从技术角度谈汽车节能那点儿事

汽车节能是个老生常谈的研究课题。随着人类社会发展,能源危机、环境污染、交通拥堵等问题日趋严峻,对汽车行业低碳发展、节能减排的要求愈发迫切。人们从发动机、变速器、低摩擦、轻量化、电子电器、替代燃料、混合动力等领域,在车辆节能技术上寻求突破。进一步降低汽车能耗是目前全球汽车产业发展的共同趋势和转型升级方向。

汽车节能技术

众所周知，汽车行驶过程，是燃料中的化学能经过发动机燃烧转变为动能，再经由传动系统和轮胎转化为车辆行驶动能的过程。

从能量的角度讲，车辆的行驶就是燃料的能量被各种部件和行驶中的阻力不断耗散掉的同时，驱动车辆行驶的过程。

车辆能量的传递和消耗如下图所示：

从燃料到车身，每一个环节都存在着能量的耗费和损失，他们分别是：

发动机效率损失、传动系统损失、轮胎滚动阻力损失、空气阻力损失、制动摩擦力阻力损失。

因此汽车节能需从提升发动机效率、提升传动系统效率、降低车辆阻力三个环节分别入手。

汽车技术经过百年的发展，基于减少能量损失的原则开发并应用了大量节能技术，下图为近年来主流的汽车节能技术：

本文将简单介绍这些技术的基本原理：

发动机效率提升技术

图1典型发动机能量转换示意

现有发动机的效率通常约为25%，考虑到车辆日常行驶工况，效率远远更低，因此发动机效率提升空间非常大，是汽车节能的最重要环节。

在发动机效率提升上已经有了非常多的技术，取得了不错的成果。最新丰田混动技术发动机效率高达40%；马自达预计2019年量产的HCCI发动机号称最高效率达到50%。理论上内燃机效率提升的瓶颈在55%。现在市场上的主流车型效率水平距离这个目标仍有很长的路要走。未来好的节能技术将进一步普及，使量产车的效率进一步接近理论极限。

缸内直喷技术(GDI)

GDI是指将燃油喷嘴喷油器安装于气缸内,以压力较高的燃油直接喷入气缸内与进气混合,并通过优化和匹配设计,进一步提高喷射压力,使燃油雾化的效果更为细致。真正做到精准地按比例控制喷油,让燃油和空气能够在整个汽缸内进行均匀的混合,从而实现燃油的充分燃烧的一种技术。采用缸内直喷技术较多点喷射发动机节油2%~5%。

增压技术

涡轮增压技术是一种利用排气废气的能量冲击排气管道中的涡轮,同时带动进气管道的涡轮,使进气增压后送入到气缸,从而提高发动机的功率的技术。涡轮增压技通过减小原来发动机的排量使节能效果达到4%~10%。

废气再循环技术(EGR)

EGR是将发动机排气的一小部分再送回气缸的一种技术。再循环废气由于具有惰性会延缓燃耗过程,从而导致燃烧室中的压力形成过程放缓,减少NOx的生成。废气再循环技术通过减缓爆震的影响可提高压缩比,同时优化点火时间,并降低泵气损失,达到节能效果。

停缸技术(VCM)

VCM是指发动机在部分负荷下运行时,通过相关机构切断部分气缸的燃油供给、点火和进排气,使剩余工作气缸负荷率增大的一种技术。VCM一般可降低能耗3%~8%。

可变气门正时和升程技术(VVT和VVL)&阿特金森循环

VVT是根据发动机的运行情况来调节气门的开合时间、角度，VVL是调整气门升程。两种技术均可根据发动机工况优化发动机进气过程，提高燃烧效率。可变气门正时和升程技术现已成熟应用。

阿特金森循环也是优化气门开合时机的技术,通过推迟进气门关闭,在压缩冲程从进气门排除部分燃气,减少进气量,从而实现膨胀比大于压缩比,提高燃油利用率,达到节油的目的,一般可带来2%~8%的能耗降低。

HCCI均质压燃

HCCI是汽油发动机的一种新型燃烧方式，它的点火过程同柴油发动机相类似：通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧。该技术可极大提高空燃比和压缩比，大幅提升发动机效率。

该技术在高低负荷下的控制上还有一些技术问题待解决，因此该技术还未普及，最快预计2019年能量产。该技术是未来值得关注的技术之一。

高效传动系统

现有传动系统的效率损失高达20%，采用技术手段降低该环节的损失对整车的节能同样能起到不错的效果。

多档变速箱

变速箱每增加一个档位,都帮助发动机处在一个很好的工作状态,因此提高了潜在效能。5AT较传统4AT能耗降低2%~3%、6AT较传统4AT能耗降低3%~5%、7AT较传统4AT能耗降低5%~7%、8AT较传统4AT能耗降低6%~8%。

无极变速(CVT)

CVT是通过主动轮与从动轮的可动盘做轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带啮合的工作半径,从而改变传动比。理论上CVT有无数传动比，以使发动机始终处在最佳工作状态。所以即使带传动效率比齿轮传动效率低，CVT仍可降低能耗约2%~6%（与传统4AT相比）。

双离合变速

双离合自动变速箱融合了手动变速箱和自动变速箱二者的优点。一个离合器控制奇数档位齿轮,另一个离合器控制偶数档位齿轮。当一个档位正在工作时,相邻档位的齿轮进入啮合状态,当换挡时刻来临就可以只通过操纵离合器来实现换挡。避免了传统AT变速箱液力变矩器的搅油损失。相较于4AT,能耗可降低2%~7.5%。

降阻力技术

车辆的能耗与车辆受到的阻力成正比。车辆的阻力越大，行驶同样距离与耗费能耗能量就越多。因此车辆阻力是对车辆能耗极为重要的影响因素。

汽车行驶过程中,有各种各样的行驶阻力,其中空气阻力约占40%,滚动阻力约各占35%，制动阻力约占25%。每种阻力都有着重要的影响。

低滚阻轮胎

轮胎的滚动阻力与车重和轮胎的滚阻系数以及车速都有关。采用低滚阻轮胎可极降低滚阻系数，减少轮胎的滚阻。滚阻在车辆的阻力中占比十分可观，在保证车辆的舒适性、安全性相的前提下设计更低滚动阻力的轮胎是轮胎技术的重要研究方向。

低风阻设计

车辆行驶中的空气阻力

汽车风阻是指汽车的外部与气流作用产生的阻力。随车辆的迎风面积和车速增加而增大。同时风阻还与车辆造型设计有关，风阻越低的造型风阻系数越低。

风阻是整车受到阻力的大头，尤其在高速条件下，对车辆的能耗影响极大。因此降低风阻可显著优化车辆的能耗。

自然界最低风阻系数形状是雨滴，风阻系数是0.05。现有常见车型的风阻系数约为0.3。已有多款概念车的风阻系数达到了0.18、0.15的水平，树立了未来发展的标杆。

风阻系数0.15水滴造型概念车

风阻系数每降低10%则整车可节能约4%。可以预见，未来汽车依靠降低风阻实现节能上仍有极大提升空间。

轻量化技术

减少汽车自身质量有2个效果。一是间接降低了轮胎的滚动阻力，二是减少了车辆制动过程中的动能损耗。是降低油耗的最有效的措施之一。据相关数据显示,汽车自重每减少10%,NEDC工况下能耗可降低6%~8%、排放降低5%~6%。

铝、镁合金，玻璃纤维、碳纤维，塑料，陶瓷等材料均得到应用并逐渐普及。其中碳纤维替代钢结构可实现减重40%-60%。整车结构设计也随着车型的更新换代逐年提升，未来整车轻量化上有望取得巨大突破。

再生制动能量回收技术

车辆在制动或减速过程中耗费多余的能量,通常这些能量都由轮胎制动摩擦片消耗掉了。通过电机将这些能量发电回收利用能够降低车辆总的能量消耗,提高燃油的经济性。目前该项技术多用于混合动力与电动车型。

该方法现在强混和纯电动车上已可以将减少近80%的制动带来的能量损失。已十分接近理想状态了。

混合动力技术

混合动力是指同时装备两种动力来源—热动力源与电动力源，是一大类技术的统称，从最基本的自动启停的弱混到本田通用的强混系统都可以归为混合动力范畴。

混合动力系统主要由内燃机、电动机、动力电池与机械传动系统组成。利用电机高效工作区范围广的特点辅助内燃机，与内燃机协同互补，极大优化内燃机工况。

同时混合动力车通常还具备阿特金森循环发动机、制动能量回收、ECVT电子无级变速等技术。多种技术效果叠加下可实现高达30%的节能效果。

混合动力是目前技术成熟、节能效率最高且在世界范围内接受度高的乘用车动力系统。