汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)研究

陳紅 莫嘉林 郭繼崇

摘 要：應(yīng)用汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)的目的是為了使汽車發(fā)動機(jī)也可成為汽車緩速器，該系統(tǒng)采用斷油滑行技術(shù)、可變排氣門技術(shù)，使汽車發(fā)動機(jī)在掛擋滑行時，可根據(jù)駕駛員的設(shè)定、適時地停止向發(fā)動機(jī)供給燃油，并使放氣搖臂與排氣門搖臂連結(jié)在一起搖動，從而使排氣門搖臂既服從排氣凸輪的驅(qū)動，也服從放氣凸輪的驅(qū)動，既在排氣行程開啟排氣門，也在活塞接近壓縮上止點(diǎn)時開啟排氣門、放出已消耗了汽車慣性動能的壓縮空氣，隨后在做功沖程開始不久就關(guān)閉排氣門，使活塞在做功沖程繼續(xù)運(yùn)動的同時也產(chǎn)生負(fù)壓以增加活塞的運(yùn)動阻力，使此時的發(fā)動機(jī)變成空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來消耗汽車的慣性運(yùn)動能量。

關(guān)鍵詞：汽車；發(fā)動機(jī)；節(jié)能；緩速系統(tǒng) ；可變配氣相位；可變氣門；斷油滑行

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.06.012

0 引言

目前，重型汽車使用的緩速效率較高的緩速系統(tǒng)有液力緩速系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)壓縮式緩速系統(tǒng)。液力緩速系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，質(zhì)量重，體積大，制造技術(shù)和精度要求較高，最大緩速效率受發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力的限制，接合和分離有時間滯后，不工作時會消耗部分發(fā)動機(jī)功率，低車速時緩速效率趨于零等缺點(diǎn)。目前，應(yīng)用的發(fā)動機(jī)壓縮式緩速系統(tǒng)仍存在著結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，質(zhì)量偏重、體積偏大、制造技術(shù)和精度要求較高、放氣時刻精度不足、進(jìn)入發(fā)動機(jī)壓縮式緩速狀態(tài)瞬間產(chǎn)生的沖擊偏大等缺點(diǎn)。上述兩系統(tǒng)都沒有獨(dú)立的斷油滑行功能，轉(zhuǎn)為緩速滑行時需要駕駛員進(jìn)行另外的操作。而汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)具有放氣時刻更精準(zhǔn)及更高的緩速效果、結(jié)構(gòu)更簡單、零件加工和裝配精度要求更低、進(jìn)入發(fā)動機(jī)壓縮式緩速狀態(tài)反應(yīng)更柔和、更節(jié)能，還具有獨(dú)立的斷油滑行功能，各工況轉(zhuǎn)變時無需改變駕駛操作習(xí)慣等優(yōu)點(diǎn)。

1 液力緩速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

以下結(jié)合圖1對液力緩速系統(tǒng)作簡單介紹：

該系統(tǒng)將車輛的慣性能量通過液體阻力轉(zhuǎn)換為熱能，再由發(fā)動機(jī)的散熱系統(tǒng)散發(fā)到大氣中，以達(dá)到降低車速的目的。其轉(zhuǎn)子葉輪通過緩速器驅(qū)動軸連接到傳動軸上，而定子葉輪固定在緩速器殼體上。汽車下坡時，啟用緩速系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)同時停止燃油供給，壓縮空氣或油泵將液壓油輸入轉(zhuǎn)子和定子之間，液壓油通過定子對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定的阻力而形成制動力矩，并產(chǎn)生熱能。液壓油中的熱量由熱交換器傳給發(fā)動機(jī)冷卻液再通過發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)散掉。其緩速效率受制于發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)的散熱能力。

2 發(fā)動機(jī)壓縮式緩速系統(tǒng)工作原理

以下結(jié)合圖2對發(fā)動機(jī)壓縮式緩速系統(tǒng)的工作原理作簡單介紹：該系統(tǒng)通過改變發(fā)動機(jī)排氣門的配氣相位使車輛減速。從本質(zhì)上講，就是將產(chǎn)生能量的柴油發(fā)動機(jī)變成了吸收能量的空氣壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)制動。當(dāng)緩速器激活工作時，發(fā)動機(jī)排氣門會在壓縮沖程接近上止點(diǎn)附近被打開，壓縮沖程中形成的高壓氣體會被排放出發(fā)動機(jī)氣缸。這樣，大部分壓縮氣體吸收的能量會被排放掉，僅有一小部分的殘余能量推動發(fā)動機(jī)活塞回位。車輛下坡的沖量會不停的通過發(fā)動機(jī)壓縮—釋放的動作耗散，最終使車輛減速。

發(fā)動機(jī)壓縮式緩速系統(tǒng)啟動工作：如果電源開關(guān)處于接通位置，并且發(fā)動機(jī)電子控制設(shè)備確定應(yīng)該進(jìn)行發(fā)動機(jī)制動，則發(fā)動機(jī)制動電磁閥的電壓供給會準(zhǔn)備就緒，以備隨時啟動制動裝置。

當(dāng)駕駛員松開油門踏板且離合器處于接合狀態(tài)時，發(fā)動機(jī)制動電磁閥立即施加了電壓，電磁閥通電后，閥門開啟，發(fā)動機(jī)油流入控制閥，控制閥受壓上移，且其內(nèi)部球形閥門離開閥座，這樣機(jī)油便流入高壓回路。主動活塞受到壓力作用，開始向外移動，接觸搖臂（如圖3所示），凸輪軸旋轉(zhuǎn)使搖桿上升，壓迫主活塞回到殼體內(nèi)，這樣制動器中的油被壓回控制閥，使球形閥門回到閥座，在裝置內(nèi)形成了液壓鎖止?，F(xiàn)在主副活塞之間形成了密封的液壓通路，如圖4所示。因此隨著主活塞的運(yùn)動，副活塞將做出同步響應(yīng)。其配氣相位改變原理（如圖3、4所示）。

停止工作：一旦駕駛員踩下離合器踏板或踩下油門踩板，電磁閥的電壓立即中斷，供油壓力的下降，使得控制閥的內(nèi)彈簧足以將其頂回原位，主副回路中的剩余機(jī)油隨即被壓出，在沒有油壓的情況下，制動器的活塞將離開搖桿和閥門，至此制動器停用，停用的過程瞬間完成。

3 汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)

3.1 工作原理

如圖2所示，汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)工作原理與發(fā)動機(jī)壓縮式緩速系統(tǒng)的工作原理基本相同，只是汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)通過采用放氣時刻更精準(zhǔn)的放氣凸輪參與驅(qū)動發(fā)動機(jī)排氣門，從而改變排氣門的配氣相位使發(fā)動機(jī)變成空壓機(jī)。當(dāng)緩速器激活工作時，發(fā)動機(jī)排氣門會在壓縮沖程上止點(diǎn)附近開啟。這樣，壓縮氣體吸收的能量會被排放掉，接著在做功行程后不久，排氣門關(guān)閉，使燃燒室產(chǎn)生真空負(fù)壓阻力又進(jìn)一步消耗汽車的慣性動能。車輛的慣性動能會不停地通過發(fā)動機(jī)壓縮—釋放—抽真空的動作耗散。

如圖5、6、7所示[1]，汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)不工作時：

緩速控制電路（31）斷開電磁閥線圈（30）和電動機(jī)油泵（33）的電源電路，電動機(jī)油泵（33）沒有將機(jī)油泵入機(jī)油管（32），閥芯（29）在閥芯復(fù)位彈簧（28）的作用下處于使電磁閥（27）的A接口和B接口連通狀態(tài)的位置，此時機(jī)油管（32）內(nèi)的機(jī)油通過B接口回流到發(fā)動機(jī)油底殼，因而沒有油壓作用在正時活塞（10）上，阻擋活塞（18）在復(fù)位彈簧（17）的作用下將第二同步活塞（14）攔截在阻擋活塞孔（20）之外，與此同時，第二同步活塞（14）也將第一同步活塞（11）攔截在第二同步活塞孔（25）之外；此時，第一排氣門搖臂（5）、第二排氣門搖臂（7）在各自對應(yīng)凸輪的驅(qū)動下?lián)u動，同時在第一定位飄臺（13）和第二定位飄臺（15）的作用下，也使放氣搖臂（6）隨同搖動，從而使第一同步活塞孔（21）、第二同步活塞孔（25）和阻擋活塞孔（20）的中心線重合；而放氣搖臂（6）可在放氣凸輪（3）的驅(qū)動下獨(dú)自搖動。汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)工作時：緩速控制電路（31）接通電磁閥線圈（30）和電動機(jī)油泵（33）的電源電路，第一同步活塞（11）部分進(jìn)入第二同步活塞孔（25），第二同步活塞（14）部分進(jìn)入阻擋活塞孔（20）， 第一排氣門搖臂（5）和第二排氣門搖臂（7）及放氣搖臂（6）聯(lián)結(jié)一體后，既受排氣凸輪驅(qū)動在排氣沖程打開排氣門，也受放氣凸輪（2）驅(qū)動在壓縮沖程終了時打開排氣門。

3.2 緩速控制電路工作原理

圖8是汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)的緩速控制電路圖，以下結(jié)合圖8對緩速控制電路的各種設(shè)定下的隨機(jī)工況作進(jìn)一步的說明：

3.2.1 設(shè)定1

緩速控制電路隔離開關(guān)（33）緩速裝置電源開關(guān)（34）處于斷開狀態(tài)、同時噴油器電源開關(guān)（37）處于閉合狀態(tài)時：緩速器（38）（注：即圖6的電動機(jī)油泵（33）和電磁閥（27））處于斷電不工作狀態(tài)，汽車只有強(qiáng)制怠速緩速模式。

3.2.2 設(shè)定2

緩速控制電路隔離開關(guān)（33）緩速裝置電源觸點(diǎn)（34）處于閉合狀態(tài)、同時噴油器電源觸點(diǎn)（37）處于斷開狀態(tài)，緩速選擇開關(guān)（27）處于斷開狀態(tài)，手控緩速開關(guān)（26）A觸點(diǎn)、B觸點(diǎn)都處于斷開狀態(tài)，無怠速行車選擇開關(guān)（6）處于斷開狀態(tài)時：緩速器（38）處于斷電不工作狀態(tài)。

3.2.2.1 隨機(jī)工況1

掛擋行車時，當(dāng)駕駛員同時不踩油門踏板、離合器踏板，則油門踏板開關(guān)（11）和離合器踏板開關(guān)（18）處于同時閉合狀態(tài)，導(dǎo)致第三三極管（10）的基極的觸發(fā)電流被短路，從而沒有電流通過第三三極管（10）向噴油器組（19）供電；車輛進(jìn)入發(fā)動機(jī)斷油空轉(zhuǎn)緩速模式。

3.2.2.2 隨機(jī)工況2

空擋時，空擋燈開關(guān)（1）處于閉合狀態(tài)，第一三極管（3）向噴油器組（19）供電。

3.2.3 設(shè)定3

緩速控制電路隔離開關(guān)（33）緩速裝置電源觸點(diǎn)（34）處于閉合狀態(tài)、同時噴油器電源開觸點(diǎn)（37）處于斷開狀態(tài)，緩速選擇開關(guān)（27）處于閉合狀態(tài)，手控緩速開關(guān)（26）A觸點(diǎn)、B觸點(diǎn)都處于斷開狀態(tài)，無怠速行車選擇開關(guān)（6）處于斷開狀態(tài)時：

3.2.3.1 隨機(jī)工況3

掛擋行車時，當(dāng)駕駛員同時不踩油門踏板、離合器踏板，則沒有電流通過第三三極管（10）向噴油器組（19）供電；車輛進(jìn)入發(fā)動機(jī)斷油空轉(zhuǎn)緩速模式。

3.2.3.2 隨機(jī)工況4

如駕駛員繼續(xù)深踩下制動踏板使制動踏板緩速開關(guān)（20）閉合，則第四三極管（30）、第五三極管（36）、第六三極管（29）同時導(dǎo)通，此時，電流便從電源正極通過第四三極管（30）、第五三極管（36）、第六三極管（29）、常開繼電器（28）的線圈、緩速選擇開關(guān)（27）、制動踏板緩速開關(guān)（20）搭鐵、觸點(diǎn)閉合，緩速器（38）通電工作使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生壓縮式緩速作用；車輛進(jìn)入發(fā)動機(jī)壓縮式緩速模式。

3.2.3.3 隨機(jī)工況5

只要駕駛員踩下離合器踏板，使離合器踏板開關(guān)（18）斷開，第五三極管（36）隨即不導(dǎo)通、常開繼電器（28）線圈隨即斷電、觸點(diǎn)斷開，緩速器（38）隨即斷電停止工作并使發(fā)動機(jī)不再產(chǎn)生壓縮式緩速作用，同時，第三三極管（10）導(dǎo)通向噴油器組（19）供電。

3.2.3.4 隨機(jī)工況6

只要掛入空擋，空擋燈開關(guān)（1）隨即閉合，第四三極管（30）的觸發(fā)電流被短路，第四三極管（30）隨即不導(dǎo)通，常開繼電器（28）線圈隨即斷電、觸點(diǎn)斷開，緩速器（38）隨即斷電不工作并使發(fā)動機(jī)不再產(chǎn)生壓縮式緩速作用，同時，第一三極管（3）導(dǎo)通向噴油器組（19）供電。

3.2.4 設(shè)定4

緩速控制電路隔離開關(guān)（33）緩速裝置電源開關(guān)（34）處于閉合狀態(tài)、同時噴油器電源開關(guān)（37）處于斷開狀態(tài)，緩速選擇開關(guān)（27）處于閉合狀態(tài)，手控緩速開關(guān)（26）A觸點(diǎn)、B觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)時：無怠速行車選擇開關(guān)（6）不起作用。

3.2.4.1 隨機(jī)工況7

掛擋行車時，當(dāng)駕駛員同時不踩油門踏板、離合器踏板，那么油門踏板開關(guān)（11）和離合器踏板開關(guān)（18）則處于同時閉合狀態(tài)，第三三極管（10）的觸發(fā)電流被短路，從而沒有電流通過第三三極管（10）向噴油器（21）供電。同時，第四三極管（30）、第五三極管（36）、第六三極管（29）導(dǎo)通，此時，電流便從電源正極通過第四三極管（30）、第五三極管（36）、第六三極管（29）、常開繼電器（28）的線圈、緩速選擇開關(guān)（27）、手控緩速開關(guān)（26）A觸點(diǎn)搭鐵、觸點(diǎn)閉合，緩速器（38）隨即通電工作使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生壓縮式緩速作用；車輛進(jìn)入發(fā)動機(jī)壓縮式緩速模式。

3.2.4.2 隨機(jī)工況8

當(dāng)駕駛員踩下油門踏板，使油門踏板開關(guān)（11）斷開，第六三極管（29）隨即不導(dǎo)通、常開繼電器（28）線圈隨即斷電、觸點(diǎn)斷開、緩速器（38）隨即斷電停止工作并使發(fā)動機(jī)不再產(chǎn)生壓縮式緩速作用，同時，第三三極管（10）導(dǎo)通向噴油器組（19）供電。

3.2.4.3 隨機(jī)工況9

只要駕駛員踩下離合器踏板，則發(fā)動機(jī)不再產(chǎn)生壓縮式緩速作用，同時，第三三極管（10）導(dǎo)通向噴油器組（19）供電。

3.2.4.4 隨機(jī)工況10

只要掛入空擋，則第一三極管（3）導(dǎo)通向噴油器組（19）供電。

3.2.5 設(shè)定5

緩速控制電路隔離開關(guān)（33）、緩速裝置電源觸點(diǎn)（34）處于閉合狀態(tài)，同時噴油器電源觸點(diǎn)（37）處于斷開狀態(tài)，緩速選擇開關(guān)（27）處于閉合狀態(tài)，手控緩速開關(guān)（26）A觸點(diǎn)、B觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，無怠速行車選擇開關(guān)（6）處于閉合狀態(tài)時：

3.2.5.1 隨機(jī)工況11

掛擋行車時，當(dāng)駕駛員同時不踩油門踏極、離合器踏板，則油門踏板開關(guān)（11）和離合器踏板開關(guān)（18）處于同時閉合狀態(tài)，此時，由第二三極管（7）向噴油器組（19）供電；車輛進(jìn)入強(qiáng)制怠速緩速模式。

3.2.5.2 隨機(jī)工況12

如駕駛員繼續(xù)輕踩制動踏板，使制動燈開關(guān)（22）閉合，則第二三極管（7）的觸發(fā)電流被短路，從而沒有電流通過第二三極管（7）向噴油器組（19）供電；車輛進(jìn)入發(fā)動機(jī)斷油空轉(zhuǎn)緩速模式。

3.2.5.3 隨機(jī)工況13

如駕駛員繼續(xù)深踩下制動踏板，則進(jìn)入發(fā)動機(jī)壓縮式緩速模式。

3.2.5.4 隨機(jī)工況14

當(dāng)駕駛員踩下離合器踏板，則第三三極管（10）導(dǎo)通向噴油器組（19）供電。

3.2.5.5 隨機(jī)工況15

只要掛入空擋，則第一三極管（3）導(dǎo)通向噴油器組（19）供電。

3.2.6 設(shè)定6

緩速控制電路隔離開關(guān)（33）、緩速裝置電源觸點(diǎn)（34）處于閉合狀態(tài)，同時噴油器電源觸點(diǎn)（37）處于斷開狀態(tài)，緩速選擇開關(guān)（27）處于斷開狀態(tài)、手控緩速開關(guān)（26）A觸點(diǎn)、B觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)、無怠速行車選擇開關(guān)（6）處于閉合狀態(tài)時：

3.2.6.1 隨機(jī)工況16

掛擋行車時，當(dāng)駕駛員同時不踩油門踏極、離合器踏板，則車輛進(jìn)入強(qiáng)制怠速緩速模式。

3.2.6.2 隨機(jī)工況17

如駕駛員繼續(xù)輕踩制動踏板，則車輛進(jìn)入發(fā)動機(jī)斷油空轉(zhuǎn)緩速模式。

3.2.6.3 隨機(jī)工況18

車輛空擋時，則第一三極管（3）向噴油器組（19）供電。

4 結(jié)論

汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)相對于目前正在應(yīng)用的同類型發(fā)動機(jī)壓縮式緩速系統(tǒng)而言，具有節(jié)能、高制動功率密度、高穩(wěn)定性、高集成性且不需要另外的保養(yǎng)和調(diào)整、在不改變正常駕駛習(xí)慣的情況下，可依次實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)強(qiáng)制怠速緩速模式、發(fā)動機(jī)斷油空轉(zhuǎn)緩速模式、發(fā)動機(jī)壓縮式緩速模式；且各模式還可根據(jù)駕駛員踩踏制動踏板的深度隨意轉(zhuǎn)換、停留，有效地使汽車運(yùn)行油耗自然下降等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)束語

汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能緩速系統(tǒng)可大幅提高車輛下坡速度，提升運(yùn)輸效率，更省油，極大地降低制動片及輪胎磨損，對發(fā)動機(jī)及增壓器無任何損壞。該系統(tǒng)是作者根據(jù)汽車運(yùn)行規(guī)律，運(yùn)用汽車發(fā)動機(jī)及傳動系統(tǒng)的各種工作原理[2]，經(jīng)多年的深入研究而開發(fā)出來的。本文所述的并不一定是最好的發(fā)動機(jī)壓縮式緩速技術(shù)，只希望通過所撰論文的發(fā)表能給予同行的科研人員一個啟示，以便使汽車緩速技術(shù)有更多的改進(jìn)。

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