能源危機(jī)下客車的技術(shù)節(jié)能途徑與措施

    近年來(lái)，國(guó)際油價(jià)的反復(fù)波動(dòng)引發(fā)了全球性的石油產(chǎn)品供應(yīng)短缺，而汽車行業(yè)對(duì)石油的需求可占到全球石油產(chǎn)品總消耗量的三分之一以上。在新一輪的能源危機(jī)中，汽車產(chǎn)品的節(jié)能已成為汽車技術(shù)亟待解決的首要問(wèn)題。

    汽車產(chǎn)品的節(jié)能是一項(xiàng)工作量巨大的系統(tǒng)工程，由于影響因素眾多，因此需要一套科學(xué)的分析方法將各種因素有機(jī)串聯(lián)為一體。汽車是由車身、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)和電器四大部分組成，若要獲得良好的節(jié)能效果，則需在汽車產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，全面、詳盡地剖析汽車能耗的每個(gè)部分，從結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)入手，在汽車各個(gè)系統(tǒng)部分開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)整車節(jié)能的目的。本文以客車產(chǎn)品設(shè)計(jì)為例，對(duì)汽車產(chǎn)品的技術(shù)節(jié)能途徑與措施進(jìn)行簡(jiǎn)介。

    技術(shù)節(jié)能基本原理

    汽車在行駛過(guò)程中需要克服各種行駛阻力，這將消耗一部分功率，此外汽車的機(jī)械傳動(dòng)損失也將消耗一部分功率。根據(jù)輸入功率與輸出功率相等的原理，設(shè)定條件為平道、等速行駛，汽車的功率平衡方程如下(公式1)：

    其中Pe表示發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，ηT表示傳動(dòng)系的機(jī)械效率，G表示整車質(zhì)量，ua表示汽車行駛速度，CD表示空氣阻力系數(shù)、A表示迎風(fēng)面積，括號(hào)內(nèi)的四項(xiàng)分別為滾動(dòng)阻力功率、坡道阻力功率、空氣阻力功率和加速阻力功率。

    而汽車在等速行駛時(shí)的百公里油耗可以表示為(公式2)：

    其中，b為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，Y為燃油密度。

    根據(jù)公式1和2可知，汽車的百公里油耗與以下幾個(gè)參數(shù)有關(guān)：整車質(zhì)量G，空氣阻力系數(shù)CD和迎風(fēng)面積A。

    降低整車質(zhì)量始終是汽車產(chǎn)品節(jié)能降耗的最有效的手段，這也是多年來(lái)各大汽車公司始終重視汽車輕量化工作的原因。此外，汽車在平道上等速行駛時(shí)，行駛阻力主要由滾動(dòng)阻力和空氣阻力組成。根據(jù)公式1可知，滾動(dòng)阻力與車速成線性增加關(guān)系，而空氣阻力則與車速成三次方增加關(guān)系。試驗(yàn)證明，當(dāng)車速達(dá)到80km/h時(shí)，空氣阻力占汽車行駛阻力的60%。因此，汽車在低速行駛時(shí)改善油耗主要通過(guò)降低滾動(dòng)阻力實(shí)現(xiàn)，而改善高速行駛時(shí)的油耗則主要通過(guò)降低空氣阻力實(shí)現(xiàn)。目前我國(guó)城市公交客車的平均車速較低，普遍在25km/h左右，通過(guò)造型優(yōu)化改善油耗效果有限，而降低車輛的滾動(dòng)阻力則是一個(gè)主要手段。對(duì)于大多數(shù)時(shí)間都在高速行駛的公路/旅游客車，通過(guò)造型優(yōu)化實(shí)現(xiàn)空氣阻力的降低，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)油效果的較為明顯。

    車身部分

    通過(guò)車身設(shè)計(jì)改善油耗的關(guān)鍵在于減小車身的空氣阻力，主要適用于高速行駛的公路/旅游客車。汽車的空氣阻力分為壓力阻力和摩擦阻力兩大類。

    壓力阻力是作用在汽車外表上的法向壓力的合力在行駛方向的分力，具體可細(xì)分為以下四部分：

    形狀阻力：它主要與汽車的外觀造型相關(guān)，約占?jí)毫ψ枇Φ?0%。

    干擾阻力：它是由汽車表面的凸起物，例如后視鏡、流水槽、車頂行李架、外表裝飾板等引起，約占?jí)毫ψ枇Φ?5%。

    內(nèi)循環(huán)阻力：它是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、車身通風(fēng)所需的空氣流經(jīng)車體內(nèi)部時(shí)構(gòu)成的阻力，約占?jí)毫ψ枇Φ?5%。

    誘導(dǎo)阻力：它是空氣升力在汽車水平方向的投影，約占?jí)毫ψ枇Φ?0%。

    降低空氣阻力的關(guān)鍵是降低形狀阻力，也就是前部車身造型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們常見(jiàn)的公路旅游客車造型多表現(xiàn)為大曲面、雙曲線的流線式造型，這便是降低形狀阻力的集中體現(xiàn)。

    在客車車身設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)以下方法降低空氣阻力，改善油耗：

    1、客車總體布置結(jié)構(gòu)緊湊，提高空間利用率。在保證車內(nèi)正常使用空間和行李艙容積的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)師應(yīng)盡可能地減小客車的高度與寬度，從而減小客車的迎風(fēng)面積，降低油耗。目前很多客運(yùn)公司喜歡追求外觀高大的客車，在提高車輛乘坐舒適性的同時(shí)，也要相應(yīng)付出能耗增加的代價(jià)。

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    2、優(yōu)化客車整體造型。前風(fēng)窗玻璃采用大曲面，前圍棱線處采用大圓角過(guò)渡，整體呈現(xiàn)出明顯的楔形，這將有效改善客車的空氣動(dòng)力特性，降低油耗。

    3、減少車體外部凸出部位。除了國(guó)家明令禁止的外部行李架外，空調(diào)始終是客車外部主要的凸出物。為了減少空氣阻力，設(shè)計(jì)師可將空調(diào)布置在整車前部，通過(guò)加裝導(dǎo)流罩將空調(diào)與前圍造型有機(jī)融為一體。2008年以后，頂置氣瓶形式的燃?xì)夤房蛙囬_(kāi)始出現(xiàn)，由于氣瓶體積較大，對(duì)空氣阻力有一定的影響，因此氣瓶罩的外形設(shè)計(jì)顯得尤為重要，此方面可參照整車造型設(shè)計(jì)思路予以優(yōu)化。

    此外，快速公交系統(tǒng)(BRT)在2004年末進(jìn)入中國(guó)，由于采用了專用車道，此類城市公交客車的運(yùn)行速度最高可達(dá)40~50km/h。對(duì)于BRT公交客車，亦可采用以上設(shè)計(jì)思路，對(duì)造型進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)減小空氣阻力降低能耗。例如荷蘭VDL公司的Phileas系列，我國(guó)的ZK6181HG、LCK6180G、DD6182S01等。

    發(fā)動(dòng)機(jī)部分

    發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗對(duì)于汽車的油耗有著決定性的影響，因此設(shè)計(jì)師或用戶在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)選用時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際使用情況進(jìn)行合理選配。

    目前很多用戶喜歡追求大功率、大扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)，但對(duì)動(dòng)力性的不合理追求也會(huì)造成油耗的不必要增加，這是必須注意的。發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化而變化的，通常在低負(fù)荷和滿負(fù)荷狀態(tài)下的比油耗較高，負(fù)荷率在80%~90%時(shí)則較低。目前客車在平路上以常用速度行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率僅為20%左右，長(zhǎng)期處于低負(fù)荷狀態(tài)，因此在行駛條件允許的情況下，不必盲目追求客車發(fā)動(dòng)機(jī)的大功率，以避免增加負(fù)荷率。

    對(duì)于城市公交客車，由于車速較低，在滿足車輛日常載荷的情況下，選用小排量及小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工況處于相對(duì)經(jīng)濟(jì)的區(qū)域，非常有利于能耗的節(jié)約。而對(duì)于車速長(zhǎng)期處于80~100km/h的公路/旅游客車而言，選用大排量、低轉(zhuǎn)速、大扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)則較為合適。

    冷卻系統(tǒng)

    汽車的冷卻系統(tǒng)主要是保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于適宜的工作溫度，最理想的狀態(tài)是在85℃~90℃，它也是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)消耗功率最大的附件。冷卻風(fēng)扇是按照發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱負(fù)荷來(lái)設(shè)計(jì)的，其最大消耗功率是發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的5%~12%，大中型客車通常需要10kW~20kW，但在絕大多數(shù)的行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)都處于遠(yuǎn)低于最大熱負(fù)荷的工況下工作，因此如何盡量少地消耗發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，而且保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最大熱負(fù)荷工況下能夠良好散熱，是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要面對(duì)的主要問(wèn)題。冷卻系統(tǒng)的技術(shù)節(jié)能主要包括兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)——“獨(dú)立”與“溫控”，采用這兩種措施，油耗可降低4%~7.5%。

    所謂“獨(dú)立”，是指將冷卻風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)裝置相對(duì)獨(dú)立出來(lái)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況選擇性啟動(dòng)，提供最適宜的冷卻風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。普通客車?yán)鋮s風(fēng)扇采用皮帶傳動(dòng)，由于缺少離合器的控制，風(fēng)扇工作與否完全取決于發(fā)動(dòng)機(jī)，這便導(dǎo)致無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是否需要冷卻，風(fēng)扇都要無(wú)謂的轉(zhuǎn)動(dòng)、消耗能量，此時(shí)由于強(qiáng)烈冷卻作用的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度過(guò)低，機(jī)油黏度增大，輸出功率減小，油耗是正常工況下的兩倍以上。此時(shí)，若采用離合器式、電動(dòng)式或液壓式風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)裝置，則可以解決這一問(wèn)題。目前常見(jiàn)的客車離合器風(fēng)扇有電磁式、硅油式兩種，它們可以在發(fā)動(dòng)機(jī)不需冷卻時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)謂的能耗。宇通客車的“發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)”便是應(yīng)用電磁式離合器風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)節(jié)油的典范，此舉可以降低油耗5%以上，而且提高了車輛的動(dòng)力性、加速性，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)間約2/3，在北方地區(qū)的節(jié)油效果尤為明顯。至于“溫控”，則是通過(guò)優(yōu)化風(fēng)扇、中冷器、散熱器及艙體的結(jié)構(gòu)，利用最小的消耗功率得到最佳的散熱效果。常見(jiàn)的措施包括：增大中冷器和散熱器的面積，保證各種工況下的散熱效果；利用流體分析軟件對(duì)散熱艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善冷卻進(jìn)排氣路徑，減少沿程阻力，提高吸風(fēng)效果；采用大直徑、低轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，同時(shí)對(duì)風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。

    傳動(dòng)系統(tǒng)

    傳動(dòng)系是將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力傳遞至驅(qū)動(dòng)車輪的系統(tǒng)，可從傳動(dòng)部件的匹配計(jì)算以及日常調(diào)整維護(hù)實(shí)現(xiàn)節(jié)油目的。

    客車傳動(dòng)系的匹配計(jì)算通常指確定變速器的速比及驅(qū)動(dòng)橋的主減速比，這兩個(gè)參數(shù)有多種組合方式，需結(jié)合車輛實(shí)際使用情況進(jìn)行反復(fù)匹配計(jì)算，以獲得動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性最佳的組合。對(duì)于車速較低但起步制動(dòng)頻繁的城市公交客車，其在行駛過(guò)程中很少達(dá)到五檔以上，但卻對(duì)二檔起步性及加速性要求很高。因此，城市公交客車通常選用五檔變速器，且二檔速比盡量做到4以上，而后橋通常選用相對(duì)較大的速比(5~6)。對(duì)于車速較高的公路/旅游客車，則多以六檔變速器為主，而后橋通常選用較小的速比(3~4)。由于車輛的變速器和驅(qū)動(dòng)橋在設(shè)計(jì)時(shí)便需確定，屬于“先天性”因素，因此需要設(shè)計(jì)師予以精心選配，以確保車輛在未來(lái)的使用中能夠長(zhǎng)期處于最佳匹配狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能的目的。

    傳動(dòng)系統(tǒng)尤其要注意日常的調(diào)整維護(hù)，傳動(dòng)系各摩擦副間的潤(rùn)滑和接觸狀況將直接影響傳動(dòng)效率以及油耗。例如：離合器在行駛中的發(fā)熱現(xiàn)象，通常意味著不正常的油耗；變速器、萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋在行駛中若發(fā)生異響現(xiàn)象，則意味著齒輪嚙合或軸傳動(dòng)在運(yùn)轉(zhuǎn)中遇到了不應(yīng)有的阻力，也會(huì)發(fā)生油耗的增加；另外使用粘度、抗磨性以及溫度性能不符合要求的齒輪油，也會(huì)使油耗顯著增加。據(jù)試驗(yàn)，在相同工況下，冬季用車使用夏季齒輪油會(huì)使燃油消耗增加4%。

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    行駛與制動(dòng)系統(tǒng)

    汽車的行駛系統(tǒng)主要由懸架、車橋、輪輞和輪胎等部分組成，此系統(tǒng)主要是通過(guò)減小行駛中的滾動(dòng)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。
目前，從輪胎上著手以實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能較為常見(jiàn)，主要措施有：

    1、使用無(wú)內(nèi)胎子午線輪胎替代普通斜交胎。這兩種輪胎的區(qū)別在于：普通斜交胎體的簾線采用相交形式，而子午線輪胎則是各層間相互平行地由一胎圈到另一胎圈、呈子午線方向(與胎冠中心線成90°)排列。子午線輪胎中的主要受力部件是由鋼絲簾線制成的緩沖層，它增大了胎面行駛部分與路面的接觸面積，能使壓力較均衡地分布在接觸面積內(nèi)，可減少胎面花紋滑動(dòng)，提高側(cè)穩(wěn)性。子午線輪胎的滾動(dòng)阻力比普通斜交胎減小20%~30%，可實(shí)現(xiàn)節(jié)油3%~8%。目前子午線輪胎在公路/旅游客車上已全面采用，在城市公交客車領(lǐng)域也開(kāi)始普及，實(shí)際節(jié)油效果顯著。

    2、束角與傾角。如果車輛的四輪定位不好，導(dǎo)致束角、傾角不正，會(huì)增加輪胎與地面的摩擦，增加燃油消耗。對(duì)于使用子午線輪胎的車輛，其前束小于普通斜交胎，更要嚴(yán)格控制，一般為0~3mm。

    3、胎壓。各種輪胎都有負(fù)荷與氣壓的對(duì)照表，車輛出廠前以及車輛使用中都必須嚴(yán)格遵守。若胎壓不足，輪胎的接地面積加大，摩擦增加，不僅使輪胎兩側(cè)的胎肩磨損增大，而且增加油耗。

    4、輪胎花紋。每個(gè)品牌的輪胎都有自己的花紋系列，在使用時(shí)必須結(jié)合使用路況進(jìn)行選配。實(shí)踐證明，縱向花紋對(duì)于客車的節(jié)油效果最為明顯。

    另外，廣義的滾動(dòng)阻力還包括車輪和制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦阻力，例如制動(dòng)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是否有摩擦現(xiàn)象，油封及軸承的摩擦力大小，均對(duì)滾動(dòng)阻力有較大影響。

    輕量化設(shè)計(jì)

    根據(jù)公式1可知，整車質(zhì)量 直接影響滾動(dòng)阻力、坡道阻力和加速阻力，是影響汽車能耗的關(guān)鍵性因素。據(jù)研究，整備質(zhì)量減少10%，可使油耗降低8.8%左右?？蛙嚨妮p量化工作主要有以下兩個(gè)發(fā)展方向：利用CAE有限元分析優(yōu)化整車骨架結(jié)構(gòu)和各類輕質(zhì)材料的使用。

    利用CAE技術(shù)優(yōu)化整車骨架結(jié)構(gòu)隨著三維軟件在客車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用而得以普及。近年來(lái)，全承載客車作為輕量化技術(shù)在客車上應(yīng)用的典型代表，已在中國(guó)市場(chǎng)中得到了高度認(rèn)可，安凱、青年、宇通、金龍等眾多企業(yè)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)已經(jīng)掌握全承載技術(shù)，并將其應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，不僅提高了車輛的安全性能，而且取得了極佳的節(jié)油效果。2009年11月，中通客車的LCK6120GT和LCK6103HG通過(guò)節(jié)能公交產(chǎn)品評(píng)審，便是采用車身輕量化設(shè)計(jì)、降低車輛整備質(zhì)量得以實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能的。

    另外，輕質(zhì)材料在客車上應(yīng)用對(duì)降重節(jié)油也有一定的作用，例如各類質(zhì)輕高強(qiáng)的輕金屬以及工程塑料等高分子材料。2008年，宇通客車攜手ALCOA美鋁公司推出ZK6126HGE，整車大量采用鋁質(zhì)材料，減輕車身重量接近1.5t，經(jīng)鄭州公交的實(shí)際使用，節(jié)能效果明顯。