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发动机和机械设备及应用

阅读：126发布：2021-09-19

专利汇可以提供发动机和机械设备及应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备包括一机械设备主体和一发动机，其中所述发动机被装配于所述机械设备主体，用于为所述机械设备主体提供动力，其中所述发动机在最佳效率区的转速比的范围为5-40，以使不同工况下的所述高效率机械设备能够通过增大发动机的转速范围的方式提高系统效率。，下面是发动机和机械设备及应用专利的具体信息内容。

权利要求

1.一机械设备，其特征在于，包括：
一机械设备主体；和
一发动机，其中所述发动机被安装于所述机械设备主体以驱动所述机械设备主体的至少部分做功，所述发动机的最佳效率区的转速比的范围为5～40。
2.根据权利要求1所述的机械设备，其中所述机械设备被设置为采用可变气门正时技术和/或电控喷油技术调节进气量和进油量，以增大所述发动机的转速范围。
3.根据权利要求1所述的机械设备，其中所述机械设备在低速匀速水平行驶时，降低发动机最佳效率区的转速，以降低所述发动机的最大输出功率，从而降低后备功率。
4.根据权利要求1所述的机械设备，其中发动机转速比*总变速比＞车速比≌变速器转速比。
5.根据权利要求1所述的机械设备，其中所述机械设备在最高速行驶时，最高行驶速度对应于变速箱的中间档位。
6.根据权利要求1所述的机械设备，其中所述机械设备在低加速启动时在变速箱的中间档位，在最高加速度启动时在变速箱的最低档位；或者是所述机械设备加速或者是载重量增大时至超过最大输出功率时，降低变速箱档位行驶；或者是所述机械设备在匀速行驶时，并且变速箱有多余可升高档位，升高变速箱的档位。
7.根据权利要求1所述的机械设备，其中所述机械设备被所述发动机驱动时，最小移动速度提高为15～20km/h；或者是最大移动速度下降为150～180km/h。
8.根据权利要求1至7任一所述的机械设备，其中所述机械设备是一汽车。
9.根据权利要求8所述的机械设备，其中所述发动机的最佳效率区的转速比为5。
10.根据权利要求1至7任一所述的机械设备，其中所述机械设备是一直升机。
11.根据权利要求8所述的机械设备，其中所述发动机的最佳效率区的转速比为40。
12.根据权利要求1所述的机械设备，其中所述机械设备在所述发动机的驱动下最低移动速度为15～20km/h；或者是所述机械设备在所述发动机的驱动下最高移动速度为150～
180km/h。
13.一发动机，用于一机械设备，其特征在于，发动机的最佳效率区的转速比的范围为5～40。
14.根据权利要求13所述的发动机，其中所述发动机的燃烧室体积被设置为可变的。
15.根据权利要求14所述的发动机，其中所述发动机的燃烧室的可变体积比的范围为Lj～15，其中Lj为进气量的临界值。
16.根据权利要求14所述的发动机，其中所述发动机的燃烧室经济性区可变体积比的范围为1～5。
17.一机械设备的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：
操作一在最佳效率区转速比不小于5的发动机以提供动力。
18.根据权利要求17所述的操作方法，其中在上述方法中，所述发动机是一可变燃烧室体积的发动机。
19.根据权利要求17所述的操作方法，其中在上述方法中，增大变速器的变速比，以利用变速器多余的变速比调节发动机的后备功率。
20.根据权利要求17所述的操作方法，其中在上述方法中，所述机械设备在低加速启动时在变速箱的中间档位，在最高加速度启动时在变速箱的最低档位；或者是所述机械设备加速或者是载重量增大时至超过最大输出功率时，降低变速箱档位行驶；或者是所述机械设备在匀速行驶时，并且变速箱有多余可升高档位，升高变速箱的档位。
21.根据权利要求17所述的操作方法，其中在上述方法中，所述机械设备加速或者是载重量增大至超出所述发动机的最大输出功率时，降低变速器的档位。

说明书全文

发动机和机械设备及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及到移动设备领域，尤其涉及到一发动机和机械设备及应用。

背景技术

[0002] 内燃机是一种典型的提供动力的机械，其能够将燃料燃烧释放出的热能直接转换成动力。

[0003] 而汽车、摩托车、轮船、火车以及飞机等配置有发动机的机械设备存在一个很大的问题在于不同工况下时整个汽车系统的效率低下。以常见的内燃机式汽车为例进行说明。

[0004] 导致汽车系统效率低下的原因之一在于内燃机式汽车在最佳效率工作时的输出功率远大于汽车所需要的行驶阻力的需求，因此汽车发动机只能降低效率和行驶阻力匹
配。

[0005] 而内燃机式汽车预留的后备功率非常大，特别是在低车速时，负载率非常小。虽然可以兼顾汽车的动力性能和载重性能，但是汽车发动机实际的效率仍非常低。以汽油为燃
料的汽车主要是空燃比不变，通过减少进气量，降低压缩比，以降低输出功率。以柴油为燃
料的汽车主要是压缩比不变，通过减少进油量，增大空燃比，以降低输出功率，这都使得发
动机的效率下降。

[0006] 进一步地，内燃机式汽车的发动机最佳效率区的转速范围很小，它的最大转速和最小转速比值为2～3，无法通过大范围的调整转速，高效的改变输出功率。而汽车不同工况
下阻力功率变化的范围很大，汽车发动机只能降低效率和行驶阻力匹配。使在最佳效率区
范围之外工作的发动机效率将会明显下降。

[0007] 另一个问题在于，整个汽车系统十分复杂，提高系统效率受到众多因素的影响，单独提高一个因素会影响到其他的因素，使得最后系统效率并不一定得到提高。

发明内容

[0008] 本发明的一个目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备能够在不同移动速度下，系统效率被提高。

[0009] 本发明的一目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备在不同移动速度下，能够以高系统效率工作。

[0010] 本发明的另一目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备能够在以高系统效率工作时，保证动力性能。

[0011] 本发明的另一目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备的系统效率在被提高的同时，燃油成本并不会成为劣势。

[0012] 本发明的另一目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备能够降低后备功率，以提高系统效率，特别是在低速匀速区。

[0013] 本发明的另一目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备的发动机最佳效率状态下的输出功率，更接近行驶阻力功率曲线。

[0014] 本发明的另一目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备的轻载损耗能够被降低。

[0015] 本发明的另一目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中所述机械设备的变速器损耗能够被降低。

[0016] 本发明的另一目的在于提供一发动机和机械设备及应用，其中不论进气量多少，所述机械设备能够接近最佳压缩比和空燃比工作，使得发动机效率损耗系数接近于1。
附图说明

[0017] 图1是车辆在不同速度下的行驶阻力功率、百公里阻力功耗、风阻力功率一级阻力功率变化示意图。

[0018] 图2是车辆在不同速度下的阻力功率百分比和阻力百分比变化的曲线图示意图。

[0019] 图3是国五尾气排放测试标准示意图。

[0020] 图4是传统的汽车系统的发动机的最大输出功率和汽车行驶阻力功率变化的曲线图示意图。

[0021] 图5根据发明的一较佳实施例的一高效率汽车系统的发动机的输出功率和汽车行驶阻力功率变化的曲线图示意图。

[0022] 图6根据发明的一较佳实施例所述的所述高效率汽车系统在不同车速匀速行驶的各项数据变化示意图。

具体实施方式

[0023] 以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定
的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背
离本发明的精神和范围的其他技术方案。

[0024] 本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是
指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述
术语不能理解为对本发明的限制。

[0025] 可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

[0026] 根据本发明的一方面，本发明设计了一内燃机式的高效率机械设备，其中所述高效率机械设备能够克服目前的内燃机式机械设备的缺点，在不同的工况下，能够以较高效
率下进行工作。

[0027] 本发明设计的所述内燃机式的高效率机械设备，可被实施为多种移动设备，如摩托车、轮船、火车等，在此以高效率汽车系统为例进行描述。本领域技术人员应当理解的是，
所述高效率汽车系统仅为所述高效率机械设备的一种实施方式，仅为举例说明并且本发明
的所述高效率机械设备并不限制于所述高效率汽车系统。

[0028] 目前市场上的内燃机式汽车的发动机在其最佳效率区工作时对应的转速范围很小，发动机的最大转速和最小转速的比值，也就是转速比一般为2到3，无法通过大范围的调
整转速，高效的改变输出功率。而汽车不同工况下阻力功率变化的范围很大，因此只能够通
过降低发动机的效率降低输出功率。

[0029] 例如，假定传统汽油机最大进气量的最佳效率为40％，转速范围为1000～ 6000r/min，转速比为6，假定发动机最佳效率状态下对应转速范围为1750～4500 r/min，此转速范
围之外，汽油机效率明显下降，是一个类似不规则的倒盆状效率曲线。换档除1档外，一般在
1800～2500r/min，1000r/min、最大进气量时，压缩比或者空燃比无法在最佳状态下工作，
故传统汽车发动机最佳效率状态下的转速比为2～3。轿车车速10～60km/h时，负载率约为
0.02～0.18％，实际小进气量下，汽油机的效率约为14～25％，轿车实际的系统效率为4～
20％，它反映的就是系统效率存在提升的巨大潜力。

[0030] 在此以目前的内燃机式汽车的运行状态为例进行说明，并且值得注意的是，在对于汽车系统，不管是目前的内燃机汽车系统还是本发明提供的高效率的汽车系统进行分析
之前，首先需要建立如何对于一个汽车系统进行有效的分析的方法。汽车系统本身十分复
杂，由于各种复杂的工况和运行状态。

[0031] 在本发明中，着重考察汽车的最大阻力功率比、汽车在最小载重量的最大加速时间以及汽车在最小载重量的水平均速行驶的状态。

[0032] 汽车的最大阻力功率比非常大，反映的就是汽车系统中发动机所要面对的巨大的负荷变化，是评价系统效率提高的障碍因素。

[0033] 汽车在最小载重量的水平匀速行驶下，假定市郊混合平均车速为50km/h，是评价系统效率的工况因素。

[0034] 汽车在最小载重量的最大加速时间是评价系统的动力性因素，反映了汽车的最大动力性及载重能力。

[0035] 首先对于为何汽车的最大阻力功率比是评价系统效率提高的障碍因素进行说明。

[0036] 在此之前，要明确的一个概念是，影响到汽车效率的因素是多个，发动机本身的因素、汽车发动机之外的因素、比如说风阻、行驶阻力功率、变速器等因素，其中有三个因素对
于汽车效率的影响最为关键，分别为发动机效率损耗系数，变速器损耗系数、发动机轻载损
耗系数。

[0037] 汽车的驱动功率是指发动机驱动车轮效率的功率。发动机的有效功率是指发动机曲轴传出来的实际输出功率，也就是发动机的实际输出功率，不特别说明的情况下也指发
动机的输出功率。发动机的指示功率是指单位时间燃料的燃烧对活塞所作的功。发动机最
佳效率状态是指发动机在最佳压缩比、空燃比、最佳转速范围内，发动机的效率最高，在固
定转速下，发动机的有效功率最大，也就是满载有效功率。在发动机最佳效率时，机械损耗
功率约占发动机指示功率10～30％。

[0038] 汽车的系统效率≈发动机的最佳效率*汽车系统总损耗系数＝发动机实际效率*变速器损耗系数*轻载损耗系数＝汽车驱动功率/汽车的燃料消耗，其中，发动机实际效率
＝发动机的最佳效率*发动机效率损耗系数，发动机的最大输出功率＝汽车的燃料消耗*发
动机的最佳效率，发动机的有效功率＝发动机的最大输出功率*发动机效率损耗系数。多数
情况下可变体积燃烧室发动机，使得发动机的实际效率≈发动机最佳效率，发动机效率损
耗系数≈1。

[0039] 也就是说，汽车的系统效率≈发动机的最佳效率*发动机效率损耗系数*变速器损耗系数*轻载损耗系数。对于汽车的固定一个发动机而言，发动机的最佳效率一般是固定
的，那么对于汽车系统效率的影响最关键的三个因素就是发动机效率损耗系数、变速器损
耗系数以及轻载损耗系数。

[0040] 汽车的指示功率＝有效功率+机械损耗功率。在发动机的最佳效率下，负载率＝阻力功率/发动机最大有效功率，后备功率＝发动机最大有效输出功率-阻力功率。

[0041] 当汽车的驱动功率等于汽车的行驶阻力功率时，汽车水平匀速行驶。假定汽车水平匀速行驶，暂时忽略汽车内部的耗损，比如说传动系的摩擦损耗，发动机的轻载损耗对于
小负荷的影响，汽车电子电器的功率消耗等，此时发动机输出功率等于行驶阻力功率。这里
只考虑滚动阻力系统、空气阻力系统、迎风面积对行驶阻力的影响，并且假设三个系统的影
响是固定的，通篇均采用如下计算方法。

[0042] 车速下的行驶阻力功率及百公里阻力功耗的公式组如下：

[0043] Pz＝F*V→Pz＝(Mg+(C*A*ρ/2)*V^2)*V，Wz＝Pz/V*100km，Wz∝F，其中Pz 代表阻力功率，单位为W；F代表阻力，单位为N；V代表速度，单位为m/s； M代表整车质量，单位为kg；
2
g代表重力加速度，单位为N/kg；C代表空气阻力系数；A代表迎风面积，单位为m ；ρ代表空气
阻力空气密度系数，单位为Ns2/m4； Wz代表百公里阻力功耗，单位为kWh。

[0044] 假定一车辆，比如说标致3008，这一车辆的整车最小质量(整备质量) M＝1540kg，整车最大质量为2000kg，g＝9.8N/kg、滚动阻力系数f＝0.015、空气阻力系数C＝0.338、迎
风面积A＝2.46m2、空气阻力空气密度系数ρ＝1.2258Ns2/m4。

[0045] 该车辆在不同速度下的行驶阻力功率和百公里阻力功耗如下表1-1所示：

[0046] V的单位为m/s；Pz的单位为W；Wz的单位为kWh。

[0047]

[0048]

[0049] 表1-1

[0050] 参考表1-1所示，车辆最大和最小车速比为200/10＝20，对应的百公里阻力功耗比值为50/6.4＝7.8，它反映的就是扭矩变化比。汽车最大阻力功率比Bz，指在不使用离合器
下，最大车速的最大载重量的最大阻力功率与最小车速的最小载重量的最小阻力功率的
比，Bz＝162，汽车最大阻力功率比的大小由车速与载重量决定，其中轿车主要受到车速的
影响，卡车还受载重量的影响，卡车的最大阻力功率比要小于上述轿车。

[0051] 参考上述附图1和图2所示，滚动阻力功率和车速是线性的，风阻力功率受到车速影响是非线性的。汽车的阻力功率变化范围非常大，单一通过转速变化也无法使得输出功
率和负荷严格匹配。

[0052] 可以观察到现有汽车系统中存在的一个客观问题在于，最大阻力功率比非常大。最大阻力功率比Bz反映的就是汽车系统巨大的负荷变化，它是评价系统效率提高的障碍因
素。最大阻力功率比Bz的变化越大，说明汽车系统的效率提高的阻碍越大，因为汽车系统需
要通过降低效率的方式降低输出功率，从而使得汽车的输出功率和行驶阻力功率相匹配。

[0053] 汽车系统的系统效率受到多种因素的牵制，通过单一的方法以及发动机系统内的因素，无法使得发动机在最佳效率状态下的输出功率和负荷严格匹配。

[0054] 降低所述车辆最大阻力功率的直观办法是，提高最小车速，降低最高速度，降低车身重量以及特别是：减少风阻系数。百公里阻力功耗反映车速越高消耗的功率越大，百公里
阻力功耗和阻力成正比。

[0055] 其次，对于选择汽车在最小载重量的水平匀速行驶下，假定市郊混合平均车速为50km/h，为评价系统效率的工况因素，并且选择汽车在最小载重量的最大加速时间为评价
系统的动力性因素，下面进行具体地说明。

[0056] 汽车主要在城市路况下，为了便于系统效率的比较，选择一个参考车速。

[0057] 根据国五尾气排放测试标准如下图3所示。

[0058] 城市路口为郊区及市区混合，假定轿车的郊区平均车速为75km/h(50～ 100km/h)，占1/3，市区平均车速35km/h(20～50km/h)，占2/3，计算郊区和市区混合车速为(75km/h
+35km/h*2)/3≈48km/h，故假定城市路况下，市郊混合车速为50km/h。

[0059] 进一步地，汽车拥有各种复杂的工况，需要选择一种工况作为效率分析的切入点。

[0060] 汽车由加速、匀速、减速、怠速空转四中行驶状态组成。匀速行驶状态还可以分重载、轻载、高车速、低车速以及怠速行驶，还有最大法规车速、常用主要工况、不常用的特殊
工况等。路面摩擦阻力和风速风向等影响了汽车的工况。汽车的工况非常的复杂。

[0061] 最大法规车速指轿车高速公路最高行驶车速120km/h，卡车车速90km/h，是高效率汽车系统的车速界限因素，用于选择可变体积燃烧室工作在经济区或动力区。汽车常用工
况指小于等于最大法规车速的匀速车速、标称载重量内及小加速的变化。不常用工况指大
于最大法规车速、超载、大加速度等。

[0062] 汽车的驱动功率等于汽车的行驶阻力功率，使得汽车水平匀速行驶。汽车驱动功率大于汽车的行驶阻力功率，使得汽车水平加速行驶。汽车的驱动功率小于汽车的行驶阻
力功率，使得汽车水平减速行驶。汽车驱动功率始终等于零，发动机怠速空转，汽车静止。此
处汽车的驱动功率是指发动机输出经传动系驱动车轮旋转，用以克服行驶阻力，推动汽车
行驶所消耗的功率。

[0063] 固定车速下，轿车从最小载重量到最大载重量的阻力功率变化不大，故轿车最小载重量水平均速行驶是最基本的行驶方法，是本文中选取的效率比较的数据组，其中，
50km/h车速是本文中系统效率方案改进前后的比较点，是评价系统效率的工况因素。对于
卡车来说，在固定车速下，卡车从空载到满载的阻力功率变化很大，可以考虑空载及满载2
个的效率比较数据组，但是卡车的实际平均载货状态很难评价，方案改进前后，效率提高很
难对比。

[0064] 汽车在固定车速下，固定档位，从最小载重量逐步增加载重量到最大载重量，从匀速逐步增大加速度到最大加速度，以及连续上坡，发动机的后备功率减小，负载率增加，负
荷增大，发动机的效率逐步增大，也反映出了汽车的动力性和载重能力。进一步地，最大加
速度时，除汽油发动机采用涡轮增压外，发动机的效率最高，用于比较传统汽车和高效率汽
车的加速时间，发动机效率是固定值。因此可以采用最大加速度来评价系统的动力性因素，
反映汽车的最大动力性和载重能力。路面摩擦阻力及风速风向影响等，载重量变化，坡度变
化等因素都可以看成固定车速下动力性的变化因素。

[0065] 通过这样的方式，就可以将对于汽车复杂工况的分析，集中于分析在不同车速下，水平匀速行驶状态下的系统效率和最大加速时间两个关键的指数上。

[0066] 汽车减速行驶分3种类型，消耗动能的刹车减速、借助动能的滑行减速以及提供动力的供油减速，其中，固定车速下的供油减速及供油下坡行驶，出现的概率较小，发动机的
效率都比匀速低，传统汽车驾驶时需要避免。通过上述的分析，可以建立起一个系统效率的
评价模型，从而能够在这一个模型下对于汽车系统进行有效的评价。

[0067] 进一步地，前文中提到汽车系统效率≈发动机的最佳效率*发动机效率损耗系数*变速器损耗系数*轻载损耗系数，其中发动机效率损耗因素、变速器损耗系数以及轻载损耗
系数是影响到汽车系统效率的最关键的三个因素。

[0068] 具体对于变速器损耗和发动机轻载损耗对于汽车系统的影响进行分析，如下所示：

[0069] 第一、对于变速器损耗的分析：

[0070] 汽车系统中传动系效率主要由变速器决定，变速器的损耗系数与档位的速比有直接关系，同时自动档变速器内部有复杂的处理机构，损耗大于手动档。轿车一般为4～10速
变速器，卡车一般为5～16速变速器。为了便于分析，假定传统轿车采用自动变速器，卡车采
用手动变速器。假定6AT自动变速器的最低～最高档的损耗系数为0.88～0.96，6档手动档
变速器的最低～最高档的损耗系数为 0.92～0.98。

[0071] 假定6AT自动变速器档位与损耗系数的关系为如下数据表(1-5)：

[0072] 6AT档位 1 2 3 4 5 6速比 4.148 2.37 1.556 1.155 0.859 0.686
变速器损耗系数 0.88 0.92 0.94 0.95 0.96 0.96

[0073] 表1-5

[0074] 通过参考表1-5可以发现，提高档位可以在一定程度上增大变速器损耗系数。

[0075] 第二、对于轻载损耗系数的分析：

[0076] 发动机系统的机械损耗主要有三大类。第一类与输出扭矩或有效功率有关，叫它扭矩损耗，如活塞靠近上止点，气体压缩压力越大，燃烧压力越大，燃烧室越大，摩擦力就越
大；第二类与发动机的转速有关，叫它转速损耗，如活塞的流体动力润滑摩擦力损耗，转速
越大，损耗越大；第三类是发动机的附件的功率损耗，如水泵、风机、机油泵等辅助机械消耗
的功率，它可以变相的看成主要是扭矩损耗。另外，如曲柄、连杆以及轴承组成的机构的摩
擦损失等。两者兼有。

[0077] 为了便于分析，假定扭矩损耗与输出扭矩成正比，转速损耗与转速成正比，如果有效功率或输出扭矩为0，那么扭矩损耗接近为0。假定汽油机的机械损耗占指示功率的
10.7％，占有效功率的12％，其中满载扭矩损耗8％，满载转速损耗4％。当固定转速下，降低
有效功率时，轻载扭矩损耗与有效功率基本同比例下降，不影响发动机的实际效率值，而轻
载转速损耗与有效功率是反比方向，它影响发动机的实际效率值，轻载转速损耗是机械损
耗间接派生的一个轻载损耗影响量，包含轻载损耗功率及轻载损耗系数。

[0078] 当发动机输出功率小于最大有效功率时，转速越高，轻载损耗影响越大，阻力功率越小，轻载损耗影响也越大，有效功率或阻力功率为零，轻载损耗影响最大。

[0079] 传统汽车低速行驶时，转速范围很小，阻力功率很小，无法大幅度降低转速，轻载损耗系数很小，直接使系统效率下降。同样柴油机也是如此。相反，如果增大转速比，降低转
速，系统效率就提高了。

[0080] 例如，假定汽油机在最佳效率40％下，转速范围为1750～3500r/min， 3500r/min时，最大有效功率为60kW，满载扭矩损耗4.8kW，满载转速损耗2.4kW， 1750r/min时，最大有
效功率为30kW，满载扭矩损耗为2.4kW，满载转速损耗为 1.2kW，此时发动机的效率与轻载
损耗影响没有关系。

[0081] 例如，质量1.54吨的轿车，车速20km/h，阻力功率仅为1.35kW。如果 1750r/min下，有效功率为0，汽油机轻载损耗功率为1.2kW，可以理解为空档怠速状态。如果有效功率小于
30kW，轻载损耗影响就存在了。如果阻力功率为30kW，轻载损耗功率＝(1-30/30)*30*4％＝
0，轻载损耗系数＝1.35/(0+1.35)＝100％，不存在轻载损耗影响。阻力功率为1.35kW，轻载
损耗功率＝(1-1.35/30)*30*4％＝1.15kW，轻载损耗系数＝1.35/(1.15+1.35)＝54％。

[0082] 传统的办法是使用更小排量发动机，降低固定转速下的最大有效功率，使轻载损耗影响下降。另一种方法是降低转速，如果最小转速下降到500r/min，轻载损耗功率＝(1-
1.35/(30*500/1750))*30*500/1750*4％＝0.29kW，轻载损耗系数＝1.35/(0.29+1.35)＝
82％，轻载损耗影响大幅度下降。

[0083] 因此，可以得出的结论是，在低速行驶区，受轻载损耗影响，汽车的系统效率明显下降。提高系统效率，从降低轻载损耗影响出发，降低发动机的转速很重要，这也是一些船
用柴油发动机采用转速106r/min的原因。

[0084] 车速＝发动机转速/(主减速比*变速比)*车轮直径*π*60/1000。车速比是指在不使用离合器的情况下，最大车速和最小车速之间的比值。

[0085] 发动机转速比是指发动机稳定工作状态下，最高转速和最低转速之间的比值。变速器转速是指变速器输出转速。

[0086] 变速器速比(变速比)是指在不使用离合器的情况下，发动机输出转速和变速器输出转速之间的比值，在分档变速器中，也可以是指档位速比。

[0087] 总变速比是指发动机转速一定下，变速器输出的最高转速和最低转速之间的比值，也可以指变速器的最低档速比和最高档速比之间的比值。

[0088] 主减速比是指变速器输出转速和车轮转速之间的比值，主减速比是一个固定数值。

[0089] 进一步地，车速和发动机转速的关系为车速∝变速器转速＝发动机转速/变速器速比(变速比)。

[0090] 在传统轿车，发动机转速比*总变速比＝车速比≌变速器转速比，发动机的小转速范围通过变速器速比的变化增大了变速器转速范围，对应了车速范围。

[0091] 本发明提供了一高效率汽车系统，其中所述高效率汽车系统相比于传统的汽车而言，增大了发动机的转速范围，低速匀速行驶时，通过降低发动机的转速，并且保证发动机
在最佳效率下工作，那么对应的最大功率也下降了，后备功率＝发动机最大有效输出功率-
阻力功率，后备功率也可以下降。

[0092] 其次，所述高效率汽车系统，发动转速比*总变速比＞车速比≌变速器转速比，变速器的多余的变速比就可以调节发动机的输出功率和后备功率，多余的变速比中含有降低
中低速行驶匀速后备功率的速比，也含有可以增大低速行驶的加速动力的速比，使得匀速
车速下发动机的最大输出功率更加接近于行驶阻力功率曲线，也符合动力性等需求。

[0093] 其次，所述高效率汽车系统低速度启动时在中间档位，用于降低转速、降低后备功率。所述高效率汽车最高加速度启动时在最低档位，用于提高转速、增大输出功率。所述高
效率汽车系统在行驶过程中，在转速范围内，可以根据扭矩大小任意切换档位。所述高效率
汽车系统加速或者是载重量加大时，超出最大输出功率时，降低档位，增大输出功率。所述
高效率汽车系统在匀速行驶时，有多余可升高的档位，升高档位，可以降低后备功率。

[0094] 其次，所述高效率汽车系统提高了最低启动车速，降低了最高车速，使得车速比降低，从而对发动机转速比或者是总变速比增大的依赖降低。

[0095] 一传统的汽车系统方案A如下：

[0096] 一轿车，采用6AT变速器，总变速比为6.05，载重量1.54～2吨，6000r/min 时，发动机最大输出功率为100kW。最佳效率区的转速范围为1750～3500r/min，转速1000～6000r/
min，对应车速5.5～200km/h，发动机转速比*总变速比＝车速比≌变速器转速比＝36.3，当
车速小于100km/h时，后备功率很大，整个汽车系统效率较低。传统系统最大进气量下，
1000r/min时，发动机效率为15％

[0097] ，6000r/min为35％，1750～3500r/min为40％。

[0098] 此处进气量的大小用实际进气量和发动机的气缸容积的比值衡量，假定进气量减少时效率下降的指标均采用如下数据下表2-1所示：

[0099] 进气量 1 0.5 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15传统实际效率 0.4 0.31 0.27 0.25 0.23 0.2 0.16 0.1

[0100] 表2-1

[0101] 传统汽车系统在匀速行驶时，各项数据如下表2-2所示：

[0102]

[0103]

[0104] 表2-2

[0105] 这里是把变速器换档看成最佳状态在车速点下的反映，并且涵盖了变速器损耗及轻载损耗对汽车的系统效率的影响。

[0106] 如数据表(2-2)中，车速50km/h，后备功率31kW，负载率13％；发动机最佳效率为40％，而实际效率为23％，轻载损耗系数0.78，变速器损耗系数0.96，轿车的系统效率17％。
车速10km/h，后备功率34kW，负载率2％；发动机最佳效率为40％，而实际效率14％，轻载损
耗系数0.32，变速器损耗系数0.88，轿车系统效率仅4％。因为在低速行驶区，汽车的阻力功
率很小，如果汽车系统不能把发动机转速下降的很低，当汽车的车速越低时，阻力功率越
小，轻载损耗对于汽车系统效率的影响越大。

[0107] 基于本发明的所述高效率汽车系统的一方案：

[0108] 只是采用6AT变速器的速比，总变速比6.05，载重量1.54～2吨，5000r/min 时，汽油机最大输出功率100kW。转速比增大到10，最佳效率区的转速范围为 500～5000r/min，对
应车速范围10～200km/h，发动机转速比*总变速比＞车速比≌变速器转速比，即60.5＞20，
最大加速时，最大转速≤6000r/min。

[0109] 所述高效率汽车系统最大进气量下，500～3500r/min时效率均为40％， 5000r/min为38％，6000r/min为35％。

[0110] 本发明提供的所述高效率汽车系统在不同速度下匀速行驶的数据表(3-1)、图5如下所示：

[0111]

[0112]

[0113] 表3-1

[0114] 从图4与图5比较，很容易看出，本发明提供的所述高效率汽车系统的发动机的最大输出功率更接近汽车的行驶阻力功率曲线。

[0115] 表(2-2)与(3-1)比较，在本发明的所述高效率汽车系统中，使后备功率大幅度下降，发动机效率损耗系数提高，并使变速器损耗系数、轻载损耗系数也明显提高，从而系统
效率能够提高。

[0116] 表(2-2)与(3-1)比较，在车速10～60km/h下，本发明的所述高效率汽车系统的系统效率大幅度提升，平均值从传统汽车10％提高到21％。从市郊混合平均车速50km/h上比
较看，匀速行驶百公里油耗比为6/4.1＝1.5倍，本发明的所述高效率汽车系统使得不同匀
速车速下，汽车的系统效率大幅度提升。

[0117] 当在车速10～60km/h时，发动机低输出功率下，因为转速接近500r/min，震动也稍有增加。还可以把10～20km/h转速下降到接近250r/min，但油耗大幅度下降。例如，表(3-2)
中，如果把车速10km/h的转速下降到250r/min，由于发动机输出功率只有0.91kW，震动感增
加并不明显。但从汽车的系统效率上看，车速10～30km/h时，汽车总损耗系数＜57％，均可
以采用电动机驱动，提高汽车的系统效率。

[0118] 表(3-2)中，车速10～200km/h下，总变速比为2.37/1.156，发动机总转速比为5000/513，总车速比＝总变速比*发动机总转速比＝2.37/1.156*5000/513＝20。缓慢启动
时的档位在2档，加速到车速20km/h时也可以不经过3档就直接换成4 档，到车速30～
100km/h时，采用5～6档，均使发动机的转速尽可能接近500r/min，降低了发动机的转速，再
一次压榨剩余的后备功率。到车速200km/h时使用的档位不再是传统的最高档6档，而是4
档，目的是提高发动机的转速，增大输出功率。

[0119] 本发明的所述高效率汽车系统的最大输出功率更贴近阻力功率曲线，降低了后备功率，提高了负载率，使发动机的效率提高。

[0120] 值得注意的是，这里是把变速器换档看成最佳状态在车速点下的反映，并且涵盖了变速器损耗及轻载损耗对汽车的系统效率的影响。

[0121] 传统轿车加速时间---最大加速行驶的数据表(4-1)如下：

[0122] 车速单位为km/h，发动机转速为r/min，最大功率和阻力功率的单位为kW，最大加速度m/s2,加速时间的单位为s。

[0123] 车速 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10档位 4 4 3 3 3 2 2 1 1 1
发动机转速 4876 4388 5444 4763 4083 5182 4146 5442 3628 1814
速比 1.115 1.115 1.556 1.556 1.556 2.37 2.37 4.15 4.15 4.15
最大效率 0.38 0.4 0.36 0.39 0.4 0.38 0.4 0.36 0.4 0.4
最大功率 88 84 93 88 78 94 79 93 69 35
阻力功率 17.3 13.7 10.7 8.2 6.1 4.5 3.2 2.2 1.3 0.6
最大加速度 1.7 1.8 2.4 2.7 2.8 4.2 4.4 7.1 7.9 7.9
加速时间 1.67 1.53 1.15 1.04 1.00 0.67 0.63 0.39 0.35 0.35

[0124] 表4-1

[0125] 本发明提供的所述高效率汽车系统在不同车速下均速行驶的各项数据如下表4-2所示：

[0126]

[0127]

[0128] 表4-2

[0129] 对比表4-1和表4-2，传统轿车加速时间8.8秒，加速依靠1～4档调节，而所述高效率汽车系统的百公里加速时间为9.3秒，加速依靠1～2档调节，故两者的动力性基本上没有
差别。

[0130] 同理，不同工况下，柴油机的卡车，同汽油机的轿车方法基本相同。

[0131] 低速行驶区，低转速发动机产生的震动感，由轻载损耗功率及行驶阻力功率及转速决定，故低频小功率的减震系统的成本增大。

[0132] 低速行驶区，最大加速度下，所述高效率汽车系统的发动机的震动基本与传统汽车系统相差不大，通过降低变速器档位，使发动机的转速及最大输出功率，提高到传统发动
机的水平。如参考传统汽车系统的表(4-1)，车速10km/h的发动机转速为1814r/min，最大输
出功率为35kW，所述高效率汽车系统的相关数据表(4-2)中，车速20km/h的发动机转速为
1794r/min，最大功率为38kW。

[0133] 进一步地，在传统汽车系统中，空调和压缩机转速由发动机的转速决定，效率非常低，空调消耗的功率与车速50km/h的阻力功率的比值很大。在本发明的所述高效率汽车系
统中，发动机的转速比增大后，使发电机、空调压缩机等汽车辅助动力消耗设备的额定转速
范围增大，平均效率继续下降。优选地，所述高效率汽车系统采用小功率的可控无极变速
器，输出相对固定的转速，带动发电机，也可以输出变化的转速，带动压缩机，压缩机转速的
大小由需要转换的热量决定，大幅度降低发电机、空调压缩机等对汽车系统效率的影响。

[0134] 进一步地，还可以在增大发动机转速范围的同时采用可变燃烧室体积的发动机，以使得发动机可以处于或者是接近于最佳空燃比和最佳压缩比的状态下工作。

[0135] 具体地说，在上述的数据表(2-2)中，车速10km/h，后备功率34kW，负载率 2％，假设转速比为2，把负载率调节到100％，后备功率为零，燃烧室的体积的变化范围为1/50～1，
除非是大型发动机，常规车载发动机是不现实的，故无法单一通过调整可变体积燃烧室发
动机，使发动机的输出功率与阻力功率匹配。

[0136] 可变压缩比发动机的压缩比为1～8到1～14，燃烧室体积的变化量＜2倍，尾气正压排放，可变体积燃烧室发动机的体积变化量必须远大于可变压缩比发动机，才能使发动
机的输出功率与阻力功率匹配。注：燃烧室的最大体积为最大进气量/最小压缩比，最小压
缩比用于调节不同燃料的特性。

[0137] 采用增大发动机转速范围调节后备功率的方法后，也可以结合使发动机输出功率衰减的方式，使低速匀速行驶时，在发动机最佳效率下，输出功率大幅度下降，使进一步通
过缩小燃烧室体积，降低发动机功率的要求下降，大幅度降低了最小燃烧室的设计难度。

[0138] 例如，采用增大发动机转速范围调节后备功率的方法，把转速比增大为 10～20，使得汽车在低速行驶时，发动机的输出功率下降5倍，燃烧室的体积的变化范围约为1/10～
1，最小燃烧室的体积为1/10，使得燃烧室设计难度大幅度下降。

[0139] 采用可变体积燃烧室发动机、并采用增大发动机转速范围调节后备功率的方法、以及采用使发动机输出功率衰减的方式组成的机械设备，可以体现传统阿特金森、米勒循
环发动机比奥托循环发动机效率高的优点，而避免了传统阿特金森、米勒循环发动机的缺
陷：低速行驶需要外部电子增压器提高压缩比，无法实现低速行驶、小负荷、高效率的输出
方式，在需要动力性、大负荷时，无法提高气缸的功率密度。取代了传统奥托循环发动机利
用尾气动能的涡轮增压器，取代了阿特金森循环发动机的3连杆结构。

[0140] 机械设备，无论进气量大小，通过调整燃烧室体积，使发动机工作在最佳效率状态下，发动机的效率损耗系数接近为1。在低速行驶区，通过增大转速比，降低转速，降低发动
机的轻载损耗。通过提高变速器档位，降低变速器损耗。

[0141] 汽车常用工况下，使发动机工作在尾气常压排放的经济区。不常用工况下，使发动机工作在尾气正压排放的功率密度大的动力区。

[0142] 依靠降低变速器档位，增大转速，增大燃烧室体积，采用使发动机输出功率衰减的方式，释放发动机的输出功率，共同增大发动机的输出功率，符合动力性及载重量的需要。
最终使不同工况下，汽车的系统效率大幅度提高。

[0143] 注：进气量的临界值Lj：选择一个实际进气量占最大进气量的比值，在最佳状态下燃烧后，恰好使发动机的尾气常压排放，此时为发动机的临界功率。设可变燃烧室的最大进
气量为1(指进气量＝最大气缸容积时，进气量相对值为1)，临界进气量为Lj，设可变燃烧室
的最大体积为1，临界体积也为Lj。

[0144] 燃烧室的可变体积比Bt：可变燃烧室的最大体积与最小体积之间的比，设最大进气量为1，最小进气量为1/Bt。

[0145] 燃烧室的体积变化范围(变化量)：可变燃烧室的最大体积到最小体积的范围，在最佳压缩比与空燃比固定下，进气量与燃烧室体积成基本对应关系，设最大体积为1，燃烧
室的体积变化范围为1～1/Bt。

[0146] 燃烧室动力性区的可变体积比Btd：可变燃烧室的最大体积与临界体积之间的比，设最大进气量为1，Btd＝1/Lj。动力性区燃烧室体积变化范围为1～Lj。

[0147] 燃烧室经济性区的可变体积比Btj：可变燃烧室的临界体积与最小体积之间的比，设最小进气量为1/Bt，Btj＝Bt*Lj。经济性区燃烧室体积变化范围为Lj～1/Bt。

[0148] 发动机的进气量的临界值Lj约为0.37～0.3，对应的体积变化量约为2.7～3.3 倍。这个临界值主要与压缩比有关，压缩比越大临界值越大，还与空燃比、进气温度、大气
压、散热系数、机械损耗系数及燃料热值等有关。

[0149] 进气量为Lj～1时，尾气正压排放，发动机的最佳效率最终降到传统发动机的水平，但提高发动机的功率密度，动力性区用于大加速、超载、超高速行驶等不常用工况。

[0150] 进气量为Lj～1/Bt时，尾气常压排放，发动机的效率基本一致，发动机的效率高于传统发动机的水平，是发动机最佳效率状态，增大汽车的经济性，经济性区用于主要的常用
匀速行驶范围、小加速、常规载重量变化及常用法规车速等工况。

[0151] 为了使发动机的尾气常压排放，在汽车系统中可以选择燃烧室的可变体积比Bt的范围为Lj～15，即燃烧室的体积变化范围可以在1/(Lj)～1到1/15～1之间，变化量越大，发
动机输出功率的变化越大，但精度越差，效率也会逐步稍有下降，同时设计难度越大。

[0152] 例如，假定汽油机压缩比为10，进气量的临界值Lj＝0.33，燃烧室的可变体积比Bt＝12，进气量为1，压缩比及空燃比在最佳状态下，使尾气正压排放，发动机的最佳效率为
40％，临界进气量时，压缩比及空燃比在最佳状态下，使尾气常压排放，发动机的最佳效率
为60％。

[0153] 动力性区的体积变化量为1～0.33，动力性区可变体积比Btd＝1/0.33＝3，动力性区发动机的效率为40～60％，发动机的最佳效率最终降到传统发动机的水平。经济性区体
积变化量为0.33～1/12，经济性区可变体积比Btj＝12*0.33＝4，经济性区发动机的效率基
本保持在60％，发动机的效率高于传统发动机的水平。实际过程中，Btj取1～5，或者Bt取Lj
～15，比较好。Btj值不能太大，否则最小燃烧室的设计难度大，发动机的效率也会稍有下
降。

[0154] 在采用增大发动机转速范围调节后备功率的方法、以及采用使发动机输出功率衰减的方式、并采用可变体积燃烧室发动机组成的机械设备中，通过3种方法，可以使发动机
始终工作在经济性区、在最佳状态，并且使得发动机的输出功率，与常用工况的阻力功率匹
配，找到一个可以初步计算，直观选取3种方法中的参数的公式，十分重要。

[0155] 发动机工作在最佳状态时，发动机的转速与输出功率基本成正比，故转速比与它对应输出的功率比一致；传统汽车，发动机转速比*总变速比＝车速比≌变速器转速比，发
动机的小转速范围通过变速器速比的变化增大了变速器转速范围，对应了车速范围，在采
用增大发动机转速范围调节后备功率的方法后，转速比范围增大，发动机转速比*总变速比
＞车速比≌变速器转速比时，变速器多余的变速比就可以调节发动机的输出功率及后备功
率，改变变速比时，实际就是改变转速，多余的变速比可以看成输出功率比。

[0156] 发动机工作在最佳状态时，进气量变化与发动机的输出成正比，故经济性区燃烧室可变体积比基本可以看成输出功率比，发动机工作在动力性区时，尾气排放从正压到常
压，发动机最佳状态下的效率变化很大，故动力区燃烧室可变体积比，除以两者的效率比，
也可以看成输出功率比；发动机输出功率衰减系数是通过间隔进油、停止进油的气缸数目、
使用大小气缸组合方式降低发动机的输出功率，它也与发动机输出功率比基本成正比。

[0157] 在汽车水平匀速行驶下，汽车的驱动功率＝行驶阻力功率，汽车的驱动功率＝发动机的有效功率(发动机的实际输出功率)*轻载损耗系数*变速器损耗系数＝汽车的燃料
消耗*汽车的系统效率；

[0158] 这里只分析发动机效率与各参数之间的关系，故不考虑轻载损耗系数、变速器损耗系数的影响；就建立了行驶阻力功率比汽车系统中与各功率比及效率比之间的关系。

[0159] 故得到估算机械设备中主要参数的方法，最大法规车速的阻力功率比与机械设备的关系公式组：

[0160] 具体地说，首先，本发明提供了一种简单的直观推算高效率汽车系统中主要参数的方法，具体如下：

[0161] Bf＝Pzmax/Pfmin，如果Bf＞Bbj*Bn*Btj*Bs，那么Bηj＞1；如果 Bf≤Bbj*Bn*Btj*Bs，那么Bηj≈1，Bt＝Btj*Btd。

[0162] Bf是最大法规车速的最大阻力功率比、Pfmax是最大法规车速的最大载重量的阻力功率、Pfmin是最小车速最小载重量的阻力功率，Bηj是最佳经济区与最低的系统效率比、
Bη是最佳与最低的系统效率比、Bbj是降低后备功率的变速比、 Bn是最高与最低的转速比、
Btj是经济性区燃烧室可变体积比、Bs是发动机输出功率衰减系数，Bt是燃烧室可变体积
比、Btd是动力性区燃烧室可变体积比。

[0163] 值得注意的是，Bf是指最大法规车速的最大阻力功率比，是指在不使用离合器的情况下，最大法规车速的最大载重量的最大阻力功率Pfmax和最小车速的最小载重量的最
小阻力功率Pfmin的比值。

[0164] 用最大法规车速的阻力功率比Bf代替汽车最大阻力功率比Bz，可以使经济区用于主要的常用匀速行驶范围、小加速、常规载重量变化及常用法规车速等工况。Bηj≈1：指发
动机在经济区的最佳效率状态下工作；Bηj＞1：指发动机无法在经济区的最佳效率状态下
工作。此时汽车系统唯一的方法是通过降低系统效率的方式与行驶阻力功率匹配，这就是
传统汽车系统的特征。但这组公式中没有考虑轻载损耗系数、变速器损耗系数等的影响，上
述只是一个近似的推理公式，用于体现增加发动机输出功率比的重要性及关系。故在匀速
行驶中，在任何车速及载重变化下，驱动功率始终等于行驶阻力功率，并成一一对应关系，
否则无法匀速行驶；当发动机在最佳状态下输出的汽车驱动功率范围小于行驶阻力功率的
范围时，即Bf＞Bbj*Bn*Btj*Bs，汽车系统唯一的方法就是，降低效率，才能形成一一对应关
系。降低效率的方法有很多，如降低压缩比、增大或减小空燃比、在动力区工作、增大空载损
耗、增大变速器损耗等。

[0165] 例如，某轿车，采用6AT变速器的总变速比6.05，载重量1.54～2吨，经济区车速10～120km/h，动力区车速120～200km/h，转速范围500～5000r/min，假定最佳经济区发动机
的效率为60％，动力区发动机的效率为40～38％； Bf＝29/0.64＝45，Bbj＝1.156/0.686＝
1.69、Bn＝10、Btj＝3，Bs＝1。

[0166] Bf≤Bbj*Bn*Btj*Bs→45≤1.69*10*3*1＝50，故Bηj≈1。所述高效率汽车系统工作在最佳经济区，始终发动机的效率为60％。

[0167] 根据本发明的一些实施例，可以把进气量的临界值的输出功率与100km/h 的阻力功率匹配，并通过档位调整到≥120km/h，120km/h是轿车最高法规车速值，实际为140km/h
时，发动机的效率为60％，车速140～200km/h，发动机的效率逐步下降，但在40～60％之间。
所述高效率汽车系统在不同车速匀速行驶的数据如下表(5-1)、图6所示：

[0168] 车速单位为km/h，转速单位为r/min，功率单位为kW，油耗单位为L。

[0169]

[0170] 表5-1

[0171] 从图4与图6比较，很容易看出，发动机的临界输出功率更接近汽车的行驶阻力功率曲线，它是新方法提高汽车系统效率的关键因素。对比表(2-2)与表(3-1) 中，新方法的
变速器损耗系数、轻载损耗系数也明显提高。

[0172] 表(2-2)与(5-1)中，市郊混合平均车速50km/h上看，匀速行驶百公里油耗比为6/2＝3倍，新方法，使不同工况下发动机的效率大幅度提升。

[0173] 当根据本发明的一所述高效率汽车系统在车速10～60km/h时，发动机在低输出功率下，因为转速接近500r/min，震动也稍有增加。还可以把10～20km/h 转速下降到接近
250r/min，震动感增加并不明显，但油耗大幅度下降。

[0174] 举例说明，表(5-1)中，如果把车速10km/h的转速下降到250r/min，由于发动机输出功率只有0.91kW，震动感增加并不明显，系统效率从23％提高到42％，怠速行驶可以不必
采用电动机驱动，百公里油耗从3.1L下降到1.7L。

[0175] 所述高效率汽车系统缓慢启动时的档位在2档(或4档)，到车速30～100km/h时，采用5～6档，均使发动机的转速尽可能接近500r/min，降低了发动机的转速，使发动机的临界
输出功率更接近汽车的行驶阻力功率曲线。到车速 200km/h时使用的档位不再是传统的最
高档，比如说6档，而是4档，通过降低变速器的档位，来提高发动机的转速，增大输出功率。

[0176] 这里是把变速器换档看成最佳状态在车速点下的反映，并且涵盖了变速器损耗及轻载损耗对汽车系统效率的影响。

[0177] 根据本发明的一些实施例的所述高效率汽车系统的加速时间及效率---临界加速及最大加速行驶的数据表(5-3)如下：

[0178]

[0179] 表5-3

[0180] 表(5-3)，常规最大加速的选择，发动机采用进气量的临界值对应的输出功率，百公里加速时间合计为17.4s，在市区从启动到穿过50m的路口，最大车速为20～ 50km/h，需
要10～6s，发动机此时在最佳效率状态下工作，汽车的系统效率约为60％*0.85。

[0181] 极端最大加速的选择，发动机采用最大进气量对应的最大输出功率，百公里加速时间合计为7.75s，在市区从启动到穿过50m的路口，最大车速为20～50km/h，需要9.5～
4.8s，此时汽车的系统效率为40％*0.85。上述分析反映，在市区的最大车速为60km/h，路口
的加速行驶没有必要选择极端最大加速的方式。

[0182] 另外，上述方案中发动机衰减系数为Bs＝1，实例中均没有采用使发动机输出功率衰减的方式进行分析，它本质上与采用增大发动机转速范围调节后备功率的方法、采用可
变体积燃烧室发动机的方法相同，都是最终使车速下发动机的经济区的输出功率更接近行
驶阻力功率曲线，也符合动力性等的需要。

[0183] 同理，不同工况下，柴油机的卡车，同汽油机的轿车方法基本相同。只是柴油机的卡车，通过可变体积燃烧室发动机，并采用增大发动机转速范围调节后备功率的方法，它的
最大转速可以比传统柴油机稍微有所提高。

[0184] 例如，当所述高效率汽车系统是一重卡拖车时，采用变速器的总变速比20，重卡载重量8.8～40吨，车速10～100km/h，转速范围500～2500r/min； Bz＝259/6.36＝62，Bbj＝
5、Bn＝5、Btj＝2.5，Bs＝1，Bz≤Bηj*Bbj*Bn*Btj*Bs，那么Bηj≈1，假定最佳经济区临界值
效率为64％，那么，在不考虑轻载损耗、变速器损耗及极端加速度等影响时，10～100km/h的
发动机的效率约为64％。

[0185] 值得注意的是，所述高效率汽车系统采用可变体积燃烧室发动机后，在高转速下，可以始终使压缩比及空燃比在最佳状态下工作。所述高效率汽车系统增大后备功率，是依
靠变速器降低档位及增大燃烧室体积，不会出现压缩比下降及空燃比增大带来的燃烧时间
延长的问题，就可以部分提高发动机的转速，而不降低发动机的效率，特别适合增大压燃式
柴油机的转速，从而增大发动机的转速比

[0186] 进一步地，在传统汽车系统中，如果在高速行驶区，车速越大，受风阻影响明显，风阻越大，行驶阻力功率越大，汽车的系统效率虽然增加，但百公里油耗越大；低速行驶区，车
速越低，受风阻影响不明显，阻力功率与车速非线性变化不明显，但车速越低，汽车的系统
效率越低，百公里油耗也越大；怠速行驶方法汽车的系统效率最低，百公里油耗也最大；重
载量增加，后备功率减小，发动机的效率增加；加速时，后备功率减小，发动机的效率增加，
最大加速时，后备功率为零，发动机的效率最高；滑行减速时，发动机不提供动力，但高转速
下的发动机轻载损耗对汽车动能浪费有很大的影响，转速越高，轻载损耗影响越大，相当于
增加油耗；刹车减速，车速越高，动能损失越大；怠速空转对系统效率影响大。

[0187] 所述高效率汽车系统在除怠速行驶方法外，如果汽车系统效率变化小于风阻的变化，车速越低，百公里油耗越小，车速越大，风阻越大，行驶阻力功率越大，百公里油耗越大；
其它与传统汽车系统基本一致。

[0188] 假定混合动力系统总损耗系数为0.57。所述高效率汽车系统在低速行驶区时，如果发电机驱动的混合动力系统总损耗系数＞发动机驱动的系统总损耗系数，采用电动机驱
动可以节能，这个方法在传统汽车系统中非常有效。

[0189] 参考传统汽车系统的数据表(2-2)中，车速60km/h时，总损耗系数为0.51，车速≤60km/h时就可以采用电动机驱动，在较高速行驶下，甚至采用电动机驱动与发动机驱动及
充电交替工作方式，部分发动机功率驱动的效率更高，这就是混合动力系统存在于传统汽
车系统的意义。

[0190] 参考本发明提供的采用增大发动机转速范围调节后备功率的方法后的所述高效率汽车系统的数据表(3-1)，在车速为40km/h时，总损耗系数为0.60，车速≤30km/h时可以
采用电动机驱动。但在所述高效率汽车系统中，车速要下降到很低才有实际意义，机械设备
的数据表(3-1)中，车速10km/h，转速513r/min，总损耗系数为0.52，可以采用电动机驱动，
如果转速降为250r/min，总损耗系数 0.70，不能采用电动机驱动。

[0191] 事例，假定市区路口长度100km，行驶车速分别为20及50km/h，每1km一个路口，刹车1次，刹车时动能损耗50％，排队等候0～2次，平均1次，排队等候时间0～60s，平均30s，其
中每次以10km/h的怠速车速移动100m。

[0192] 市区工况下，假定传统轿车系统采用最大加速，汽油机在最佳效率为40％的状态下行驶，系统效率为36.8％，刹车节约的50％动能相当于减少加速的能耗。怠速空转油耗
1.8L/h，车速10～50km/h的油耗来源于数据表(2-2)。

[0193] 传统轿车系统车速、怠速空转等对行驶系统效率的影响，数据表(6-1)如下：

[0194]

[0195] 表6-1

[0196] 当车速50km/h，速度高，加速更费油，刹车动能损失大，但行驶系统效率比车速20km/h提高1.5倍。如果把怠速行驶的速度从传统的10km/h增加到20km/h，路口排队行驶油
耗可以节约＝1.79+(0.11-0.03)-(1.13+(0.32-0.1))＝1.87-1.35＝0.52L，可以提高5％
的行驶系统效率。传统汽车系统，低速行驶区，提高行驶系统效率的关键，是使汽车尽快工
作在高车速区，在低速行驶区“轻踩油门，轻踩刹车省油”的观点是不正确的，应该是“重踩
油门，轻踩刹车省油”。路口排队怠速空转占行驶系统效率的15％，采用停车熄火技术可以
提高汽车的系统效率。怠速车速10km/h，采用小功率电动机驱动，油耗为0.32L/100km，可以
提高15％的行驶系统效率，采用电动机及发动机混合启动及驱动的方式，可以同时解决停
车熄火及怠速移动2个问题。

[0197] 如果电动机驱动可以提高汽车系统低速行驶区的效率，电动机与发动机并联驱动汽车，电动机可以连接变速器的输入或输出端，它与一般混合动力汽车的区别是，只是用于
城市道路的频繁启动、短距离及小功率的低速行驶及倒库行驶，采用小功率电动机驱动，蓄
电池的容量大幅度减小，并省去外充电的麻烦。

[0198] 设定城市路况的小加速度及匀速行驶模式，在车速大于某设定值，如车速 10～60km/h时，加速度大于某设定值，设定值与是否节能有关，可以主动从电动驱动切换为发动
机驱动模式，或者借助汽车行驶惯性启动发动机运行，减小电动机的功率，减少发动机效率
损耗、轻载损耗、变速器损耗及离合器的摩擦损耗对低速行驶区汽车系统效率的影响。并且
设定山区、障碍物及大加速度路况的汽车启动模式，直接采用传统从发动机启动的方式，怠
速启动速度可以任意变换，不影响各种工况启动的运行。

[0199] 市区工况下，所述高效率汽车系统被实施为一轿车，并且采用临界功率加速，发动机在最佳效率为60％的状态下行驶。车速10～50km/h的油耗来源于数据表 (3-1)。

[0200] 根据本发明的一些实施例，所述高效率汽车系统车速、怠速空转等对行驶系统效率的影响，方案1，数据表(6-2)如下：

[0201]

[0202] 表6-2

[0203] 根据本发明的一些实施例，所述高效率汽车系统车速、怠速空转等对行驶系统效率的影响，方案2，数据表(6-3)如下：

[0204]

[0205] 表6-3

[0206] 方案1比方案2的转速低0.5倍，故怠速空转及车速10km/h的油耗低一些。

[0207] 通过路口的车速越高，越费油。如果把怠速行驶的速度从传统的10km/h增加到20km/h，方案1百公里油耗没有落差，故不省油，方案2使行驶系统效率提高1.5％，没有实际
意义。在所述高效率汽车系统中，在行驶过程中可以采取“轻踩油门、轻踩刹车”的措施以节
约油耗。

[0208] 路口排队怠速空转占行驶效率的6～11％，采用停车熄火技术可以提高本发明的所述高效率汽车系统的效率。方案1中，车速10km/h，转速为250r/min，总损耗系数＞57％，
不能采用电动机驱动，但可以在倒库行驶下采用0.5kW小功率电动机驱动，采用电动机及发
动机混合启动及驱动的方式，可以同时解决停车熄火及倒库行驶2个问题。方案2可以采用
1kW小功率电动机驱动，省油量为 0.31-0.22＝0.09L，采用电动机及发动机混合启动及驱
动的方式，可以同时解决停车熄火及怠速行驶2个问题。倒库行驶指汽车停靠车位时的行驶
方法，一般车速≤5km/h。

[0209] 因此，根据本发明的一些实施例，可以恰当的采用混合动力启动及驱动的方式，并且采用停车熄火技术来提高所述高效率汽车系统的效率。

[0210] 进一步，混动动力车作为节约油耗的代表，相对于本发明的所述高效率汽车系统而言并没有明显的优势。也就是说，本发明提供的所述高效率汽车系统在油耗上表现尚佳。

[0211] 混合动力车中，不同工况下，由始终工作在最佳效率状态下的发动机驱动发电机，车载发电机效率90％，固定大型发电机平均可以达到95％以上，使用不现实；铅蓄电池充放
电效率利用率在75％～90％(取85％)，磷酸铁锂电池充放电利用率稍高为85％～90％，功
率密度大，成本高，锂电池要考虑复杂的充电电路损耗0.95，实际比铅电池效率并没有提
高；电动机效率70～80％(取75％)；采用轮毂电机直接驱动车轮，传动系损耗可以忽略；从
发电、充电、放电、驱动角度看，混合动力车的系统总损耗系数≈0.9*0.85*0.75＝57％，混
合动力车的系统效率＝发动机最佳效率*混合动力车总损耗系数。

[0212] 假定4种燃料的热值、密度、价格如下数据表(7-1)：

[0213] 压缩比为20的柴油机的热效率为64％，压缩比为10的汽油机的效率为60％，压缩比为10的甲醇或乙醇的效率为60％，不同工况下汽车的系统效率为0.85。实际使用中可以
采用高比例的醇类柴油或者汽油的混合燃料，降低燃料的成本，汽油及柴油的价格取7.5
元/L。

[0214]燃油种类柴油汽油甲醇乙醇
密度(kg/L) 0.83 0.73 0.79 0.79
热值(mJ/kg) 46 43 20 28
价格(元/kg) 9.04 10.27 1.8 4.8
系统效率 0.64*0.85 0.60*0.85 0.60*0.85 0.60*0.85
成本(元/kWh) 1.30 1.69 0.64 1.21

[0215] 表7-1

[0216] 2018年用电的平均价格为0.61元/kWh。纯电动车的动力成本为：电价/(充电、放电、驱动的损耗)＝0.61/0.64＝0.94元/kWh。煤电约占中国发电量的60％，是高电价的主要
原因，煤炭及石油均是化石能源，价格主要与稀缺性及物价指数有关，醇类等燃料可以是生
物再生能源，再生能源主要与物价指数有关，即随着时间的推移，较大的时间范围内，以煤
为发电主体的电价与石油价上涨比例接近，但电价始终会高于醇类的上涨比例，这里价格
分析没有考虑政治、技术进步、环保、新发现大储量等因素。

[0217] 故上述分析反映，纯电动车与本发明的所述高效率汽车系统相比较，动力成本优势不明显。

[0218] 根据本发明的另一方面，本发明提供所述机械设备，其中所述机械设备包括一机械设备主体和所述发动机，其中所述发动机被装配于所述机械设备主体。所述机械设备主
体的至少部分被所述发动机驱动以移动。所述发动机能够为所述机械设备主体提供动力。
所述发动机的最佳效率区的转速比的范围为5～40，其中当所述机械设备是一汽车时，所述
发动机的最佳效率区的转速比可以是5，当所述机械设备是一直升机时，所述发动机的最佳
效率区的转速比可以是40。

[0219] 本领域的技术员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实
施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

标题	发布/更新时间	阅读量
元件安装线的安装精度测定系统及安装精度测定方法	2020-05-11	724
基于多波束轮询的传输方法及通讯设备	2020-05-11	358
无线通信的方法、网络设备和终端设备	2020-05-12	151
通信设备和通信方法	2020-05-12	687
具有低热阻的电绝缘热连接器	2020-05-11	720
辐射源	2020-05-11	1079
用于无线网络的网络切片特定寻呼周期	2020-05-12	509
带式供料器	2020-05-11	405
上行链路功率控制	2020-05-13	858
用于基于新无线电的车辆对万物环境中的超可靠低延迟通信的装置和方法	2020-05-12	270

发动机和机械设备及应用

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