沈建軍，馮忠緒，楊建輝

(1.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064;2.中聯(lián)重科路面機(jī)械分公司，湖南長(zhǎng)沙410025)

0 引言

汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)將大量的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散的過(guò)程，當(dāng)汽車(chē)在城市工況行駛時(shí)，制動(dòng)器所消耗的能量占總驅(qū)動(dòng)能的50%左右［1］.例如在FUDS(Federalurban Driving Chedule)循環(huán)工況下，制動(dòng)能量與總體驅(qū)動(dòng)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(chē)燃油消耗降低30%～50%，行駛里程增加10%～30%［2］.文獻(xiàn)［1-2］均是采用混合動(dòng)力模式來(lái)回收和再利用制動(dòng)能量.采用這種方式存在一個(gè)問(wèn)題就是必然存在慣性能量的兩次轉(zhuǎn)換和再利用，環(huán)節(jié)較多、利用率低、投資費(fèi)用較高［3］.筆者提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油方法，能直接利用汽車(chē)減速滑行狀態(tài)下的制動(dòng)能量，達(dá)到汽車(chē)節(jié)能減排的目的.

1 發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油方法

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油機(jī)理的提出

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)在減速滑行過(guò)程中行駛里程占總里程的30% ～50%［3］.汽車(chē)在減速滑行狀態(tài)下，汽車(chē)動(dòng)能主要消耗在傳動(dòng)系統(tǒng)零部件之間的摩擦、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)阻力、風(fēng)阻以及輪胎滾動(dòng)阻力之中.據(jù)專(zhuān)家介紹，汽車(chē)在前進(jìn)時(shí)燃料產(chǎn)生的動(dòng)力65%用來(lái)克服空氣阻力，20%用來(lái)克服輪胎滾動(dòng)阻力，15%用來(lái)克服零部件之間的摩擦力［4］.因而，減小汽車(chē)滑行阻力對(duì)汽車(chē)節(jié)能具有重要意義.目前，減小汽車(chē)滑行阻力的研究主要集中在減小滾動(dòng)阻力和減小風(fēng)阻等上面［5-6］.文獻(xiàn)［7-8］研究了輪胎充氣壓力、溫度、車(chē)速和輪胎材料等對(duì)滾動(dòng)阻力系數(shù)的影響，為了充分利用汽車(chē)動(dòng)能滑行，必須選取較小的滾動(dòng)阻力系數(shù).在減小傳動(dòng)系統(tǒng)阻力的研究上，發(fā)明了一種安裝在傳動(dòng)系末端的超越滑行半軸離合器［9］，該裝置就是在汽車(chē)滑行時(shí)，使車(chē)輪與傳動(dòng)系分離，充分利用車(chē)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(dòng)機(jī)一直怠速?lài)娪?

目前，汽車(chē)在減速滑行狀態(tài)下，減小發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)阻力的研究甚少.其中，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)阻力包括活塞壓縮行程的氣體壓縮阻力、內(nèi)摩擦力和進(jìn)排氣阻力(泵氣阻力).為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)阻力，合理利用汽車(chē)在減速滑行狀態(tài)下的動(dòng)能，筆者提出了發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油機(jī)理，就是在汽車(chē)減速滑行狀態(tài)下，控制發(fā)動(dòng)機(jī)不噴油，同時(shí)排氣門(mén)釋壓，減小發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)阻力，充分利用汽車(chē)制動(dòng)能量，滑行更遠(yuǎn)的距離.

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油方法的提出

發(fā)動(dòng)機(jī)輕載是指發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門(mén)釋壓后的工況(相當(dāng)于減少了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程氣體壓縮阻力和泵氣損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)阻力減小).當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系數(shù)過(guò)量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失為10%，因此，汽車(chē)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(qiáng)制打開(kāi)排氣門(mén)釋壓，可利用的制動(dòng)能量是比較可觀的.在不影響汽車(chē)各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油機(jī)理，筆者提出了發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油方法，就是汽車(chē)在檔滑行狀態(tài)下，當(dāng)節(jié)氣門(mén)和制動(dòng)踏板均松開(kāi)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在合理范圍內(nèi)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器電磁鐵不被激勵(lì)，達(dá)到停油的目的，同時(shí)通過(guò)排氣門(mén)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)［10］使排氣門(mén)開(kāi)啟釋壓，減小發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)阻力.其中，具體停油方法的實(shí)現(xiàn)以及氣門(mén)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)分別在文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［10］中已有詳細(xì)論述，由于篇幅限制，故不再贅述.

1.3 排氣門(mén)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)

如何強(qiáng)制打開(kāi)排氣門(mén)是發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油的關(guān)鍵技術(shù)之一，某型號(hào)凸輪頂置式發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制打開(kāi)排氣門(mén)機(jī)構(gòu)如圖1所示.

圖1 排氣門(mén)強(qiáng)制開(kāi)啟工作示意圖Fig.1 Figure of the exhaust forced open work

從圖1(a)可知，排氣門(mén)強(qiáng)制開(kāi)啟機(jī)構(gòu)主要是在凸輪上加工一道凹槽，發(fā)動(dòng)機(jī)處于輕載節(jié)油狀態(tài)時(shí)，推桿在液壓力作用下，進(jìn)入凹槽，使搖臂的滾柱一直處于最高點(diǎn)，從而使排氣門(mén)完全開(kāi)啟.圖1(b)為發(fā)動(dòng)機(jī)在輕載節(jié)油狀態(tài)下，測(cè)試排氣門(mén)強(qiáng)制開(kāi)啟機(jī)構(gòu)的工作示意圖.

2 發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制策略分析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油方法可知，發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油的狀態(tài)應(yīng)同時(shí)滿足如下要求:① 節(jié)氣門(mén)松開(kāi);② 制動(dòng)踏板松開(kāi);③ 離合器踏板松開(kāi);④ 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一定的范圍內(nèi).

前兩個(gè)要求是發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油的前提條件，節(jié)氣門(mén)不松開(kāi)時(shí)，表示汽車(chē)在加速或保持勻速，發(fā)動(dòng)機(jī)不應(yīng)輕載節(jié)油.踩下制動(dòng)踏板，表示前方有障礙物或有緊急情況，為了行車(chē)安全，駕駛?cè)藛T必須制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)也不應(yīng)輕載節(jié)油.第3個(gè)要求是為了防止汽車(chē)在啟動(dòng)或換檔的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油.因?yàn)槠?chē)啟動(dòng)瞬間，節(jié)氣門(mén)松開(kāi)，制動(dòng)踏板也松開(kāi)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也達(dá)到了要求，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)輕載節(jié)油.換檔時(shí)，節(jié)氣門(mén)松開(kāi)，制動(dòng)踏板松開(kāi)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也達(dá)到要求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)輕載節(jié)油.因而必須滿足第3個(gè)要求.第4個(gè)要求是為了防止由發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低而造成熄火或車(chē)速太低而使傳動(dòng)系抖動(dòng)［11］.因此，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速必須在某一值以上，發(fā)動(dòng)機(jī)才能輕載節(jié)油.發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油的臨界轉(zhuǎn)速由汽車(chē)最低穩(wěn)定車(chē)速來(lái)確定，因?yàn)槠?chē)在最低穩(wěn)定車(chē)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火，傳動(dòng)系不抖動(dòng)，汽車(chē)能平穩(wěn)加速.因而，第4個(gè)要求是必要條件.

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油的控制策略，發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制器設(shè)計(jì)的流程如圖2所示.

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制器設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，N為汽車(chē)最低穩(wěn)定車(chē)速下所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.由于節(jié)氣門(mén)信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和離合器信號(hào)均為開(kāi)關(guān)量，因此在控制電路設(shè)計(jì)中均選用DC12V接近開(kāi)關(guān)(如果發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)和制動(dòng)踏板信號(hào)為模擬量，則在控制電路中采用比較器)，根據(jù)某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器輸出信號(hào)經(jīng)處理后送入ECU的信號(hào)為方波頻率信號(hào)，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制電路中采用F/V頻率轉(zhuǎn)換器，根據(jù)上述發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制策略設(shè)計(jì)控制器，如圖3所示.

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

3 發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油下汽車(chē)掛檔滑行試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 14951—2007《汽車(chē)節(jié)油技術(shù)評(píng)定方法》，對(duì)汽車(chē)進(jìn)行掛檔滑行距離對(duì)比試驗(yàn).試驗(yàn)儀器為CTM-2002A/B汽車(chē)拖拉機(jī)綜合測(cè)試儀，試驗(yàn)在長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)綜合測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行.試驗(yàn)車(chē)輛為普桑，速度傳感器安裝如圖4所示.根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制策略以及試驗(yàn)場(chǎng)地限制，汽車(chē)排檔為最高檔，以穩(wěn)定車(chē)速80 km/h進(jìn)入滑行段，迅速松開(kāi)油門(mén)開(kāi)始滑行，直至車(chē)速降至30 km/h停止記錄，發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油狀態(tài)下和正常掛檔滑行狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jù)表1對(duì)時(shí)間和位移數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間位移曲線，如圖5所示.

表1 汽車(chē)滑行試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of car sliding

圖5 滑行時(shí)間－位移曲線Fig.5 Curve of the car sliding time-displacement

從圖5可知，在0～40 s時(shí)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(shí)間，滑行的位移基本相同.在40 s時(shí)，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(shuō)明在滑行相同的時(shí)間內(nèi)，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(chē)速之上，因而不會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)再次加速時(shí)，傳動(dòng)系抖動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，從而影響車(chē)輛的舒適性.從實(shí)驗(yàn)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油工況下，在相同時(shí)間內(nèi)，滑行距離與正常掛檔滑行基本相同，而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油，能把此時(shí)間段內(nèi)汽車(chē)怠速所需燃油節(jié)省下來(lái).

4 車(chē)輛油耗對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)改裝的發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油車(chē)輛與同排量、同型號(hào)車(chē)輛進(jìn)行油耗對(duì)比試驗(yàn)，2臺(tái)車(chē)輛技術(shù)性能基本相同.試驗(yàn)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(chē)跟前車(chē)的駕駛方法，并且不允許空擋滑行，燃油消耗對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表2所示.從表2可知，改裝的發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油車(chē)輛節(jié)油率為7.2%.

表2 燃油消耗對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of the fuel consumption

5 結(jié)論

(1)針對(duì)汽車(chē)慣性能量的利用問(wèn)題，提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油的方法.根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油的機(jī)理，結(jié)合駕駛員的駕駛習(xí)慣和在不影響汽車(chē)各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的控制策略，開(kāi)發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油控制機(jī)構(gòu)與電路，為汽車(chē)節(jié)能提供了一種新方法.

(2)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油進(jìn)行汽車(chē)掛檔滑行距離對(duì)比試驗(yàn)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油工況下，在相同時(shí)間內(nèi)，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(dòng)機(jī)停止噴油，節(jié)省了此時(shí)間段內(nèi)汽車(chē)怠速所需燃油.通過(guò)車(chē)輛油耗對(duì)比試驗(yàn)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)輕載節(jié)油的節(jié)油率達(dá)7.2%.

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