連 萌 ，鄧自清 ，牛剛學(xué) ，李保謙

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.駐馬店技師學(xué)院，河南 駐馬店 463000；3.開(kāi)封億諾泰科技有限公司，河南 開(kāi)封 475004；4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002)

0 引言

農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛是專為農(nóng)業(yè)運(yùn)輸設(shè)計(jì)的汽車(chē)，在我國(guó)已發(fā)展出為農(nóng)、林、牧、漁業(yè)用的專用車(chē)輛，能顯著提高運(yùn)輸效益，具有成本低廉、工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民生活中發(fā)生的勞動(dòng)量50%是靠運(yùn)輸完成的，農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛也越來(lái)越多地進(jìn)入到農(nóng)村家庭。和普通汽車(chē)一樣，農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛也是以汽油或柴油為燃料，嚴(yán)重污染著環(huán)境。尾氣排放的污染是當(dāng)今大氣污染的一個(gè)重要因素，被越來(lái)越多的人所關(guān)注。

車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境和人體造成很大危害；工業(yè)的高速發(fā)展對(duì)石化燃料的依賴度高，在資源方面也產(chǎn)生很大壓力。從節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，汽車(chē)的發(fā)展需要降低二氧化碳的排放，減少汽車(chē)的燃油消耗，減少對(duì)石化燃料的依賴。在眾多節(jié)能減排技術(shù)中，停缸斷油技術(shù)是一項(xiàng)行之有效的措施[1]。此技術(shù)是指在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷運(yùn)行的工況下，由于燃油經(jīng)濟(jì)性不好，故采用一定的辦法使一部分氣缸停止工作，而剩余的氣缸工作在中等負(fù)荷工況下，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性，從而降低燃油消耗[2]。

1 停缸節(jié)油裝置結(jié)構(gòu)及原理

現(xiàn)有的停缸斷油技術(shù)的原理基本相同，都是停止驅(qū)動(dòng)氣門(mén)來(lái)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出，同時(shí)切斷相應(yīng)缸的供油使其停止工作，但主要區(qū)別在于控制氣門(mén)停止工作的方式及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)[3]?，F(xiàn)有的控制氣門(mén)停止工作方式，在氣門(mén)停止工作時(shí)氣門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)(即閉缸控制)，需要改變?cè)邪l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，只有高檔豪華轎車(chē)才能配備[4]。

1.1 停缸節(jié)油裝置的結(jié)構(gòu)

出于農(nóng)用車(chē)輛節(jié)能減排的需求，充分考慮農(nóng)用車(chē)輛低成本的特點(diǎn)，提出一種適用于農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)輛的停缸斷油控制方案。該控制方案由氣門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)與軟件控制模塊構(gòu)成。氣門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由墊塊、壓板、電磁鐵及程序控制集成模塊組成，如圖1所示。

1.氣缸蓋 2.氣門(mén) 3搖臂 4.搖臂座 5.墊塊 6.壓板 7.電磁鐵 8.蓄電池 9.控制器圖1 停缸節(jié)油裝置氣門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

電磁鐵固定在壓板上，壓板通過(guò)螺栓連接安裝于搖臂座上，壓板的一部分伸出在搖臂上方，但不影響搖臂的正常運(yùn)動(dòng)；電磁鐵動(dòng)鐵芯末端安裝一墊塊，當(dāng)搖臂一端壓下氣門(mén)時(shí)，搖臂這一端上方與壓板之間產(chǎn)生空間，電磁鐵驅(qū)動(dòng)墊塊移動(dòng)到壓板與搖臂之間；由于墊塊的作用，氣門(mén)達(dá)不到關(guān)閉位置，氣門(mén)將一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，即發(fā)動(dòng)機(jī)失去對(duì)該氣門(mén)的控制；需要恢復(fù)對(duì)氣門(mén)控制時(shí)，只需等到搖臂一端再次壓下氣門(mén)時(shí)氣門(mén)彈簧被向下壓緊，搖臂上方對(duì)墊塊的壓緊力消失，電磁鐵驅(qū)動(dòng)墊塊收回即可。

1.2 停缸節(jié)油裝置的工作原理

當(dāng)氣門(mén)被搖臂壓下時(shí)，搖臂上方出現(xiàn)空間，由控制器控制電磁鐵驅(qū)動(dòng)墊塊插入搖臂上方空間，使氣門(mén)和搖臂無(wú)法復(fù)位而造成氣門(mén)一直處于開(kāi)啟狀態(tài)。此時(shí)，控制器控制噴油閥停止噴油、排氣管蝶閥裝置關(guān)閉、排氣歧管蝶閥裝置開(kāi)啟，即該缸處于停缸斷油狀態(tài)。停缸節(jié)油裝置工作原理如圖2所示。

1.缸蓋 2.噴油閥 3.控制器 4.電磁鐵 5.壓板 6.墊塊 7.氣門(mén) 8.排氣管 9.排氣管蝶閥裝置 10.排氣歧管 11.排氣總管 12.氧傳感器 13.三元催化器 14.排氣歧管蝶閥裝置 15.消音器

排氣歧管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮因停缸斷油造成的三元催化器不能正常工作的問(wèn)題。由于本方案是開(kāi)缸控制的停缸斷油，排氣門(mén)在停缸時(shí)一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，而進(jìn)氣門(mén)仍按原來(lái)的控制方式在工作，故新鮮空氣會(huì)通過(guò)進(jìn)氣門(mén)進(jìn)入氣缸而排入排氣管，和正常工作氣缸內(nèi)的燃燒后氣體混合，這些混合氣體中氧氣含量是高于普通燃燒尾氣的，這將影響三元催化器的工作。排氣歧管結(jié)構(gòu)可以使被吸入氣缸內(nèi)的新鮮空氣直接通過(guò)排氣歧管排入消音器內(nèi)，而正常工作氣缸內(nèi)的燃燒尾氣仍通過(guò)三元催化器處理后排入消音器，既不影響燃燒尾氣的處理，又不干擾尾氣處理裝置的正常工作。該控制方案的具體流程如圖3所示。

2 停缸節(jié)油裝置的試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該節(jié)油裝置的實(shí)際工作效果，在一臺(tái)車(chē)輛上加裝本裝置，并進(jìn)行了油耗和排放試驗(yàn)，如圖4所示。

圖3 停缸斷油程序控制流程圖

圖4 本裝置在車(chē)輛上的安裝

2.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)燃料為93#無(wú)鉛汽油；試驗(yàn)車(chē)輛已行駛里程12 580km，車(chē)輛技術(shù)狀況良好，整車(chē)質(zhì)量為1 555kg，輪胎型號(hào)為205/55R1691H，輪胎氣壓210kPa；車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)為多點(diǎn)噴射點(diǎn)燃式4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，自然吸氣進(jìn)氣方式，怠速轉(zhuǎn)速750±50，設(shè)計(jì)最高車(chē)速210km/h；測(cè)試使用的底盤(pán)測(cè)功機(jī)型號(hào)為T(mén)LDCG-2000；尾氣的排放由南華NHA-506汽車(chē)排放氣體測(cè)試儀和廣東艾尼森汽車(chē)排氣流量分析儀ML-100進(jìn)行測(cè)試。

2.2 試驗(yàn)方法

本停缸節(jié)油裝置主要工作在中小負(fù)荷狀態(tài)，故按照GB/T19233-2008輕型汽車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法的規(guī)定，模擬車(chē)輛在市區(qū)和市郊工況循環(huán)下的二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?HC)的排放量，采用碳當(dāng)量法對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛在正常四缸工作狀態(tài)與兩缸停缸斷油工作狀態(tài)下的燃料消耗情況進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算。

測(cè)試前，車(chē)輛置于溫度為20～30℃的房間內(nèi)6h以上，以確保車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油和冷卻液溫度與室溫溫差在±2℃之內(nèi)。試驗(yàn)期間，車(chē)輛正常行駛所需的輔助設(shè)備均處于運(yùn)行狀態(tài)。

試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間約為19min40s，試驗(yàn)循環(huán)由市區(qū)行駛和市郊行駛兩部分組成，且連續(xù)進(jìn)行。市區(qū)行駛部分試驗(yàn)由4個(gè)循環(huán)子部組成，每個(gè)循環(huán)子部又由怠速、加速、減速、勻速等15個(gè)工況組成。市區(qū)行駛部分的平均車(chē)速為19km/h，行駛時(shí)間約為195s，每個(gè)循環(huán)子部的模擬行駛距離為1.0km，具體運(yùn)行情況如表1所示。市郊行駛部分由怠速、加速、勻速及減速等13個(gè)工況組成[5-6]，平均車(chē)速為60km/h，行駛時(shí)間約為400s，試驗(yàn)的模擬行駛距離為7km，具體運(yùn)行情況如表2所示。

加速、等速工況及利用制動(dòng)器進(jìn)行減速時(shí)被測(cè)車(chē)輛的速度與理論車(chē)速允許存在±2km/h的誤差。

車(chē)輛排放的尾氣經(jīng)過(guò)采集、稀釋后，可以算出污染物排放的質(zhì)量。

表1 市區(qū)行駛部分的運(yùn)行工況

續(xù)表1

表2 市郊行駛部分運(yùn)行情況

續(xù)表2

在試驗(yàn)過(guò)程中，從排放氣體中取出一部分使用排放氣體測(cè)試儀檢測(cè)HC、CO、CO2、NO等氣體污染物的濃度，另外一部分氣體與空氣混合稀釋后，由汽車(chē)排氣流量分析儀進(jìn)行測(cè)試和分析。

車(chē)輛尾氣中排放污染物的質(zhì)量可以通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算[7-8]，即

(1)

式中m—污染物的質(zhì)量排放(g/km)；

ρ1—尾氣的密度(kg/m3)；

Q—排放氣體流量(m3/min)；

C—污染物濃度(%)；

v—被測(cè)車(chē)輛平均速度(km/h)。

其中，污染物濃度指HC、CO、CO2、NO等氣體污染物的濃度，由排放氣體測(cè)試儀測(cè)得。式(1)中的排放氣體流量由式(2)計(jì)算得到

Q=Q1·α

(2)

式中Q1—稀釋氣體流量(m3/min)；

a—稀釋比(%)。

在(2)式中，稀釋氣體流量可以由車(chē)輛排氣流量分析儀得到。稀釋比可用式(3)進(jìn)行計(jì)算，即

(3)

式中CO—大氣中氧氣濃度(%)；

C1—稀釋后氧氣濃度(%)；

C2—原排放氣體中氧氣的濃度(%)。

測(cè)試過(guò)程中，用車(chē)輛排氣流量分析儀中的鋯氧氣傳感器來(lái)測(cè)量稀釋氣體的氧氣濃度變化，以及開(kāi)始時(shí)空氣中的氧氣濃度；然后與排放氣體測(cè)試儀中測(cè)得的氧氣濃度進(jìn)行比較,即可計(jì)算稀釋比。

燃油量的消耗可按式(4)計(jì)算，即

0.273×CO2]

(4)

式中FC—燃料消耗量(L/100km)；

HC—測(cè)得的碳?xì)渑欧帕?g/km)；

CO—測(cè)得的一氧化碳排放量(g/km)；

CO2—測(cè)得的二氧化碳排放量(g/km)；

ρ—15℃時(shí)試驗(yàn)燃料的密度(kg/m3)。

2.3 結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方法，分別對(duì)同一臺(tái)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行了四缸正常運(yùn)行、兩缸停缸蝶閥不工作與兩缸停缸蝶閥工作3種情況下的油耗及排放測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 油耗及排放試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出：加裝該裝置后，同一輛車(chē)的百公里油耗由8.1降低至6.0，節(jié)油達(dá)到25%，節(jié)油效果明顯；在排放方面，CO明顯下降，HC和CO2略有下降，但NOx含量有大幅提高，使用排氣管蝶閥裝置后NOx排放得到改善。

發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度很小，節(jié)氣門(mén)對(duì)氣體的節(jié)流作用增大，因此換氣時(shí)能量損失增加，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率的下降。同時(shí)，由于進(jìn)入氣缸內(nèi)混合氣數(shù)量減少以及殘留的廢氣比例增加，造成燃燒環(huán)境惡化，為了保證燃燒的穩(wěn)定，需要為發(fā)動(dòng)機(jī)提供過(guò)濃的燃油混合氣，因此燃油消耗將顯著提升，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)變差。如果在小負(fù)荷時(shí)使部分氣缸停止工作，還要維持發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，那么仍然工作的氣缸將在中等負(fù)荷工況下運(yùn)行，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度中等，提供稀混合氣即可維持發(fā)動(dòng)機(jī)的正常燃燒和做功，燃油經(jīng)濟(jì)性最好。停止工作的氣缸由于氣門(mén)一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，該缸不再存在壓縮行程，缸內(nèi)氣體的壓力變化范圍減小，因此機(jī)械摩擦帶來(lái)的能量損失也將減少，經(jīng)濟(jì)性提高。

NOx較高的原因是因?yàn)楝F(xiàn)在汽車(chē)上為控制排放，安裝有三元催化器。三元催化器的氧傳感器獲取廢氣中的氧氣濃度信號(hào)傳遞給ECU，將發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制在一個(gè)很小且接近于理想的區(qū)域內(nèi)。停缸斷油時(shí)，部分新鮮空氣通過(guò)不工作的氣缸由排氣管排出，氧傳感器接受到的濃度信息受到干擾，信號(hào)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比失控，排氣狀況惡化。所以，在使用排氣管蝶閥裝置后NOx明顯降低，但仍然高于國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的。

改進(jìn)后的NOx仍然較高是因?yàn)樵囼?yàn)用車(chē)采用的是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、噴油、空氣與燃油的比率、排放廢氣等進(jìn)行優(yōu)化控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工況。但在停缸斷油期間，只有部分氣缸處于工作狀態(tài)，而不工作氣缸的進(jìn)氣門(mén)仍然按照配氣相位在工作，所以新鮮空氣仍然要進(jìn)入缸內(nèi)，通過(guò)節(jié)氣門(mén)的空氣流量與未采用停缸斷油時(shí)相差不大；而部分工作氣缸燃燒時(shí)所需的空氣量與節(jié)氣門(mén)處流過(guò)的空氣量是不對(duì)等的，ECU會(huì)因?yàn)檩^大的空氣流量提供較多的燃油，供油量的增加提高了燃燒的最高溫度，從而導(dǎo)致NOx的增加。如果對(duì)停缸斷油期間ECU關(guān)于空燃比的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，應(yīng)該有利于控制NOx的排放。

3 結(jié)論

本控制方案提出了一種適用于農(nóng)用車(chē)輛的停缸節(jié)油控制方案，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。采用本控制方案實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停缸斷油，可以不改變現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，直接在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)上直接安裝，成本低，適應(yīng)農(nóng)用車(chē)輛低成本的需求。按照GB/T19233-2008輕型汽車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法對(duì)加裝該停缸節(jié)油裝置的車(chē)輛進(jìn)行了排放和油耗測(cè)試，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：加裝該裝置后比加裝前節(jié)油25%左右，HC、CO、CO2排放均有所下降，但NOx有較大上升，通過(guò)排氣管蝶閥控制裝置可明顯控制NOx的上升。該裝置的加裝能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛中、小負(fù)荷下的油耗的降低且能滿足排放要求，適合在農(nóng)用車(chē)輛上推廣應(yīng)用。

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