一種發(fā)動機輕載節(jié)油方法的研究

沈建軍，馮忠緒，楊建輝

(1.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064;2.中聯重科路面機械分公司，湖南長沙410025)

0 引言

汽車制動過程是一個將大量的動能轉化為熱能而耗散的過程，當汽車在城市工況行駛時，制動器所消耗的能量占總驅動能的50%左右［1］.例如在FUDS(Federalurban Driving Chedule)循環(huán)工況下，制動能量與總體驅動能的比例為48.3%;在日本10.15循環(huán)工況下，該比例為53%［2］.如果能回收或利用這部分被消耗的能量，可使汽車燃油消耗降低30%～50%，行駛里程增加10%～30%［2］.文獻［1-2］均是采用混合動力模式來回收和再利用制動能量.采用這種方式存在一個問題就是必然存在慣性能量的兩次轉換和再利用，環(huán)節(jié)較多、利用率低、投資費用較高［3］.筆者提出了一種發(fā)動機輕載節(jié)油方法，能直接利用汽車減速滑行狀態(tài)下的制動能量，達到汽車節(jié)能減排的目的.

1 發(fā)動機輕載節(jié)油方法

1.1 發(fā)動機輕載節(jié)油機理的提出

據相關資料統計，汽車在減速滑行過程中行駛里程占總里程的30% ～50%［3］.汽車在減速滑行狀態(tài)下，汽車動能主要消耗在傳動系統零部件之間的摩擦、發(fā)動機制動阻力、風阻以及輪胎滾動阻力之中.據專家介紹，汽車在前進時燃料產生的動力65%用來克服空氣阻力，20%用來克服輪胎滾動阻力，15%用來克服零部件之間的摩擦力［4］.因而，減小汽車滑行阻力對汽車節(jié)能具有重要意義.目前，減小汽車滑行阻力的研究主要集中在減小滾動阻力和減小風阻等上面［5-6］.文獻［7-8］研究了輪胎充氣壓力、溫度、車速和輪胎材料等對滾動阻力系數的影響，為了充分利用汽車動能滑行，必須選取較小的滾動阻力系數.在減小傳動系統阻力的研究上，發(fā)明了一種安裝在傳動系末端的超越滑行半軸離合器［9］，該裝置就是在汽車滑行時，使車輪與傳動系分離，充分利用車輪慣性滑行.從超越滑行半軸離合器的節(jié)能分析中可知，在此狀態(tài)下，發(fā)動機一直怠速噴油.

目前，汽車在減速滑行狀態(tài)下，減小發(fā)動機制動阻力的研究甚少.其中，發(fā)動機制動阻力包括活塞壓縮行程的氣體壓縮阻力、內摩擦力和進排氣阻力(泵氣阻力).為了減小發(fā)動機制動阻力，合理利用汽車在減速滑行狀態(tài)下的動能，筆者提出了發(fā)動機輕載節(jié)油機理，就是在汽車減速滑行狀態(tài)下，控制發(fā)動機不噴油，同時排氣門釋壓，減小發(fā)動機制動阻力，充分利用汽車制動能量，滑行更遠的距離.

1.2 發(fā)動機輕載節(jié)油方法的提出

發(fā)動機輕載是指發(fā)動機排氣門釋壓后的工況(相當于減少了發(fā)動機壓縮行程氣體壓縮阻力和泵氣損失，使發(fā)動機制動阻力減小).當發(fā)動機的空氣系數過量時，發(fā)動機的泵氣損失為10%，因此，汽車在掛檔滑行狀態(tài)下(交通法規(guī)規(guī)定不允許熄火空檔滑行)，強制打開排氣門釋壓，可利用的制動能量是比較可觀的.在不影響汽車各項性能的基礎上，結合發(fā)動機輕載節(jié)油機理，筆者提出了發(fā)動機輕載節(jié)油方法，就是汽車在檔滑行狀態(tài)下，當節(jié)氣門和制動踏板均松開，并且發(fā)動機轉速在合理范圍內，控制發(fā)動機噴油器電磁鐵不被激勵，達到停油的目的，同時通過排氣門開啟機構的液壓系統［10］使排氣門開啟釋壓，減小發(fā)動機制動阻力.其中，具體停油方法的實現以及氣門開啟機構液壓系統分別在文獻［3］和文獻［10］中已有詳細論述，由于篇幅限制，故不再贅述.

1.3 排氣門開啟機構

如何強制打開排氣門是發(fā)動機輕載節(jié)油的關鍵技術之一，某型號凸輪頂置式發(fā)動機強制打開排氣門機構如圖1所示.

圖1 排氣門強制開啟工作示意圖Fig.1 Figure of the exhaust forced open work

從圖1(a)可知，排氣門強制開啟機構主要是在凸輪上加工一道凹槽，發(fā)動機處于輕載節(jié)油狀態(tài)時，推桿在液壓力作用下，進入凹槽，使搖臂的滾柱一直處于最高點，從而使排氣門完全開啟.圖1(b)為發(fā)動機在輕載節(jié)油狀態(tài)下，測試排氣門強制開啟機構的工作示意圖.

2 發(fā)動機輕載節(jié)油控制系統設計

2.1 發(fā)動機輕載節(jié)油控制策略分析

根據發(fā)動機輕載節(jié)油方法可知，發(fā)動機輕載節(jié)油的狀態(tài)應同時滿足如下要求:① 節(jié)氣門松開;② 制動踏板松開;③ 離合器踏板松開;④ 發(fā)動機轉速在一定的范圍內.

前兩個要求是發(fā)動機輕載節(jié)油的前提條件，節(jié)氣門不松開時，表示汽車在加速或保持勻速，發(fā)動機不應輕載節(jié)油.踩下制動踏板，表示前方有障礙物或有緊急情況，為了行車安全，駕駛人員必須制動，發(fā)動機也不應輕載節(jié)油.第3個要求是為了防止汽車在啟動或換檔的時候，發(fā)動機輕載節(jié)油.因為汽車啟動瞬間，節(jié)氣門松開，制動踏板也松開，并且發(fā)動機轉速也達到了要求，此時，發(fā)動機會輕載節(jié)油.換檔時，節(jié)氣門松開，制動踏板松開，并且發(fā)動機轉速也達到要求時，發(fā)動機也會輕載節(jié)油.因而必須滿足第3個要求.第4個要求是為了防止由發(fā)動機輕載節(jié)油模式切換到發(fā)動機正常工作時，由于發(fā)動機轉速過低而造成熄火或車速太低而使傳動系抖動［11］.因此，發(fā)動機轉速必須在某一值以上，發(fā)動機才能輕載節(jié)油.發(fā)動機輕載節(jié)油的臨界轉速由汽車最低穩(wěn)定車速來確定，因為汽車在最低穩(wěn)定車速下，發(fā)動機不熄火，傳動系不抖動，汽車能平穩(wěn)加速.因而，第4個要求是必要條件.

2.2 發(fā)動機輕載節(jié)油控制器設計

根據發(fā)動機輕載節(jié)油的控制策略，發(fā)動機輕載節(jié)油控制器設計的流程如圖2所示.

圖2 發(fā)動機輕載節(jié)油控制器設計流程圖Fig.2 Figure of the design of controller on engine light load saving fuel

圖2 中n為發(fā)動機轉速，N為汽車最低穩(wěn)定車速下所對應的發(fā)動機轉速.由于節(jié)氣門信號、制動踏板信號和離合器信號均為開關量，因此在控制電路設計中均選用DC12V接近開關(如果發(fā)動機節(jié)氣門和制動踏板信號為模擬量，則在控制電路中采用比較器)，根據某車型發(fā)動機曲軸位置傳感器輸出信號經處理后送入ECU的信號為方波頻率信號，因此在發(fā)動機輕載節(jié)油控制電路中采用F/V頻率轉換器，根據上述發(fā)動機輕載節(jié)油控制策略設計控制器，如圖3所示.

圖3 發(fā)動機輕載節(jié)油控制器Fig.3 Figure of the controller on engine light load saving fuel

3 發(fā)動機輕載節(jié)油下汽車掛檔滑行試驗

根據GB/T 14951—2007《汽車節(jié)油技術評定方法》，對汽車進行掛檔滑行距離對比試驗.試驗儀器為CTM-2002A/B汽車拖拉機綜合測試儀，試驗在長安大學汽車綜合測試場進行.試驗車輛為普桑，速度傳感器安裝如圖4所示.根據發(fā)動機輕載節(jié)油控制策略以及試驗場地限制，汽車排檔為最高檔，以穩(wěn)定車速80 km/h進入滑行段，迅速松開油門開始滑行，直至車速降至30 km/h停止記錄，發(fā)動機輕載節(jié)油狀態(tài)下和正常掛檔滑行狀態(tài)下試驗數據記錄如下表1所示.

圖4 速度傳感器安裝圖Fig.4 Figure of the installation of speed sensor

根據表1對時間和位移數據進行擬合得到正常掛檔滑行和輕載節(jié)油掛檔滑行工況下時間位移曲線，如圖5所示.

表1 汽車滑行試驗數據Tab.1 Test data of car sliding

圖5 滑行時間－位移曲線Fig.5 Curve of the car sliding time-displacement

從圖5可知，在0～40 s時間段，曲線A與曲線B基本相同，即正常掛檔滑行與輕載節(jié)油掛檔滑行了相同的時間，滑行的位移基本相同.在40 s時，正常掛檔滑行速度約為35 km/h，輕載節(jié)油掛檔滑行速度約為30 km/h，說明在滑行相同的時間內，滑行距離基本一致，而速度稍有差異.雖然輕載節(jié)油掛檔滑行速度有所下降，但是其速度仍在最低穩(wěn)定車速之上，因而不會導致汽車再次加速時，傳動系抖動或發(fā)動機熄火，從而影響車輛的舒適性.從實驗可知，發(fā)動機輕載節(jié)油工況下，在相同時間內，滑行距離與正常掛檔滑行基本相同，而此時發(fā)動機停止噴油，能把此時間段內汽車怠速所需燃油節(jié)省下來.

4 車輛油耗對比試驗

對改裝的發(fā)動機輕載節(jié)油車輛與同排量、同型號車輛進行油耗對比試驗，2臺車輛技術性能基本相同.試驗路段為西安到韓城往返高速路段，路況良好，交通流量較小.采用后車跟前車的駕駛方法，并且不允許空擋滑行，燃油消耗對比試驗數據如下表2所示.從表2可知，改裝的發(fā)動機輕載節(jié)油車輛節(jié)油率為7.2%.

表2 燃油消耗對比試驗數據Tab.2 Test data of the fuel consumption

5 結論

(1)針對汽車慣性能量的利用問題，提出了一種發(fā)動機輕載節(jié)油的方法.根據發(fā)動機輕載節(jié)油的機理，結合駕駛員的駕駛習慣和在不影響汽車各項性能的基礎上，提出了相應的控制策略，開發(fā)了發(fā)動機輕載節(jié)油控制機構與電路，為汽車節(jié)能提供了一種新方法.

(2)對發(fā)動機輕載節(jié)油進行汽車掛檔滑行距離對比試驗可知，發(fā)動機輕載節(jié)油工況下，在相同時間內，滑行距離與正常掛檔滑行距離基本相同，而此工況下發(fā)動機停止噴油，節(jié)省了此時間段內汽車怠速所需燃油.通過車輛油耗對比試驗可知，發(fā)動機輕載節(jié)油的節(jié)油率達7.2%.

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