傳統(tǒng)能源乘用車(chē)節(jié)能技術(shù)分析(中)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會(huì)委員)

現(xiàn)任江蘇省常州外汽豐田汽車(chē)銷(xiāo)售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學(xué)院、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程運(yùn)用系專(zhuān)家委員，高級(jí)技師。

(接2018年第12期)

4.發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)技術(shù)

汽車(chē)行駛在城市道路中，由于城市道路的擁擠以及紅綠燈的限制，使得汽車(chē)怠速工況占行駛工況的很大比例，此時(shí)由于節(jié)氣門(mén)基本處于關(guān)閉位置，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在600～800r/min，因而造成空氣燃油混合霧化不良，這不僅增加了燃油消耗，還加大了溫室氣體的排放(根據(jù)測(cè)試結(jié)果，一般轎車(chē)怠速的平均油耗為每小時(shí)2L，理論上1L汽油完全燃燒可產(chǎn)生CO2約為2.3kg)。隨著歐美日各大汽車(chē)公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停技術(shù)的不斷研究與應(yīng)用，目前這項(xiàng)技術(shù)逐漸走向成熟和完善，并且已經(jīng)在乘用車(chē)上作為標(biāo)準(zhǔn)配置系統(tǒng)得到普及。發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)由高性能蓄電池(閥控式啟停蓄電池AGM，或強(qiáng)化型富液式蓄電池EFB)、蓄電池傳感器、增強(qiáng)型啟動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停ECU、備用增壓轉(zhuǎn)換器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、安全帶鎖扣傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傳感器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、啟動(dòng)/停止系統(tǒng)取消開(kāi)關(guān)、帶電磁閥的油泵(自動(dòng)變速器車(chē)型才有)等組成，怠速啟停系統(tǒng)組成如圖14所示。

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)組成圖

如15圖所示，怠速啟停系統(tǒng)可以在車(chē)輛等待信號(hào)燈或者堵車(chē)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)要繼續(xù)行駛時(shí)，只要踩下離合器踏板或是松開(kāi)制動(dòng)踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)立即重新啟動(dòng)。

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)啟停程序

怠速啟停系統(tǒng)應(yīng)用的啟停蓄電池技術(shù)主要有兩種，EFB增強(qiáng)型富液蓄電池和AGM閥控式鉛酸蓄電池。EFB 電池是在傳統(tǒng)富液電池技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整活性物質(zhì)以及電解液配方，以提高電池深循環(huán)性能。與傳統(tǒng)啟動(dòng)蓄電池相比，其循環(huán)性能提高一倍，冷啟動(dòng)能力提高15%左右。AGM蓄電池與富液蓄電池相比，其結(jié)構(gòu)上有很大改動(dòng)：首先，采用陰極吸附式原理實(shí)現(xiàn)氧復(fù)合，減少了電池失水，做到真正的免維護(hù)；其次采用AGM隔板，不僅使電解液固定在隔板中以防止電解液分層，提高深循環(huán)壽命，同時(shí)AGM隔板具有更低的電阻，有利于提高啟動(dòng)性能；最后采用緊裝配技術(shù)，使極板受到隔板50kPa以上的壓力，以防止活性物質(zhì)軟化脫落，進(jìn)一步提高循環(huán)性能。與傳統(tǒng)啟動(dòng)電池相比，AGM電池的循環(huán)壽命可提高兩倍，冷啟動(dòng)能力提高30%以上。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)采用新型的雙電磁線圈串聯(lián)式啟動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)機(jī)的控制由兩條獨(dú)立回路構(gòu)成，控制互不干擾。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)啟動(dòng)程序被激發(fā)，控制撥叉的電磁線圈電路形成閉合回路，鐵芯磁化帶動(dòng)小齒輪彈出與飛輪齒圈嚙合。同時(shí)控制電機(jī)的電磁線圈回路接通，電機(jī)帶動(dòng)飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)。雙電磁線圈串聯(lián)式啟動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)仍然運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能夠使得小齒輪與齒圈保持嚙合，并且發(fā)動(dòng)機(jī)啟停ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使啟動(dòng)機(jī)分別控制小齒輪的移動(dòng)距離和馬達(dá)通電狀態(tài)，從而提高了啟動(dòng)效率。啟動(dòng)機(jī)工作原理如圖16所示。

圖16 發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)工作原理

為了加快重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度，利用缸內(nèi)直噴技術(shù)的特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)活塞被固定在某一位置，并由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU記錄曲軸轉(zhuǎn)角，在發(fā)動(dòng)機(jī)重啟時(shí)，噴油系統(tǒng)向活塞處于壓縮行程中部旳汽缸進(jìn)行缸內(nèi)直接噴油和點(diǎn)火，利用燃燒產(chǎn)生動(dòng)力，推動(dòng)活塞運(yùn)轉(zhuǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)需啟動(dòng)機(jī)作用下重新快速啟動(dòng)。圖17所示為缸內(nèi)直噴式啟動(dòng)與進(jìn)氣道噴射啟動(dòng)行程對(duì)比。

圖17 缸內(nèi)直噴式啟動(dòng)與進(jìn)氣道噴射啟動(dòng)行程對(duì)比

二、傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)主要是指先進(jìn)的變速器應(yīng)用，它是汽車(chē)動(dòng)力總成核心技術(shù)重要的組成部分。對(duì)傳統(tǒng)能源乘用車(chē)而言，為提高節(jié)能效率，與其配套先進(jìn)的變速器具有更多的擋位、更寬的速比范圍、更高的傳動(dòng)效率。自動(dòng)變速器的種類(lèi)可分為：自動(dòng)變速器(automatic transmission，AT)、機(jī)械式自動(dòng)變速器(a u t o m a t e d m e c h a n i c a l transmission，AMT)、無(wú)級(jí)變速器(continuously variable transmission，CVT)和雙離合自動(dòng)變速器((dual clutch transmission，DCT)。這4種類(lèi)型自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)和工作原理不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)的車(chē)型也不盡相同，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)和難度也有所差別，如圖18所示。

1.變速器節(jié)能原理

變速器對(duì)動(dòng)力的影響，主要反映在排擋的選擇和速比的分配上。從理論上說(shuō)，如果變速器能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)傳動(dòng)或連續(xù)可變傳動(dòng)(CVT)，將使整車(chē)具有最大的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。此時(shí)，汽車(chē)加速踏板踩到底以任何車(chē)速行駛，都可使發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定功率點(diǎn)運(yùn)行。因此無(wú)論扭矩、車(chē)速以及總后備功率都會(huì)達(dá)到最高值。

圖19 所示為汽車(chē)有級(jí)及無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)的力與功率平衡圖。圖19(a)中有級(jí)變速傳動(dòng)最低擋的最大驅(qū)動(dòng)力點(diǎn)為a，而相同車(chē)速無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)時(shí)為b，有Ftb＞Fta；有級(jí)傳動(dòng)最高擋的最大車(chē)速點(diǎn)為c，無(wú)級(jí)傳動(dòng)時(shí)為d，有ud＞uc，。圖19(b)中車(chē)速由ua加速到uc時(shí)，有級(jí)變速傳動(dòng)的總后備功率積分面積為圖上剖面線所示面積，而無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)時(shí)的面積為圖示ecgbc，顯然后者大于前者。實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)也會(huì)獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)椋?chē)每一個(gè)工況(由車(chē)速和驅(qū)動(dòng)力確定)都要消耗確定的驅(qū)動(dòng)功率，即要求發(fā)動(dòng)機(jī)輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)的功率。如果能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)(CVT)，就可以選擇在該等功率線上的最低燃油消耗率的點(diǎn)來(lái)配套，以實(shí)現(xiàn)整車(chē)的最佳燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖19 汽車(chē)有級(jí)及無(wú)級(jí)傳動(dòng)與功率平衡圖

如圖20所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的等功率線是圖中虛線所示的雙曲線族，各線的最低燃油消耗率點(diǎn)(圖20中顯示的黑點(diǎn))為該等功率線與等燃油消耗率線的切點(diǎn)，于是，這些切點(diǎn)的連線就是無(wú)級(jí)傳動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行線(圖中黑點(diǎn)線所示)。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)傳動(dòng)，無(wú)論是整車(chē)的動(dòng)力性還是燃油經(jīng)濟(jì)性都能達(dá)到最優(yōu)。

2.新型“Direct Shift-CVT”直接變速無(wú)級(jí)變速器

CVT的優(yōu)勢(shì)在于變速比可做到無(wú)縫調(diào)節(jié)，相比AT、AMT和DCT變速器升降擋沒(méi)有絲毫的頓挫感，而且，CVT速比的范圍越廣，可以更好地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)間或者高動(dòng)力輸出區(qū)間，達(dá)到省油和提高動(dòng)力的目的。現(xiàn)行的CVT都采用壓力鋼帶的方式傳遞動(dòng)力。通過(guò)改變鋼帶輪間距，更改壓力鋼帶的旋轉(zhuǎn)半徑，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛變速行駛。但是CVT也有自身的缺陷，由于采用鋼帶連接傳動(dòng)，當(dāng)變速器工作時(shí)，鋼帶和鋼帶輪間產(chǎn)生摩擦力有限。如果發(fā)動(dòng)機(jī)輸出大扭矩做功時(shí)，例如車(chē)輛起步或低速大負(fù)荷工況，傳動(dòng)鋼帶會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞而打滑，甚至?xí)l(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，因此，在設(shè)計(jì)上添加了急踩加速踏板限制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的功能，從而導(dǎo)致車(chē)輛瞬間動(dòng)力反應(yīng)遲滯，這也是造成現(xiàn)行的CVT一直很難和大扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)的配套的原因。為了解決這一短板，豐田汽車(chē)公司在“豐田全新全球體系構(gòu)架(TNGA)”下，創(chuàng)新研制了全球第一臺(tái)“Direct Shift-CVT”(直接變速無(wú)級(jí)變速器)，在變速鋼帶輪旁邊并聯(lián)增加一組齒輪，負(fù)責(zé)車(chē)輛起步和低速大負(fù)荷的變速傳動(dòng)，“Direct Shift-CVT”變速器組成如圖21所示。圖22所示為變速模式切換示意圖。“Direct Shift-CVT”無(wú)級(jí)變速器具有四大技術(shù)特點(diǎn)，如圖23所示。

增加起步齒輪傳動(dòng)后，傳動(dòng)比從現(xiàn)行CVT的 6.5擴(kuò)大到7.5，提高了車(chē)輛起步響應(yīng)性和加速持續(xù)感，如圖24所示。而鋼帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比減小到5，鋼帶傳動(dòng)更好地向高效率區(qū)移動(dòng)，變速速度提高了20%，燃油經(jīng)濟(jì)性提高6%。“Direct Shift-CVT”無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)路線和扭矩流如圖25、圖26所示。目前“Direct Shift-CVT”無(wú)級(jí)變速器已經(jīng)在國(guó)產(chǎn)豐田乘用車(chē)上配套。

圖23 “Direct Shift-CVT”無(wú)級(jí)變速器四大技術(shù)特點(diǎn)

圖24 “Direct Shift-CVT”無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)比優(yōu)化匹配效果

圖25 “Direct Shift-CVT”無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)路線

圖26 “Direct Shift-CVT”無(wú)級(jí)變速器扭矩流傳遞