汽车与新动力期刊怎么样

目前，内燃机对于实现低碳排放目标仍起着重要作用。混合动力汽车及电动汽车已取得了一定技术进步，而内燃机热效率的持续提升又有利于电驱装置充分发挥技术功效。采用大流量废气再循环(EGR)，提高压缩比并实现稀薄燃烧是内燃机用于提高效率的核心技术。针对燃烧过程的优化及新型燃烧技术的开发对车用发动机的技术发展起着重要作用。概述目前车用发动机的技术发展趋势，描述基于汽车电驱动化进程而开发的发动机技术，着重论述了影响未来发动机燃烧技术的关键问题，同时介绍了发动机的全新燃烧理念与燃烧方式等研究成果及发展前景。0 前言为解决汽车工业快速发展过程中的各类问题，研究人员通过采用先进技术有效改善了内燃机排气净化及运作过程。最近，随着日本国内政策的不断引导与支持，日本政府在逐步推广纯电动汽车(EV)，并将其投入实际应用。同时，为满足日本国内的低碳需求，研究人员仍须进一步提高发动机热效率。本文首先阐述了日本社会与经济的发展趋势及汽车普及情况，概述了车用发动机技术的进展，随后对可用于汽车电驱动系统的发动机进行了展望，并对影响未来发动机燃烧过程的关键技术进行了研究。 1 社会需求与发动机技术的新进展如图1所示，随着二战后社会经济的逐步复苏，日本国内的汽车产业得以飞速发展，由此引发了多种社会问题，特别是由于汽车排放而导致的环境气候的恶化现象，以及对人体健康带来的危害。研究人员通过在日本各地对汽车废气排放进行调查研究，对排放标准提出了进一步要求。为满足社会需求，日本政府制定了全新的排放法规，并逐步收紧排放法规限值。近年来，为抑制地球温室效应，研究人员须进一步降低汽车CO2排放，同时实现发动机的高效率化，并进一步改善汽车燃油经济性。如图2所示，研究人员通过测量由汽车所排放的碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)及排放颗粒物(PM)，计算出了上述排放物总量的变化过程及各车型产生排放物所占的比例。在由柴油车产生的排放物中，NOx及PM 约占85%。在由汽油车产生的排放物中，HC约占60%。随着法规的逐步强化，源于汽车的污染物排放量开始逐步降低。就目前而言，除了光化学氧化剂及PM5之外，其他排放物基本已可满足相应的环保标准要求。为满足上述排放法规要求，研究人员开始以提高发动机性能并改善燃油经济性为目标而进一步开展研发过程。包括发动机零部件技术在内的许多重大突破主要得益于先进的数值计算方法与分析技术。研究人员在汽油机的如下技术领域中均取得了一系列进展：(1)针对燃油供给系统中的精确空燃比控制、减速时的停缸技术；(2)针对火花塞的技术改良及高能点火技术；(3)针对气门驱动系统中凸轮驱动方式的改良及基于相位与可变升程的控制技术；(4)针对爆燃过程进行优化并降低泵气损失；(5)采用包括废气再循环(EGR)、增压系统在内的进、排气系统改良技术；(6)为降低机械损失而采用了润滑、冷却等技术。此外，在柴油机技术领域，4气门系统、缸内直接喷射技术、EGR装置、中间冷却系统、可变截面涡轮增压系统及共轨式喷油系统等领域均取得了一系列进展。研究人员通过采用氧化催化剂及柴油机排气颗粒过滤器(DPF)，并降低NOx催化剂的排气后处理系统，逐步实现了降低排放与提高整机热效率的技术目标。 2 汽车电驱动化时代的发动机技术从2017年起，汽车电驱动系统得以飞速发展，其发展过程主要与以下因素存在密切联系：(1)主要国家地区(如西欧、中国、美国加利福尼亚州等地)的政府及相关部门出台支持政策，并提供经济补助；(2)各大汽车生产商(OEM)的经营方针。在欧洲，以大众柴油机排放门为契机，研究人员重新制定了针对传统内燃机汽车的排放法规，并提出了应对环境问题的解决措施，同时将逐步引进EV与插电式混合动力汽车(PHEV)。在中国地区，政府部门除了采用相关环保政策之外，同时也在大力推进新能源汽车(EV、燃料电池汽车(FCV)、PHEV)的制造与销售进程。如图3所示，在最近十几年中，中国的乘用车保有量得以飞速增长，OEM 也在通过各种方式对中国汽车市场的发展趋势进行深入了解，并探索相应的战略方针。与上述发展趋势相呼应，,汽车工业的产业结构也发生了一系列变化，不同行业的从业人员也逐步加入到汽车领域中来。随着世界范围内新能源汽车的逐渐普及，各大车企有针对性地扩大经营规模，以实现标准化发展。同时，各大车企也加强了与电气设备OEM的合作，并确保电池供应体系的构建与完善，从而逐步搭建起基于该领域的技术平台。为了适应当前汽车电驱动时代的需求，发动机技术也逐渐呈现出多样化趋势，各种混合动力系统也得到了充分发展。混合动力汽车(HEV)仍需要随车携带传统化石燃料，因此不断提高发动机燃油经济性依然是重中之重。随着对阿特金森循环等技术的有效应用，HEV预计可将整车燃油耗降低约20%~50%。目前，研究人员已将燃烧控制技术、降低冷却损失及抑制爆燃的相关技术列为亟待解决的重要课题。就PHEV而言，其技术优势与HEV相似。PHEV 可有效延伸整车续航里程，并充分降低了燃油耗。但在电池容量增大的同时，由于整车质量增加，会相应引发燃油经济性恶化及成本上升等问题。对此，研究人员建议可将纯电驱动作为基本行驶模式，而用最大功率约为20 kW 的小型发动机作为增程器。同时，研究人员也在力求改善发动机摩擦现象，同时使动力装置实现轻量化，并视情况采用阿特金森循环。 3 发动机燃烧技术的发展1 新型燃烧方式为实现车用发动机的高效率化，研究人员须利用先进的零部件技术。在充分考虑了冷却损失的前提下，研究人员对热释放系数进行了研究。在燃烧持续期内，由于在热释放开始阶段下指示热效率逐渐提高，因此研究人员有必要对燃烧持续期进行着火定时控制。如果最高压力被限制在较低的水平，在燃烧持续期较短的情况下，研究人员须相应推迟热释放开始时刻。在燃用稀薄混合气的条件下，为缩短发动机燃烧持续期，部分研究人员提出了有效利用预混合燃烧的方案。目前，研究人员对均质充量压缩着火(HCCI)技术的关注度与日俱增。HCCI技术在汽油机低负荷工况下可充分发挥作用，但在变工况条件下，适当地控制混合气的自着火过程有着较高难度。而通过火花点火方式能可靠地使部分混合气进行燃烧。目前使稀薄混合气实现压缩着火并对快速燃烧进行控制的方法已进行了实用化。除了利用可变气门驱动系统以实现压缩比的可变过程，并利用机械增压以实现进气量控制之外，研究人员还通过采用高压汽油的直接喷射方式形成合适的混合气，同时利用大流量EGR降低燃烧温度，由此减少NOx排放量。与此同时，研究人员利用各气缸中设置的燃烧压力传感器，并根据采集的负荷、转速、机外温度、气压等参数，可实现对燃烧过程的精确控制。研究人员对预混合压缩着火(PCCI)技术也开展过许多研究。在该燃烧方式中，虽力求同时降低NOx与炭烟排放，但如果增加喷射量，会使混合气浓度提高，并使燃烧过程过于粗暴，所以该燃烧技术通常仅在部分负荷工况下得以应用。目前也有相关研究表明，除了采用大流量EGR之外，可通过米勒循环降低有效压缩比，即使在高负荷工况下也能实现平稳的燃烧过程，并大幅降低NOx与PM。同时，研究人员通过调节膨胀比，能使热效率保持不变。未来，研究人员可通过对喷射、燃烧控制等相关技术的有效应用，扩大发动机高效运转区域。近年来，研究人员对反应可控压缩着火(RCCI)技术进行了研究。在该燃烧过程中，以预混合气的快速燃烧作为增加等容度的主要方式，并能实现较高的指示热效率。在多种负荷条件下进行的稳定着火控制，抑制剧烈的热释放过程并确保燃烧效率是目前亟待解决的重要课题。为了进一步提高热效率，研究人员认为上文所述的PCCI燃烧技术有着较好的应用前景，同时为扩大发动机的高效运转区，须相应采用进排气控制、燃料喷射控制等先进技术。2 燃料-空气混合与燃烧燃料-空气混合气的形成对发动机燃烧过程有着重要影响。图4表示采用计算流体动力学(CFD)得出的多种燃烧方式条件下的热释放率与50%燃烧过程中当量比φ-温度T的分布示意图。燃烧反应过程主要受以下因素影响，主要包括燃料供给方式、定时的燃料-空气混合气的形成过程及燃烧气体的φ-T 分布。在普通的柴油燃烧过程中，即便在混合气着火后，缸内仍在继续进行燃油喷射。在经分层后的混合气稀薄化处理过程中，喷雾及燃烧过程还在继续进行。虽然着火及燃烧过程的可操纵性较好，但同时降低NOx与炭烟仍是亟待解决的课题。就PCCI燃烧方式而言，通常在压缩行程中会采用多种喷射策略，使混合气实现分层，并且NOx的排放量较高，而炭烟排放量则相对较低。在该工况条件下，研究人员通过延迟喷射即可延长燃烧持续期，进而降低压力升高率。在HCCI燃烧过程中，通常会在进气行程中供应燃油，使稀薄混合气实现压缩点火。虽然NOx与炭烟的排放较少，但受化学反应速度的影响，对着火及燃烧过程进行控制有着较高难度。在压力上升率较高与负荷较低的条件下，燃烧效率会相应降低。在RCCI燃烧过程中，由于研究人员对2种燃料比及燃料喷射定时进行了调节，因此可有效抑制NOx与炭烟排放，并可实现稳定的着火及燃烧控制过程。目前，在低负荷工况下改善燃烧效率并在高负荷工况下降低燃烧噪声等课题仍亟待解决。随着近年来计算机科学的快速发展，针对发动机燃烧过程的CFD技术得到了长足发展，预测精度也大幅提高，并成为了当前研究开发过程中不可缺少的工具。目前，研究人员仍需要进一步提高预测精度，并对燃料-空气的微观混合形态进行观测。如图5所示，在由研究人员所提出的随机过程理论模型中，最初分离着的燃料(燃料质量百分数Y=1)与空气(Y=0)实现湍流混合，并按照随机过程理论而逐步形成均匀混合过程。该混合过程应用了相关研究人员所提出的二体碰撞及再分散模型，该模型利用由湍流特性所决定的频度ω，在1个较大流体块经历了碰撞及融合过程后，将其分解为2个相等的较小流体块。研究人员通过对ω的时间积分定义无量纲时刻η(该数值与1个流体块的平均碰撞次数一致)，并可用于表示混合度。换言之，到η=2时，是按分散浓度进行分布的状态，但在逐渐达到η=6的状态后，浓度会接近于正态分布。η=12时，浓度会更接近于平均浓度Yo，表明了其可形成均匀的混合气。在图5中，不同颜色图案表示燃料在空间均匀破碎时的浓度分布状况。因此，作为湍流混合过程的评价指标起着重要作用。此外，ω 与湍流强度u'与积分比例L 存在数值关系，可通过ω=4u'/L 的公式来进行计算。研究人员利用该模型对柴油无因次燃烧过程进行了预测研究。计算中，得出了随时间变化的热释放量及压力过程。研究人员可相应计算出燃油喷射量、喷油定时、涡流比、EGR条件下的缸内压力及热释放率，从而合理地预测NO生成量的变化。通过该模型，研究人员可得出燃料-空气的不均匀度与浓度、燃烧后的温度与NO生成速度的概率分布。研究人员通过应用基于随机分析系统(RANS)的CFD仿真，能有效记录各个计算单元内的微观混合情况。研究人员通过引入反应动力学计算方法，也能将其应用于柴油机的PCCI燃烧过程中。此外，除了能通过无因次计算以预测喷雾着火过程之外，研究人员可根据实测的压力、放热率而得出基于混合时间的变化函数，由此可对多次喷射时的排气进行预测。通常，研究人员认为在强湍流场中对于点火不确定性与循环变动的预测结果，以及对由壁面碰撞而产生的流动过程的观测过程也起着重要作用。3 燃烧室壁面附近现象的说明通过采用最新的燃烧系统设计方案，研究人员能对各种各样的发动机技术规格及运转条件实施最佳的燃烧控制，但如要进一步改善燃烧过程并提高热效率，仍有许多后续工作需要开展。研究人员就燃烧室壁面非稳定热传导问题，运用了如图6所示的等容燃烧装置及高响应性热流束传感器(Vatell，HFM-7)，通过气体射流火焰及均匀混合气的传播火焰对壁面热流束变化进行了计测。图7是在采用预燃方式的条件下(温度为950 K，压力为2 MPa，氧气浓度为21%)，从喷孔直径为8 mm 的喷嘴中以喷射压力为8 MPa，喷射持续期为9 ms的参数喷射了氢燃料并使其自行着火燃烧后的结果。图7示出了缸内燃烧压力p，放热率dq/dt，平均温度Tave及在燃烧室壁面的2点P1、P2处测算出的热流束qhf的时间与喷射后的时刻t 的关系。图7(a)中的号码对应于图7(b)中逆光摄影图像的时刻，喷雾在与容器壁面相碰撞后(图像①)，在喷射后的25 ms内在P2附近着火，dq/dt数值随之急剧增大(图像③)。火焰在到达P2(图像②)，并进行快速传播(图像④)，随即进行扩散燃烧，在图像⑤时到达P1工况点。在喷射过程结束后(图像⑦)，dq/dt数值随之减小，同时火焰亮度有所降低(图像⑧、图像⑨)。qhf对应于以上燃烧区域的变化过程，P2在图像④，P1在图像⑥的时刻急剧增加。P2在扩散燃烧持续期(图像④~图像⑦)，持续保持相对恒定的值，随着火焰亮度的降低(图像⑧、图像⑨)，qhf也得以缓慢减小。P1在图像⑦出现极大值之后，qhf数值同样有所减少。此外，P2相比于P1之所以qhf数值较高，是由于在P2附近，着火燃烧的气体由于存在绝热压缩现象而具有较高的温度。根据上述情况进行分析，对燃烧室壁面附近的着火过程得出了2项结论：(1)在该燃烧过程中存在较大的热损失；(2)在可燃混合气自行着火燃烧的过程中，使qhf的数值相对较高。而且，为了对燃烧过程中热传导的状况进行直接观测，研究人员采用了具有5根微细热电偶的传感器，并测算了壁面附近的温度分布。该5根微细热电偶分别为A、B、C、D、E，其中A、B、C线材直径为25 μm，D、E线材直径为75 μm，伸长距离为δ。图8(a)表示了从点火后到燃烧结束时的燃烧室内压力p，放热率dq/dt，各热电偶的温度T，局部热流束qhf的持续时间与点火后的时刻t 的关系。图8(b)除了表示qhf与T的关系之外，根据由压力变化而计算出的未燃气体温度Tu及在温度传感器附近进行放大拍摄的逆光摄影图像(图8(c))截取2个时刻的图像作为实例(分别为90 ms与45 ms)，并在火焰锋面接近壁面约5 mm并持续14 ms后，示出了火焰锋面与壁面的距离x。图8中相应示出了各热电偶的δ 值，在缸内温度急剧升高的时期，同时在相同的线材直径条件及δ 值较大的情况下，温度增长速度较快。在δ 相同的条件下，线材直径越细小，时间常数会相应提前。T及qhf会随着未燃气体的压缩加热而缓慢地增加，由于火焰锋面的接近，dq/dt 数值得以明显增大。相比于qhf在火焰锋面到达壁面后成为极大值，T 极大值的出现存在滞后现象。尽管研究人员充分考虑到了热电偶信号的时间常数，并对此进行补偿，T的极大值也比火焰温度更低。由于T 的极大值会随着δ 的减少而降低，研究人员认为T的数值大小能在某种程度上影响到边界层内的温度分布。根据在各种条件下进行同样测算的结果，可得出如下趋势。在燃烧温度较高的条件下，由于压缩加热导致温度与热流束的形成速度快速增加，同时由于温度梯度较大，qhf也会相应变大。近年来，研究人员正在开展针对壁面附近现象的测算研究与模型试验。以发动机燃烧室壁面的热流束为例，研究人员历来通过热电偶对其进行测试，并按照非稳定传热分析而进行计算。在柴油机领域，由于燃烧室壁面碰撞而使热流束增加的现象会限制热效率的提高，因此研究人员目前正运用多个传感器以对热流束进行测算并对燃烧现象进行研究。同时，研究人员利用激光电子式传感器(LES)进行燃烧室壁面碰撞喷雾动态与局部热流束分布的数值分析，并研究了火焰接近壁面附近时的放大摄影图像，根据对温度边界层厚度的推定结果，从而对传热系数与热流束进行验算。近年来，利用壁温回转式隔热膜以改善热效率的效果引起了研究人员的关注。研究人员采用基于激光诱导荧光法(LIF)的壁面温度测算方法，并充分利用粒子图像测速法(μPIV)，对壁面附近的气体进行流动测算。相关燃烧机理说明上述方法正有效地应用于发动机的燃烧室设计过程中。此外，基于薄膜测温电阻器式的微电子机械(MEM)技术的相邻多点热流束测试传感器已得以成功开发，可期待其将在今后的发动机测试领域中得以应用。 4 结论上文概述了可有效满足社会需求的车用发动机技术的进展，并对汽车电驱动时代的相关发展条件进行了展望。随着环境及物质需求的变化，社会各界对汽车性能的要求也在逐步提升。目前，按照节能降耗的技术观念，研究人员仍须持续提高发动机热效率。燃料-空气混合气的形成过程、燃烧室壁面附近燃烧现象及其控制技术将是未来数年间的重点研究领域。本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期作者：[日]塩路昌宏整理：彭惠民编辑：伍赛特本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

《汽车驾驶节油技巧》以问答的形式较系统地介绍了汽车节约油料的原则和方法，以及在实际驾驶操作中的一些具体节约油料的技能和措施，并对目前汽车运用新技术节约油料的原理和方法进行了介绍。 一、概述节油对我国经济建设有什么重要意义？什么是汽车的燃油经济性？汽车燃油经济性的评价指标是什么？降低汽车油耗的措施有哪些？汽车节油产品效果评价指标有哪些？国家标准对汽车节油产品提出了哪些指标？汽车节能产品使用技术条件有哪些要求？车辆技术方面的节油途径及措施有哪些？辅助设施及维修节油的途径与措施有哪些？汽车运行中的节油途径与措施有哪些？二、汽车技术状况与节油汽车的技术状况对汽车油耗的影响是怎样的？发动机结构对汽车油耗的影响主要有哪几个方面？化油器技术状况对油耗有何影响？传统点火系统技术状况对油耗有什么影响？电控点火系统技术状况对油耗有什么影响？气缸压力对油耗有什么影响？“三滤”技术状况对油耗有什么影响？传动机件技术状况对油耗有什么影响？行路机件技术状况对油耗有什么影响？制动器对油耗有什么影响？轮胎对油耗有什么影响？怎样降低汽车配置和部件的耗油量？怎样合理选用车型才能保证更好地节油？三、汽车维护保养与节油汽车维护保养与节油有什么关系？汽车维护的内容和项目有哪些？汽车维护的工作内容和分工是怎样的？日常维护的内容有哪些？出车前的检查内容有哪些？行车中及途中休息时的检查内容有哪些？收车后的清洁、补给和安全检查内容有哪些？空气滤清器的维护保养对汽车油耗的影响是怎样的？化油器的维护保养与汽车油耗的关系怎样？四、汽车驾驶技术与节油汽车驾驶技术是怎样影响节油的？汽车节油驾驶操作技术包括哪些环节？正确起动和预热发动机与节油有何关系？发动机的起动方式有几种？为什么要求起动一次成功？怎样做才能使汽车起步加速省油？汽车起步加速时怎样做好初始档位的选择才省油？怎样正确选用汽车行驶时的档位才省油？怎样合理选择汽车韵行驶速度才省油？汽车行驶中怎样控制加速才省油？怎样控制与调整汽车行车温度才省油？怎样减速滑行才省油？为什么汽车加速滑行能够节油？其操作要领是怎样的？汽车加速滑行节油应注意哪些问题？怎样在日常的驾驶操作中做到点滴节油？装有自动变速器的车辆的驾驶与节油的关系怎样？五、汽车用油与节油了解车用燃油基本知识与节油有何关系？车用汽油的性能指标有哪些？车用汽油的选择原则是怎样的？怎样简易鉴别汽油质量？怎样延缓封存车油箱中汽油变质？ _使用汽油时怎样防止中毒？怎样使用起动汽油？改用不同牌号汽油时应怎么办？怎样判断汽油内含有四乙铅？如何安全使用汽油？车用柴油的性能指标有哪些？怎样使用柴油发动机助起动燃料？怎样掺兑使用不同牌号的轻柴油？怎样保持柴油的洁净？车用润滑油包括哪几个方面？发动机润滑油的作用是什么？发动机润滑油的性能指标有哪些？我国对发动机润滑油是如何分类的？发动机润滑油的等级是如何分类的？发动机润滑油的选择原则有哪些？怎样选用多级机油？怎样延缓机油在使用中变质？怎样确定机油的换油周期和更换机油？如何添加发动机的机油？怎样用简易的方法鉴别机油是否变质？怎样选用通用机油？使用节油机油为什么省油？汽车润滑脂具有什么样的特点？其分类和性能是怎样的？汽车润滑脂的选择使用方法有哪些？怎样识别润滑脂的品种？怎样正确使用及保管润滑脂？润滑脂的合理使用与节油之间的关系怎样？汽车齿轮油的功用是什么？汽车用齿轮油应具备哪些性能？汽车齿轮油是如何分类的？如何正确选用汽车齿轮油？怎样分类和选用进口汽车齿轮油？怎样正确使用齿轮油？汽车传动装置怎样润滑？汽车的转向机构和制动装置怎样润滑？汽车行路机构怎样润滑？怎样选用制动液？汽车减振器油如何选用？怎样选用和配制防冻液？怎样安全使用防冻液？怎样简易测定油料中的水分和杂质？怎样防止焊补油箱时发生爆炸？油料着火了怎么办？什么是天然气汽车？汽车使用天然气有什么优缺点？我国车用压缩天然气有哪些技术要求？如何正确选用车用压缩天然气？车用压缩天然气燃料系统由哪几部分组成？压缩天然气汽车改装技术要求有哪些？压缩天然气汽车出现发动机功率下降的原因有哪些？提高其功率的措施有哪些？天然气汽车使用安全吗？使用压缩天然气有哪些注意事项？什么是液化石油气？什么是车用液化石油气？怎样选用车用液化石油气？汽车使用液化石油气有什么优缺点？我国车用液化石油气有哪些牌号？车用液化石油气系统由哪些部件组成？液化石油气汽车改装有何技术要求？什么是两用燃料液化石油气汽车？为什么使用液化石油气不如使用汽油有劲？如何提高液化石油气汽车的动力性和经济性？使用车用液化石油气的注意事项有哪些？什么是车用乙醇汽油？怎样识别车用乙醇汽油的标号？车用乙醇汽油与车用无铅汽油有何差异？为什么变性燃料乙醇和车用乙醇汽油中对水分含量有严格的要求？如何选用车用乙醇汽油？乙醇汽油有何优缺点？如何给汽车加注乙醇汽油？车用乙醇汽油和车用无铅汽油能否混用？车用乙醇汽油与汽油相比其功率、油耗如何？什么是甲醇？什么是甲醇汽油？汽车使用甲醇燃料有什么优缺点？六、汽车节能新技术与节油燃油节能添加剂的节油原理是怎样的？润滑油摩擦改进剂的节油作用是什么？高能电子点火装置较传统点火装置在节油上有什么优点？在使用高能电子点火装置时，怎样对发动机进行合理调整才能节油？强制怠速节油器的功用是什么？强制怠速节油装置的工作原理是怎样的？发动机高压缩比对节油有何影响？废气涡轮增压技术与节油有何关系？汽车上采用冷却风扇新型驱动装置的节油原理是怎样的？发动机装用冷却风扇离合器的节油原理是怎样的？电动风扇的节油原理是怎样的？液压驱动风扇的节油原理是怎样的？空气补偿节油装置是怎样节油的？混合动力传动系统是如何节油的？使用子午线轮胎与节油的关系是怎样的？优化汽车传动系统速比与节油有何关系？降低空气阻力与节油的关系怎样？磁化节油净化器是怎样节油的？燃油掺水乳化的节油原理是什么？什么是闭缸节油技术？分层燃烧发动机的节油原理是什么？如何正确选购汽车节油产品？ 汽车节约油料是降低运输成本、提高经济效益的重要措施。随着轿车进入家庭速度的加快和石油价格的日益上涨，以及我国即将用燃油附加费取代养路费，节约油料的重要性越显突出，成为广大驾驶人重视和关心的热点、难点问题。众所周知，油耗的高低主要由汽车结构和技术性能来决定，同时在很大程度上与驾驶人的使用方法、使用环境、维修保养质量等有直接的联系。同样的一辆汽车，由不同的驾驶人进行驾驶，由于驾驶技术水平和驾驶习惯的不同，耗油量可相差8 9，6～15%。为了让你的“马儿”跑得好，同时又能少“吃草”，我们编写了本书。本书内容包括：汽车节油知识概述、汽车技术状况与节油、汽车维护保养与节油、汽车驾驶技术与节油、汽车用油与节油、汽车节能新技术与节油等。本书在编写过程中参考了有关著作、论文及资料，难以一一列举，在此一并向有关作者表示真挚的感谢。由于作者水平所限，书中差错和不当之处在所难免，恳请广大i卖者指正，以待再版时修订和完善。

车辆的总质量直接影响到燃油耗、CO2排放和加速性能。内燃机气缸体曲轴箱具有极大的轻量化潜力，已逐渐成为行业关注的焦点。内燃机的轻型结构对于混合动力车型意义重大，如电机、功率电子器件和蓄电池等部件均使车辆质量有所增加。随着汽车电动化的发展，气缸体曲轴箱的设计要求也在相应提高。1 基本情况目前，最大功率为110 kW的4缸5 L缸内直喷(TSI)发动机的铝合金气缸体曲轴箱在摩擦、可靠性和质量等方面已有了相应标准，通过应用替代材料能够实现更显著的轻量化优势。气缸体曲轴箱采用合成材料可以显著降低整车质量。借助于各种不同的计算机辅助工程(CAE)计算方法实施优化工作流程，包括虚拟设计、查明声学性能、热力性能、机械性能、以及优化设计等，并根据使用寿命周期分析(LCA)来评估混合结构气缸体曲轴箱(图1)的质量优势及因使用合成材料对改进制造工艺的影响，并将其转化成样机。 2 结构设计气缸体曲轴箱承受着复杂多变的负荷，除了装配应力之外，还必须在高温下承受着如拉力、压力，以及弯曲力矩和扭转力矩交织在一起的运行负荷。基础机型承受着高达11 MPa的最大气缸压力，从而引起了高达180 ℃的气缸盖火力面热负荷，以及高达36 kN的曲柄连杆机构作用力和5 kN的活塞侧压力，而运行材料所引起的温度交变和化学影响同样值得被关注。在设计边界条件下，由各部分组成的气缸体曲轴箱首先采用了由合成材料和金属组成的混合结构方案(图2)。铝合金芯部包括气缸、主轴承上半部和水套内壁，类似于基本型气缸体曲轴箱。气缸内壁有经珩磨加工的大气等离子喷涂层(APS)，而合成材料外壳则构成了气缸体曲轴箱的外部几何形状，并密封铝合金芯部，同时固定附件及辅助设备。合成材料外壳采用以酚醛树脂为基础的由玻璃纤维加强的热固性塑料。这种热塑性塑料考虑到了热膨胀、耐介质稳定性和蠕变倾向等方面的要求。铝合金主轴承盖框架用于加强气缸体曲轴箱的刚性，包括主轴承下半部，同时用于连接油底壳。除此之外，铝合金主轴承盖框架还承担变速箱结合面的一部分，以加强该部位的刚性。无论是气缸盖与主轴承之间，还是气缸体曲轴箱与变速箱之间，作用力都被限制在金属芯部与铝合金主轴承盖框架上。由聚酰胺制成的玻璃纤维加强油底壳可以将整个机体封闭起来。在进行混合结构气缸体曲轴箱设计时，应力争使用尽可能少的金属和尽可能多的合成材料，并应充分利用量产零部件来满足系统要求。这种设计方案相对于基本型结构在理论上可使质量减轻16%，但这种混合结构气缸体曲轴箱在数字模拟中显示出整个装置具有扭转异常的现象，并且局部抗疲劳断裂的安全性系数较低。因此，在开发样机时，对结构进行了设计优化，采用了刚性明显加强的铝合金主轴承盖框架，通过添加交叉加强筋的整体式机油收集底盘，可加强主轴承盖框架的刚性。同时，由于冷却水套处于逐点加强的铝合金芯部之中，无论是在主轴承处还是在正时机构侧或变速箱侧，采用形状合理的金属合成材料虽然加强了总体结合强度，但是也增加了主轴承盖框架(+4%)和芯部(+3%)的质量，即增加了气缸体曲轴箱中铝合金的总份额。即便如此，样机的总质量仍比基本型结构减轻了13%，并通过数字模拟再次评估了声学性能、热力学性能和机械性能。 3 声学借助于整个发动机-变速箱动力总成的噪声-振动-平顺性(NVH)计算，对混合结构气缸体曲轴箱进行声学评估，为此建立配备具有所有附件的发动机-变速箱模型作为弹性有限元(FEM)结构，并由整个曲柄连杆机构的气体力和惯性力产生激励，从而能对动力总成的振动特性进行详细的试验研究。设计方案评估的主要组成部分是分析弯曲和扭转振动的频率范围及其振幅，为此所必需的激励由正时机构端与变速箱端之间的单位负荷施加在曲轴轴线上。这种设计方案的弯曲振动特性得到了与基本型结构相似的振幅，而扭转振动却显现出较大的差异。这种设计方案的扭转振动频率位于发动机第2阶振动频率范围内，因此最大扭转角显著提高(图3)。此外，因摆动支承和变速箱支座处较大的横向位移，显现出不易察觉的非主要振动阶次。由于加强了主轴承盖框架刚性，扭转振动频率就从发动机第2阶振动激励范围凸显出来，其振幅又降低到基本型结构的水平。图4示出了加强刚性后的效果。 4 温度场混合结构气缸体曲轴箱的另1个评价标准是热特性，为此要为带有主轴承盖框架和水套的整个气缸盖-机体组合体建立1个耦合传热(CHT)计算模型，而燃烧室侧的热量输入则由类似于基本型结构选择的边界条件来考量，以考察气缸体曲轴箱的温度水平和温度分布。在水套下部金属/合成材料结合区域会产生较高的温度(图5)，这是合成材料的传热能力降低300倍的结果。在合成材料表面横截面中的温度梯度是不容忽视的，在5 mm 壁厚中的温度梯度高达30 K，这导致了其外表面的温度明显比基本型结构低。与原方案相比，样机的合成材料外壳表面温度要更低，这归因于带有完整的整体式冷却水套的铝合金芯部几何形状的变化，但是在直接紧贴气缸的壁面横截面中仍保持着相似的温度水平。对于混合结构方案而言，合成材料水套的这种“热桶效应”意味着能较快地达到运行温度，并能保持较长的时间。前提条件是要使用与此相应的热-机械性能稳定的合成材料，如热固性塑料或高功率热塑性塑料等。 5 强度除了声学特性和温度场之外，混合结构气缸体曲轴箱的使用强度通常被认为是最重要的评价标准。在进行强度计算时首先要查明装配状态下的静态断裂强度、等温线温度和爆发压力负荷，接着是高循环疲劳(HCF)运行强度，以及金属与合成材料结合区域的接触压力。所应用的支承力、活塞侧压力和爆发压力与基本型发动机全负荷加速时相当。所有的零件都处于1个线性材料模型之中。显然，这种方案在很多区域的安全系数较低，特别是涉及到第2道主轴承、通风口内外壁面，以及机体顶面的部分位置(图6)。样机上处于临界范围部位的加强刚性明显有所减少(图7)，但在前面2道主轴承的通风口处还存在进一步优化的可能。同样，在机体顶面个别部位及主轴承处，关键形状部位新设计的金属合成材料也存在进一步优化的可能。 6 温室气体平衡在进行声学、热力学和机械性能计算之后，环保是1项重要的评价因素。下面将对混合结构气缸体曲轴箱的温室气体平衡进行比较评估。按照ISO14040/14044标准，依据LCA方法进行较粗略的评估。不仅要对制造阶段，而且还要对使用阶段进行评估。对于混合结构气缸体曲轴箱的基础壳体金属部分(芯部和主轴承盖框架)主要采用经热处理的二次压铸铝合金，基础壳体的主轴承盖将采用粉末冶金钢。混合结构气缸体曲轴箱的制造使温室气体CO2当量比基本型结构降低15%(图8)，这是通过减少零件铝合金用量而达到的。即使在使用阶段期间，混合结构气缸体曲轴箱在温室气体平衡方面也有明显的优势。由于质量减轻及由此带来的燃油耗优势，就所消耗的行驶功率而言，温室气体排放比基本型混合结构气缸体曲轴箱减少了15%。由此可知，所有气体的总和与水化合会使水体和土壤酸化，酸化主要是由酚醛树脂在制造过程中产生的废水所引起的，但其危害程度可以忽略不计。 7 制 研究人员对样机进行了详细的结构设计并进行试制。试制过程从制造芯部和主轴承盖框架开始，紧接着必须进行芯部表面处理，包括表面喷砂、脱脂和表面增附剂涂层(增加附着力)，随后在样机制造时采用手工方法在硅树脂模具中进行合成材料注塑。其挑战在于必须确保在硬化时间之内完成材料注塑过程才能使得流量处于最佳状态。一方面保障树脂完全填满模具；另一方面使热固性塑料中的加强纤维材料实现均匀分布。在注塑过程后，将零件在1个炉子中进行保温处理，以便提高热固性塑料的聚合度，改善其机械性能。然后，即可以开展气缸表面涂层工作。通过专门调整，混合结构气缸体曲轴箱上部能在发动机量产设备上按照标准方法进行加工。借助于激光器的喷砂工艺，通过钢微粒喷涂形成工作表面涂层。图9示出了经表面涂层工艺加工后的气缸工作表面。在涂层工艺过程期间，局部导入的热量要加以限制，至少应使直接平衡评估(图中EOL=使用寿命终止)紧贴气缸的合成材料表面不会受到损坏。另外，在其他部位合成材料中会出现细微的裂纹和龟裂，它们位于顶面上金属合成材料结合区域，正时机构侧第1道主轴承和变速箱侧密封法兰区域。在主轴承座处可看到金属合成材料结合区域中颜色深浅程度的差异(图10)，根据这种相互关系要力争获得结合技术中的新方法，以改善2种材料的结合品质。接着进行的工艺步骤是将气缸体曲轴箱与主轴承盖框架装配在一起，并对功能表面进行加工。经玻璃纤维加强的合成材料使刀具磨损较大，可延展的铝合金与脆性合成材料之间的材料过渡改变了切屑的断裂特性。因此，这种金属合成材料表面的切削加工需要使用转位式刀片以获得较高的表面加工品质。最后，在样机加工设备上镗出主轴承孔通道，并对气缸进行珩磨处理。为此借助于1个专门制作的夹具以固定主轴承盖框架。镗出主轴承孔通道需要新的加工参数，这是因为基本型气缸体曲轴箱的主轴承瓦放在带有钢主轴承盖的铝合金主轴承座中，而混合结构气缸体曲轴箱的主轴承座则完全由铝合金构成。主轴承孔通道采用较长的刀具能一次性加工成形。最终的气缸珩磨利用珩磨中心支架逐步开展(图11)。气缸珩磨之后在气缸工作表面上依然有个别的缺陷，分析可能是因为在进行涂层时导入的热量和珩磨时施加的压力而导致的。由于合成材料外壳的绝热特性使得热量难以向外传导，与基本型结构相比，铝合金壁厚较薄，因而导致材料中的应力较大。开发出混合结构气缸体曲轴箱样机，其性能取决于基础部件。对未来混合结构气缸体曲轴箱进行展望，合成材料可靠地贴合在金属上是成功实现该目标的关键。采取简单的工艺和可靠的方法实施2种材料的贴合，且不能忽视每个生产工艺步骤对材料结合的影响。过程中必须确保压铸工艺、热处理工艺和加工工艺不会产生裂纹、脱壳，以及使材料发生化学变化等避免其他形式的缺陷。力求优化最终轮廓形状的制造过程，避免混合切削加工，以及设定好热处理在每个部件工艺过程中的次序定位。本文介绍的试验研究工作以气缸体曲轴箱为例，阐明了轻型混合结构方案的潜力和主要挑战。这种组合能有效地减轻结构部件约13%的质量，相应减少在车辆使用寿命期内约15%的CO2排放。轻型结构在汽车电动化中也起着重要的作用：一方面能改善车辆行驶动力性能；另一方面在行驶里程相同的情况下，较轻的车辆只需配备较小的蓄电池容量。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期作者：[德]?MJAUERNICK等整理：范明强编辑：何丹妮本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。