汽车节油技术的发展

汽车节油技术的发展
摘要：节能竞技赛车是节能减排在汽车应用技术领域中的一种极限挑战，对汽车节能减排技术的发展和应用有一定的指导意义。

本文详细介绍了Honda 节能竞技赛车发动机、底盘系统和车身系统等各部分的制作和改进方案。

通过切实的实践，从提高发动机的燃油经济性指标，提高传动系统的效率，减小车辆的横向摩擦损失，减轻整车重量，降低空气阻力等多个方面，给出了可行性的改进意见，分析了影响竞技赛车节能目标的诸多关键问题，并简要的讨论了一些汽车节能技术在竞技赛车中的应用前景。

关键词：节能技术、竞技赛车、可行性改造、Energy-saving technology、Sports car
The feasibility of transforming
在石油资源日益枯竭、全球石油储藏量急剧下降的背景下，我国汽车保有量却以平均每年12.07%的速度增加，我国对燃油的消费需求以惊人的快速度增长，有很大一部分依赖进口。

一方面，我国汽车节油技术的应用有限，燃油的使用效率普遍不高，汽车百公里耗油约
比发达国家高20%[1]；另一方面，机动车排放污染已经成为我国污染物的主要来源之一。

因
此，汽车节油和环保问题日益突出，面对有限的石油资源和国家能源战略遇到的威胁与挑战，汽车节能与环保技术已成为汽车技术领域的研发热点。

随着近几年国家节能减排工作的不断深化，汽车节能减排已经成为社会各界的共识，也正在成为社会全体成员的共同目标。

汽车节能减排的重要性不言而喻，考虑到当前我国的汽车节能技术发展的实际情况，除
了要积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的发展外，另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状，并适合大量在用汽车的高性能节能产品[2]。

为适应时代与社会的需求，近两年，Honda 汽车节能竞技大赛在全国各大工科院校和汽
车相关的企事业单位中悄然兴起。

该赛事是由Honda 公司于1981 年开始在日本举办的科技
性竞赛，从2006 年进入中国，比赛以“挑战一升、环保一生”为口号，要求所有参赛车辆搭
载可改造的发动机，加入规定的油量在限定时间内跑完既定赛程后计算油耗，最省油者获胜。

参赛车辆完全由团队自己设计，展现创意，每支参赛团队带来的都是世界上独一无二的汽车，参与这种竞赛不仅可以感受到创造与交流的乐趣，同时还可以体会到“低油耗就是环保”的感
受。

节能竞技赛车与普通汽车的结构布局相似，由发动机、底盘和车身三大部分组成。

发动
机的改造无疑是各赛车队攻关的重点，也是节能减排技术发展的主导性方向；底盘的设计关键在于减小摩擦损失和提高机械传动的效率；车身设计的重点在于外形和重量。

1. 发动机的改造
1.1 发动机的燃油经济性
发动机燃油经济性指标称为燃油消耗率，或比油耗，它以发动机输出每千瓦小时的功所
消耗的燃油量（g/kW·h）来表征，主要取决于发动机的结构和工作过程，尤其是排量、负荷
率、燃烧效率等参数。

负荷率定义为在一定的发动机转速下实际负荷跟该转速的最大负荷的比值，通常发动机的比油耗在负荷率为80%~90%时最低，低负荷和全负荷时比油耗都将增
加[4]。

在保持发动机标定功率满足需求的前提下，缩小发动机总排量，使较低负荷条件下的
负荷率得以提高，而在较高负荷的环境下通过增压或其它方法来达到所需要的功率，这是降低油耗的最直接且最有效的方法。

因此，在满足竞赛要求的速度和赛道坡度等前提下，将配发的125cc 发动机改装成100cc、80cc 甚至50cc 的排量，无疑能够大幅度的提高比赛成绩。

发动机燃油消耗来源于燃油供给系统的供油量，供油量的多少直接影响发动机的油耗，
由于在国内的比赛目前只限于化油器式单缸发动机，化油器的更改就显得相当重要。

燃油供给需要通过化油器的主量孔与针阀间的间隙，间隙越小供油量越少，因而在保证发动机能输出标定功率的前提下，尽可能减小主量孔的大小，更换较粗直径的针阀，从而减
少燃油的直接供给量。

发动机的燃烧特性与燃油混合气的质量密切相关，同时也受到点火能量、燃烧室形状、进排气效率等影响。

在燃油的极限供给量情况下，通过高压缩比送入过量空气，使混合气处于经济空燃比范围，实现稀薄燃烧；再配合以高能的点火电压，使燃料得以充分燃烧，且不易发生爆震，试验证明其有效热效率比改造前汽油机提高30%左右[4]。

在化油器进气口加装
一个小型的蓄压箱，通过进气真空的负压原理实现增压，同时减小发动机进气口直径，增大混合气进气流速，使混合气充分混合，改善雾化效果，进一步提高发动机的燃
烧特性。

另外，由于目前国内汽油的品质不佳，加入少量的燃油添加剂，相当于一定的催化作用，可以促使燃料进一步完全燃烧，改善燃烧特性；还可以通过在普通润滑油中加入机油添加剂达到减少磨损、延长动力系统机械寿命从而节能的目的[5]。

1.2 发动机起动与怠速
发动机冷起动后应进行怠速升温，待发动机水温升到40℃以上时起步行车最为经济，
若温度过低，汽油冷凝附在管壁，燃油雾化不良，燃烧不完全，而且机油粘度大，发动机内阻增加，也导致油耗增加。

在行驶过程中应切断化油器加浓装置以避免增加油耗，切断强制怠速工况下的燃油供给。

在发动机调试过程中，应调整化油器怠速调节螺丝和怠速混合比调节螺丝，使之达到怠速供油的最佳状态，减少怠速供油量。

1.3 动力系统的转动惯量和质量
在竞技比赛中，由于赛道和驾驶过程的特殊性，发动机的一些零部件和机构无需使用，
在保证发动机正常运转和驾驶过程需要的情况下，尽可能的拆除或减轻相关零件，减少发动机的功耗。

如拆除发电机，脚起动装置、换档装置等，减轻发动机的质量；减轻飞轮盘重量，拆除变速器中不必要档位的齿轮，减少发动机的转动惯量。

有实力的参赛队还可以切割气缸散热片，简化双级自动式离合器；甚至于切除变速器，直接使用发动机曲轴通过链传动带动驱动轮[6]。

2. 底盘设计
2.1 传动系统的效率
汽车传动系效率越高，传递动力的过程中能量损失就越小，汽车的油耗也就越低。

节能
赛车的动力传输路线为：发动机输出轴、离合器、变速器、链传动、车轮轴承。

变速器之前的部分前面已经提到，链传动是发动机的副轴联结小齿轮，通过链条带动驱动轮毂上固定的
大齿轮转动。

链传动设计的要点在于副轴和驱动轮轴的平行度，以及链平面和两轴的垂直度，并且尽量使发动机副轴和驱动轮轴的中心线在相同的水平高度。

以前两轮后一轮的参赛车辆为例，后轮链传动的参数直接影响到链传动的正常运行和链传动的效率，因而发动机的精确定位、驱动
轮轴的安装与固定是链传动设计的关键，要做到装夹定位合理，加工精度高，这是影响比赛成绩的重要因素。

链传动的设计中还要注意主、从动链轮的传动比，综合考虑车辆起步、合理的行车速度、发动机转速和转矩、变速器的传动比、驱动轮半径等参数，尽可能的提高发动机负荷率。

另外，为了合理有效的利用车辆的动能，减小发动机在比赛中的运行时间，可以在链传
动的主动链轮或驱动轮轴上增加一个单向离合器装置，。

其工作原理类似于自行车后
轮的轮毂轴承，在发动机输出轴停止转动时，车辆能够自由滑行。

当赛车加速运行到一定速度后熄火滑行，利用赛车的惯性行驶，把积蓄的动能转变为有用功。

这相当于在加速时提高了发动机的负荷率，并使剩余的能量以动能形式储存，在滑行时予以释放利用，从而降低了汽车行驶油耗。

2.2 转向系统的横向摩擦损失
汽车空载时转向系统中转向轮的布置有四个关键的角度：主销内倾、主销后倾、前轮外
倾和前轮前束，用以保证车辆正常行驶时有足够的回正力矩，减小车辆可能出现的滑动现象。

竞技赛车的设计目标是节油，因而对于转向轮的回正可不作考虑，但转向轮的外倾角和前束角是转向轮定位的关键要素。

外倾角的设计要根据车手的重量和车身、车轮的变形量来确定，而前束角则根据车辆正常行驶时前轮外倾的情况做相应的调整，这一点可以通过调节转向横拉杆的调节螺母来实现。

转向系统调整的目标是使车辆正常行驶时车轮垂直于地面向前滚动，减小车轮变形带来不必要的磨损。

2.3 行驶系统和制动系统
行驶系统关键在于车轮的选择。

车轮大小，轮胎气压，外胎的宽度、纹路、摩擦系数，
车轮轴承等，当然还要考虑购买的可行性，要想达到最佳的效果，通常需要分别购买后自己组装调校。

按照大赛的要求需要设计两套独立的制动系统，一般来说，顺利完成比赛，基本上不会
用到制动系统，但出于赛车的安全性能考虑，至少应能通过车检要求。

由于各参赛队的整车重量和车轮的选择不同，对制动力的要求也不相同，可选用自行车或电动车的抱闸、鼓刹或碟刹等几种形式，其中自行车抱闸相对简单且实用。

2.4 车架
车架是车手和整个车辆的承载体，要有足够的强度和刚度；而为较少赛车行驶时收到的
阻力，又要尽可能的减轻车架重量、减小外形尺寸。

可以选用空心的方钢或圆钢焊接而成，同时，在发动机定位，车手座椅、后轴等承受力较大的地方增加加强筋，提高强度。

3. 车身设计的重点在于外形和重量
空气阻力是汽车行驶时所遇到重要的外力之一，空气阻力F=CAV2/21.15
式中F-空气阻力，C-风阻系数，A-迎风面积，V2-速度的平方。

空气阻力受风阻系数，迎风面积和行驶速度三者共同影响，而在相同的外界环境下车身
外形决定了前两者。

汽车总质量影响到汽车的滚动阻力、坡道阻力和加速阻力,对汽车的燃油经济性影响更
大。

试验数据表明，在风阻和地面摩擦系数不变的情况下，整车质量每减轻100 kg，汽车每
百公里耗油便会减少0.6～0.7 L，即每升汽油能多跑约150km[7]。

降低风阻系数和迎风面积，轻量化车身以减小发动机功耗成为赛车车身设计中影响成绩
的关键因素。

比赛中赛车的外形不拘一格，造型各异，而车身的选材是个关键的因素，金属薄钢板、铝镁合金、金属泡沫、有机玻璃等都是良好的轻质车身材料，但考虑到单车手工制作的成本和可行性，环氧树脂玻璃钢应是最理想的选材。

环氧树脂玻璃钢是环氧树脂固化剂、玻璃纤维及其它辅助材料组成的增强材料，它的机械强度高，比重小，耐腐蚀性好，成型工艺性能好，常见的成型方法大至有：手糊法、模压法等。

除了车辆本身的制作之外，车手的体重，驾驶技巧如行车档位，行车速度控制，熄火滑
行的切换等也是影响比赛成绩的关键因素。

参考文献
[1] 焦健,唐林,许书权.我国汽车节能产品现状分析[J].交通节能与环保,2007(4):25-27.
[2] 吴佳敏.关于节油的未来技术与现实需求[J].轻型汽车技术, 2006(10):33-35.
[3] 蔡凤田,谢元芒.汽车运行油耗的影响因素与汽车节能技术[J].交通节能与环
保,2006(1):28-33.
[4] 常方奎.当前汽车节能途径概述[J].中国能源,2007,29(5):45-46.
[5] 王建昕.汽车节能与排放控制技术进步及其对润滑油的要求[J].润滑
油,2007,22(1):1-5.
[6] 刘玉波,梅卫江,陈永成,吴疆.4125A4 发动机节能改造的试验研究[J].农机化研
究,2002(4):146-153.。