第三章　整車的節能技術

第一節　汽車的燃油經濟性

石油是交通運輸的主要能源，節約汽車用燃油是汽車制造業和汽車運輸業的一個重要任務。汽車的燃油經濟性是指汽車在一定的使用條件下，以最小的燃料消耗量完成單位運輸工作的能力。它是汽車的主要使用性能之一，直接關系到汽車能否節能。本節主要討論燃油經濟性的評價指標、汽車燃油經濟性的計算方法以及提高燃油經濟性的途徑。

一、汽車燃油經濟性的評價指標

汽車燃油經濟性常用一定運行工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。

在中國、加拿大、澳大利亞等國家，燃油經濟性指標的單位為L/100km，即行駛100km所消耗的燃油升數。其數值越大，汽車燃油經濟性越差。美、英等國家采用MPG（mile/gal），指的是每加侖燃油能行駛的英里數；日本、韓國、中國臺灣等國家和地區采用km/L，這個數值越大，汽車燃油經濟性越好。

等速行駛百公里燃油消耗量是常用的一種評價指標，它指汽車在一定載荷下，以最高擋在水平良好的路面上等速行駛100km的燃油消耗量。常測出每隔10km/h或20km/h速度間隔的等速百公里燃油消耗量，然后在圖上連成曲線，稱為等速百公里燃油消耗量曲線，用它來評價汽車的燃油經濟性，汽車等速百公里燃油消耗量曲線如圖3-1所示。

但是，等速行駛工況并沒有全面反映汽車的實際運行情況，特別是在市區行駛中頻繁出現的加速、減速、怠速停車等行駛工況。因此，各國都制定了一些典型的循環行駛實驗工況來模擬實際汽車運行狀況，并以其百公里燃油消耗量來評價相應行駛工況的燃油經濟性。

測量汽車燃油經濟性的行駛工況如圖3-2所示，歐洲經濟委員會（ECE）規定，要測量車速為90km/h和120km/h的等速百公里燃油消耗量和按ECE-R.15循環工況的百公里燃油消耗量，并各取1/3相加作為混合百公里燃油消耗量來評定汽車燃油經濟性。美國環境保護局（EPA）規定，要測量市內循環工況（UDDS）及公路循環工況（HWFET）的燃油經濟性（單位為mile/gal），并按下式計算綜合燃油經濟性。

　（3－1）

以它作為燃油經濟性的綜合評價指標。我國也制定了貨車與客車的路上行駛循環工況，還規定以等速百公里燃油消耗量和最高擋節氣門全開加速行駛500m的加速油耗作為單項評價指標，以循環工況燃油消耗量作為綜合評價指標。

二、汽車燃油經濟性的計算

1.等速行駛工況燃油消耗量的計算

圖3-3給出了某汽油發動機的萬有特性曲線。在萬有特性圖上有等燃油消耗率曲線。根據這些曲線，可以確定發動機在一定轉速n，發出一定功率P_e時的燃油消耗率b_e。為了便于計算，在以轉速n和車速v_a的轉換關系為橫坐標上畫出汽車（最高擋）的行駛車速比例尺。此外，計算時還需要等速行駛的汽車阻力功率值 P_f+P_w。式中，P_f為汽車滾動阻力功率，P_w為汽車空氣阻力功率。

根據等速行駛車速v_a及阻力功率P，在萬有特性圖上（利用插值法）可確定相應的燃油消耗率b_e。從而計算出以該車速等速行駛時單位時間內的燃油消耗量Q_t（mL/s）為

　（3－2）

式中　b_e——燃油消耗率，g/（kW·h）；

γ——燃油的相對密度，汽油可取為6.96~7.15N/L，柴油可取7.94~8.13N/L。整個等速過程行經S（m）行程的燃油消耗量Q（mL）為

　（3－3）

折算成等速百公里燃油消耗量Q_s（L/100km）為

　（3－4）

2.加速行駛工況燃油消耗量的計算

在汽車加速行駛時，發動機還要提供為克服加速阻力所消耗的功率。若加速度為 ，則發動機提供的功率P_e（kW）應為

　（3－5）

下面計算由v_a1以等加速度加速行駛至v_a2的燃油消耗量。把加速過程分隔為若干個區間，例如，按速度每增加1km/h為一個小區間，每個區間均燃油消耗量可根據其平均的單位時間燃油消耗量與行駛時間之積來求得。各區間起始或終了車速所對應時刻的單位時間燃油消耗量Q_t（mL/s），可根據相應的發動機發出的功率與燃油消耗率求得。

　（3－6）

而汽車行駛速度每增加1km/h所需時間Δt（s）為

　（3－7）

從行駛初速度v_a1加速至（v_a1+1）km/h所需燃油量Q₁（mL）為

　（3－8）

式中　Q_t0——行駛初速度v_a1時，即t₀時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s；

Q_t1——車速（v_a1+1）km/h時，即t₁時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s。

而車速由（v_a1+ 1）km/h再增加1km/h所需的燃油量Q₂（mL）為

　（3－9）

式中　Q_t2——車速為（v_a1+ 2）km/h時，即t₂時刻的單位燃油消耗量，mL/s。因此，每個區間的燃油消耗量為

　（3－10）

式中　Q_t3、Q_t4、…、Q_tn——t₃、t₄、…、t_n各個時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s。

整個加速過程的燃油消耗量Q_a（mL）為

或

　（3－11）

加速區段內汽車行駛的距離s_a（m）為

　（3－12）

3.等減速行駛工況燃油消耗量的計算

減速行駛時，加速踏板松開（關至最小位置）并進行輕微制動，發動機處于強制怠速狀態，其耗油量即為正常怠速油耗。所以，減速燃油消耗率等于減速行駛時間與怠速油耗的乘積。減速時間t（s）

　（3－13）

式中　v_a2、v_a3——起始及減速終了的車速，km/h；

　　　——減速度，m/s²。

因此，減速過程燃油消耗量Q_d（mL）為

　（3－14）

式中　Q_i——怠速燃油消耗率，mL/s。

減速區段內汽車行駛的距離s_d（m）為

　（3－15）

4.怠速停車時的燃油消耗量計算

若怠速停車時間為t_s（s），則燃油消耗量Q_id（mL）為

　（3－16）

5.整個循環工況的百公里燃油消耗量

對于由等速、等加速、等減速、怠速停車等行駛工況組成的循環，如ECE-R.15和我國貨車六工況法，其整個實驗循環的百公里燃油消耗量Q_s（L/100km）為

　（3－17）

式中　∑Q——所有過程耗油量之和，mL；

s——整個循環的行駛距離，m。

6.裝有液力傳動裝置的汽車燃油經濟性的計算

對于裝有液力傳動的汽車，其燃油經濟性的計算與普通變速器的汽車有所不同。除要知道發動機的特性外，還要知道有關液力傳動裝置的特性，及泵輪的轉矩曲線和無因次特性。且發動機的節流特性常用T_tq=f（n，α）及Q_t=f（n_e，α）的形式表示。Q_t指發動機輸出一定功率時每小時的燃油消耗量，稱為小時燃油消耗量，單位為L/h，α指節氣門開度。圖3-4即表示發動機與液力變矩器的共同工作曲線和發動機的每小時燃油消耗量曲線。

要計算100km燃油消耗量時，可在發動機轉矩曲線上，畫上泵輪的轉矩曲線T_p=f（n_p），T_p為泵輪轉矩，n_p為泵輪轉速；然后根據變矩器的無因次特性K=f（i），確定在不同速比下的變矩比K，再按下述關系

　（3－18）

繪制不同節氣門開度α下的T_t=f（n_t）與n_p=f（n_t）曲線，裝有液力變矩器汽車的轉矩平衡與n_p=f（n_t）曲線如圖3-5所示，式中T_t為渦輪轉矩，n_t為渦輪轉速。

轉速坐標按下列關系換算速度坐標。

　（3－19）

為了確定汽車在不同道路上以不同速度行駛時發動機的節氣門開度α與轉速n（n=n_p），應利用轉矩平衡，即在T_t=f(v_a)的圖上，按下列公式繪制汽車在不同道路阻力系數ψ下，等速行駛時克服行駛阻力所需的渦輪轉矩T_c與行駛速度v_a的關系。在選取η_T時，應考慮到帶動液力傳動輔助裝置（如齒輪油泵、變矩器散熱片）的能量消耗以及離合器片在油中的傳動損失。對于一般轎車，此項損失在發動機最大功率時約占6%。

所得T_c與T_t的交點決定了汽車在一定道路阻力系數（例如ψ₁）下的汽車行駛速度與發動機進氣門位置，并由所得速度在n_p=f(n_t)曲線上確定n_p（即n）。于是相應的小時燃油消耗量Q_t即可由圖3-5的Q_t=f(n，α)曲線上求出。而百公里燃油消耗量Q_s（L/100km），可按下式求得。

　（3－20）

這樣，汽車的百公里燃油消耗率曲線Q_s-ν_a便可求出。