傳統(tǒng)能源乘用車節(jié)能技術分析(中)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會委員)

現任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務有限公司技術總監(jiān)，江蘇技術師范學院、常州機電職業(yè)技術學院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

(接2018年第12期)

4.發(fā)動機啟停系統(tǒng)技術

汽車行駛在城市道路中，由于城市道路的擁擠以及紅綠燈的限制，使得汽車怠速工況占行駛工況的很大比例，此時由于節(jié)氣門基本處于關閉位置，發(fā)動機轉速在600～800r/min，因而造成空氣燃油混合霧化不良，這不僅增加了燃油消耗，還加大了溫室氣體的排放(根據測試結果，一般轎車怠速的平均油耗為每小時2L，理論上1L汽油完全燃燒可產生CO2約為2.3kg)。隨著歐美日各大汽車公司對發(fā)動機啟停技術的不斷研究與應用，目前這項技術逐漸走向成熟和完善，并且已經在乘用車上作為標準配置系統(tǒng)得到普及。發(fā)動機啟停系統(tǒng)由高性能蓄電池(閥控式啟停蓄電池AGM，或強化型富液式蓄電池EFB)、蓄電池傳感器、增強型啟動機、發(fā)動機ECU、發(fā)動機啟停ECU、備用增壓轉換器、發(fā)動機轉速傳感器、安全帶鎖扣傳感器、發(fā)動機蓋傳感器、DC-DC轉換器、啟動/停止系統(tǒng)取消開關、帶電磁閥的油泵(自動變速器車型才有)等組成，怠速啟停系統(tǒng)組成如圖14所示。

圖14 發(fā)動機啟停系統(tǒng)組成圖

如15圖所示，怠速啟停系統(tǒng)可以在車輛等待信號燈或者堵車時，自動關閉發(fā)動機；當要繼續(xù)行駛時，只要踩下離合器踏板或是松開制動踏板，發(fā)動機立即重新啟動。

圖15 發(fā)動機啟停系統(tǒng)啟停程序

怠速啟停系統(tǒng)應用的啟停蓄電池技術主要有兩種，EFB增強型富液蓄電池和AGM閥控式鉛酸蓄電池。EFB 電池是在傳統(tǒng)富液電池技術基礎上，通過調整活性物質以及電解液配方，以提高電池深循環(huán)性能。與傳統(tǒng)啟動蓄電池相比，其循環(huán)性能提高一倍，冷啟動能力提高15%左右。AGM蓄電池與富液蓄電池相比，其結構上有很大改動：首先，采用陰極吸附式原理實現氧復合，減少了電池失水，做到真正的免維護；其次采用AGM隔板，不僅使電解液固定在隔板中以防止電解液分層，提高深循環(huán)壽命，同時AGM隔板具有更低的電阻，有利于提高啟動性能；最后采用緊裝配技術，使極板受到隔板50kPa以上的壓力，以防止活性物質軟化脫落，進一步提高循環(huán)性能。與傳統(tǒng)啟動電池相比，AGM電池的循環(huán)壽命可提高兩倍，冷啟動能力提高30%以上。

發(fā)動機啟停系統(tǒng)采用新型的雙電磁線圈串聯式啟動機，啟動機的控制由兩條獨立回路構成，控制互不干擾。當發(fā)動機啟停系統(tǒng)啟動程序被激發(fā)，控制撥叉的電磁線圈電路形成閉合回路，鐵芯磁化帶動小齒輪彈出與飛輪齒圈嚙合。同時控制電機的電磁線圈回路接通，電機帶動飛輪運轉，實現發(fā)動機快速啟動。雙電磁線圈串聯式啟動機的特點，在發(fā)動機仍然運轉時也能夠使得小齒輪與齒圈保持嚙合，并且發(fā)動機啟停ECU根據發(fā)動機轉速，使啟動機分別控制小齒輪的移動距離和馬達通電狀態(tài)，從而提高了啟動效率。啟動機工作原理如圖16所示。

圖16 發(fā)動機啟停系統(tǒng)啟動機工作原理

為了加快重新啟動發(fā)動機的速度，利用缸內直噴技術的特點，發(fā)動機停機時活塞被固定在某一位置，并由發(fā)動機ECU記錄曲軸轉角，在發(fā)動機重啟時，噴油系統(tǒng)向活塞處于壓縮行程中部旳汽缸進行缸內直接噴油和點火，利用燃燒產生動力，推動活塞運轉，使發(fā)動機在無需啟動機作用下重新快速啟動。圖17所示為缸內直噴式啟動與進氣道噴射啟動行程對比。

圖17 缸內直噴式啟動與進氣道噴射啟動行程對比

二、傳動系統(tǒng)節(jié)能技術

傳動系統(tǒng)節(jié)能技術主要是指先進的變速器應用，它是汽車動力總成核心技術重要的組成部分。對傳統(tǒng)能源乘用車而言，為提高節(jié)能效率，與其配套先進的變速器具有更多的擋位、更寬的速比范圍、更高的傳動效率。自動變速器的種類可分為：自動變速器(automatic transmission，AT)、機械式自動變速器(a u t o m a t e d m e c h a n i c a l transmission，AMT)、無級變速器(continuously variable transmission，CVT)和雙離合自動變速器((dual clutch transmission，DCT)。這4種類型自動變速器結構和工作原理不同，各有優(yōu)缺點，適應的車型也不盡相同，產品開發(fā)的技術難點和難度也有所差別，如圖18所示。

1.變速器節(jié)能原理

變速器對動力的影響，主要反映在排擋的選擇和速比的分配上。從理論上說，如果變速器能實現無級傳動或連續(xù)可變傳動(CVT)，將使整車具有最大的動力性和燃油經濟性。此時，汽車加速踏板踩到底以任何車速行駛，都可使發(fā)動機在標定功率點運行。因此無論扭矩、車速以及總后備功率都會達到最高值。

圖19 所示為汽車有級及無級變速傳動的力與功率平衡圖。圖19(a)中有級變速傳動最低擋的最大驅動力點為a，而相同車速無級變速傳動時為b，有Ftb＞Fta；有級傳動最高擋的最大車速點為c，無級傳動時為d，有ud＞uc，。圖19(b)中車速由ua加速到uc時，有級變速傳動的總后備功率積分面積為圖上剖面線所示面積，而無級變速傳動時的面積為圖示ecgbc，顯然后者大于前者。實現無級變速傳動也會獲得最佳的燃油經濟性，因為，汽車每一個工況(由車速和驅動力確定)都要消耗確定的驅動功率，即要求發(fā)動機輸出一個驅動的功率。如果能實現無級變速傳動(CVT)，就可以選擇在該等功率線上的最低燃油消耗率的點來配套，以實現整車的最佳燃油經濟性。

圖19 汽車有級及無級傳動與功率平衡圖

如圖20所示，發(fā)動機的等功率線是圖中虛線所示的雙曲線族，各線的最低燃油消耗率點(圖20中顯示的黑點)為該等功率線與等燃油消耗率線的切點，于是，這些切點的連線就是無級傳動時發(fā)動機的最佳經濟運行線(圖中黑點線所示)。由此可見，實現無級傳動，無論是整車的動力性還是燃油經濟性都能達到最優(yōu)。

2.新型“Direct Shift-CVT”直接變速無級變速器

CVT的優(yōu)勢在于變速比可做到無縫調節(jié)，相比AT、AMT和DCT變速器升降擋沒有絲毫的頓挫感，而且，CVT速比的范圍越廣，可以更好地利用發(fā)動機的高效區(qū)間或者高動力輸出區(qū)間，達到省油和提高動力的目的。現行的CVT都采用壓力鋼帶的方式傳遞動力。通過改變鋼帶輪間距，更改壓力鋼帶的旋轉半徑，從而實現車輛變速行駛。但是CVT也有自身的缺陷，由于采用鋼帶連接傳動，當變速器工作時，鋼帶和鋼帶輪間產生摩擦力有限。如果發(fā)動機輸出大扭矩做功時，例如車輛起步或低速大負荷工況，傳動鋼帶會產生金屬疲勞而打滑，甚至會發(fā)生結構損傷，因此，在設計上添加了急踩加速踏板限制發(fā)動機動力輸出的功能，從而導致車輛瞬間動力反應遲滯，這也是造成現行的CVT一直很難和大扭矩發(fā)動機的配套的原因。為了解決這一短板，豐田汽車公司在“豐田全新全球體系構架(TNGA)”下，創(chuàng)新研制了全球第一臺“Direct Shift-CVT”(直接變速無級變速器)，在變速鋼帶輪旁邊并聯增加一組齒輪，負責車輛起步和低速大負荷的變速傳動，“Direct Shift-CVT”變速器組成如圖21所示。圖22所示為變速模式切換示意圖。“Direct Shift-CVT”無級變速器具有四大技術特點，如圖23所示。

增加起步齒輪傳動后，傳動比從現行CVT的 6.5擴大到7.5，提高了車輛起步響應性和加速持續(xù)感，如圖24所示。而鋼帶傳動的傳動比減小到5，鋼帶傳動更好地向高效率區(qū)移動，變速速度提高了20%，燃油經濟性提高6%。“Direct Shift-CVT”無級變速器傳動路線和扭矩流如圖25、圖26所示。目前“Direct Shift-CVT”無級變速器已經在國產豐田乘用車上配套。

圖23 “Direct Shift-CVT”無級變速器四大技術特點

圖24 “Direct Shift-CVT”無級變速器傳動比優(yōu)化匹配效果

圖25 “Direct Shift-CVT”無級變速器傳動路線

圖26 “Direct Shift-CVT”無級變速器扭矩流傳遞