節能環保型單發動機的專用汽車動力系統研究

宋永剛 宋揚

關鍵詞：節能減排 單發動機 專用車 動力系統

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

本世紀以來.許多專用車企業都曾瞄準節能環保的產品發展方向，著手在傳統雙發動機產品基礎上，研發單發動機產品并進行了大量的嘗試，先后推出了一些單發動機產品樣機。這些樣機經過試驗檢測和工程應用，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“夭折”的原因，如下：這些樣機雖然實現了單發動機驅動，但是因為未能深入研究關鍵技術問題，對于專用車輛動力系統匹配與作業質量和效率之間的關系未能透徹理解而采用了完全不必要的能量轉換，使整車能耗效率未有明顯提高甚至出現下降，而有些樣機的動力分配和傳遞未能實現完全解耦，不能精準滿足各支系統的動力需求，損失了某些作業性能。這些問題都會在實際應用中反映出來。而被用戶拒之門外。

1專用車行駛作業過程的動力需求

這一類專用車之所以采用通用汽車底盤為基礎.其目的是利用汽車底盤的機動性，尤其是作業過程中的機動性，即作業過程在整車行駛狀態下進行，而且是在一定速度范圍（通常在低速范圍）內的穩定速度或變速下進行.同時還要驅動各種作業裝置運行，為了保證各種作業裝置的高效率，通常要求動力源高速輸出且相對穩定?？梢?，這類專用車的動力系統至少有兩個對動力源要求不同的耗能系統，即作業系統和行駛系統。圖1為環衛洗掃車和掃路車作業過程的動力需求分析。

圖1中，作業系統包括風機、水泵、油泵，為了保證整車作業性能穩定，必須保證這些裝置的作業參數穩定，進而必須保證這些裝置的運行速度穩定。尤其是風機的兩個主要作業參數。風量和負壓分別與風機轉速的平方和立方成正比，風機轉速的微小變化都將顯著影響這兩個參數，進而極大地影響作業性能。而且.這些作業裝置都是持續大功率耗能裝置。所以.作業系統對于動力源的要求是大功率、高轉速、高效率、恒穩定。

行駛系統則用于實現作業過程中的底盤行駛驅動，通常情況下用于行駛牽引所消耗的功率并不大，大約為底盤發動機裝備功率的20%以內。但是，通常所需要的作業速度偏低.而且需要根據路面交通狀況以及路面污染程度的變化而變化，同時希望能夠精準控制速度變化。所以，行駛系統對于動力源的要求是小功率、低速度、變速度、可精準控制。

可見，環衛車輛的兩個基本耗能系統對于動力源的要求差異很大，甚至完全相反。當采用傳統機械傳動方式時，單一動力源無法同時兼顧這兩個耗能系統的動力要求.這正是長期以來這一類專用車普遍采用高耗能、高排放的雙發動機動力方案的根本原因。

采用雙發動機動力配置方案.不僅導致整車功率配置過大，造成資源浪費，同時，在專用車的作業工況下，兩個發動機同時運轉所產生的無功油耗過大.尤其是裝備功率很大的底盤發動機卻工作在小功率、低轉速的非經濟區域，導致燃油經濟性很低，燃料燃燒效果很差。而且，副發動機輸出有用功的同時也有相當比例的無用功浪費.造成油耗多、排放多、排放質量差?？諝馕廴緡乐?。

2節能環保型整車動力方案的可行性及其實現

仔細研究這一類專用車所使用的通用汽車底盤，可以發現其裝備的發動機額定功率通常遠遠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動機，其原因是如果采用單一動力源且采用傳統機械傳動時，由于傳統機械傳動的定比耦合關系.無法同時滿足作業系統和行駛系統完全不同的動力需要。在尚未找到有效的動力解耦方法和系統方案的情況下，設置副發動機只是為了回避動力傳遞的困難，并非底盤發動機功率不足，這是實現整車單發動機驅動的先決條件。

在此基礎上，確定合理的總體傳動方案并破解某些支系統的動力定比耦合關系即成為實現整車單發動機驅動的關鍵技術。為了最大限度地獲得節能效果，筆者確定了直接從底盤發動機全功率取力，經過多路分配機械驅動主要作業裝置，如風機、水泵等，保證以最高的傳動效率獲得大功率、恒穩定以及精準速度的動力匹配，對于必須變速運行的支系統采用可從同一動力源獲得動力，同時可實現動力徹底隔離和變比例耦合的傳動方式。即實現動力解耦以滿足這些支系統的變速需求的總體傳動方案，如圖2所示。

在工程實踐中最為常用的動力解耦方式有液壓解耦和電動解耦兩種。液壓解耦即利用流體傳動原理，通過變量泵和馬達構成的閉式靜液系統實現原始動力的變比例耦合甚至變向耦合，從而實現被驅動對象的變速和換向驅動。同時，由于液壓解耦相對于電動解耦具有功率密度大，體積緊湊，技術成熟等優點而被工程機械廣泛應用，如圖3所示。

以上的整車單發動機傳動方案確定之后，還有一個環節就是確定底盤發動機在作業工況下的工作點，該環節也是影響整車節能效果的重要因素。確定底盤發動機工作點主要考慮以下兩點：

a.根據底盤發動機的外特性曲線或數據以及整車在作業工況下的功率需求，確定發動機工作點，使發動機在該工作點輸出的功率滿足整車在作業工況下的功率需要。

b.確定底盤發動機工作點應處在外特性曲線上的經濟油耗區，即處在比油耗極小值范圍內，保證整車能耗效率最高，否則可考慮調整底盤發動機的裝機功率。

以上兩點同時滿足即可最終確定底盤發動機在作業工況下的工作點合理并具有較高甚至最高的能耗效率，再結合上述液壓解耦系統.即可保證該單發動機驅動的行駛作業專用車的整車性能達到最優狀態。如圖4所示。其原因如下：

a.實現了主要作業裝置所需動力的精準匹配和穩定運行，保證了主要作業裝置的最佳作業性能，如環衛車輛的風機風量和壓力，而且傳動效率最高，能耗最低。

b.實現了作業行駛驅動的完全解耦.作業速度在靜止至設定的最高作業速度之間無級變速，自由控制，保證了作業速度精準適應工況條件.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。充分保證了作業質量。

3結語

本文介紹的單發動機專用車動力系統科學地集成了傳統機械傳動與靜液傳動方式，徹底解決了采用單一動力源驅動專用車復雜多支路系統時的動力解耦問題，成功地實現了單發動機驅動的專用車整體性能大幅度提升.并通過完全自主研發的全功率取力分動解耦箱實現了工程應用。實踐證明，相對于傳統的雙發動機動力系統，單發動機具有多方面的卓越效果：整車燃油消耗節省30%左右;廢氣排放降低30%左右;噪聲降低2dB（8%）;連續作業時間延長13%;維護保養費用降低10%;作業操控更加簡單方便;整車排放指標提高。