流损失。可见，出于不同的考虑，对气门特性参数提出了不同要求。为了提高标定功率，要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门升程；为了提高低速转矩，要提早关闭进气门；为了改善起动性能并提高怠速稳定性，则要推迟开启进气门，减小气门重叠。进气门特性参数对发动机的影响比排气门特性参数大；进气门关闭相位的影响比开启相位大。（3）可变进气管长度进气门的开启关闭和活塞向下运动会使进气系统产生膨胀波。膨胀波从进气门出发，以当地声速传播到管端。由于进气系统的管端是敞开的，膨胀波在此变成压缩波并同时以当地声速反向传回进气门。如果这个压缩波传到进气门时进气门开启着，那么由于压缩波引起的质点振动方向与进气气流方向一致，进气气流因此而得到增强，气体体积效率将会提高，转矩也将增大。、整车节能技术3.1汽车传动系统匹配优化汽车传动系对汽车燃油经济性油重要影响，主要影响因素包括汽车传动系的档数、传动比和传动效率等。（1）传动系统的最优匹配与参数优化在汽车设计过程中，当发动机性能和汽车的常用行驶工况确定后，传动系统与发动机的匹配和参数选择是否恰当直接影响汽车的动力性、燃料经济性等。变速器的传动比范围、档位数、传动比分配规律和主传动比等参数都影响到整车的燃油经济性，在满足汽车动力性能的前提下，优化传动系各参数，使汽车常用工况处于发动机最佳经济区，则可有效地降低汽车的燃油消耗。（2）无级变速传动装置无级变速传动装置，即ContinuouslyVariableTransmission(CVT)，是理想的传动系统。采用CVT使得驾驶方便，传动系统与发动机得到最优匹配。CVT主要由CVT传动器和控制系统组成。传动器包括传动带、输入轴、输出轴、主动轮、被动轮、离合器和壳体等。1）传动带由两根厚片组合成的柔性钢带及许多金属片组成。其中金属带承受由主动轮所传递的推力（不是拉力），柔性钢带将金属片保持成带状，并支撑金属带。2）CVT传动器它的输入轴带动行星齿轮装置旋转，行星齿轮装置的主动部分是行星架，被动部分是太阳轮，直接驱动CVT主动轮及齿轮BANG、前进档离合器和倒档制动器，用以实现汽车的前进、倒车和起步。油泵将油输入主动轮伺服油缸和被动伺服油缸，推动主动滑动半轮和从动滑动半轮。由于金属传动带长度不变，当主动滑动半轮左（右）移动，通过控制系统的作用，从动滑动半轮要向（右）左作相应的移动，从而改变传动比。CVT装置的控制系统CVT装置传动比的变化是通过改变主动轮和从动轮V槽宽度实现的。由于传动带的长度是不变的，所以主动轮V槽宽度和被动轮V槽宽度应同时相应地变化。（3）CVT基本原理如图3.1是通过改变主、被动带轮直径，改变CVT传动比的原理图。图3.1CVT原理图1．主动轮2.紧边轮3.松边轮4.被动轮图3.1a传动比为1，即主传动带轮槽宽相等。图3.1b主动带轮槽宽度变窄，被动带轮槽变宽，传动比减小。图3.1c还可看到，金属带的工作边在主动轮的出端金属带受推，而不像通常皮带传动，工作边受拉。（4）CVT最佳燃油经济性调节特性如图3.2是发动机负荷特性，某一固定转速n1，它在b—Pe曲线表达了燃油消耗率与发动机输出功率的关系。其最低点表达在发动机转速n1时，相应的最小油耗效率。将各个不同转速曲线的最低点连接而成的包络线，即是发动机最经济工况。这条曲线是最低燃油消耗率曲线，使CVT装置在这条曲线上工作，是最经济的。图3.2发动机负荷特性的燃油消耗率3.2汽车空气动力学设计空气阻力所消耗的功率与车速的三次方成正比，就是说在车速低的时候，空气阻力功率消耗所占比例不大，在车速高的时候，空气阻力将是主要的阻力（1）空气阻力系数图3-3示出了汽车所受到的气动力和气动力矩。当汽车沿着x轴行驶，而且受到与质心成β角的侧向合成气流作用使，汽车上将受到以下气动力和气动力矩：D—空气阻力；L—升力；S—侧向力；PM—俯仰力矩；RM—侧倾力矩；YM—横摆力矩。被称为气动六分力或气动六分量。相应的系数为CD、CL、CS、CPM、CRM和CYM，其表达式为：空气阻力系数；（3-1）生力系数；（3-2）侧向力系数；（3-3）俯仰力矩系数；（3-3）侧倾力矩系数；（3-4）横摆力矩系数；（3-5）式中：ρ—空气密度，ρ=1.2258kg/m3；v∞—合成气流相对速度，m/s；A—汽车迎风面积，m2；α—轴距，m。其中对燃油经济性影响最大的是CD，为了保证正常行驶CL也十分重要。希望通过降低汽车的这些系数，以减小气动力的影响。减小CD可以降低行驶阻力及其消耗；同时减小CD可以减小升力。汽车的升力会减小车轮对地面的压力，这个压力也称为接地力。由于接地力的减小将降低前轴的操纵性和后轴的驱动能力，因此升力常常是有害的，应予以控制。传统的汽车造型是“细部优化”，细部优化的意思是按照造型风格、汽车结构布置和性能要求提出原型汽车，在次基础上进行空气动力学修正。当前所谓的“汽车造型整体优化”或称为“整体最佳化的理论”是使气流不从汽车表面分离。它以空气动力学特性最佳形体为依据，作为原型将它改造成汽车。改造原则是尽量不破坏流场，即气流尽量不产生分离。改造后汽车的CD比所依据的形体要大些，但尽可能地接近它。显然“整体优化”比“细部优化”先进，但是“整体优化”设计得到的各种汽车外形很容易趋向一致，而抹杀了个性，缺乏造型的独特风格。（2）降低空气阻力系数CD的措施1）空气阻力的组成如表3.1所列的是作用在汽车上的5种空气阻力。其中的压差阻力是由空气流场中的分离所致。摩擦阻力是指车身表面与空气摩擦所造成的阻力，干扰阻力是指后视镜、门把手等外露部件造成的阻力。内流阻力是指汽车内部的气体流动造成的阻力。压差阻力所占的份额最大，所以对油耗影响最大的是车辆正面的空气阻力。2）降低CD的措施a改善轿车前端形状改变轿车前端外形，能找到CD最小的外形。b改善后窗倾角和车顶的拱度，拱起越小，则CD降低。c正确选择离地间隙d放置扰流板e优化发动机舱内流场表3.1作用在汽车上的5种主要空气阻力项目产生原因影响因素压差阻力（形状阻力）由气流在车体上产生的分离和漩涡导致的压强增加引起车身各个表面的形状及其交接处的转折曲率及倾角摩擦阻力车身表面面积和粗糙度诱导阻力由升力向后倾斜引起车身外形、底板外形以及轮腔等内流阻力由发动机冷却气流和室内通风、空调等引起干扰阻力由不平整的车身外部零件引起气流干扰所致后视镜、流水槽、导流板、挡泥板、天线、门把手、头灯以及底盘部件等3.3轻量化整车质量与百公里燃油消耗成正比，是影响燃油消耗的重要因素。通过减轻汽车质量可以降低汽车油耗。（1）轻量化的概念汽车轻量化就是通过应用轻质材料及采取相应的优化结构和工艺来达到降低整车质量，而不影响汽车基本性能的一种设计方法。零件的可靠性取决于可运行性和损坏的可能性。例如生产者要节省车窗手柄的质量，就可能要冒损坏率提高的风险（如在打开结冰的车窗玻璃时）。节省原材料，或者减少材料使用数量，可以降低材料方面的成本，但使用一种更轻、强度更高的材料，往往又使材料成本上升，继而引起生产成本增加。这是汽车轻量化过程中需要解决的矛盾，仅简单地采用轻质材料往往达不到理想效果。（2）减轻质量的措施车身的刚度由车身结构形状，材料厚度以及弹性模量决定。车身质量通常是通过设计措施以及使用比一般低碳车身钢板密度小的替代材料来实现，这两个措施是不可分割的，由于材料特性不同，轻金属和塑料的形状结构和造型常常与钢完全不同。1）替代材料的应用就汽车车身而言，轻量化的材料途径主要有使用高强钢板车身、铝镁合金车身和塑料车身。前两种方法更适合大批量生产车型，第三种方法则比较适合小批量生产车型。2）结构措施对大面积塑料和轻金属构件的强化，处于美学方面的原因，可在看不见的一侧加筋。在罩子上除了弯曲载荷外，在开和关时单侧受力还会引起扭转，有必要加一个中间支撑。轻金属一般强度较低，靠提高壁厚增加强度势必会增加质量，一般设计成框架横截面。前后挡风玻璃采用粘接方式可以改善车身的扭