减少汽车机械损失的节能技术

于秩祥

（江苏建筑职业技术学院实验实训与职业技能管理中心，江苏 徐州 221116）

减少汽车机械损失的节能技术

于秩祥

（江苏建筑职业技术学院实验实训与职业技能管理中心，江苏 徐州 221116）

汽车行驶过程中机械损失消耗很多动力系统的指示功率，从而对外输出的有效功率减少。发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力所消耗的功率。一般汽车机械损失所消耗的功率占指示功率的10%~30%，故有效降低机械损失，特别是汽车上各种类型的机械损失，可提高车辆动力性和燃油经济性，达到节能减排效果。文章根据汽车上各系统的机械损失产生机理，分析其特点，结合先进实用技术降低或避免机械损失，提高汽车有效功率，降低汽车使用油耗，减少尾气排放，改善汽车使用经济性。

汽车；机械损失；功率；节能

CLC NO.:U465.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-233-04

引言

汽车的燃油消耗与加速、减速、制动、怠速停车等工况以及汽车附加（如空调、空气压缩机和转向液压泵）的使用有关。如图1所示，美国环保局EPA城市和EPA公路循环工况中的燃油化学能与汽车各处消耗能量的平衡图。由图1可以看出，汽车燃油消耗与汽车行驶阻力（滚动阻力与空气阻力）、发动机燃油消耗率以及传动效率有关之外，还同停车怠速油耗、汽车附件消耗及制动能量消耗有关。在城市循环工况中，后三个因素的影响相当大，它们消耗的能量总计达燃油化学能的25.2%。通过改变传统结构降低汽车各方面的机械损失可提高汽车的燃油经济性。

图1 美国中型轿车EPA城市、公路循环行驶工况的能量平衡图

汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力相互平衡，发动机功率和汽车行驶的阻力功率也总是平衡的。也就是说，在汽车行驶的各种工况下，发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力所消耗的功率。

汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、空气阻力功率Pw、坡度阻力功率Pi、和加速阻力功率Pj，乘以车速ua，并经单位换算出汽车功率平衡方程式⑴：

由汽车功率平衡方程式可知，在车辆传动效率一定的情况下，通过减小发动机内部机械损失和外部机械损失（滚动阻力功率、加速阻力功率、空气阻力功率和坡度阻力功率）可提高汽车行驶动力和燃油经济性。

1、减少发动机机械损失技术

在发动机运行过程中，发动机的有效功率Pe等于发动机的指示功率Pi减去机械损失的功率Pm。如式（2）所示。发动机指示功率Pi和机械损失功率Pm由测功机测得，当发动机指示功率Pi一定时，有效减小机械损失功率Pm可提高发动机Pe。

发动机的机械损失主要由摩擦损失、泵气损失和附件损失三个部分组成。其中磨损损失占机械损失的70%，驱动附件损失占10%~20%，泵气损失占10%~20%。合理有效的优化结构使用新技术、新材料可适当降低发动机的机械损失。

1.1 降低磨损损失

摩擦损失主要包括活塞、活塞环与气缸套间的摩擦损失，以及滑动轴承（主轴承、连杆轴承等）处的摩擦损失。此外，还有一部分流体摩擦损失，即高速运动的部件引起周围的空气、油雾等扰动引起的损失，这些损失可以进一步的降低。尽可能减小相对运动的接触面积，例如活塞换厚度、滑动轴承宽度。以汽油机活塞为例，在保证足够的强度和密封性能，活塞的高度直径比应小于1，可在气环和活塞裙部凃以高分子耐磨材料，如图2所示。同时尽可能减小运动部件的质量，从而减小惯性力以及接触面上的压力。采用高等级，低黏度的合成润滑油，例如采用API:SN，SAE：0W20，级别的全合成润滑油，可有效减少发动机内部零件的摩擦损失。

图2 活塞裙部涂层图

1.2 泵气损失

泵气损失约占发动机整个机械损失的10%~20%。在发动机换气过程中，由于需要克服气体流动阻力，因而在进气过程中气缸内压力低于大气压力，在排气过程中气缸内压力高于大气压力。在增压发动机中，尤其采用废气涡轮增压的发动机中，由于进气压力的显著提高，完全可能出现进气压力高于排气压力的情况，这时，泵气损失就变成了泵气正功，不但不消耗发动机功率造成损失，反而会为发动机增加一部分额外的功率。这也是废气涡轮增加发动机机械效率一般较高，经济性也较好的主要原因之一。另外，发动机采用可变配气相位技术，使用无节气门的配气机构，能有效降低发动机进气过程中的泵气损失，进而提高发动机充气效率，提高发动机功率。

1.3 驱动附件损失

一是权威性。在信息报道方面，专业记者仍然占有权威内容的发布权。在诸如“香港回归二十周年”“金砖会议”等重大报道中，仍由央视新闻等传统媒体权威发布领导人讲话和会议内容，在关乎国计民生的问题上其关注度仍然在网络中保持领先。

为保证发动机正常运转，有多种附件需要消耗发动机一部分功率来驱动，这些附件包括：配气机构、冷却水泵、机油泵、空调压缩机、空气压缩机以及柴油高压油泵等。为提高汽车动力性，降低燃油消耗，达到节能减排目的。例如配气机构和冷却水泵可以实现电机驱动降低发动机附件损失功率。大部分汽车的空调系统都是非独立式的，它的压缩机都是通过皮带轮直接由发动机带动。汽车在高速行驶时，输入的制冷量随发动机转速的增加而增加，汽车制冷量增多，不仅浪费一部分功率，也影响汽车的行驶性能。可变排量空调此时便会自动调整工作排量，降低制冷量，减小功率损耗。

一般的非变排量机油泵，其出油量大小是随着发动机转速增加而增加，二者呈线性关系。而为了保证低转速时的最低出油量及高转速时的最小油压，机油泵会被设计的很大，这就对发动机舱的布置提出了更高的要求。同时，发动机在高转速时，多余的润滑油会从油路中返回，导致发动机功率消耗增加。而变排量机油泵会根据发动机情况，调节油压与油量，从而达到节油的目的。电动助力则是将助力机构由复杂的液压机构变成了依靠电动机产生助力的系统。电动助力转向系统的结构非常简单，没有了液压泵、储液罐、液压管路和转向柱阀体结构，而是由传感器、控制单元和助力电机构成。而带动助力电机的正是12V电源系统，不从发动机“借力”，也就间接节省了燃油消耗。

2、减少滚动阻力功率技术

汽车滚动阻力由式⑴可知，主要取决于汽车重量、汽车行驶速度和滚动阻力系数，汽车重量和行驶速度是根据汽车使用状况而定，唯独滚动阻力系数是一定，滚动阻力系数是由路面类型和轮胎结构决定的，而路面类型根据行驶环境在不断改变，唯一能降低滚动阻力系数的就是轮胎的结构。

汽车燃料消耗的14%~20%是由轮胎滚动阻力造成的，而轮胎滚动阻力的近3/4来自于胎面，有效改善轮胎橡胶中的组成部分，可减少轮胎与地面的滚动阻力。例如，低滚动阻力轮胎是通过在橡胶中添加特殊改性聚合物，能有效减少分子间的摩擦生热，降低轮胎胎面与地面的滚动阻力。轮胎橡胶中添加特殊聚合物主要以有机硅和各类添加剂组成在一起，使碳分子凝集降低，当轮胎胎面与地面产生摩擦时可有效减少摩擦产生的热量，降低能量损失，同时增加轮胎耐磨力，从而使轮胎能有效降低滚动阻力，节省燃油消耗。硅吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等原因，所以硅胶胎相对于普通轮胎更耐磨和抗老化，并将轮胎橡胶用量减少以达到轻量化。

3、减少坡度阻力功率技术

汽车坡度阻力主要是道路坡度、汽车重量和行驶速度所影响。行驶速度和汽车重量一定的时，坡度阻力主要受道路坡度影响，坡度越大，阻力越大。由于坡度阻力和滚动阻力均属于与道路有关的阻力，而且均与汽车重量成正比，所以有效减小汽车重量，使汽车轻量化，可降低坡度有效阻力功率。

图3 承载式车身轻量化结构

汽车轻量化是个系统而繁杂的工程，材料上的轻并不是唯一是目的，结构强度也是要考虑的重要因素。在材料里包含了白车身材料和零部件材料的轻量化，看似简单的轿车白车身其实也是轻量化的重要目标，全铝车身、碳纤维覆盖件、铝车门、铝防撞梁、压铸铝合金塔顶，用在承载式车身结构上如图3所示。未来车身结构将从钢→铝合金→美铝合金→碳纤维→塑料复合材料变迁。而变速箱壳体、差速器壳体、发动机缸体缸盖等等这些零部件都大量运用铝合金则为整车轻量化的效果锦上添花。

根据汽车安全性考虑，汽车轻量化并不是简单的将铁的换成铝的。“高强度”和“轻量化”这两大关键词并不矛盾，任何轻量化都应该是在保证车体强度下完成，高强度的车身结构只是基本功课，在保障强度的同时利用材料和结构设计来减掉冗余的重量才是讲究“高效低能耗”的这个时代最被重视的。承载结构使用更高强度的材料，比以前用的材料更少，但是却能达到同样强度，以翼子板为例，将翼子板的受力进行分析并逐步进行优化，也就是说一点一点的拿掉多余部分而剩下的结构就为最精简且不影响强度的最优结果。

4、减少加速阻力功率技术

式中，Iw为车轮的转动惯量（kg·m2）；If为飞轮的转动惯量（kg·m2）；i0为主传动比；ig为变速器的速比。

根据公⑶可知，当汽车主减速比和变速器的速比一定时，汽车旋转质量系数取决与车轮的转动惯量和飞轮的转动惯量。采用铝合金轮圈和合成橡胶轮胎,可有效降低轮胎总成质量，减小车轮的转动惯量；在发动机上采用高强度工程塑料正时带轮、正时皮带、合金飞轮和轻量化离合器总成，可以有效减小飞轮的转动惯量。

5、减小空气阻力功率技术

汽车燃料在推动发动机运转时已经消耗了一大部分动力，而当汽车高速行驶时，一部分的动力需要用来克服空气阻力。在一般轿车中，这几部分阻力的大致比例为：形状阻力占58%，干扰阻力占14%，内循环阻力占12%，诱导阻力占7%，摩擦阻力占9%。因此空气阻力直接影响到汽车所需要的功率，从而影响汽车燃油消耗。消耗于空气阻力的功率为：

式中：ρ空气密度；CD空气阻力系数；A：汽车正面投影面积；ua车速；ηT：汽车传动效率。

可见，消耗于空气阻力的功率与车速的三次方、空气阻力系数和汽车正面投影面积成正比。车速越快用于克服空气阻力的功率越大，消耗的燃油就越多。汽车高速行驶时，35%~40%的空气会从车身上面流过，10%~15%从车身下面流过，20~30%从车身侧面流过。一台具有优秀空气动力学表面的车辆，应该是让大量气流通过车身侧面，并对车底进行流线化处理，压低发动机罩前端，减缓前风挡玻璃从而减少上下车身压力差，同时尽可能的减少车辆的正面投影面积，对于汽车尾部而言，应避免车顶气流与地板下部上卷的气流混合形成尾涡。由式⑷可知，在汽车上产生的主要空气阻力是压力阻力，包括迎面阻力和压差阻力。迎面阻力很好理解，就是空气迎头撞上车头而产生的阻力，这个阻力可以通过把车头设计成流线型来降低。设计汽车流线外形，能有效降低空气阻力系数，从而降低空气阻力。

压差阻力是空气流至车尾，车身的走势从逐渐扩大变成逐渐收缩，层流的空气在这里开始变成湍流，到车尾垂直平面的部分最为严重，产生了空气分离区，这个分离区里往往是负压，这个负压和车头的正压产生的压差形成了与行驶方向相反的力即压差阻力。如图4所示，由于两箱车车尾面积大，因而产生的负压较大，造成前后的压差就更大，车辆的空气阻力相应的越高。为改善这种情况，在车辆尾部应安装扰流板，来减小空气阻力。

图4 二箱车与三箱车压差阻力形成比较

另外，车辆底部凸凹不平也会提高空气阻力，各种裸露的管线和横梁直接导致了底盘下气流的紊乱，一般轿车底盘风阻系数在0.034左右，如图5所示。为了消除底盘的风阻，将车辆底盘用塑料护板包裹，盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。平整的塑料护板增加了车辆下部的平滑度，减小了摩擦阻力，能够有效降低车辆的高速行驶风阻。

图5 汽车底部覆盖件

车辆外形流线不代表阻力低，特别是车头。因为很多空气并不是沿车头外廓流动的，不少空气都通过进气格栅吹进了发动机舱直接吹拂发动机和散热器。这部分阻力约占汽车风阻的12%。为了解决这部分阻力有些厂家开始使用电子控制的可开闭格栅。电子系统会根据车速和发动机是否需要空气冷却来开闭进气格栅，当格栅关闭时气流不再经过发动机舱，这部分阻力消除。如图6所示。

图6 汽车进气格栅结构

6、结论

⑴使用高分子、合金技术材料减小发动机内部摩擦损失，提高发动机有效功率。采用先进发动机技术，减少驱动附件功率（水泵、空气压缩机、液压泵等），减少内部摩擦和驱动消耗的机械损失。

⑵降低发动机排量，采用废气涡轮增压技术，使用合金和高强度塑料等轻量化部件，降低发动机总质量，减少发动机总重量和泵气功产生的机械损失。

⑶采用美铝高强度车身板材，高强度轻量化钢板，降低整车质量，实现汽车轻量化，减少汽车重量损耗的机械损失。

⑷改善轮胎橡胶材料，降低轮胎与地面产生的滚阻力系数，减小汽车轮胎产生的滚动阻力损失。

⑸合理选用车型，优化汽车外形结构，使用各类空气扰流套件，改善空气阻力系数，降低汽车高速行驶的空气阻力，从而降低因空气阻力带来的汽车动力损失。

[1] 于秩祥.乘用车使用低滚动阻力轮胎的节能减排分析[J].无锡职业技术学院学报.2011(6).

[2] 余志生主编.汽车理论第5版[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3] 耿彤编著.德国汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2012.

[4] 傅立敏著.汽车设计与空气动力学[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[5] （德）Robert Bosch主编.魏春源等译.汽车工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

[6] 于秩祥编著.汽车传感器原理与应用[M].长春:吉林人民出版社, 2013.

[7] 刘玉梅主编.汽车节能技术与原理[M].北京:机械工业出版社,2008.

Reduce automobile mechanical loss of energy saving technology

Yu Zhixiang
( Experimental and Occupational Skills Management Center, Jiangsu Institute of Architectural Technology, Jiangsu Xuzhou 221116 )

The car in the process of mechanical loss indicated power consume a lot of power system, thus reduces the effective power of foreign output. Power from the engine is always equal to the mechanical transmission loss power and all the power consumed by a resistance movement. General motors power consumed by a mechanical loss accounts for 10% ~ 30% of indicated power, effectively reduce the mechanical loss, especially in cars of various types of mechanical loss, can greatly improve the power performance and fuel economy of vehicles, energy conservation and emissions reduction. According to the mechanical loss of car the system mechanism, analysis of its characteristics, combined with advanced practical technology to reduce or avoid mechanical loss, effective power car, reduce vehicle use fuel consumption, reduce emissions, improve vehicles use economy.

car; Mechanical loss; power; Energy saving

U465.9

A

1671-7988(2016)07-233-04

于秩祥，实验师，就职于江苏建筑职业技术学院实验实训与职业技能管理中心。主要从事汽车和工程机械车辆结构改进，汽车电气系统和发动机检测，汽车性能测试，汽车理论和实践教学。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.075