劉剛，呂文芝，謝成武，侯建軍

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061;

2.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東濰坊 261061

0 引言

從目前車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡工況來(lái)看，用于動(dòng)力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%～45%(柴油機(jī))或20%～30%(汽油機(jī))，以余熱形式排出車(chē)外的能量占燃燒總能量的55%～70%(柴油機(jī))或70%～80%(汽油機(jī))，這部分熱量主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量[1-2]，如表1所示。

表1 內(nèi)燃機(jī)熱平衡表 %

由表1可知，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣帶走的熱量尚有很大的利用空間，已有很多科研機(jī)構(gòu)和專家致力于此方面研究。從熱源來(lái)看，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)余熱利用技術(shù)，有發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱利用和排氣余熱利用兩種；從用途上來(lái)看，有制冷空調(diào)、發(fā)電、采暖、改良燃料、渦輪增壓、室內(nèi)濕度控制和空氣凈化等方式[3-5]。

本文中借助驅(qū)動(dòng)橋、變速箱潤(rùn)滑油溫度與傳動(dòng)效率的關(guān)系，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣利用裝置，并在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，研究利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和變速箱加熱，提升潤(rùn)滑油溫度進(jìn)而改善傳動(dòng)效率、減少熱車(chē)時(shí)間。

1 實(shí)施方案

1.1 工作原理

通過(guò)電控單元的相關(guān)變量控制排氣,利用裝置中的電磁閥開(kāi)度，對(duì)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油快速達(dá)到所需溫度，并保持在最佳的工作溫度范圍內(nèi)，從而利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣來(lái)降低整車(chē)油耗并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行快速預(yù)熱[6]。

1.2 排氣利用裝置結(jié)構(gòu)

排氣利用裝置如圖1所示。

該裝置中的管路主要包括排氣管路、排氣加熱主管路、變速箱處加熱管路、驅(qū)動(dòng)橋前橋處加熱管路、驅(qū)動(dòng)橋后橋處加熱管路等五部分。傳感器包括背壓傳感器、變速箱潤(rùn)滑油溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)橋前橋潤(rùn)滑油溫度傳感器和驅(qū)動(dòng)橋后橋潤(rùn)滑油溫度傳感器，用以監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括背壓調(diào)節(jié)電磁閥、變速箱加熱調(diào)節(jié)電磁閥、驅(qū)動(dòng)橋加熱調(diào)節(jié)電磁閥等[7-8]。

發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣體既可以通過(guò)排氣管路排向大氣，也可以經(jīng)由排氣加熱主管路通過(guò)變速箱處加熱管路和驅(qū)動(dòng)橋前、后橋處加熱管路對(duì)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行加熱后再排向大氣。

發(fā)動(dòng)機(jī)排出的氣體經(jīng)排氣管進(jìn)入后處理箱，當(dāng)變速箱處電磁閥打開(kāi)時(shí)，排氣對(duì)變速箱進(jìn)行加熱；當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋加熱管路電磁閥打開(kāi)時(shí)，排氣對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行加熱；通過(guò)背壓調(diào)節(jié)電磁閥可以實(shí)時(shí)調(diào)整排氣背壓，以保證能夠同時(shí)滿足整車(chē)動(dòng)力性能的要求。

1.3 控制方法

控制裝置連接圖如圖2所示；具體控制方法及步驟如下。

1)微處理單元通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度、排氣背壓、排氣背壓電磁閥開(kāi)度、變速箱處電磁閥開(kāi)度及驅(qū)動(dòng)橋加熱管路電磁閥開(kāi)度[9]。

2)將所測(cè)量的變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度、排氣背壓等參數(shù)與微處理單元內(nèi)設(shè)定的參數(shù)做對(duì)比。

3)如果監(jiān)測(cè)參數(shù)不在允許范圍內(nèi)，則對(duì)變速箱處電磁閥開(kāi)度、驅(qū)動(dòng)橋加熱管路電磁閥開(kāi)度和排氣背壓電磁閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，使參數(shù)達(dá)到要求。當(dāng)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，增大變速箱處電磁閥開(kāi)度和驅(qū)動(dòng)橋加熱管路電磁閥開(kāi)度，反之減小；當(dāng)排氣背壓增大，超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣正常背壓時(shí)，增大排氣背壓電磁閥開(kāi)度，反之減小[10-13]。

2 實(shí)施效果分析

為了驗(yàn)證上述方案的效果，在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)際管路改造，并在該臺(tái)架上進(jìn)行等速油耗、綜合工況油耗以及動(dòng)力總成預(yù)熱等試驗(yàn)，詳細(xì)管路布置見(jiàn)圖3，具體使用動(dòng)力總成配置見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)力總成配置

2.1 排氣加熱對(duì)等速油耗的影響

變速箱使用11擋(即直接擋)，這也是日常駕駛的常用擋位，將變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度控制在60、90、100 ℃ 3種工況下進(jìn)行等速油耗試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖4所示。

由圖4可知，驅(qū)動(dòng)橋和變速箱潤(rùn)滑油溫度從60 ℃提高到90 ℃時(shí)，每100 km油耗降低0.43～0.59 L，燃油經(jīng)濟(jì)性提高1.0%～1.5%；溫度再提高至100 ℃，油耗量變化很小。因此，如果驅(qū)動(dòng)橋和變速箱潤(rùn)滑油溫度在行駛中能夠控制在90 ℃附近，相應(yīng)的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)有很大提高。

2.2 排氣加熱對(duì)綜合油耗的影響

在上述臺(tái)架上繼續(xù)運(yùn)行實(shí)際道路采集的路譜，得到車(chē)速隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。這也是重卡常用的運(yùn)行工況。變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度在80、100 ℃ 2種工況下的綜合油耗見(jiàn)表3。

表3路譜綜合油耗

變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度/℃100 km油耗/L8043.0310042.73

由表3可知，驅(qū)動(dòng)橋和變速箱潤(rùn)滑油溫度對(duì)該路譜的綜合油耗的影響為0.7%，驅(qū)動(dòng)橋和變速箱潤(rùn)滑油溫度為100 ℃時(shí)的100 km綜合油耗比80 ℃時(shí)低0.3 L。因此，排氣加熱對(duì)于長(zhǎng)途運(yùn)輸和寒冷地區(qū)的車(chē)輛尤為適合。

2.3 排氣加熱對(duì)動(dòng)力總成預(yù)熱的影響

對(duì)車(chē)輛的預(yù)熱，更多的是關(guān)注循環(huán)水和機(jī)油的溫度，對(duì)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋的油溫少有研究。本文中，通過(guò)利用排氣加熱裝置，對(duì)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋的潤(rùn)滑油進(jìn)行加熱，與沒(méi)有排氣加熱的預(yù)熱時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，具體結(jié)果曲線如圖6所示。

由圖6可知，利用排氣加熱裝置，預(yù)熱時(shí)間從試驗(yàn)前的80 min縮短至近40 min，減少約50%，提高了傳動(dòng)效率，同時(shí)也使得變速箱和驅(qū)動(dòng)橋的潤(rùn)滑油很快地達(dá)到最佳的使用溫度區(qū)域。

2.4 實(shí)際道路運(yùn)行情況

為更直觀地了解變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度的現(xiàn)狀，在不同環(huán)境溫度條件下進(jìn)行大量的實(shí)際道路試驗(yàn)。

通過(guò)實(shí)際道路試驗(yàn)結(jié)果分析，環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油的穩(wěn)定溫度為60～70 ℃，具體曲線見(jiàn)圖7；而在寒冷地區(qū)，當(dāng)環(huán)境溫度-17 ℃時(shí)，其穩(wěn)定溫度僅為30～40 ℃，具體曲線見(jiàn)圖8。

在很多地區(qū)，一年中的大部分時(shí)間，變速箱和驅(qū)動(dòng)橋的潤(rùn)滑油溫度很低，距離最佳的溫度(85～95 ℃)差距很大，特別是在寒冷地區(qū)的潤(rùn)滑油溫度更低，長(zhǎng)期處于低溫狀態(tài)，大大影響整車(chē)的各項(xiàng)性能。

3 結(jié)語(yǔ)

充分利用未被利用的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，對(duì)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋的潤(rùn)滑油進(jìn)行加熱，一方面可以減少整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)熱時(shí)間，特別是在寒冷地區(qū)，可以使油溫快速達(dá)到最佳溫度，時(shí)間縮短一半；另一方面可以使變速箱和驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑油溫度保持在最佳溫度點(diǎn)，在潤(rùn)滑油自身性能品質(zhì)允許的范圍內(nèi)提高傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，整車(chē)油耗可降低1.0%～1.5%。