第三章 整车的节能技术
第一节 汽车的燃油经济性
石油是交通运输的主要能源，节约汽车用燃油是汽车制造业和汽车运输业的一个重要任务。汽车的燃油经济性是指汽车在一定的使用条件下，以最小的燃料消耗量完成单位运输工作的能力。它是汽车的主要使用性能之一，直接关系到汽车能否节能。本节主要讨论燃油经济性的评价指标、汽车燃油经济性的计算方法以及提高燃油经济性的途径。
一、汽车燃油经济性的评价指标
汽车燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。
在中国、加拿大、澳大利亚等国家，燃油经济性指标的单位为L/100km，即行驶100km所消耗的燃油升数。其数值越大，汽车燃油经济性越差。美、英等国家采用MPG（mile/gal），指的是每加仑燃油能行驶的英里数；日本、韩国、中国台湾等国家和地区采用km/L，这个数值越大，汽车燃油经济性越好。
等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，它指汽车在一定载荷下，以最高挡在水平良好的路面上等速行驶100km的燃油消耗量。常测出每隔10km/h或20km/h速度间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在图上连成曲线，称为等速百公里燃油消耗量曲线，用它来评价汽车的燃油经济性，汽车等速百公里燃油消耗量曲线如图3-1所示。
图3-1 汽车等速百公里燃油消耗量曲线
但是，等速行驶工况并没有全面反映汽车的实际运行情况，特别是在市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速停车等行驶工况。因此，各国都制定了一些典型的循环行驶实验工况来模拟实际汽车运行状况，并以其百公里燃油消耗量来评价相应行驶工况的燃油经济性。
测量汽车燃油经济性的行驶工况如图3-2所示，欧洲经济委员会（ECE）规定，要测量车速为90km/h和120km/h的等速百公里燃油消耗量和按ECE-R.15循环工况的百公里燃油消耗量，并各取1/3相加作为混合百公里燃油消耗量来评定汽车燃油经济性。美国环境保护局（EPA）规定，要测量市内循环工况（UDDS）及公路循环工况（HWFET）的燃油经济性（单位为mile/gal），并按下式计算综合燃油经济性。
（3－1）
图3-2 测量汽车燃油经济性的行驶工况
以它作为燃油经济性的综合评价指标。我国也制定了货车与客车的路上行驶循环工况，还规定以等速百公里燃油消耗量和最高挡节气门全开加速行驶500m的加速油耗作为单项评价指标，以循环工况燃油消耗量作为综合评价指标。
二、汽车燃油经济性的计算
1.等速行驶工况燃油消耗量的计算
图3-3给出了某汽油发动机的万有特性曲线。在万有特性图上有等燃油消耗率曲线。根据这些曲线，可以确定发动机在一定转速n，发出一定功率Pe时的燃油消耗率be。为了便于计算，在以转速n和车速va的转换关系为横坐标上画出汽车（最高挡）的行驶车速比例尺。此外，计算时还需要等速行驶的汽车阻力功率值 Pf+Pw。式中，Pf为汽车滚动阻力功率，Pw为汽车空气阻力功率。
图3-3 汽油发动机万有特性曲线
根据等速行驶车速va及阻力功率P，在万有特性图上（利用插值法）可确定相应的燃油消耗率be。从而计算出以该车速等速行驶时单位时间内的燃油消耗量Qt（mL/s）为
（3－2）
式中 be——燃油消耗率，g/（kW·h）；
γ——燃油的相对密度，汽油可取为6.96~7.15N/L，柴油可取7.94~8.13N/L。整个等速过程行经S（m）行程的燃油消耗量Q（mL）为
（3－3）
折算成等速百公里燃油消耗量Qs（L/100km）为
（3－4）
2.加速行驶工况燃油消耗量的计算
在汽车加速行驶时，发动机还要提供为克服加速阻力所消耗的功率。若加速度为 
，则发动机提供的功率Pe（kW）应为
（3－5）
下面计算由va1以等加速度加速行驶至va2的燃油消耗量。把加速过程分隔为若干个区间，例如，按速度每增加1km/h为一个小区间，每个区间均燃油消耗量可根据其平均的单位时间燃油消耗量与行驶时间之积来求得。各区间起始或终了车速所对应时刻的单位时间燃油消耗量Qt（mL/s），可根据相应的发动机发出的功率与燃油消耗率求得。
（3－6）
而汽车行驶速度每增加1km/h所需时间Δt（s）为
（3－7）
从行驶初速度va1加速至（va1+1）km/h所需燃油量Q1（mL）为
（3－8）
式中 Qt0——行驶初速度va1时，即t0时刻的单位时间燃油消耗量，mL/s；
Qt1——车速（va1+1）km/h时，即t1时刻的单位时间燃油消耗量，mL/s。
而车速由（va1+ 1）km/h再增加1km/h所需的燃油量Q2（mL）为
（3－9）
式中 Qt2——车速为（va1+ 2）km/h时，即t2时刻的单位燃油消耗量，mL/s。因此，每个区间的燃油消耗量为
（3－10）
式中 Qt3、Qt4、…、Qtn——t3、t4、…、tn各个时刻的单位时间燃油消耗量，mL/s。
整个加速过程的燃油消耗量Qa（mL）为
或
（3－11）
加速区段内汽车行驶的距离sa（m）为
（3－12）
3.等减速行驶工况燃油消耗量的计算
减速行驶时，加速踏板松开（关至最小位置）并进行轻微制动，发动机处于强制怠速状态，其耗油量即为正常怠速油耗。所以，减速燃油消耗率等于减速行驶时间与怠速油耗的乘积。减速时间t（s）
（3－13）
式中 va2、va3——起始及减速终了的车速，km/h；
——减速度，m/s2。
因此，减速过程燃油消耗量Qd（mL）为
（3－14）
式中 Qi——怠速燃油消耗率，mL/s。
减速区段内汽车行驶的距离sd（m）为
（3－15）
4.怠速停车时的燃油消耗量计算
若怠速停车时间为ts（s），则燃油消耗量Qid（mL）为
（3－16）
5.整个循环工况的百公里燃油消耗量
对于由等速、等加速、等减速、怠速停车等行驶工况组成的循环，如ECE-R.15和我国货车六工况法，其整个实验循环的百公里燃油消耗量Qs（L/100km）为
（3－17）
式中 ∑Q——所有过程耗油量之和，mL；
s——整个循环的行驶距离，m。
6.装有液力传动装置的汽车燃油经济性的计算
对于装有液力传动的汽车，其燃油经济性的计算与普通变速器的汽车有所不同。除要知道发动机的特性外，还要知道有关液力传动装置的特性，及泵轮的转矩曲线和无因次特性。且发动机的节流特性常用Ttq=f（n，α）及Qt=f（ne，α）的形式表示。Qt指发动机输出一定功率时每小时的燃油消耗量，称为小时燃油消耗量，单位为L/h，α指节气门开度。图3-4即表示发动机与液力变矩器的共同工作曲线和发动机的每小时燃油消耗量曲线。
图3-4 发动机与液力变矩器的共同工作曲线和发动机的每小时燃油消耗量曲线
要计算100km燃油消耗量时，可在发动机转矩曲线上，画上泵轮的转矩曲线Tp=f（np），Tp为泵轮转矩，np为泵轮转速；然后根据变矩器的无因次特性K=f（i），确定在不同速比下的变矩比K，再按下述关系
（3－18）
绘制不同节气门开度α下的Tt=f（nt）与np=f（nt）曲线，装有液力变矩器汽车的转矩平衡与np=f（nt）曲线如图3-5所示，式中Tt为涡轮转矩，nt为涡轮转速。
转速坐标按下列关系换算速度坐标。
（3－19）
图3-5 装有液力变矩器汽车的转矩平衡与np=f（nt） 曲线
为了确定汽车在不同道路上以不同速度行驶时发动机的节气门开度α与转速n（n=np），应利用转矩平衡，即在Tt=f(va)的图上，按下列公式绘制汽车在不同道路阻力系数ψ下，等速行驶时克服行驶阻力所需的涡轮转矩Tc与行驶速度va的关系。在选取ηT时，应考虑到带动液力传动辅助装置（如齿轮油泵、变矩器散热片）的能量消耗以及离合器片在油中的传动损失。对于一般轿车，此项损失在发动机最大功率时约占6%。
所得Tc与Tt的交点决定了汽车在一定道路阻力系数（例如ψ1）下的汽车行驶速度与发动机进气门位置，并由所得速度在np=f(nt)曲线上确定np（即n）。于是相应的小时燃油消耗量Qt即可由图3-5的Qt=f(n，α)曲线上求出。而百公里燃油消耗量Qs（L/100km），可按下式求得。
（3－20）
这样，汽车的百公里燃油消耗率曲线Qs-νa便可求出。