0 前言

由于發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和用戶追求性能、燃油經(jīng)濟(jì)性與可靠性三者之間的最佳組合，因此，小型化和降速在商用載貨車市場(chǎng)越來(lái)越受重視[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)降速正受到廣泛關(guān)注。發(fā)動(dòng)機(jī)降速在改善整體封裝、燃油經(jīng)濟(jì)性和成本方面提供了大量有利條件。柴油機(jī)降速是改善燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放的一種策略。這種策略已經(jīng)成功應(yīng)用于改善輕型車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，這是一種有效且可靠的方法。發(fā)動(dòng)機(jī)降速用于提高“加載降速”發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率，在較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下利用高進(jìn)氣歧管壓力牽引重載。發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失(例如在軸承中)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比[2]。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致摩擦負(fù)荷成倍減小。例如，降低50%轉(zhuǎn)速，可以降低75%的摩擦損失。如果柴油機(jī)能夠在低轉(zhuǎn)速下輸出足夠的扭矩，這種策略有效的。理論上講，較低轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)具有更長(zhǎng)的使用壽命，并且大修間隔期更長(zhǎng)，這是經(jīng)濟(jì)性方面的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

可通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其具有更長(zhǎng)的行程，調(diào)整其空燃系統(tǒng)使其更適用于較低轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)。但是，載貨車必須接受在較低調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下最高額定功率下降的事實(shí)，而較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速則會(huì)降低加速性能(一種潛在的交通危險(xiǎn))，并且在爬坡時(shí)工作效率較低(山區(qū)運(yùn)行缺點(diǎn))。通過(guò)降速和小型化來(lái)降低柴油機(jī)功率和扭矩的一種解決方案是高效轉(zhuǎn)化動(dòng)力裝置。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代渦輪增壓柴油機(jī)在相當(dāng)寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生高穩(wěn)定性的扭矩，因此，通過(guò)采用恰當(dāng)?shù)慕邓?，功率和扭矩的下降將不?huì)太明顯。

有研究表明，與小型化相比，降速將是針對(duì)未來(lái)中型柴油機(jī)市場(chǎng)更受歡迎的一種途徑，而且更易實(shí)施。盡管如此，降速導(dǎo)致的燃油經(jīng)濟(jì)性改善量處于中等范圍，約比當(dāng)今基準(zhǔn)柴油機(jī)降低7%～10%。

機(jī)械驅(qū)動(dòng)增壓器相對(duì)渦輪增壓器的明顯優(yōu)勢(shì)之一是在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下快速建立增壓的能力，并且不受可用廢氣焓的影響[3-4]。與基于渦輪增壓器的增壓系統(tǒng)相比，機(jī)械增壓器的快速響應(yīng)特性使渦輪增壓器建立增壓的速度更快。當(dāng)峰值扭矩向較低轉(zhuǎn)速范圍移動(dòng)時(shí)，在較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和瞬態(tài)條件下，產(chǎn)生較高進(jìn)氣歧管壓力，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)降速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失降低，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)熱效率顯著提高。這種發(fā)動(dòng)機(jī)降速具有顯著提高燃油效率的潛力。

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)有效降速，發(fā)動(dòng)機(jī)平均工況點(diǎn)需要向更高負(fù)荷和更低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)保持功率水平不變?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整增壓發(fā)動(dòng)機(jī)峰值扭矩實(shí)現(xiàn)這種效果。但是，這會(huì)導(dǎo)致氣缸峰值壓力較高，從而惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性。另一種有效實(shí)現(xiàn)降速的方法是增大發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖的面積，這可在快速瞬態(tài)負(fù)荷需求過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，也可通過(guò)改變最終傳動(dòng)或軸傳動(dòng)比、改變換檔策略或改變傳動(dòng)齒輪速比實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)降速。這種方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響最小。在瞬態(tài)過(guò)程中提高增壓從而提升扭矩的可行性可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)快速換檔。快速換檔指在加速過(guò)程中所覆蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)更加快速的換檔，從而使得既定駕駛循環(huán)上的發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速更低?？焖贀Q檔不僅可確保實(shí)現(xiàn)高速檔時(shí)的降速，還可實(shí)現(xiàn)車輛高速瞬態(tài)行駛時(shí)的降速，共同優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)降速及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而獲得所需的車輛性能。在一些工況下，優(yōu)化空燃系統(tǒng)可改善發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的性能。

1 車輛扭矩提升管理策略

目前，提升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩主要有兩種方法。一種方法是通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)降速。降速通常通過(guò)重新標(biāo)定控制發(fā)動(dòng)機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)。通過(guò)標(biāo)定，僅允許發(fā)動(dòng)機(jī)在特定轉(zhuǎn)速或任何檔位的特定環(huán)境下輸出適當(dāng)?shù)呐ぞ亍０l(fā)動(dòng)機(jī)降速是解決特定問(wèn)題的常用且合理的策略。但是，僅采用發(fā)動(dòng)機(jī)降速無(wú)法解決傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期承受扭矩應(yīng)力，從而導(dǎo)致的高周期疲勞問(wèn)題。通過(guò)修改發(fā)動(dòng)機(jī)程序從而降低扭矩峰值，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在發(fā)動(dòng)機(jī)巡航工況下仍可提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出扭矩。

另一種管理扭矩提升的方法是系統(tǒng)方法。該方法指出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)特性改變時(shí)，需要升級(jí)動(dòng)力裝置的其他部分以與之匹配。這種方案需要從一開始就共同工作從而支持發(fā)動(dòng)機(jī)降速軸和傳動(dòng)軸系統(tǒng)，包括能夠提供完全平衡效率優(yōu)勢(shì)所需快速傳動(dòng)比的高效、輕量化雙聯(lián)軸，以及能夠承受較大扭矩的傳動(dòng)軸。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)降速的優(yōu)勢(shì)

發(fā)動(dòng)機(jī)降速的優(yōu)勢(shì)在于：(1)降低燃油耗(發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在其最佳工作效率范圍內(nèi)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間)；(2)減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦(活塞速度降低)；(3)減少相對(duì)傳熱；(4)提高熱效率；(5)發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳制動(dòng)比燃油耗(BSFC)區(qū)域和容積效率區(qū)域內(nèi)運(yùn)行；(6)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速、大扭矩條件下運(yùn)行，可使該發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩更高；(7)發(fā)動(dòng)機(jī)在額定負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下可運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間；(8)在所有轉(zhuǎn)速下可保持輸出性能不變，且燃油經(jīng)濟(jì)性更好，扭矩更高。

3 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)條件

本研究的目的是評(píng)價(jià)車輛在歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)循環(huán)(ETC)下降速概念降低燃油耗的潛力。為了研究降速裝置的影響，已經(jīng)進(jìn)行了一項(xiàng)比較研究。比較了3種不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的額定功率，轉(zhuǎn)速間隔差為100 r/min。降速分級(jí)的目的是使在ESC和ETC循環(huán)下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大化，從而研究降速對(duì)排放與燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)降速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放，以及對(duì)車速和行駛里程數(shù)的影響，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究發(fā)動(dòng)機(jī)降速對(duì)車輛性能與駕駛性及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放的影響，在車輛平臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)降速的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過(guò)改變功率基準(zhǔn)點(diǎn)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)降速提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放。降速使發(fā)動(dòng)機(jī)能以低轉(zhuǎn)速和大扭矩運(yùn)行，由于活塞速度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦降低，相對(duì)傳熱減少，熱效率提高。發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高，所以燃油耗降低。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用的具體試驗(yàn)裝置見(jiàn)表2和圖1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)

表2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量采用的基本儀器

圖1 試驗(yàn)臺(tái)布置

3.1 試驗(yàn)條件

表3中的試驗(yàn)參數(shù)即為ESC循環(huán)在優(yōu)化過(guò)程中采用的邊界條件，針對(duì)不同的額定轉(zhuǎn)速采用相同的硬件結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)性能、排放和BSFC性能。

圖2描述了在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的ESC和ETC循環(huán)區(qū)域。這兩個(gè)循環(huán)無(wú)法代表完整的車輛循環(huán)，但是在所有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也覆蓋了相當(dāng)大的區(qū)域。表4列出了針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的3種額定轉(zhuǎn)速A、轉(zhuǎn)速B和轉(zhuǎn)速C。

表3 試驗(yàn)條件

圖2 ESC和ETC循環(huán)區(qū)域

額定轉(zhuǎn)速參數(shù)轉(zhuǎn)速A/(r·min-1)1 5361 5601 580轉(zhuǎn)速B/(r·min-1)1 8641 9131 953轉(zhuǎn)速C/(r·min-1)2 1922 2662 326

由于額定轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，轉(zhuǎn)速高低也會(huì)發(fā)生相對(duì)變化，因此轉(zhuǎn)速A、轉(zhuǎn)速B和轉(zhuǎn)速C也會(huì)發(fā)生漂移。在轉(zhuǎn)速A、轉(zhuǎn)速B和轉(zhuǎn)速C這三種轉(zhuǎn)速變化中，轉(zhuǎn)速C的變化最大，轉(zhuǎn)速A的變化較小。針對(duì)不同額定轉(zhuǎn)速的功率曲線和扭矩曲線見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 針對(duì)不同額定轉(zhuǎn)速的功率曲線

圖4 針對(duì)不同額定轉(zhuǎn)速的扭矩曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)的排放和性能結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)降速對(duì)不同額定功率結(jié)構(gòu)的影響。由于發(fā)動(dòng)機(jī)降速導(dǎo)致摩擦和泵氣損失減少，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失減少，進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)效率得到改善。發(fā)動(dòng)機(jī)降速對(duì)氮氧化物(NOx)、HC和CO的排放結(jié)果影響可以忽略不計(jì)。但是，對(duì)PM限值和BSFC的改善影響顯著。在ESC和ETC循環(huán)區(qū)域內(nèi)，碳煙排放減少約2%，燃油消耗率減少2.00%～2.25%。圖5所示為利用相對(duì)額定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降速實(shí)現(xiàn)的循環(huán)燃油消耗率的改善情況。

圖5 不同額定轉(zhuǎn)速下的循環(huán)燃油耗比較

4.1 車輛性能與燃油經(jīng)濟(jì)性

為了使換檔頻率最小化、牽引力最大化，以及保證線性的動(dòng)力輸出，在可用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扁平的扭矩曲線在接近于紅線時(shí)有明顯的下降趨勢(shì)。如果動(dòng)力輸出不是線性的，那么車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)就會(huì)不平穩(wěn)，這是因?yàn)橄蜉喬ヌ峁┏掷m(xù)動(dòng)力是非常重要的。扁平的扭矩曲線還可使車輛在工作過(guò)程中所需的換檔次數(shù)最小化，從而降低駕駛員出現(xiàn)駕駛差錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

為提高燃油效率而持續(xù)降速的趨勢(shì)會(huì)給動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件帶來(lái)一定的影響。采用手動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的載貨車在駕駛過(guò)程中會(huì)相應(yīng)增加難度，而手自一體變速傳動(dòng)的應(yīng)用會(huì)變得更加受限。因此，對(duì)雙離合器變速箱的應(yīng)用更加必不可少，而后傳動(dòng)軸和傳動(dòng)軸零部件需要承受更高的應(yīng)力。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，運(yùn)行區(qū)域從一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況帶移動(dòng)到另一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況帶(圖6)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)降速，車輛運(yùn)行區(qū)域帶將向能夠影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體燃油經(jīng)濟(jì)性的最佳BSFC區(qū)域移動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)降速有助于發(fā)動(dòng)機(jī)由較高轉(zhuǎn)速向較低轉(zhuǎn)速移動(dòng)，從而改善整體車輛性能與駕駛可操作性。這將有助于進(jìn)一步減小最終傳動(dòng)比，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)不同的最終傳動(dòng)比和降速進(jìn)行了各種測(cè)試，車輛的總體燃油經(jīng)濟(jì)性改善達(dá)2.0%～2.5%。

圖6 車輛駕駛區(qū)域隨降速的移動(dòng)

在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速?gòu)? 400 r/min變化至2 600 r/min的過(guò)程中，車速隨不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況見(jiàn)圖7、圖8和圖9。結(jié)果表明，在額定負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)降速導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差最大。

圖7 車速性能(額定轉(zhuǎn)速2 600 r/min)

圖8 車速性能(額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min)

圖9 車速性能(額定轉(zhuǎn)速2 400 r/min)

4.2 降速對(duì)傳動(dòng)的影響

車輛的動(dòng)力性取決于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件的特性。為了節(jié)約燃油及滿足各種排放法規(guī)的要求，大量發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都在重點(diǎn)開發(fā)降速發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)采用更為快捷的后傳動(dòng)軸傳動(dòng)比，并將后傳動(dòng)軸耦合到直接驅(qū)動(dòng)變速箱上可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)降速?？焖賯鲃?dòng)比與直接驅(qū)動(dòng)變速箱的組合改善了載貨車的起動(dòng)性，降低了車輛巡航時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。由于后傳動(dòng)軸傳動(dòng)比減小，可極大提高用于保持可接受起動(dòng)性所需的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)扭矩。降速發(fā)動(dòng)機(jī)將是未來(lái)提高燃油效率和減少排放的一種發(fā)展趨勢(shì)。

5 總結(jié)

通過(guò)大量試驗(yàn)分析了不同參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速降速的影響。最終分析結(jié)果表明，降速改善了車輛的燃油耗和排放循環(huán)，降低了燃油耗。針對(duì)主要試驗(yàn)參數(shù)的分析，得到了以下試驗(yàn)結(jié)果：(1)活塞平均速度：通過(guò)降低較高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的活塞速度可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失。提高活塞的設(shè)計(jì)邊界可以延長(zhǎng)活塞的使用壽命。(2)燃油經(jīng)濟(jì)性：由于發(fā)動(dòng)機(jī)將在更佳的容積效率區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，因此燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善。針對(duì)不同的路況組合，車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性改善2%。(3)發(fā)動(dòng)機(jī)排放：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的變化，PM和碳煙排放減少2%～3%，燃油耗也提高了2%。(4)發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛耐久性：活塞降速將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性和零部件壽命產(chǎn)生有利影響。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有所下降，因此峰值燃燒壓力下降。由于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下降，每個(gè)檔位的車輪終端扭矩提升，有助于改善每個(gè)檔位的駕駛性。(5)循環(huán)燃油耗：轉(zhuǎn)速A、轉(zhuǎn)速B和轉(zhuǎn)速C向發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)域移動(dòng)，該區(qū)域內(nèi)的BSFC得到改善，BSFC改善在ESC和ETC循環(huán)下具有相同的趨勢(shì)。(6)渦輪增壓器和海拔邊界能力：渦輪增壓器堵塞區(qū)域邊界改善，渦輪轉(zhuǎn)速降低5%。由于渦輪轉(zhuǎn)速會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降而下降，因此低額定轉(zhuǎn)速下的高海拔能力邊界將會(huì)改善。(7)車速：由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，車速也會(huì)持續(xù)下降。根據(jù)實(shí)際車速觀察，試驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生5 km/h的低端最高車速影響，這個(gè)數(shù)值在車輛的所有檔位中都是很顯著的。但是并未發(fā)現(xiàn)對(duì)車輛駕駛性有任何影響，因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中車輛幾乎達(dá)不到其最高車速。(8)排氣溫度：由于排氣溫度和排氣流量下降，因此后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率受到影響。