節(jié)能環(huán)保型單發(fā)動(dòng)機(jī)的專用汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究

宋永剛 宋揚(yáng)

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排 單發(fā)動(dòng)機(jī) 專用車 動(dòng)力系統(tǒng)

隨著社會(huì)生產(chǎn)力水平的提高以及勞動(dòng)力成本的增大.用于各種工程施工的、以通用汽車底盤為基礎(chǔ)的專用車輛的種類及數(shù)量大幅增多.其中絕大多數(shù)采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力配置方案.這種整車動(dòng)力配置方案的致命缺點(diǎn)是燃油消耗多，廢氣排放多，上裝空間利用率低，不僅造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，還會(huì)讓使用成本增大，且大大降低整車總體性能。

本世紀(jì)以來.許多專用車企業(yè)都曾瞄準(zhǔn)節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)品發(fā)展方向，著手在傳統(tǒng)雙發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品基礎(chǔ)上，研發(fā)單發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品并進(jìn)行了大量的嘗試，先后推出了一些單發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品樣機(jī)。這些樣機(jī)經(jīng)過試驗(yàn)檢測和工程應(yīng)用，都存在各種問題。不幸“夭折于襁褓之中”。筆者分析了以上樣機(jī)“夭折”的原因，如下：這些樣機(jī)雖然實(shí)現(xiàn)了單發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是因?yàn)槲茨苌钊胙芯筷P(guān)鍵技術(shù)問題，對于專用車輛動(dòng)力系統(tǒng)匹配與作業(yè)質(zhì)量和效率之間的關(guān)系未能透徹理解而采用了完全不必要的能量轉(zhuǎn)換，使整車能耗效率未有明顯提高甚至出現(xiàn)下降，而有些樣機(jī)的動(dòng)力分配和傳遞未能實(shí)現(xiàn)完全解耦，不能精準(zhǔn)滿足各支系統(tǒng)的動(dòng)力需求，損失了某些作業(yè)性能。這些問題都會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中反映出來。而被用戶拒之門外。

1專用車行駛作業(yè)過程的動(dòng)力需求

這一類專用車之所以采用通用汽車底盤為基礎(chǔ).其目的是利用汽車底盤的機(jī)動(dòng)性，尤其是作業(yè)過程中的機(jī)動(dòng)性，即作業(yè)過程在整車行駛狀態(tài)下進(jìn)行，而且是在一定速度范圍（通常在低速范圍）內(nèi)的穩(wěn)定速度或變速下進(jìn)行.同時(shí)還要驅(qū)動(dòng)各種作業(yè)裝置運(yùn)行，為了保證各種作業(yè)裝置的高效率，通常要求動(dòng)力源高速輸出且相對穩(wěn)定?？梢?，這類專用車的動(dòng)力系統(tǒng)至少有兩個(gè)對動(dòng)力源要求不同的耗能系統(tǒng)，即作業(yè)系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)。圖1為環(huán)衛(wèi)洗掃車和掃路車作業(yè)過程的動(dòng)力需求分析。

圖1中，作業(yè)系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、水泵、油泵，為了保證整車作業(yè)性能穩(wěn)定，必須保證這些裝置的作業(yè)參數(shù)穩(wěn)定，進(jìn)而必須保證這些裝置的運(yùn)行速度穩(wěn)定。尤其是風(fēng)機(jī)的兩個(gè)主要作業(yè)參數(shù)。風(fēng)量和負(fù)壓分別與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方和立方成正比，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的微小變化都將顯著影響這兩個(gè)參數(shù)，進(jìn)而極大地影響作業(yè)性能。而且.這些作業(yè)裝置都是持續(xù)大功率耗能裝置。所以.作業(yè)系統(tǒng)對于動(dòng)力源的要求是大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率、恒穩(wěn)定。

行駛系統(tǒng)則用于實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程中的底盤行駛驅(qū)動(dòng)，通常情況下用于行駛牽引所消耗的功率并不大，大約為底盤發(fā)動(dòng)機(jī)裝備功率的20%以內(nèi)。但是，通常所需要的作業(yè)速度偏低.而且需要根據(jù)路面交通狀況以及路面污染程度的變化而變化，同時(shí)希望能夠精準(zhǔn)控制速度變化。所以，行駛系統(tǒng)對于動(dòng)力源的要求是小功率、低速度、變速度、可精準(zhǔn)控制。

可見，環(huán)衛(wèi)車輛的兩個(gè)基本耗能系統(tǒng)對于動(dòng)力源的要求差異很大，甚至完全相反。當(dāng)采用傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)方式時(shí)，單一動(dòng)力源無法同時(shí)兼顧這兩個(gè)耗能系統(tǒng)的動(dòng)力要求.這正是長期以來這一類專用車普遍采用高耗能、高排放的雙發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力方案的根本原因。

采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力配置方案.不僅導(dǎo)致整車功率配置過大，造成資源浪費(fèi)，同時(shí)，在專用車的作業(yè)工況下，兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的無功油耗過大.尤其是裝備功率很大的底盤發(fā)動(dòng)機(jī)卻工作在小功率、低轉(zhuǎn)速的非經(jīng)濟(jì)區(qū)域，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性很低，燃料燃燒效果很差。而且，副發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有用功的同時(shí)也有相當(dāng)比例的無用功浪費(fèi).造成油耗多、排放多、排放質(zhì)量差?？諝馕廴緡?yán)重。

2節(jié)能環(huán)保型整車動(dòng)力方案的可行性及其實(shí)現(xiàn)

仔細(xì)研究這一類專用車所使用的通用汽車底盤，可以發(fā)現(xiàn)其裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過專用車常用工況所需的功率。但是。目前這一類專用車都還裝備了副發(fā)動(dòng)機(jī)，其原因是如果采用單一動(dòng)力源且采用傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)時(shí)，由于傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的定比耦合關(guān)系.無法同時(shí)滿足作業(yè)系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)完全不同的動(dòng)力需要。在尚未找到有效的動(dòng)力解耦方法和系統(tǒng)方案的情況下，設(shè)置副發(fā)動(dòng)機(jī)只是為了回避動(dòng)力傳遞的困難，并非底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足，這是實(shí)現(xiàn)整車單發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的先決條件。

在此基礎(chǔ)上，確定合理的總體傳動(dòng)方案并破解某些支系統(tǒng)的動(dòng)力定比耦合關(guān)系即成為實(shí)現(xiàn)整車單發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。為了最大限度地獲得節(jié)能效果，筆者確定了直接從底盤發(fā)動(dòng)機(jī)全功率取力，經(jīng)過多路分配機(jī)械驅(qū)動(dòng)主要作業(yè)裝置，如風(fēng)機(jī)、水泵等，保證以最高的傳動(dòng)效率獲得大功率、恒穩(wěn)定以及精準(zhǔn)速度的動(dòng)力匹配，對于必須變速運(yùn)行的支系統(tǒng)采用可從同一動(dòng)力源獲得動(dòng)力，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力徹底隔離和變比例耦合的傳動(dòng)方式。即實(shí)現(xiàn)動(dòng)力解耦以滿足這些支系統(tǒng)的變速需求的總體傳動(dòng)方案，如圖2所示。

在工程實(shí)踐中最為常用的動(dòng)力解耦方式有液壓解耦和電動(dòng)解耦兩種。液壓解耦即利用流體傳動(dòng)原理，通過變量泵和馬達(dá)構(gòu)成的閉式靜液系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原始動(dòng)力的變比例耦合甚至變向耦合，從而實(shí)現(xiàn)被驅(qū)動(dòng)對象的變速和換向驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，由于液壓解耦相對于電動(dòng)解耦具有功率密度大，體積緊湊，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)而被工程機(jī)械廣泛應(yīng)用，如圖3所示。

以上的整車單發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方案確定之后，還有一個(gè)環(huán)節(jié)就是確定底盤發(fā)動(dòng)機(jī)在作業(yè)工況下的工作點(diǎn)，該環(huán)節(jié)也是影響整車節(jié)能效果的重要因素。確定底盤發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)主要考慮以下兩點(diǎn)：

a.根據(jù)底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線或數(shù)據(jù)以及整車在作業(yè)工況下的功率需求，確定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在該工作點(diǎn)輸出的功率滿足整車在作業(yè)工況下的功率需要。

b.確定底盤發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)應(yīng)處在外特性曲線上的經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，即處在比油耗極小值范圍內(nèi)，保證整車能耗效率最高，否則可考慮調(diào)整底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率。

以上兩點(diǎn)同時(shí)滿足即可最終確定底盤發(fā)動(dòng)機(jī)在作業(yè)工況下的工作點(diǎn)合理并具有較高甚至最高的能耗效率，再結(jié)合上述液壓解耦系統(tǒng).即可保證該單發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的行駛作業(yè)專用車的整車性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。如圖4所示。其原因如下：

a.實(shí)現(xiàn)了主要作業(yè)裝置所需動(dòng)力的精準(zhǔn)匹配和穩(wěn)定運(yùn)行，保證了主要作業(yè)裝置的最佳作業(yè)性能，如環(huán)衛(wèi)車輛的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓力，而且傳動(dòng)效率最高，能耗最低。

b.實(shí)現(xiàn)了作業(yè)行駛驅(qū)動(dòng)的完全解耦.作業(yè)速度在靜止至設(shè)定的最高作業(yè)速度之間無級變速，自由控制，保證了作業(yè)速度精準(zhǔn)適應(yīng)工況條件.如路面污染程度不同以及交通狀況變化對于行駛速度的要求。充分保證了作業(yè)質(zhì)量。

3結(jié)語

本文介紹的單發(fā)動(dòng)機(jī)專用車動(dòng)力系統(tǒng)科學(xué)地集成了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)與靜液傳動(dòng)方式，徹底解決了采用單一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)專用車復(fù)雜多支路系統(tǒng)時(shí)的動(dòng)力解耦問題，成功地實(shí)現(xiàn)了單發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的專用車整體性能大幅度提升.并通過完全自主研發(fā)的全功率取力分動(dòng)解耦箱實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。實(shí)踐證明，相對于傳統(tǒng)的雙發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，單發(fā)動(dòng)機(jī)具有多方面的卓越效果：整車燃油消耗節(jié)省30%左右;廢氣排放降低30%左右;噪聲降低2dB（8%）;連續(xù)作業(yè)時(shí)間延長13%;維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用降低10%;作業(yè)操控更加簡單方便;整車排放指標(biāo)提高。