油耗低的车,低油耗内燃机技术

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油耗一直受到人们关注,低油耗的车采用了一系列的技术来达到高的经济性,内燃机常用的低油耗技术有混合动力技术、发动机启停技术、创驰蓝天技术和涡轮增压技术。本文介绍一下这些提高内燃机经济性的技术,以及采用这些技术的部分低油耗汽车。

1 混合动力技术

相信一说到“低油耗”三个字,人们往往第一时间就会想到混合动力。电和油比还是相对廉价和易生产的,把电力用到汽车上也是大势所趋的,混合动力技术就把这一点运用得很充分。

混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle, 简称HEV) 是指同时装备两种动力来源——热动力源(由传统的汽油机或者柴油机产生)与电动力源(电池与电动机)的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机,使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控,而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作,从而降低油耗与排放。

降低油耗技术之混合动力
混合动力技术

混合动力车的工作原理

混合动力汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。

以串联混合动力电动汽车为例,介绍一下混合动力电动汽车的工作原理。

在车辆行驶之初,蓄电池处于电量饱满状态,其能量输出可以满足车辆要求,辅助动力系统不需要工作。电池电量低于60%时,辅助动力系统起动:当车辆能量需求较大时,辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量; 当车辆能量需求较小时,辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时,还给蓄电池组进行充电。由于蓄电池组的存在,使汽车发动机工作在一个相对稳定的工况,使其排放得到改善。

混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机,依靠电动机或其它辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率,同时并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在传统汽车中,当司机踩制动时,这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能大部分回收这些能量,并将其暂时贮存起来供加速时再用。当司机想要有最大的加速度时,汽油发动机和电动机并联工作,提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合,混合动力车可以单靠电机行驶,或者单靠汽油发动机行驶,或者二者结合以取得最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时,可以单靠电机拖动,不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能,提供比传统液压系统更大的效率。

混合动力系统的分类

A、根据混合动力驱动的联结方式,混合动力系统主要分为以下三类:

一是串联式混合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电,产生的电能通过控制单元传到电池,再由电池传输给电机转化为动能,最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下,电池就象一个水库,只是调节的对象不是水量,而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节,从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多,轿车上很少使用。

二是并联式混合动力系统。并联式混合动力系统有两套驱动系统:传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作,也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况,尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单,成本低。本田的ACCord和Civic采用的是并联式联结方式。

三是混联式混合动力系统。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构,两套机构或通过齿轮系,或采用行星轮式结构结合在一起,从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比,混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂,成本高。Prius采用的是混联式联结方式。

B、根据在混合动力系统中,电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重,也就是常说的混合度的不同,混合动力系统还可以分为以下四类:

一是微混合动力系统。代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机(一般为12V)上加装了皮带驱动启动电机(也就是常说的Belt-alternator Starter Generator, 简称BSG系统)。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机,用来控制发动机的启动和停止,从而取消了发动机的怠速,降低了油耗和排放。从严格意义上来讲,这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车,因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里,电机的电压通常有两种:12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合动力系统。

二是轻混合动力系统。代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机(也就是常说的Integrated Starter GenerATor,简称ISG系统)。与微混合动力系统相比,轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止,还能够实现:(1)在减速和制动工况下,对部分能量进行吸收;(2)在行驶过程中,发动机等速运转,发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。

三是中混合动力系统。本田旗下混合动力的Insight, Accord 和Civic都属于这种系统。该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同,中混合动力系统采用的是高压电机。另外,中混合动力系统还增加了一个功能:在汽车处于加速或者大负荷工况时,电动机能够辅助驱动车轮,从而补充发动机本身动力输出的不足,从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高,可以达到30%左右,目前技术已经成熟,应用广泛。

四是完全混合动力系统。丰田的Prius和未来的Estima属于完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机,混合程度更高。与中混合动力系统相比,完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。

以上各种不同的混合方式,都能在一定程度上降低油耗和排放。各大汽车厂商在过去的十几年,通过不断的研发投入,试验总结,商业应用,形成了各自的混合动力技术之路,因而在低油耗的车上表现也是各具特色。

运用混合动力技术的车型代表

低油耗的车-丰田普瑞斯
丰田普瑞斯

低油耗的车-雷克萨斯CT200h
雷克萨斯CT200h

低油耗的车-奥迪A6 Hybird
奥迪A6 Hybird

低油耗的车-本田思域混动版
本田思域混动版

低油耗的车-凯迪拉克凯雷德混动版
凯迪拉克凯雷德混动版

2 发动机启停技术

对于发动机怠速启停技术,大家应该也不陌生,在新一代的车型里面,几乎都运用到了这项技术。

利用发动机启停技术降低油耗
发动机启停技术

俗话说,与时俱进嘛,有了先进的谁还用落伍的?汽车怠速启停技术作为代表当之无愧。

低油耗技术-发动机启停技术
发动机启停技术

顾名思义,该系统就是在车辆行驶过程中临时停车(例如等红灯)的时候,自动熄火。当需要继续前进的时候,系统自动重启发动机的一套系统。

发动机启停系统是这几年来发展最迅猛的汽车环保技术,特别适用于走走停停的城市路况。目前,欧洲新上市的车中几乎已经普及了发动机启停系统。据介绍,这套系统能在城市工况下达到15%的节油能力。但是在国内,还出于刚刚起步的阶段,只在豪华车品牌中配备,一些自主品牌现在也开始蠢蠢欲动,想要把发动机启停技术运用进来,荣威550这点就做的非常好。这项技术想要被老百姓熟知也只是时间问题,毕竟这是一颗良药。

工作原理:

启停系统的工作原理是,当车辆因为拥堵或者路口停止行进。驾驶员踩下制动踏板,停车摘挡。这时候,Start/Stop系统自动检测:发动机空转且没有挂挡;防锁定系统的车轮转速传感器显示为零;电子电池传感器显示有足够的能量进行下一次启动。满足这三个条件后,发动机自动停止转动。

而当信号灯变绿后,驾驶员踩下离合器,随即就可以启动“启动停止器”,并快速地启动发动机。驾驶员挂挡,踩油门,车辆快速启动。在高效的蓄电池技术和相应的发动机管理程序的支持下,启停系统在较低的温度下也能正常工作,只需短暂的预热过程便可激活。

使用方法:

行驶中只要直接踩制动踏板,车辆完全停止大概两秒钟后发动机就会自动熄火,一直踩着制动踏板,发动机就会保持关闭。只要一松开刹车,或者转动方向盘,发动机又会马上自动点火,立即又可以踩油门起步,整个过程都处于D档状态。

发动机启停技术发展到现在已经处于一个非常成熟的阶段,因而广泛应用到低油耗的车上,但是在国内属于一个特殊情况,面对国内这种拥堵路段,这项技术还是需要改良的。不能说它不好,只能说它还不适应中国的交通情况,不能更加准确的识别路况,如果尽快改良的话,相信中国老百姓熟知这项技术以后会对它竖起大拇指。

自主品牌运用发动机启停技术的车型代表

低油耗的车-荣威550
荣威550

低油耗的车-海马福美来
海马福美来

低油耗的车-长安CX30
长安CX30

低油耗的车-长城腾翼C30
长城腾翼C30

低油耗的车-帝豪EC7
帝豪EC7

3 创驰蓝天技术

创驰蓝天这套技术,可以说是马自达的独特技术,一个事物不是凭空诞生的,其的产生必有其的环境与原由,咱们先说一下创驰蓝天的由来。

驰蓝天技术(英文名称:SKYACTIV Technology)是日本马自达汽车公司于2010年10月提出,计划于2015年前针对旗下车种之汽油与柴油引擎、手动挡与自动挡变速箱、底盘、车身结构等主要元件优化的技术。

创驰蓝天技术
创驰蓝天技术

大家都知道马自达的品牌精髓,也就是其的DNA是zoom-zoom–愉悦的驾乘体验,但我们感受这种愉悦的时候,同时也带来一个问题,那就是环保,我们的地球需要可持续的发展,我们能为我们的后代做些什么?马自达的工程师基于这些问题,才开创了创驰蓝天技术,力争将“驾驶乐趣”与“出色的环保”和谐兼顾,让蓝天永在!

内燃机分类

汽油发动机 SKYACTIV-G型发动机

2011年6月30日在日本境内推出的小改款第三代Demio,“13-SKYACTIV”级车型搭载了采用创驰蓝天技术的1.3L SKYACTIV-G型引擎。该发动机具有下述特点:

在量产的汽油发动机里,内燃机压缩比首度达到14.0:1。高压缩燃烧大幅提升发动机的工作效率,油耗与扭力比过去提升15%以上。

加大低、中速域的扭力。理论上将压缩比从10.0提升至15.0,燃烧效率可提高约9%,但是高压缩比使压缩冲程上止点附近的温度升高,引发爆震并使引擎输出功率下降。因此该项技术借由减少燃烧室内的残留气体,以达到高压缩比,其主要技术为:4-2-1长路径排气系统:以直列四缸引擎为例,若排气路径太短,自第3个汽缸排气阀排出的高压排气压力波反倒会进入已完成排气冲程、即将开始吸气冲程的第1个汽缸。如此一来,已排出的气体再度进入燃烧室,使高温残留气体增多。不过,4-2-1排气系统延长排气路径,使得高压波花费更多时间到达其他汽缸,以减少排气残留的机会。但加长的路径始排气温度下降,延缓触媒催化时间。故马自达设法在确保稳定燃烧的前提下,延迟点火时间以保持排气温度。

多孔喷射装置:1.3L SKYACTIV-G型引擎装置了6孔喷射系统,并增强空气流动、加强喷射压力,以便改善燃烧情况。

凹顶活塞:活塞顶部设计成一凹陷孔,使燃料喷射后在火花塞附近形成叠层混合气体,帮助稳定燃烧。此外,这种凹孔可以解决燃烧初期火焰接触活塞顶而发生冷却损失的问题。

柴油发动机 SKYACTIV-D型发动机

高压缩比的柴油引擎之上止点压缩温度和压力非常高,故燃料喷射后,尚未形成适当的混合气体前便点火。在局部形成燃烧不均匀而产生氮氧化物(oxides of nitrogen,简称NOx),而氧化不足部位的燃烧则产生一氧化碳(carbon monoxide,简称CO)及微粒物(particulate matter,简称PM)。

创驰蓝天技术将柴油引擎的压缩比降低至14.0:1,也减轻其温度和压力。由于点火正时延长,有助于燃料与空气混合而均匀燃烧,所以可以减少一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、固体微粒等造成空气污染的物质。此外,由于可在燃烧室上止点附近喷射、燃烧,所以做功效率比一般高压缩比柴油引擎还要高。相对来说,降低压缩比可以减少汽缸厚度并将之改成铝制,可使机械轻量化。曲轴的主轴颈直径从60mm缩短成52mm,非但减轻了25%的重量,也降低机械阻力。

但是,过去以来其他车厂不敢降低柴油引擎的压缩比,主要着眼于:

低压缩比的压缩空气温度相对较低,难以发动引擎。

发动后的暖机运转不够稳定,容易陷入半失火状态。

据此,SKYACTIV-D型柴油引擎采取下列技术以避免前述缺点:

可变阀门升程机构(Variable Valve Lift,简称VVL):虽然马自达尚未公布此VVL装置的具体数据参数,但这种机构配置于排气阀,在吸气冲程中打开排气阀少许,让排气管内的气逆流回汽缸以提高吸气温度,同时促进压缩时的温度上升,提高着火的稳定性。

多孔压力喷射装置:新型多孔燃料喷射装置含多种喷射模式,可精准控制喷射时间与喷出量,提高燃料与空气的混合浓度。该机构在一次燃烧中可做前喷、主喷、后喷各3次,总共9次的喷射;同时配合陶瓷点火塞,可在低压缩比的环境中确保正常启动。

另外,SKYACTIV-D型更装置了双涡轮增压系统,目的并非提升扭矩,反而是为了清洁废气与降低油耗。这两颗大小不同的涡轮随着不同的引擎运转速度,分别进行增压。如此一来不但确保低速域的高扭力、高速域的高功率输出,同时也减少NOx、CO与颗粒物质的尾气排放。

变速箱

自动变速

创驰蓝天自动变速箱(SKYACTIV-DRIVE)的优点:

集分级AT、CVT、DCT等各种类型变速器优点于一身。目前最普及的AT(自动变速器),根据其结构大致可分为以下3种:

1 通过以行星齿轮为主体的减速装置来改变减速比的”有级式AT”

2 通过一对可变径带轮来改变减速比的”无级变速器(CVT)”

3 系统的减速装置分别装有离合器的”双离合器式(DCT)”

自动变速器的代表性性能要求是”提升经济燃油性”、”起步快捷(不仅平坦路面,也包括坡道)”、”直接驱动感”、”平顺的变速”。针对这些要求,各种类型变速器的性能特点如图1所示,可清晰的的看出各自的优缺点。创驰蓝天自动变速箱变速器在分级AT的基础上,努力追求”低油耗”、”直接驱动感”、”平顺的变速”,以集所有各种变速器优点于一身的理想变速器为目标。

全速域锁定降低油耗,获得直接驱动感。有级式AT的液力变矩器是借助流体将发动机的动力传递给变速器的,因此能够实现平顺的起动及变速。但是,由于流体传递动力的损失,会导致油耗增大以及车速提升之前发动机转速先上升的”滑齿”现象,因此,设计师们在液力变矩器内设置了锁止离合器,不通过流体,依靠机械咬合来传递扭力。

马自达 CX-5
低油耗的车-马自达 CX-5

为了大幅改善有级式AT的油耗及直驱感问题,必须将锁定速域尽可能扩大,但如此一来,就必须解决震动、噪音、以及离合器的可靠性等重要问题。

马自达公司针对这些课题,运用了大规模系统分析方法,不仅对AT系统,还对发动机、底座、排气系统、车体、控制系统等进行大范围的系统改善,从而解决了这些课题。另外,提升了离合器的灵敏性,使锁定控制更精确,避免了”滑齿”时发热,确保了离合器的可靠性。

手动变速

创驰蓝天手动变速箱(SKYACTIV-MT)实现如跑车般轻快利落而有节奏感的换档,轻量紧凑的前置前驱(FF)型新一代手动变速箱同时具备低冲程和操作轻快的双重优点。通过调整结构,大幅实现了轻量化和紧凑化改造。体积紧凑,提高车身布局的使用效率,通过降低内部阻力,提升了燃油经济性。

车身结构

创驰蓝天车身碰撞安全性能达到顶级水平。新一代轻量型高刚性车身,更好地支撑起”驾驶乐趣”这一诉求。同时具备高刚性与轻量化的双重优点(重量减轻8%,强度提升30%)。在基本框架上尽可能采取以直线构成的”直线结构”,协调各部位连接部分使其充分发挥作用的”连续结构。

底盘

创驰蓝天底盘为了实现”驾驶乐趣”、使操作精准与乘坐舒适高度平衡的新一代高性能轻量底盘,通过使用新开发的前车支架和多链路后悬挂,使其同时具备高刚性与轻量化的双重优点(重量减轻14%)。调整了悬挂、转向各部件的功能分配,提升了中低速区域的灵活性、高速区域的稳定性以及全速度区域的舒适性,大幅提升了行驶品质。
作为马自达独特的技术,运用的车型也都是在马自达上了,代表车型CX-5。

利用涡轮增压技术降低油耗
涡轮增压技术

既然说到了创驰蓝天,那么不得不说当今最主流的涡轮增压系统,在人们眼中,相信起码90%的人都会认为涡轮增压发动机代表的就是动力,但如果你知道涡轮增压的原理,相信你就不会这么觉得了。

4 涡轮增压技术

涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机,涡轮增压器(Turbo)实际上就是一个空气压缩机。涡轮增压器工作原理是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内),涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内,叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气,再送入气缸。当发动机转速加快,废气排出速度与涡轮转速也同步加快,空气压缩程度就得以加大,发动机的进气量就相应地得到增加,就可以增加发动机的输出功率了,这也是低油耗的车采用的一种技术手段。

既然是废气利用,再加上压缩,相对的就会提高燃油的效率,效率提高了,燃油的经济性也就会相对的提高,跟创驰蓝天技术相比,可以说是有异曲同工之妙。

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