汽車發動機節能緩速系統研究

陳紅 莫嘉林 郭繼崇

摘 要：應用汽車發動機節能緩速系統的目的是為了使汽車發動機也可成為汽車緩速器，該系統采用斷油滑行技術、可變排氣門技術，使汽車發動機在掛擋滑行時，可根據駕駛員的設定、適時地停止向發動機供給燃油，并使放氣搖臂與排氣門搖臂連結在一起搖動，從而使排氣門搖臂既服從排氣凸輪的驅動，也服從放氣凸輪的驅動，既在排氣行程開啟排氣門，也在活塞接近壓縮上止點時開啟排氣門、放出已消耗了汽車慣性動能的壓縮空氣，隨后在做功沖程開始不久就關閉排氣門，使活塞在做功沖程繼續運動的同時也產生負壓以增加活塞的運動阻力，使此時的發動機變成空氣壓縮機，通過壓縮空氣來消耗汽車的慣性運動能量。

關鍵詞：汽車；發動機；節能；緩速系統 ；可變配氣相位；可變氣門；斷油滑行

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.06.012

0 引言

目前，重型汽車使用的緩速效率較高的緩速系統有液力緩速系統和發動機壓縮式緩速系統。液力緩速系統存在結構較復雜，質量重，體積大，制造技術和精度要求較高，最大緩速效率受發動機冷卻系統散熱能力的限制，接合和分離有時間滯后，不工作時會消耗部分發動機功率，低車速時緩速效率趨于零等缺點。目前，應用的發動機壓縮式緩速系統仍存在著結構較復雜，質量偏重、體積偏大、制造技術和精度要求較高、放氣時刻精度不足、進入發動機壓縮式緩速狀態瞬間產生的沖擊偏大等缺點。上述兩系統都沒有獨立的斷油滑行功能，轉為緩速滑行時需要駕駛員進行另外的操作。而汽車發動機節能緩速系統具有放氣時刻更精準及更高的緩速效果、結構更簡單、零件加工和裝配精度要求更低、進入發動機壓縮式緩速狀態反應更柔和、更節能，還具有獨立的斷油滑行功能，各工況轉變時無需改變駕駛操作習慣等優點。

1 液力緩速系統的結構和工作原理

以下結合圖1對液力緩速系統作簡單介紹：

該系統將車輛的慣性能量通過液體阻力轉換為熱能，再由發動機的散熱系統散發到大氣中，以達到降低車速的目的。其轉子葉輪通過緩速器驅動軸連接到傳動軸上，而定子葉輪固定在緩速器殼體上。汽車下坡時，啟用緩速系統，發動機同時停止燃油供給，壓縮空氣或油泵將液壓油輸入轉子和定子之間，液壓油通過定子對轉子產生一定的阻力而形成制動力矩，并產生熱能。液壓油中的熱量由熱交換器傳給發動機冷卻液再通過發動機的冷卻系統散掉。其緩速效率受制于發動機的冷卻系統的散熱能力。

2 發動機壓縮式緩速系統工作原理

以下結合圖2對發動機壓縮式緩速系統的工作原理作簡單介紹：該系統通過改變發動機排氣門的配氣相位使車輛減速。從本質上講，就是將產生能量的柴油發動機變成了吸收能量的空氣壓縮機，從而實現發動機制動。當緩速器激活工作時，發動機排氣門會在壓縮沖程接近上止點附近被打開，壓縮沖程中形成的高壓氣體會被排放出發動機氣缸。這樣，大部分壓縮氣體吸收的能量會被排放掉，僅有一小部分的殘余能量推動發動機活塞回位。車輛下坡的沖量會不停的通過發動機壓縮—釋放的動作耗散，最終使車輛減速。

發動機壓縮式緩速系統啟動工作：如果電源開關處于接通位置，并且發動機電子控制設備確定應該進行發動機制動，則發動機制動電磁閥的電壓供給會準備就緒，以備隨時啟動制動裝置。

當駕駛員松開油門踏板且離合器處于接合狀態時，發動機制動電磁閥立即施加了電壓，電磁閥通電后，閥門開啟，發動機油流入控制閥，控制閥受壓上移，且其內部球形閥門離開閥座，這樣機油便流入高壓回路。主動活塞受到壓力作用，開始向外移動，接觸搖臂（如圖3所示），凸輪軸旋轉使搖桿上升，壓迫主活塞回到殼體內，這樣制動器中的油被壓回控制閥，使球形閥門回到閥座，在裝置內形成了液壓鎖止。現在主副活塞之間形成了密封的液壓通路，如圖4所示。因此隨著主活塞的運動，副活塞將做出同步響應。其配氣相位改變原理（如圖3、4所示）。

停止工作：一旦駕駛員踩下離合器踏板或踩下油門踩板，電磁閥的電壓立即中斷，供油壓力的下降，使得控制閥的內彈簧足以將其頂回原位，主副回路中的剩余機油隨即被壓出，在沒有油壓的情況下，制動器的活塞將離開搖桿和閥門，至此制動器停用，停用的過程瞬間完成。

3 汽車發動機節能緩速系統

3.1 工作原理

如圖2所示，汽車發動機節能緩速系統工作原理與發動機壓縮式緩速系統的工作原理基本相同，只是汽車發動機節能緩速系統通過采用放氣時刻更精準的放氣凸輪參與驅動發動機排氣門，從而改變排氣門的配氣相位使發動機變成空壓機。當緩速器激活工作時，發動機排氣門會在壓縮沖程上止點附近開啟。這樣，壓縮氣體吸收的能量會被排放掉，接著在做功行程后不久，排氣門關閉，使燃燒室產生真空負壓阻力又進一步消耗汽車的慣性動能。車輛的慣性動能會不停地通過發動機壓縮—釋放—抽真空的動作耗散。

如圖5、6、7所示[1]，汽車發動機節能緩速系統不工作時：

緩速控制電路（31）斷開電磁閥線圈（30）和電動機油泵（33）的電源電路，電動機油泵（33）沒有將機油泵入機油管（32），閥芯（29）在閥芯復位彈簧（28）的作用下處于使電磁閥（27）的A接口和B接口連通狀態的位置，此時機油管（32）內的機油通過B接口回流到發動機油底殼，因而沒有油壓作用在正時活塞（10）上，阻擋活塞（18）在復位彈簧（17）的作用下將第二同步活塞（14）攔截在阻擋活塞孔（20）之外，與此同時，第二同步活塞（14）也將第一同步活塞（11）攔截在第二同步活塞孔（25）之外；此時，第一排氣門搖臂（5）、第二排氣門搖臂（7）在各自對應凸輪的驅動下搖動，同時在第一定位飄臺（13）和第二定位飄臺（15）的作用下，也使放氣搖臂（6）隨同搖動，從而使第一同步活塞孔（21）、第二同步活塞孔（25）和阻擋活塞孔（20）的中心線重合；而放氣搖臂（6）可在放氣凸輪（3）的驅動下獨自搖動。汽車發動機節能緩速系統工作時：緩速控制電路（31）接通電磁閥線圈（30）和電動機油泵（33）的電源電路，第一同步活塞（11）部分進入第二同步活塞孔（25），第二同步活塞（14）部分進入阻擋活塞孔（20）， 第一排氣門搖臂（5）和第二排氣門搖臂（7）及放氣搖臂（6）聯結一體后，既受排氣凸輪驅動在排氣沖程打開排氣門，也受放氣凸輪（2）驅動在壓縮沖程終了時打開排氣門。

3.2 緩速控制電路工作原理

圖8是汽車發動機節能緩速系統的緩速控制電路圖，以下結合圖8對緩速控制電路的各種設定下的隨機工況作進一步的說明：

3.2.1 設定1

緩速控制電路隔離開關（33）緩速裝置電源開關（34）處于斷開狀態、同時噴油器電源開關（37）處于閉合狀態時：緩速器（38）（注：即圖6的電動機油泵（33）和電磁閥（27））處于斷電不工作狀態，汽車只有強制怠速緩速模式。

3.2.2 設定2

緩速控制電路隔離開關（33）緩速裝置電源觸點（34）處于閉合狀態、同時噴油器電源觸點（37）處于斷開狀態，緩速選擇開關（27）處于斷開狀態，手控緩速開關（26）A觸點、B觸點都處于斷開狀態，無怠速行車選擇開關（6）處于斷開狀態時：緩速器（38）處于斷電不工作狀態。

3.2.2.1 隨機工況1

掛擋行車時，當駕駛員同時不踩油門踏板、離合器踏板，則油門踏板開關（11）和離合器踏板開關（18）處于同時閉合狀態，導致第三三極管（10）的基極的觸發電流被短路，從而沒有電流通過第三三極管（10）向噴油器組（19）供電；車輛進入發動機斷油空轉緩速模式。

3.2.2.2 隨機工況2

空擋時，空擋燈開關（1）處于閉合狀態，第一三極管（3）向噴油器組（19）供電。

3.2.3 設定3

緩速控制電路隔離開關（33）緩速裝置電源觸點（34）處于閉合狀態、同時噴油器電源開觸點（37）處于斷開狀態，緩速選擇開關（27）處于閉合狀態，手控緩速開關（26）A觸點、B觸點都處于斷開狀態，無怠速行車選擇開關（6）處于斷開狀態時：

3.2.3.1 隨機工況3

掛擋行車時，當駕駛員同時不踩油門踏板、離合器踏板，則沒有電流通過第三三極管（10）向噴油器組（19）供電；車輛進入發動機斷油空轉緩速模式。

3.2.3.2 隨機工況4

如駕駛員繼續深踩下制動踏板使制動踏板緩速開關（20）閉合，則第四三極管（30）、第五三極管（36）、第六三極管（29）同時導通，此時，電流便從電源正極通過第四三極管（30）、第五三極管（36）、第六三極管（29）、常開繼電器（28）的線圈、緩速選擇開關（27）、制動踏板緩速開關（20）搭鐵、觸點閉合，緩速器（38）通電工作使發動機產生壓縮式緩速作用；車輛進入發動機壓縮式緩速模式。

3.2.3.3 隨機工況5

只要駕駛員踩下離合器踏板，使離合器踏板開關（18）斷開，第五三極管（36）隨即不導通、常開繼電器（28）線圈隨即斷電、觸點斷開，緩速器（38）隨即斷電停止工作并使發動機不再產生壓縮式緩速作用，同時，第三三極管（10）導通向噴油器組（19）供電。

3.2.3.4 隨機工況6

只要掛入空擋，空擋燈開關（1）隨即閉合，第四三極管（30）的觸發電流被短路，第四三極管（30）隨即不導通，常開繼電器（28）線圈隨即斷電、觸點斷開，緩速器（38）隨即斷電不工作并使發動機不再產生壓縮式緩速作用，同時，第一三極管（3）導通向噴油器組（19）供電。

3.2.4 設定4

緩速控制電路隔離開關（33）緩速裝置電源開關（34）處于閉合狀態、同時噴油器電源開關（37）處于斷開狀態，緩速選擇開關（27）處于閉合狀態，手控緩速開關（26）A觸點、B觸點處于閉合狀態時：無怠速行車選擇開關（6）不起作用。

3.2.4.1 隨機工況7

掛擋行車時，當駕駛員同時不踩油門踏板、離合器踏板，那么油門踏板開關（11）和離合器踏板開關（18）則處于同時閉合狀態，第三三極管（10）的觸發電流被短路，從而沒有電流通過第三三極管（10）向噴油器（21）供電。同時，第四三極管（30）、第五三極管（36）、第六三極管（29）導通，此時，電流便從電源正極通過第四三極管（30）、第五三極管（36）、第六三極管（29）、常開繼電器（28）的線圈、緩速選擇開關（27）、手控緩速開關（26）A觸點搭鐵、觸點閉合，緩速器（38）隨即通電工作使發動機產生壓縮式緩速作用；車輛進入發動機壓縮式緩速模式。

3.2.4.2 隨機工況8

當駕駛員踩下油門踏板，使油門踏板開關（11）斷開，第六三極管（29）隨即不導通、常開繼電器（28）線圈隨即斷電、觸點斷開、緩速器（38）隨即斷電停止工作并使發動機不再產生壓縮式緩速作用，同時，第三三極管（10）導通向噴油器組（19）供電。

3.2.4.3 隨機工況9

只要駕駛員踩下離合器踏板，則發動機不再產生壓縮式緩速作用，同時，第三三極管（10）導通向噴油器組（19）供電。

3.2.4.4 隨機工況10

只要掛入空擋，則第一三極管（3）導通向噴油器組（19）供電。

3.2.5 設定5

緩速控制電路隔離開關（33）、緩速裝置電源觸點（34）處于閉合狀態，同時噴油器電源觸點（37）處于斷開狀態，緩速選擇開關（27）處于閉合狀態，手控緩速開關（26）A觸點、B觸點處于斷開狀態，無怠速行車選擇開關（6）處于閉合狀態時：

3.2.5.1 隨機工況11

掛擋行車時，當駕駛員同時不踩油門踏極、離合器踏板，則油門踏板開關（11）和離合器踏板開關（18）處于同時閉合狀態，此時，由第二三極管（7）向噴油器組（19）供電；車輛進入強制怠速緩速模式。

3.2.5.2 隨機工況12

如駕駛員繼續輕踩制動踏板，使制動燈開關（22）閉合，則第二三極管（7）的觸發電流被短路，從而沒有電流通過第二三極管（7）向噴油器組（19）供電；車輛進入發動機斷油空轉緩速模式。

3.2.5.3 隨機工況13

如駕駛員繼續深踩下制動踏板，則進入發動機壓縮式緩速模式。

3.2.5.4 隨機工況14

當駕駛員踩下離合器踏板，則第三三極管（10）導通向噴油器組（19）供電。

3.2.5.5 隨機工況15

只要掛入空擋，則第一三極管（3）導通向噴油器組（19）供電。

3.2.6 設定6

緩速控制電路隔離開關（33）、緩速裝置電源觸點（34）處于閉合狀態，同時噴油器電源觸點（37）處于斷開狀態，緩速選擇開關（27）處于斷開狀態、手控緩速開關（26）A觸點、B觸點處于斷開狀態、無怠速行車選擇開關（6）處于閉合狀態時：

3.2.6.1 隨機工況16

掛擋行車時，當駕駛員同時不踩油門踏極、離合器踏板，則車輛進入強制怠速緩速模式。

3.2.6.2 隨機工況17

如駕駛員繼續輕踩制動踏板，則車輛進入發動機斷油空轉緩速模式。

3.2.6.3 隨機工況18

車輛空擋時，則第一三極管（3）向噴油器組（19）供電。

4 結論

汽車發動機節能緩速系統相對于目前正在應用的同類型發動機壓縮式緩速系統而言，具有節能、高制動功率密度、高穩定性、高集成性且不需要另外的保養和調整、在不改變正常駕駛習慣的情況下，可依次實現發動機強制怠速緩速模式、發動機斷油空轉緩速模式、發動機壓縮式緩速模式；且各模式還可根據駕駛員踩踏制動踏板的深度隨意轉換、停留，有效地使汽車運行油耗自然下降等優點。

5 結束語

汽車發動機節能緩速系統可大幅提高車輛下坡速度，提升運輸效率，更省油，極大地降低制動片及輪胎磨損，對發動機及增壓器無任何損壞。該系統是作者根據汽車運行規律，運用汽車發動機及傳動系統的各種工作原理[2]，經多年的深入研究而開發出來的。本文所述的并不一定是最好的發動機壓縮式緩速技術，只希望通過所撰論文的發表能給予同行的科研人員一個啟示，以便使汽車緩速技術有更多的改進。

參考文獻：

[1]陳紅，莫嘉林.汽車發動機壓縮式制動緩速系統：中國，201520604964.7[P].2015-05-11.

[2]閆大建.汽車發動機原理與汽車理論[M].北京：國防工業也版社，2008.