農用運輸車停缸節油裝置的試驗分析

連 萌 ，鄧自清 ，牛剛學 ，李保謙

(1.黃河水利職業技術學院，河南 開封 475004；2.駐馬店技師學院，河南 駐馬店 463000；3.開封億諾泰科技有限公司，河南 開封 475004；4.河南農業大學 機電工程學院，鄭州 450002)

0 引言

農用運輸車輛是專為農業運輸設計的汽車，在我國已發展出為農、林、牧、漁業用的專用車輛，能顯著提高運輸效益，具有成本低廉、工作可靠性高的優點。隨著農業生產和農村經濟的發展，農民生活中發生的勞動量50%是靠運輸完成的，農用運輸車輛也越來越多地進入到農村家庭。和普通汽車一樣，農用運輸車輛也是以汽油或柴油為燃料，嚴重污染著環境。尾氣排放的污染是當今大氣污染的一個重要因素，被越來越多的人所關注。

車輛發動機工作時會產生大量的溫室氣體，對環境和人體造成很大危害；工業的高速發展對石化燃料的依賴度高，在資源方面也產生很大壓力。從節能環保角度出發，汽車的發展需要降低二氧化碳的排放，減少汽車的燃油消耗，減少對石化燃料的依賴。在眾多節能減排技術中，停缸斷油技術是一項行之有效的措施[1]。此技術是指在發動機小負荷運行的工況下，由于燃油經濟性不好，故采用一定的辦法使一部分氣缸停止工作，而剩余的氣缸工作在中等負荷工況下，改善了燃油經濟性，從而降低燃油消耗[2]。

1 停缸節油裝置結構及原理

現有的停缸斷油技術的原理基本相同，都是停止驅動氣門來切斷發動機動力輸出，同時切斷相應缸的供油使其停止工作，但主要區別在于控制氣門停止工作的方式及關鍵機構[3]。現有的控制氣門停止工作方式，在氣門停止工作時氣門處于關閉狀態(即閉缸控制)，需要改變原有發動機結構，結構復雜，成本較高，只有高檔豪華轎車才能配備[4]。

1.1 停缸節油裝置的結構

出于農用車輛節能減排的需求，充分考慮農用車輛低成本的特點，提出一種適用于農用運輸車輛的停缸斷油控制方案。該控制方案由氣門控制執行機構與軟件控制模塊構成。氣門控制執行機構由墊塊、壓板、電磁鐵及程序控制集成模塊組成，如圖1所示。

1.氣缸蓋 2.氣門 3搖臂 4.搖臂座 5.墊塊 6.壓板 7.電磁鐵 8.蓄電池 9.控制器圖1 停缸節油裝置氣門控制執行機構結構示意圖

電磁鐵固定在壓板上，壓板通過螺栓連接安裝于搖臂座上，壓板的一部分伸出在搖臂上方，但不影響搖臂的正常運動；電磁鐵動鐵芯末端安裝一墊塊，當搖臂一端壓下氣門時，搖臂這一端上方與壓板之間產生空間，電磁鐵驅動墊塊移動到壓板與搖臂之間；由于墊塊的作用，氣門達不到關閉位置，氣門將一直處于開啟狀態，即發動機失去對該氣門的控制；需要恢復對氣門控制時，只需等到搖臂一端再次壓下氣門時氣門彈簧被向下壓緊，搖臂上方對墊塊的壓緊力消失，電磁鐵驅動墊塊收回即可。

1.2 停缸節油裝置的工作原理

當氣門被搖臂壓下時，搖臂上方出現空間，由控制器控制電磁鐵驅動墊塊插入搖臂上方空間，使氣門和搖臂無法復位而造成氣門一直處于開啟狀態。此時，控制器控制噴油閥停止噴油、排氣管蝶閥裝置關閉、排氣歧管蝶閥裝置開啟，即該缸處于停缸斷油狀態。停缸節油裝置工作原理如圖2所示。

1.缸蓋 2.噴油閥 3.控制器 4.電磁鐵 5.壓板 6.墊塊 7.氣門 8.排氣管 9.排氣管蝶閥裝置 10.排氣歧管 11.排氣總管 12.氧傳感器 13.三元催化器 14.排氣歧管蝶閥裝置 15.消音器

排氣歧管結構的設計需要考慮因停缸斷油造成的三元催化器不能正常工作的問題。由于本方案是開缸控制的停缸斷油，排氣門在停缸時一直處于開啟狀態，而進氣門仍按原來的控制方式在工作，故新鮮空氣會通過進氣門進入氣缸而排入排氣管，和正常工作氣缸內的燃燒后氣體混合，這些混合氣體中氧氣含量是高于普通燃燒尾氣的，這將影響三元催化器的工作。排氣歧管結構可以使被吸入氣缸內的新鮮空氣直接通過排氣歧管排入消音器內，而正常工作氣缸內的燃燒尾氣仍通過三元催化器處理后排入消音器，既不影響燃燒尾氣的處理，又不干擾尾氣處理裝置的正常工作。該控制方案的具體流程如圖3所示。

2 停缸節油裝置的試驗分析

為了驗證該節油裝置的實際工作效果，在一臺車輛上加裝本裝置，并進行了油耗和排放試驗，如圖4所示。

圖3 停缸斷油程序控制流程圖

圖4 本裝置在車輛上的安裝

2.1 材料與設備

試驗燃料為93#無鉛汽油；試驗車輛已行駛里程12 580km，車輛技術狀況良好，整車質量為1 555kg，輪胎型號為205/55R1691H，輪胎氣壓210kPa；車輛發動機為多點噴射點燃式4缸發動機，自然吸氣進氣方式，怠速轉速750±50，設計最高車速210km/h；測試使用的底盤測功機型號為TLDCG-2000；尾氣的排放由南華NHA-506汽車排放氣體測試儀和廣東艾尼森汽車排氣流量分析儀ML-100進行測試。

2.2 試驗方法

本停缸節油裝置主要工作在中小負荷狀態，故按照GB/T19233-2008輕型汽車燃料消耗量試驗方法的規定，模擬車輛在市區和市郊工況循環下的二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和碳氫化合物(HC)的排放量，采用碳當量法對試驗車輛在正常四缸工作狀態與兩缸停缸斷油工作狀態下的燃料消耗情況進行測試和計算。

測試前，車輛置于溫度為20～30℃的房間內6h以上，以確保車輛發動機的潤滑油和冷卻液溫度與室溫溫差在±2℃之內。試驗期間，車輛正常行駛所需的輔助設備均處于運行狀態。

試驗持續時間約為19min40s，試驗循環由市區行駛和市郊行駛兩部分組成，且連續進行。市區行駛部分試驗由4個循環子部組成，每個循環子部又由怠速、加速、減速、勻速等15個工況組成。市區行駛部分的平均車速為19km/h，行駛時間約為195s，每個循環子部的模擬行駛距離為1.0km，具體運行情況如表1所示。市郊行駛部分由怠速、加速、勻速及減速等13個工況組成[5-6]，平均車速為60km/h，行駛時間約為400s，試驗的模擬行駛距離為7km，具體運行情況如表2所示。

加速、等速工況及利用制動器進行減速時被測車輛的速度與理論車速允許存在±2km/h的誤差。

車輛排放的尾氣經過采集、稀釋后，可以算出污染物排放的質量。

表1 市區行駛部分的運行工況

續表1

表2 市郊行駛部分運行情況

續表2

在試驗過程中，從排放氣體中取出一部分使用排放氣體測試儀檢測HC、CO、CO2、NO等氣體污染物的濃度，另外一部分氣體與空氣混合稀釋后，由汽車排氣流量分析儀進行測試和分析。

車輛尾氣中排放污染物的質量可以通過式(1)進行計算[7-8]，即

(1)

式中m—污染物的質量排放(g/km)；

ρ1—尾氣的密度(kg/m3)；

Q—排放氣體流量(m3/min)；

C—污染物濃度(%)；

v—被測車輛平均速度(km/h)。

其中，污染物濃度指HC、CO、CO2、NO等氣體污染物的濃度，由排放氣體測試儀測得。式(1)中的排放氣體流量由式(2)計算得到

Q=Q1·α

(2)

式中Q1—稀釋氣體流量(m3/min)；

a—稀釋比(%)。

在(2)式中，稀釋氣體流量可以由車輛排氣流量分析儀得到。稀釋比可用式(3)進行計算，即

(3)

式中CO—大氣中氧氣濃度(%)；

C1—稀釋后氧氣濃度(%)；

C2—原排放氣體中氧氣的濃度(%)。

測試過程中，用車輛排氣流量分析儀中的鋯氧氣傳感器來測量稀釋氣體的氧氣濃度變化，以及開始時空氣中的氧氣濃度；然后與排放氣體測試儀中測得的氧氣濃度進行比較,即可計算稀釋比。

燃油量的消耗可按式(4)計算，即

0.273×CO2]

(4)

式中FC—燃料消耗量(L/100km)；

HC—測得的碳氫排放量(g/km)；

CO—測得的一氧化碳排放量(g/km)；

CO2—測得的二氧化碳排放量(g/km)；

ρ—15℃時試驗燃料的密度(kg/m3)。

2.3 結果與分析

按照上述試驗方法，分別對同一臺試驗車輛進行了四缸正常運行、兩缸停缸蝶閥不工作與兩缸停缸蝶閥工作3種情況下的油耗及排放測試，試驗結果如表3所示。

表3 油耗及排放試驗結果

由表3可以看出：加裝該裝置后，同一輛車的百公里油耗由8.1降低至6.0，節油達到25%，節油效果明顯；在排放方面，CO明顯下降，HC和CO2略有下降，但NOx含量有大幅提高，使用排氣管蝶閥裝置后NOx排放得到改善。

發動機在小負荷工況下運轉時，節氣門的開度很小，節氣門對氣體的節流作用增大，因此換氣時能量損失增加，從而造成發動機機械效率的下降。同時，由于進入氣缸內混合氣數量減少以及殘留的廢氣比例增加，造成燃燒環境惡化，為了保證燃燒的穩定，需要為發動機提供過濃的燃油混合氣，因此燃油消耗將顯著提升，發動機的經濟性會變差。如果在小負荷時使部分氣缸停止工作，還要維持發動機的穩定工作，那么仍然工作的氣缸將在中等負荷工況下運行，節氣門開度中等，提供稀混合氣即可維持發動機的正常燃燒和做功，燃油經濟性最好。停止工作的氣缸由于氣門一直處于開啟狀態，該缸不再存在壓縮行程，缸內氣體的壓力變化范圍減小，因此機械摩擦帶來的能量損失也將減少，經濟性提高。

NOx較高的原因是因為現在汽車上為控制排放，安裝有三元催化器。三元催化器的氧傳感器獲取廢氣中的氧氣濃度信號傳遞給ECU，將發動機的空燃比控制在一個很小且接近于理想的區域內。停缸斷油時，部分新鮮空氣通過不工作的氣缸由排氣管排出，氧傳感器接受到的濃度信息受到干擾，信號出現偏差，導致發動機的空燃比失控，排氣狀況惡化。所以，在使用排氣管蝶閥裝置后NOx明顯降低，但仍然高于國五排放標準的。

改進后的NOx仍然較高是因為試驗用車采用的是電噴發動機，會通過對發動機點火、噴油、空氣與燃油的比率、排放廢氣等進行優化控制，使發動機工作在最佳工況。但在停缸斷油期間，只有部分氣缸處于工作狀態，而不工作氣缸的進氣門仍然按照配氣相位在工作，所以新鮮空氣仍然要進入缸內，通過節氣門的空氣流量與未采用停缸斷油時相差不大；而部分工作氣缸燃燒時所需的空氣量與節氣門處流過的空氣量是不對等的，ECU會因為較大的空氣流量提供較多的燃油，供油量的增加提高了燃燒的最高溫度，從而導致NOx的增加。如果對停缸斷油期間ECU關于空燃比的參數進行設定，應該有利于控制NOx的排放。

3 結論

本控制方案提出了一種適用于農用車輛的停缸節油控制方案，達到了節能減排的目的。采用本控制方案實現發動機停缸斷油，可以不改變現有發動機的結構，直接在現有發動機上直接安裝，成本低，適應農用車輛低成本的需求。按照GB/T19233-2008輕型汽車燃料消耗量試驗方法對加裝該停缸節油裝置的車輛進行了排放和油耗測試，通過檢測發現：加裝該裝置后比加裝前節油25%左右，HC、CO、CO2排放均有所下降，但NOx有較大上升，通過排氣管蝶閥控制裝置可明顯控制NOx的上升。該裝置的加裝能夠實現車輛中、小負荷下的油耗的降低且能滿足排放要求，適合在農用車輛上推廣應用。

參考文獻：

[1] 楊妙梁.可變排量發動機技術的發展[J].汽車與配件,2008(18):32-35.

[2] 張登攀,袁銀楠.車用汽油機的停缸節油技術[J].小型內燃機與摩托車,2007,36(6):89-93.

[3] 班立權,郜永濤.內燃機車柴油機停缸節油技術設計研究[J].內燃機,2014(1):48-51.

[4] 俞曉璇,常思勤.基于電磁驅動氣門的發動機停缸技術研究[J].車用發動機,2011(2):29-32.

[5] 紀亮,袁盈.我國機動車排放標準的大氣污染物減排效果研究[J].環境工程技術學報,2011,5(3):237-242.

[6] 方茂東.基于碳平衡法的汽車油耗測量方法[J].汽車工程,2003,25(3):295-297.

[7] 賀新.汽車油耗的測量與計算研究及其進展[J].北京工商大學學報,2007,25(1):32-37.

[8] 付百學.汽車油耗檢測方法研究[J].黑龍江工程學院學報,2010,24(2):4-7.