客车的节能技术
机械09-1 091014120 吴宏月
摘要
汽车产品的节能是一项工作量巨大的系统工程，由于影响因素众多，因此需要一套科学的分析方法将各种因素有机串联为一体。汽车是由车身、底盘节能轮胎、发动机和电器四大部分组成，若要获得良好的节能效果，则需在汽车产品的开发过程中，全面、详尽地剖析汽车能耗的每个部分，从结构细节入手，在汽车各个系统部分开展优化设计，从而实现整车节能的目的。本文以客车产品设计为例，对汽车产品的技术节能途径与措施进行简介。
技术节能基本原理
汽车在行驶过程中需要克服各种行驶阻力，这将消耗一部分功率，此外汽车的机械传动损失也将消耗一部分功率。根据输入功率与输出功率相等的原理，设定条件为平道、等速行驶，汽车的功率平衡方程如下(公式1)：
其中Pe表示发动机的输出功率，ηT表示传动系的机械效率，G表示整车质量，ua表示汽车行驶速度，CD表示空气阻力系数、A表示迎风面积，括号内的四项分别为滚动阻力功率、坡道阻力功率、空气阻力功率和加速阻力功率。
而汽车在等速行驶时的百公里油耗可以表示为(公式2)：
其中，b为发动机燃油消耗率，Y为燃油密度。
根据公式1和2可知，汽车的百公里油耗与以下几个参数有关：整车质量G，空气阻力系数CD和迎风面积A。
降低整车质量始终是汽车产品节能降耗的最有效的手段，这也是多年来各大汽车公司始终重视汽车轻量化工作的原因。此外，汽车在平道上等速行驶时，行驶阻力主要由滚动阻力和空气阻力组成。根据公式1可知，滚动阻力与车速成线性增加关系，而空气阻力则与车速
成三次方增加关系。试验证明，当车速达到80km/h时，空气阻力占汽车行驶阻力的60%。因此，汽车在低速行驶时改善油耗主要通过降低滚动阻力实现，而改善高速行驶时的油耗则主要通过降低空气阻力实现。目前我国城市公交客车的平均车速较低，普遍在25km/h左右，通过造型优化改善油耗效果有限，而降低车辆的滚动阻力则是一个主要手段。对于大多数时间都在高速行驶的公路/旅游客车，通过造型优化实现空气阻力的降低，从而实现节油效果的较为明显。
车身部分
通过车身设计改善油耗的关键在于减小车身的空气阻力，主要适用于高速行驶的公路/旅游客车。汽车的空气阻力分为压力阻力和摩擦阻力两大类。
压力阻力是作用在汽车外表上的法向压力的合力在行驶方向的分力，具体可细分为以下四部分：
形状阻力：它主要与汽车的外观造型相关，约占压力阻力的60%。
干扰阻力：它是由汽车表面的凸起物，例如后视镜、流水槽、车顶行李架、外表装饰板等
引起，约占压力阻力的15%。
内循环阻力：它是发动机冷却系统、车身通风所需的空气流经车体内部时构成的阻力，约占压力阻力的15%。
诱导阻力：它是空气升力在汽车水平方向的投影，约占压力阻力的10%。
降低空气阻力的关键是降低形状阻力，也就是前部车身造型的优化设计，我们常见的公路旅游客车造型多表现为大曲面、双曲线的流线式造型，这便是降低形状阻力的集中体现。
在客车车身设计时，可通过以下方法降低空气阻力，改善油耗：
1、客车总体布置结构紧凑，提高空间利用率。在保证车内正常使用空间和行李舱容积的基础上，设计师应尽可能地减小客车的高度与宽度，从而减小客车的迎风面积，降低油耗。目前很多客运公司喜欢追求外观高大的客车，在提高车辆乘坐舒适性的同时，也要相应付出能耗增加的代价。
2、优化客车整体造型。前风窗玻璃采用大曲面，前围棱线处采用大圆角过渡，整体呈现出明显的楔形，这将有效改善客车的空气动力特性，降低油耗。
3、减少车体外部凸出部位。除了国家明令禁止的外部行李架外，空调始终是客车外部主要的凸出物。为了减少空气阻力，设计师可将空调布置在整车前部，通过加装导流罩将空调与前围造型有机融为一体。2008年以后，顶置气瓶形式的燃气公路客车开始出现，由于气瓶体积较大，对空气阻力有一定的影响，因此气瓶罩的外形设计显得尤为重要，此方面可参照整车造型设计思路予以优化。
此外，快速公交系统(BRT)在2004年末进入中国，由于采用了专用车道，此类城市公交客车的运行速度最高可达40~50km/h。对于BRT公交客车，亦可采用以上设计思路，对造型进行优化，通过减小空气阻力降低能耗。例如荷兰VDL公司的Phileas系列，我国的ZK6181HG、LCK6180G、DD6182S01等。
发动机部分
发动机的油耗对于汽车的油耗有着决定性的影响，因此设计师或用户在进行发动机选用时，应结合实际使用情况进行合理选配。
目前很多用户喜欢追求大功率、大扭矩的发动机，但对动力性的不合理追求也会造成油耗
的不必要增加，这是必须注意的。发动机的比油耗是随着发动机负荷的变化而变化的，通常在低负荷和满负荷状态下的比油耗较高，负荷率在80%~90%时则较低。目前客车在平路上以常用速度行驶时，发动机负荷率仅为20%左右，长期处于低负荷状态，因此在行驶条件允许的情况下，不必盲目追求客车发动机的大功率，以避免增加负荷率。
对于城市公交客车，由于车速较低，在满足车辆日常载荷的情况下，选用小排量及小功率的发动机，使得发动机的常用工况处于相对经济的区域，非常有利于能耗的节约。而对于车速长期处于80~100km/h的公路/旅游客车而言，选用大排量、低转速、大扭矩的发动机则较为合适。
冷却系统
汽车的冷却系统主要是保证发动机处于适宜的工作温度，最理想的状态是在85℃~90℃，它也是汽车发动机消耗功率最大的附件。冷却风扇是按照发动机的最大热负荷来设计的，其最大消耗功率是发动机额定功率的5%~12%，大中型客车通常需要10kW~20kW，但在绝大多数的行驶过程中，发动机都处于远低于最大热负荷的工况下工作，因此如何尽量少地消耗发动机输出功率，而且保证发动机在最大热负荷工况下能够良好散热，是冷却系统
设计需要面对的主要问题。冷却系统的技术节能主要包括两个关键点——“独立”与“温控”，采用这两种措施，油耗可降低4%~7.5%。
所谓“独立”，是指将冷却风扇与发动机的传动装置相对独立出来，根据发动机的工况选择性启动，提供最适宜的冷却风量，从而实现节能效果。普通客车冷却风扇采用皮带传动，由于缺少离合器的控制，风扇工作与否完全取决于发动机，这便导致无论发动机是否需要冷却，风扇都要无谓的转动、消耗能量，此时由于强烈冷却作用的影响，发动机工作温度过低，机油黏度增大，输出功率减小，油耗是正常工况下的两倍以上。此时，若采用离合器式、电动式或液压式风扇驱动装置，则可以解决这一问题。目前常见的客车离合器风扇有电磁式、硅油式两种，它们可以在发动机不需冷却时自动断开风扇与发动机的传动，避免发动机无谓的能耗。宇通客车的“发动机热管理系统”便是应用电磁式离合器风扇实现节油的典范，此举可以降低油耗5%以上，而且提高了车辆的动力性、加速性，缩短发动机冷启动时间约2/3，在北方地区的节油效果尤为明显。至于“温控”，则是通过优化风扇、中冷器、散热器及舱体的结构，利用最小的消耗功率得到最佳的散热效果。常见的措施包括：增大中冷器和散热器的面积，保证各种工况下的散热效果；利用流体分析软件对散热舱体结构进行优化，改善冷却进排气路径，减少沿程阻力，提高吸风效果；采用大直径、低转
速风扇，同时对风扇叶片结构和材质进行优化。
传动系统
传动系是将发动机的输出动力传递至驱动车轮的系统，可从传动部件的匹配计算以及日常调整维护实现节油目的。
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