汽車(chē)節(jié)能是個(gè)老生常談的研究課題。 隨著人類(lèi)社會(huì)發(fā)展, 能源危機(jī)、環(huán)境污染、交通擁堵等問(wèn)題日趨嚴(yán)峻, 對(duì)汽車(chē)行業(yè)低碳發(fā)展、節(jié)能減排的要求愈發(fā)迫切。人們從發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、低摩擦、輕量化、電子電器、替代燃料、混合動(dòng)力等領(lǐng)域,在車(chē)輛節(jié)能技術(shù)上尋求突破。進(jìn)一步降低汽車(chē)能耗是目前全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共同趨勢(shì)和轉(zhuǎn)型升級(jí)方向。

汽車(chē)節(jié)能技術(shù)

眾所周知，汽車(chē)行駛過(guò)程，是燃料中的化學(xué)能經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，再經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)和輪胎轉(zhuǎn)化為車(chē)輛行駛動(dòng)能的過(guò)程。

從能量的角度講，車(chē)輛的行駛就是燃料的能量被各種部件和行駛中的阻力不斷耗散掉的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛的過(guò)程。

車(chē)輛能量的傳遞和消耗如下圖所示：

從燃料到車(chē)身，每一個(gè)環(huán)節(jié)都存在著能量的耗費(fèi)和損失，他們分別是：

發(fā)動(dòng)機(jī)效率損失、傳動(dòng)系統(tǒng)損失、輪胎滾動(dòng)阻力損失、空氣阻力損失、制動(dòng)摩擦力阻力損失。

因此汽車(chē)節(jié)能需從提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率、提升傳動(dòng)系統(tǒng)效率、降低車(chē)輛阻力三個(gè)環(huán)節(jié)分別入手。

汽車(chē)技術(shù)經(jīng)過(guò)百年的發(fā)展，基于減少能量損失的原則開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了大量節(jié)能技術(shù)，下圖為近年來(lái)主流的汽車(chē)節(jié)能技術(shù)：

本文將簡(jiǎn)單介紹這些技術(shù)的基本原理：

發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升技術(shù)

圖 1典型發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換示意

現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的效率通常約為25%，考慮到車(chē)輛日常行駛工況，效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)更低，因此發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升空間非常大，是汽車(chē)節(jié)能的最重要環(huán)節(jié)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升上已經(jīng)有了非常多的技術(shù)，取得了不錯(cuò)的成果。最新豐田混動(dòng)技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)效率高達(dá)40%；馬自達(dá)預(yù)計(jì)2019年量產(chǎn)的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)稱(chēng)最高效率達(dá)到50%。理論上內(nèi)燃機(jī)效率提升的瓶頸在55%?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的主流車(chē)型效率水平距離這個(gè)目標(biāo)仍有很長(zhǎng)的路要走。未來(lái)好的節(jié)能技術(shù)將進(jìn)一步普及，使量產(chǎn)車(chē)的效率進(jìn)一步接近理論極限。

缸內(nèi)直噴技術(shù) (GDI)

GDI是指將燃油噴嘴噴油器安裝于氣缸內(nèi), 以壓力較高的燃油直接噴入氣缸內(nèi)與進(jìn)氣混合, 并通過(guò)優(yōu)化和匹配設(shè)計(jì), 進(jìn)一步提高噴射壓力, 使燃油霧化的效果更為細(xì)致。 真正做到精準(zhǔn)地按比例控制噴油, 讓燃油和空氣能夠在整個(gè)汽缸內(nèi)進(jìn)行均勻的混合, 從而實(shí)現(xiàn)燃油的充分燃燒的一種技術(shù)。采用缸內(nèi)直噴技術(shù)較多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油2%~5%。

增壓技術(shù)

渦輪增壓技術(shù)是一種利用排氣廢氣的能量沖擊排氣管道中的渦輪,同時(shí)帶動(dòng)進(jìn)氣管道的渦輪, 使進(jìn)氣增壓后送入到氣缸, 從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的技術(shù)。渦輪增壓技通過(guò)減小原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量使節(jié)能效果達(dá)到4%~10%。

廢氣再循環(huán)技術(shù) (EGR)

EGR是將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的一小部分再送回氣缸的一種技術(shù)。再循環(huán)廢氣由于具有惰性會(huì)延緩燃耗過(guò)程, 從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過(guò)程放緩, 減少NOx的生成。廢氣再循環(huán)技術(shù)通過(guò)減緩爆震的影響可提高壓縮比, 同時(shí)優(yōu)化點(diǎn)火時(shí)間, 并降低泵氣損失, 達(dá)到節(jié)能效果。

停缸技術(shù) (VCM)

VCM是指發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí), 通過(guò)相關(guān)機(jī)構(gòu)切斷部分氣缸的燃油供給、點(diǎn)火和進(jìn)排氣,使剩余工作氣缸負(fù)荷率增大的一種技術(shù)。VCM一般可降低能耗3%~8%。

可變氣門(mén)正時(shí)和升程技術(shù) (VVT和VVL)& 阿特金森循環(huán)

VVT是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況來(lái)調(diào)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合時(shí)間、角度，VVL是調(diào)整氣門(mén)升程。兩種技術(shù)均可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程，提高燃燒效率?？勺儦忾T(mén)正時(shí)和升程技術(shù)現(xiàn)已成熟應(yīng)用。

阿特金森循環(huán)也是優(yōu)化氣門(mén)開(kāi)合時(shí)機(jī)的技術(shù), 通過(guò)推遲進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉, 在壓縮沖程從進(jìn)氣門(mén)排除部分燃?xì)? 減少進(jìn)氣量, 從而實(shí)現(xiàn)膨脹比大于壓縮比, 提高燃油利用率, 達(dá)到節(jié)油的目的, 一般可帶來(lái)2%~8%的能耗降低。

HCCI均質(zhì)壓燃

HCCI是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的一種新型燃燒方式，它的點(diǎn)火過(guò)程同柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相類(lèi)似：通過(guò)活塞壓縮混合氣使之溫度升高至一定程度時(shí)自行燃燒。該技術(shù)可極大提高空燃比和壓縮比，大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

該技術(shù)在高低負(fù)荷下的控制上還有一些技術(shù)問(wèn)題待解決，因此該技術(shù)還未普及，最快預(yù)計(jì)2019年能量產(chǎn)。該技術(shù)是未來(lái)值得關(guān)注的技術(shù)之一。

高效傳動(dòng)系統(tǒng)

現(xiàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)的效率損失高達(dá)20%，采用技術(shù)手段降低該環(huán)節(jié)的損失對(duì)整車(chē)的節(jié)能同樣能起到不錯(cuò)的效果。

多檔變速箱

變速箱每增加一個(gè)檔位, 都幫助發(fā)動(dòng)機(jī)處在一個(gè)很好的工作狀態(tài), 因此提高了潛在效能。5AT較傳統(tǒng)4AT能耗降低2%~3%、6AT較傳統(tǒng)4AT能耗降低3%~5%、7AT較傳統(tǒng)4AT能耗降低5%~7%、8AT較傳統(tǒng)4AT能耗降低6%~8%。

無(wú)極變速 (CVT)

CVT是通過(guò)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的可動(dòng)盤(pán)做軸向移動(dòng)來(lái)改變主動(dòng)輪、從動(dòng)輪錐面與V型傳動(dòng)帶嚙合的工作半徑, 從而改變傳動(dòng)比。理論上CVT有無(wú)數(shù)傳動(dòng)比，以使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處在最佳工作狀態(tài)。所以即使帶傳動(dòng)效率比齒輪傳動(dòng)效率低， CVT仍可降低能耗約2%~6%（與傳統(tǒng)4AT相比）。

雙離合變速

雙離合自動(dòng)變速箱融合了手動(dòng)變速箱和自動(dòng)變速箱二者的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)離合器控制奇數(shù)檔位齒輪, 另一個(gè)離合器控制偶數(shù)檔位齒輪。當(dāng)一個(gè)檔位正在工作時(shí),相鄰檔位的齒輪進(jìn)入嚙合狀態(tài), 當(dāng)換擋時(shí)刻來(lái)臨就可以只通過(guò)操縱離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋。避免了傳統(tǒng)AT變速箱液力變矩器的攪油損失。相較于4AT, 能耗可降低2%~7.5%。

降阻力技術(shù)

車(chē)輛的能耗與車(chē)輛受到的阻力成正比。車(chē)輛的阻力越大，行駛同樣距離與耗費(fèi)能耗能量就越多。因此車(chē)輛阻力是對(duì)車(chē)輛能耗極為重要的影響因素。

汽車(chē)行駛過(guò)程中, 有各種各樣的行駛阻力, 其中空氣阻力約占40%, 滾動(dòng)阻力約各占35%，制動(dòng)阻力約占25%。每種阻力都有著重要的影響。

低滾阻輪胎

輪胎的滾動(dòng)阻力與車(chē)重和輪胎的滾阻系數(shù)以及車(chē)速都有關(guān)。采用低滾阻輪胎可極降低滾阻系數(shù)，減少輪胎的滾阻。滾阻在車(chē)輛的阻力中占比十分可觀，在保證車(chē)輛的舒適性、安全性相的前提下設(shè)計(jì)更低滾動(dòng)阻力的輪胎是輪胎技術(shù)的重要研究方向。

低風(fēng)阻設(shè)計(jì)

車(chē)輛行駛中的空氣阻力

汽車(chē)風(fēng)阻是指汽車(chē)的外部與氣流作用產(chǎn)生的阻力。隨車(chē)輛的迎風(fēng)面積和車(chē)速增加而增大。同時(shí)風(fēng)阻還與車(chē)輛造型設(shè)計(jì)有關(guān)，風(fēng)阻越低的造型風(fēng)阻系數(shù)越低。

風(fēng)阻是整車(chē)受到阻力的大頭，尤其在高速條件下，對(duì)車(chē)輛的能耗影響極大。因此降低風(fēng)阻可顯著優(yōu)化車(chē)輛的能耗。

自然界最低風(fēng)阻系數(shù)形狀是雨滴，風(fēng)阻系數(shù)是0.05?，F(xiàn)有常見(jiàn)車(chē)型的風(fēng)阻系數(shù)約為0.3。已有多款概念車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)達(dá)到了0.18、0.15的水平，樹(shù)立了未來(lái)發(fā)展的標(biāo)桿。

風(fēng)阻系數(shù)0.15水滴造型概念車(chē)

風(fēng)阻系數(shù)每降低10%則整車(chē)可節(jié)能約4%?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)汽車(chē)依靠降低風(fēng)阻實(shí)現(xiàn)節(jié)能上仍有極大提升空間。

輕量化技術(shù)

減少汽車(chē)自身質(zhì)量有2個(gè)效果。一是間接降低了輪胎的滾動(dòng)阻力，二是減少了車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能損耗。是降低油耗的最有效的措施之一。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示, 汽車(chē)自重每減少10%, NEDC工況下能耗可降低6%~8%、排放降低5%~6%。

鋁、鎂合金，玻璃纖維、碳纖維，塑料，陶瓷等材料均得到應(yīng)用并逐漸普及。其中碳纖維替代鋼結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)減重40%-60%。整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也隨著車(chē)型的更新?lián)Q代逐年提升，未來(lái)整車(chē)輕量化上有望取得巨大突破。

再生制動(dòng)能量回收技術(shù)

車(chē)輛在制動(dòng)或減速過(guò)程中耗費(fèi)多余的能量,通常這些能量都由輪胎制動(dòng)摩擦片消耗掉了。通過(guò)電機(jī)將這些能量發(fā)電回收利用能夠降低車(chē)輛總的能量消耗, 提高燃油的經(jīng)濟(jì)性。目前該項(xiàng)技術(shù)多用于混合動(dòng)力與電動(dòng)車(chē)型。

該方法現(xiàn)在強(qiáng)混和純電動(dòng)車(chē)上已可以將減少近80%的制動(dòng)帶來(lái)的能量損失。已十分接近理想狀態(tài)了。

混合動(dòng)力技術(shù)

混合動(dòng)力是指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力來(lái)源—熱動(dòng)力源與電動(dòng)力源，是一大類(lèi)技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)，從最基本的自動(dòng)啟停的弱混到本田通用的強(qiáng)混系統(tǒng)都可以歸為混合動(dòng)力范疇。

混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。利用電機(jī)高效工作區(qū)范圍廣的特點(diǎn)輔助內(nèi)燃機(jī)，與內(nèi)燃機(jī)協(xié)同互補(bǔ)，極大優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)工況。

同時(shí)混合動(dòng)力車(chē)通常還具備阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)能量回收、ECVT電子無(wú)級(jí)變速等技術(shù)。多種技術(shù)效果疊加下可實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%的節(jié)能效果。

混合動(dòng)力是目前技術(shù)成熟、節(jié)能效率最高且在世界范圍內(nèi)接受度高的乘用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)。

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