宋永剛 宋揚

摘要：在國家《大氣污染防治法》框架下，國家環(huán)境部發(fā)布了GB 20891-2014和HJ 1014-2020標(biāo)準(zhǔn)，自2022年12月1日起推行《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》標(biāo)準(zhǔn)，這對大量采用雙發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)的專用汽車是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時也是一個機(jī)遇。本文介紹了一種單發(fā)動機(jī)專用車動力系統(tǒng)技術(shù)方案，該方案解決了整車動力配置、取力、分動、解耦等所有問題，使整車動力系統(tǒng)匹配性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)雙發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，是專用車企業(yè)應(yīng)對車用發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級的終極解決方案，同時全面提升產(chǎn)品性能，使企業(yè)立于行業(yè)不敗地位。

關(guān)鍵詞：專用車；單發(fā)動機(jī)；動力系統(tǒng)

中圖分類號：U469 ?收稿日期：2023-04-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.004

1 前言

早在2014年，《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》（GB 20891-2014）頒布，2015年8月29日全國人大常委會又審議通過了《大氣污染防治法》修訂版，尤其是2020年9月中國政府向全世界明確承諾2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)。為配合“雙碳”戰(zhàn)略實施，2020年12月28日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了GB 20891-2014修改版和HJ 1014-2020，對GB 20891-2014標(biāo)準(zhǔn)中第四階段相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了修改和補充，進(jìn)一步強(qiáng)化了對移動排放源的管理并明確了執(zhí)行時間，顯示出國家對于大氣治理的決心和力度。

顯而易見的是，國家對于移動污染源的排放標(biāo)準(zhǔn)絕不僅僅止步于第四階段標(biāo)準(zhǔn)，必然要逐級過渡到第五階段、第六階段等。這對于采用雙發(fā)動機(jī)動力方案的專用車企業(yè)來說，意味著隨著國家對移動污染源排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，專用車企業(yè)必須不斷被動性進(jìn)行技術(shù)升級、配套件采購組織等方面付出大量時間和經(jīng)濟(jì)成本，無疑將不同程度影響企業(yè)快速發(fā)展和長期效益［1］。

尤其是本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定生產(chǎn)企業(yè)必須利用自建的或者共享網(wǎng)絡(luò)平臺向政府管理部門和社會實時發(fā)布單機(jī)排放信息，包括整機(jī)環(huán)保信息、位置信息和所使用發(fā)動機(jī)的排放信息，以及排放檢驗信息和污染控制技術(shù)信息，并對信息公開的真實性、準(zhǔn)確性、及時性和完整性負(fù)責(zé)。這些嚴(yán)格而且具體的要求將對生產(chǎn)企業(yè)帶來非常巨大的經(jīng)濟(jì)投入、人員投入及工作量。

因此，有關(guān)專用車生產(chǎn)企業(yè)必須積極應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，尋求科學(xué)、高效的技術(shù)方案，尤其是一勞永逸的終極解決方案，才能不僅徹底擺脫不斷升級的重復(fù)工作，而且還能變被動為主動，變挑戰(zhàn)為機(jī)遇，全面提升專用車整車性能，使企業(yè)跨上行業(yè)技術(shù)新高峰。本文將重點介紹傳統(tǒng)雙發(fā)動機(jī)專用車企業(yè)應(yīng)對發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級的終極解決方案。

2 雙發(fā)動機(jī)專用車排放分析及解決途徑

在我國，但凡采用雙發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)的專用汽車都以高效工程施工為主要功能，具有以下共性特點：a.整車耗能巨大；b.動力系統(tǒng)復(fù)雜，子系統(tǒng)多；c.子系統(tǒng)之間的動力差異性大且獨立性要求高；d.通常只有上裝副發(fā)動機(jī)的排放不達(dá)標(biāo)。而在現(xiàn)有移動電源能量密度低、賦能時間長的客觀條件下，對于這類耗能巨大同時要求重新賦能速度快的專用汽車，以柴油機(jī)作為動力源依然是深受市場歡迎的選擇［2］。

傳統(tǒng)雙發(fā)動機(jī)專用車采用雙發(fā)動機(jī)動力方案，這一類工程專用車之所以采用通用汽車底盤為基礎(chǔ)，其目的是利用汽車底盤的機(jī)動性，尤其是作業(yè)過程中的機(jī)動性，即作業(yè)過程在整車行駛狀態(tài)下進(jìn)行，而且通常在低速范圍內(nèi)的穩(wěn)定速度或變速下進(jìn)行，同時還要驅(qū)動各種作業(yè)裝置運行，為了保證各種作業(yè)裝置的高效率，通常要求動力源高速輸出而且相對穩(wěn)定［3］?？梢?，這類專用車的動力系統(tǒng)至少有兩個對動力源要求不同的耗能系統(tǒng)，即作業(yè)系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)。圖1為環(huán)衛(wèi)洗掃車和掃路車作業(yè)過程的動力需求。

因此，雙發(fā)動機(jī)專用車為了簡化動力系統(tǒng)的控制并盡量滿足整車動力需要，上裝發(fā)動機(jī)和底盤發(fā)動機(jī)幾乎是完全獨立的系統(tǒng)。上裝發(fā)動機(jī)的功率通常小于底盤發(fā)動機(jī)，上裝發(fā)動機(jī)可以根據(jù)上裝作業(yè)裝置的動力需要配置在較為合理的工作點上，而底盤發(fā)動機(jī)則為了盡量滿足低速作業(yè)要求而工作在低速范圍，甚至接近于怠速運轉(zhuǎn)［4］。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)排放特性可知，內(nèi)燃機(jī)的排放質(zhì)量與負(fù)荷大小和轉(zhuǎn)速高低直接相關(guān)。

圖2、圖3和圖4分別是柴油機(jī)的主要排放成分的穩(wěn)態(tài)排放特性曲線。由圖2可見，在大多數(shù)工況下，CO比排放量都比較小，而高排放量出現(xiàn)在小負(fù)荷工況區(qū)。由圖3可見，柴油機(jī)未燃HC比排放量基本上隨負(fù)荷的上升而下降，即在小負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速區(qū)的HC比排放量較高。由圖4可見，柴油機(jī)NOX的高排放區(qū)主要出現(xiàn)在小負(fù)荷和高速工況。

綜上可見，雙發(fā)動機(jī)專用車在作業(yè)過程中，盡管功率較大的底盤發(fā)動機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)比較高，符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求，但一直處于低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷工況狀態(tài)，排放特性差，排放質(zhì)量低，也不能有效地保護(hù)環(huán)境。

更為嚴(yán)重的是，許多專用車企業(yè)，為了降低整車成本，提高利潤空間或價格優(yōu)勢，所裝備的副發(fā)動機(jī)有些是國二階段的，有些是國三階段的，有些甚至是報廢車拆解的發(fā)動機(jī)，其環(huán)保指標(biāo)必然不能達(dá)標(biāo)［5］。然而，盡管雙發(fā)動機(jī)動力方案的弊端顯而易見，長期以來，此類專用車一直采用這種動力方案是因為存在難以突破的技術(shù)屏障。

因此，對于雙發(fā)動機(jī)專用車來說，徹底解決排放污染問題的根本途徑是尋求技術(shù)突破，首先取消排放標(biāo)準(zhǔn)較低的副發(fā)動機(jī)，并且使底盤發(fā)動機(jī)也工作在較高轉(zhuǎn)速和較大負(fù)荷工況下，即使底盤發(fā)動機(jī)工作在排放特性較好的范圍內(nèi)，取得在給定條件下最好的排放效果。

3 單發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)功率配置

在我國，用于此類雙發(fā)動機(jī)專用車的基礎(chǔ)底盤均來自于國家認(rèn)證的大型汽車生產(chǎn)企業(yè)，其底盤發(fā)動機(jī)排放指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國家要求的機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn)，基本不存在問題，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)普遍的選擇，也是比較經(jīng)濟(jì)的選擇。采用單發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)方案，首先需要考慮和解決的問題是普通載貨車底盤的標(biāo)配發(fā)動機(jī)功率是否滿足專用車作業(yè)時的動力需要。

實現(xiàn)單發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)的屏障之一是認(rèn)知屏障，即對此類專用汽車耗功量級的認(rèn)知太過保守和粗放。這種保守和粗放的認(rèn)知來源于對傳統(tǒng)雙發(fā)動機(jī)專用汽車動力系統(tǒng)的感性和樸素認(rèn)識。筆者在研究初期就被一些同行質(zhì)疑。他們認(rèn)為，單發(fā)動機(jī)專用車動力系統(tǒng)不可能比雙發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)節(jié)能，原因是能量是守恒的，無論單發(fā)動機(jī)還是雙發(fā)動機(jī)，需要驅(qū)動的作業(yè)裝置都一樣，所需要的功率一樣，不可能節(jié)能。而且，目前市場常見的基于18 T底盤平臺的雙發(fā)動機(jī)環(huán)衛(wèi)車輛的整車功率配置都在400 HP左右。由此推斷認(rèn)定用于改裝專用汽車普通載貨底盤的標(biāo)配發(fā)動機(jī)功率不足以驅(qū)動整車作業(yè)。例如，國產(chǎn)18 T載貨車底盤的主流標(biāo)配發(fā)動機(jī)功率230～245 HP。

其實，只要總體設(shè)計從專用車的實際工況分析出發(fā)，認(rèn)真核算各種工況下專用車各動力系統(tǒng)的功率需求，即可較為準(zhǔn)確地評估整車動力系統(tǒng)的功率量級。理論計算和實踐證明，普通載貨車底盤的標(biāo)配發(fā)動機(jī)功率完全滿足絕大多數(shù)專用車的動力需求。不僅如此，如果整車傳動方案科學(xué)、合理，致使整車傳動效率充分高，即使普通載貨車底盤的發(fā)動機(jī)功率小于主流標(biāo)配發(fā)動機(jī)功率，仍可以滿足專用車整車功率需求。當(dāng)然，如果整車傳動方案不夠科學(xué)、合理，致使整車傳動效率太低，則普通載貨車底盤的標(biāo)配發(fā)動機(jī)功率完全不能滿足專用車整車的動力需求［6］。

提高整車傳動效率，降低整車功率配置必須多管齊下，共同發(fā)力才能取得顯著效果。而且必須從總體設(shè)計階段開始，全面規(guī)劃整車動力系統(tǒng)，使其具有充分的科學(xué)性，即可以在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)充分利用動力源的輸出功率，在滿足作業(yè)系統(tǒng)動力需求的前提下，根據(jù)耗功份額選擇傳動方式。耗功份額較大的系統(tǒng)，應(yīng)選擇效率較高的傳動方式，在耗功較小的系統(tǒng)里可考慮選擇便于應(yīng)用但效率較低的傳動方式，例如液壓傳動。整車傳動效率最優(yōu)化的途徑主要有以下幾種：

a.優(yōu)化配置底盤發(fā)動機(jī)工作點。參照底盤可選用的發(fā)動機(jī)特性曲線，盡量將發(fā)動機(jī)工作點配置在輸出功率滿足整車需要且處于或接近經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)的工作點上，如圖5所示的1 200～1 800 r/min工作范圍。

b.大功率作業(yè)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)、水泵、油泵）占作業(yè)總功率的75%～80%，是耗功較大的系統(tǒng)，應(yīng)盡量采用傳動效率高的傳動方式，例如機(jī)械傳動，使無用功消耗最小，同時可以兼顧上述系統(tǒng)恒速穩(wěn)定的作業(yè)要求。

c.小功率作業(yè)系統(tǒng)（行駛）占作業(yè)總功率的20%～25%，采用靜液系統(tǒng)（容積調(diào)速的液壓系統(tǒng)），可以實現(xiàn)作業(yè)行駛速度無級可變的要求，同時保證所產(chǎn)生的無用功耗絕對值較小。

d.提高運動副的加工精度和核心部件的裝配精度，降低傳動摩擦發(fā)熱等無謂功耗。

以上多途徑迭代即可使整車無用功耗能最小化，解決專用汽車整車動力量級的認(rèn)知以及總功率需求最小化問題，即為以標(biāo)配發(fā)動機(jī)的普通載貨車底盤為基礎(chǔ)研發(fā)單發(fā)動機(jī)專用車奠定了前提條件。

4 單發(fā)動機(jī)系統(tǒng)動力分配及解耦

實現(xiàn)單發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)的屏障之二是技術(shù)屏障，即單一動力源與多系統(tǒng)動力分配并實現(xiàn)動力解耦的技術(shù)問題，尤其是動力解耦問題，包括解耦方式及其控制和整車融合問題。

確定合理的總體傳動方案并破解某些支系統(tǒng)的動力定比耦合關(guān)系即成為實現(xiàn)整車單發(fā)動機(jī)驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)。為了最大限度地獲得節(jié)能效果，筆者確定了直接從底盤發(fā)動機(jī)全功率取力，經(jīng)過多路分配機(jī)械驅(qū)動主要作業(yè)裝置，如風(fēng)機(jī)、水泵等，保證以最高的傳動效率獲得大功率、恒穩(wěn)定以及精準(zhǔn)速度的動力匹配，對于必須變速運行的支系統(tǒng)采用可從同一動力源獲得動力，同時可實現(xiàn)動力徹底隔離和變比例耦合的傳動方式，即在單一動力源不變的情況下實現(xiàn)某些支系統(tǒng)的變速需求的總體傳動方案，如圖6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，如圖7、圖8所示。液壓解耦即利用流體傳動原理，通過變量泵和馬達(dá)構(gòu)成的閉式靜液系統(tǒng)實現(xiàn)原始動力的變比例耦合甚至變向耦合，從而實現(xiàn)被驅(qū)動對象的變速和換向驅(qū)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(shù)成熟等優(yōu)點而被工程機(jī)械廣泛應(yīng)用。

電動解耦系統(tǒng)由于其功率密度相對較小，體積較大，不易布置安裝，而在專用汽車這種空間較小的場景中難以應(yīng)用。

圖9所示的全功率取力分動箱可以完全替代傳統(tǒng)雙發(fā)動機(jī)專用車的副發(fā)動機(jī)，徹底解決副發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)升級問題，而且由于具有動力解耦功能，可以滿足整車多個系統(tǒng)的不同動力需求，從動力匹配角度看，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)雙發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，使得專用車能耗降低、排放達(dá)標(biāo)、作業(yè)質(zhì)量更優(yōu)、效率更高，是一次具有顯著實效和重大意義的技術(shù)升級。按照本文方法研發(fā)的單發(fā)動機(jī)洗掃車，采用普通載貨車底盤的標(biāo)配發(fā)動機(jī)為整車提供動力，已經(jīng)3年多實踐充分證明這種動力配置完全滿足作業(yè)需要，而且整車經(jīng)濟(jì)性顯著，施工質(zhì)量高、可靠性高、操作方便。

5 結(jié)語

以燃油發(fā)動機(jī)為動力源的專用汽車應(yīng)對排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級已經(jīng)成為必然，這不僅是人類社會保護(hù)生存環(huán)境的需要，也是專用汽車生產(chǎn)企業(yè)立于不敗之地的需要，與其隨著國家排放標(biāo)準(zhǔn)的一次次升級，重復(fù)一次次整改，不如一步到位，一勞永逸。本文介紹的單發(fā)動機(jī)工程專用車動力系統(tǒng)正是應(yīng)對專用汽車發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級的終極解決方案。

除此之外，該方案還可以帶來專用汽車整體性能的全面提升，主要體現(xiàn)在以下：a.該方案科學(xué)、成功地提高了整車傳動效率，將絕大多數(shù)專用汽車的整車功率需求控制在相應(yīng)噸位的普通載貨車底盤的標(biāo)配發(fā)動機(jī)功率范圍之內(nèi)，大大降低了整車能耗，具有顯著的節(jié)省能耗、減少排放效果，而且無需為單發(fā)動機(jī)專用汽車開發(fā)專用底盤。b.該方案實現(xiàn)了單一動力源的多系統(tǒng)動力分配，實現(xiàn)了完全動力解耦，解決了多系統(tǒng)動力的差異化需求，最大限度地滿足了專用汽車多動力系統(tǒng)的精準(zhǔn)匹配，使得該單發(fā)動機(jī)專用車動力系統(tǒng)的匹配質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)雙發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)，可以保證專用汽車各動力系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)，大大提高了專用汽車的作業(yè)質(zhì)量和效率。c.該方案使得作業(yè)工況下的發(fā)動機(jī)穩(wěn)定地處于高效作業(yè)范圍，發(fā)動機(jī)的燃燒狀態(tài)和尾氣處理裝置的中和作用都更加充分，可以在節(jié)省能耗、減少排放的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化排放質(zhì)量。所以，本文介紹的方法不僅僅是“雙碳”戰(zhàn)略背景下應(yīng)對發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)升級的終極解決方案，而且，可以借此機(jī)會實現(xiàn)專用汽車整體性能的飛躍。

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作者簡介：

宋永剛，男，1958年生，教授，研究方向為機(jī)電液一體化。