王令华
（沈阳理工大学 汽车与交通学院 0702020229）
摘要：燃油经济性是车辆使用过程中的重要经济指标。发动机中的热损失与机械损耗占燃油化学能中的65%左右。显然，发动机是对汽车燃油经济性最有影响的部件。通过对发动机节油原理和发动机燃油消耗率与工况关系的分析，不断改善发动机的结构与工况，可以大大提高发动机的燃油经济性。
0 引言
汽 车 是 人类文明进步的象征。目前，全世界汽车保有量多达8亿多辆。截至目前，中国机动车保有量达到了1．68亿辆；汽车保有量达到了6289．3万辆，根据最新统计数据显示，2008年中国汽车市场汽车最终销量为938万辆，比2007年全年新车销售量提升约6.7％。随 着 汽 车保有量的增加，所带来的能源消耗、环境污染以及交通事故等间题日渐突出。汽车节能、低污染和安全性成为当前汽车发展的3大主题。我国能源紧缺，车用燃料越来越多地
依赖进口。提高车辆的燃料经济性已成为汽车制奋商和润滑油供应商共同关注的议题，更少的燃料燃烧意味着更少的排放，减少车辆运行中的燃料消耗，可以减少温室效应气体的排放并节省操作成本。因此，研究如何提高车辆燃油经济性，对减缓我国对进口石油的依赖性，保持国民经济的持续平稳发展，改善大、中型城市的空气质量，都具有重要的意义，而且对降低汽车消费者的燃油费用也具有重要价值。
1 发动机节油原理与实现
1.1 提高发动机机械效率
由发动机原理可知，发动机的指示功率Pi和机械效率n.分别表示为：
Pi = Pe + Pm (1)
Ym =Pe/Pf =1- Pm/Pi (2)
或 Ym = We / Wi =1 – Wm/Wf (3)
式中 Pe=发动机的有效功率
Pm=发动机的机械损失功率
We=发动机的有效功;
Wi=发动机的指示功
由式( 1)一式(3)可见，减小Pm,Wm 均可提高机械效率，因而也就提高了燃油经济性。
1.2 提高充气效率
充气效率是指发动机在进气行程中实际进人气缸内的新鲜气体(空气或可燃混合气)的质量.与在进气状态下充满气缸工作容积的气体质量m0的比值，用Yv来表示，即
Yv= M/Mo*100% (5)
当燃料供给量一定时，nb提高可使混合气的浓度变稀，即过量空气系数适当加大，燃烧时供氧充分,改善燃烧条件，燃烧彻底，因而有利于燃油经济性能的提高。
1.3 提高循环热效率
根据加热方式的不同，将内燃机的实际工作循环如图1.3.1所示，抽象为等容加热循环，混合加热循环和等压加热循环三种理论循环。
（a） (b) (c)
(a)等容加热循环 （b）等压加热循环 （c）混合加热循环
图1.3.1（资料来源《发动机原理》林学东编）
理论循环的热效率可用以下公式表示，即
对混合加热循环
等容加热循环
节油汽车
等压加热循环
由上式可见，影响热效率的因素有压缩比ε、等熵指数k、压力升高比λ和预膨胀比ρ。压缩比越大，热效率越高；对混合加热循环，预膨胀比ρ越小，热效率越高。预膨胀比ρ＝1即等容循环。等熵指数k 越大，热效率越高。因此，要提高循环热效率，以提高燃油经济性，应从下述3 个方面进行考虑：一是尽可能地提高压缩比；二是应使燃料尽可能在上止点附近燃烧，以便获得较高的等容度。这样使实际循环能够向等容循环（热效率高）靠近。在实际使用中，应创造条件（如保持正常的工作温度，良好的气缸密封性，使燃油充分雾化等）使燃料迅速燃烧；三是使用稀混合气，因为稀混合气具有大的等熵指数值。
2 发动机燃油经济性与工况的关系
发动机燃油经济性以发动机输出每千瓦小时的功率所消耗的燃油量克数，即g/kw.h来表征。这个指标称为燃油消耗率，或比油耗，主要取决于发动机工况，主要由发动机的转速
和转矩确定图2.1和图2.2所示分别为BMW公司2001年320d手动变速箱轿车的4缸2.0LTDI柴油机和1997年318i轿车的4缸1.9L2气门汽油机的万有特性曲线。图中的横坐标是发动机转速。纵坐标是发动机比功，单位为kj/dm3,其数值跟以MPa为单位表示的平均有效压力相同。在发动机排量确定之后，平均有效压力跟转矩成比例关系，所以代表发动机的负荷。由图可见：
·在整个工况范围内，只有一个极小的区域能够达到最小燃油消耗率。
·在同一台发动机中，最高燃油消耗率可以达到最低燃油消耗率的一倍，甚至更多。
·最佳燃油经济性出现在柴油机和汽油机的较高负荷率区域。
·燃油经济性最佳的转速区域，在现代轿车燃油机中是略高于2000r/min的中速范围，在汽油机中则在更低的转速范围即2000r/min左右。
图2.1 320d轿车发动机万有特性曲线图（资料来源BMW）
图2.1 318i轿车的4缸1.9L2气门汽油机的万有特性曲线（资料来源BMW）
3 提高燃油经济性技术
提高燃油的经济性不仅仅是为了节约使用有限的石油资源，还因为燃油经济性与二氧化碳的产生密切相关，在人们日益关注全球变暖的情况下，提高燃油经济性的技术也得到了很大的发展。
3.1 提高燃油经济性的成熟技术
提高燃油经济性的最基本的技术是尽可能减少发动机在工作中的能量损失，包括运动部件的摩擦损失，迸气和排气时的换气损失等等。现在已经发展得非常成熟的提高燃油经济性的技术主要有：
· 多气门技术
增加进、排气门的数量可以有效地减少发动机进气和排气时的能量损失，达到提高燃油经济性的目的。
同时多气门还可以改善混合气的形成，对控制排放也有帮助。
· 涡轮增压技术
涡轮增压技术通过将压缩气体喷入气缸来提高发动机的功率和扭矩，产生与增加发动机排量类似的效果。涡轮增压首要目标是要得到规定的最高性能，其次是要在低转速也要得到有效的增压。其最终目的是要最大限度地提高效率，为了实现这个目的，需要设计一种在初始阶段充压迅速的充压特性曲线，在经过这个初始阶段后，要求充压曲线平坦地延伸，得到稳定的高扭矩，它所覆盖的发动机转速和负荷范围越宽越好。机械式增压控制很难满
足上述要求，德国BOSCH公司开发的电子增压控制系统能在整个发动机工作范围内大大改进增压特性，而且在过渡工况时也具有满意的响应特性。虽然通常的运行工况下，采用涡轮增压发动机的燃油经济性会降低，但考虑到涡轮增压发动机在低转速时的大扭矩输出，如果驾驶模式得当，燃油经济性会得到提高。由于在涡轮增压过程中，气体的温度升高导致气体的膨胀，降低了增压效率，使气缸的充气量减少。中冷器的应用，改善了这一状况，从而进一步强化了涡轮增压技术在增加发动机功率，提高燃油经济性和减少排放污染等方面的优势。
· 可变进气系统
为了同时满足发动机在低速时的输出尽可能大的扭矩，在高速时产生尽可能高的功率的要求，可以采用可变进气系统，对发动机在各种工况下的功率和扭矩性能进行优化，在低速大负荷工况采用具有较长流道进气通道，在高速工况时采用具有较短流道的进气通道。通常采用的可变进气系统具有两种或三种流道轮廓，流道间的切换由发动机管理系统根据发动机的转速和负荷来控制。
· 降低发动机怠速转速
降低发动机的怠速转速可以有效地降低怠速时的油耗，这对于主要在城市中使用的车辆来说意义很大。但是这项看起来很简单的技术对发动机的设计提出了很高的要求，需要很好地控制发动机在低转速运转时的振动，保证怠速的动态稳定性并防止发动机熄火。设计精良的发动机可以保持低于700 dmin的稳定怠速，而目前我国的发动机怠速转速一般在800r／min。
3.2提高燃油经济性的前沿技术
近十年来，对提高燃油经济性的技术研究进入了一个新的高潮。在柴油机技术方面，高压共轨直喷和带中冷器的涡轮增压两项主要技术使发动机的燃油经济性得到很大的改善，这直接导致了柴油机在欧洲轿车中的广泛应用。国内的主要轿车制造商也正在进行这项技术的引进和吸收。在汽油机技术方面，汽油直喷(包括稀薄燃烧技术)和汽油一电混合动力是两个重点的研究方向，这两项技术的研究都有很大的进展，目前这两项技术可以提高燃油经济性30％到100％。阻碍汽油直喷和混合动力技术得到广泛应用的主要原因是排放和成本。汽油直喷发动机NOx的排放控制有困难，虽然专门针对NOx的还原催化器可以部分解决这个问题，但同样面临着技术不成熟以及成本增加的现实。而汽油一电混合动力车辆则
由于汽油机的频繁起动而面临HC排放增加的难题。由于采用这两项技术都需要添加复杂的机械和电子装置，如何降低成本是它们都要面对的另一个难题。
结束语：在车辆运输成本中,燃料消耗费用约占1/3 左右,对汽车经济性有较大影响。随着汽车保有量迅速增加，汽车节油正得到世界各国的高度重视。汽车燃油经济性的提高有多种方法，通过改善发动机的结构设置和行驶工况是比较重要的方法。
参考文献：《发动机原理》 林学东编 机械工业出版社
《油液品质对发动机燃油经济性影响的试验研究》 谭德荣，孙 亮
《汽车动力装置的节能新动向》 钱一人 上汽集团
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