汽车发动机节能缓速系统研究

陈红 莫嘉林 郭继崇

摘 要：应用汽车发动机节能缓速系统的目的是为了使汽车发动机也可成为汽车缓速器，该系统采用断油滑行技术、可变排气门技术，使汽车发动机在挂挡滑行时，可根据驾驶员的设定、适时地停止向发动机供给燃油，并使放气摇臂与排气门摇臂连结在一起摇动，从而使排气门摇臂既服从排气凸轮的驱动，也服从放气凸轮的驱动，既在排气行程开启排气门，也在活塞接近压缩上止点时开启排气门、放出已消耗了汽车惯性动能的压缩空气，随后在做功冲程开始不久就关闭排气门，使活塞在做功冲程继续运动的同时也产生负压以增加活塞的运动阻力，使此时的发动机变成空气压缩机，通过压缩空气来消耗汽车的惯性运动能量。

关键词：汽车；发动机；节能；缓速系统 ；可变配气相位；可变气门；断油滑行

中图分类号：U464 文献标识码：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.06.012

0 引言

目前，重型汽车使用的缓速效率较高的缓速系统有液力缓速系统和发动机压缩式缓速系统。液力缓速系统存在结构较复杂，质量重，体积大，制造技术和精度要求较高，最大缓速效率受发动机冷却系统散热能力的限制，接合和分离有时间滞后，不工作时会消耗部分发动机功率，低车速时缓速效率趋于零等缺点。目前，应用的发动机压缩式缓速系统仍存在着结构较复杂，质量偏重、体积偏大、制造技术和精度要求较高、放气时刻精度不足、进入发动机压缩式缓速状态瞬间产生的冲击偏大等缺点。上述两系统都没有独立的断油滑行功能，转为缓速滑行时需要驾驶员进行另外的操作。而汽车发动机节能缓速系统具有放气时刻更精准及更高的缓速效果、结构更简单、零件加工和装配精度要求更低、进入发动机压缩式缓速状态反应更柔和、更节能，还具有独立的断油滑行功能，各工况转变时无需改变驾驶操作习惯等优点。

1 液力缓速系统的结构和工作原理

以下结合图1对液力缓速系统作简单介绍：

该系统将车辆的惯性能量通过液体阻力转换为热能，再由发动机的散热系统散发到大气中，以达到降低车速的目的。其转子叶轮通过缓速器驱动轴连接到传动轴上，而定子叶轮固定在缓速器壳体上。汽车下坡时，启用缓速系统，发动机同时停止燃油供给，压缩空气或油泵将液压油输入转子和定子之间，液压油通过定子对转子产生一定的阻力而形成制动力矩，并产生热能。液压油中的热量由热交换器传给发动机冷却液再通过发动机的冷却系统散掉。其缓速效率受制于发动机的冷却系统的散热能力。

2 发动机压缩式缓速系统工作原理

以下结合图2对发动机压缩式缓速系统的工作原理作简单介绍：该系统通过改变发动机排气门的配气相位使车辆减速。从本质上讲，就是将产生能量的柴油发动机变成了吸收能量的空气压缩机，从而实现发动机制动。当缓速器激活工作时，发动机排气门会在压缩冲程接近上止点附近被打开，压缩冲程中形成的高压气体会被排放出发动机气缸。这样，大部分压缩气体吸收的能量会被排放掉，仅有一小部分的残余能量推动发动机活塞回位。车辆下坡的冲量会不停的通过发动机压缩—释放的动作耗散，最终使车辆减速。

发动机压缩式缓速系统启动工作：如果电源开关处于接通位置，并且发动机电子控制设备确定应该进行发动机制动，则发动机制动电磁阀的电压供给会准备就绪，以备随时启动制动装置。

当驾驶员松开油门踏板且离合器处于接合状态时，发动机制动电磁阀立即施加了电压，电磁阀通电后，阀门开启，发动机油流入控制阀，控制阀受压上移，且其内部球形阀门离开阀座，这样机油便流入高压回路。主动活塞受到压力作用，开始向外移动，接触摇臂（如图3所示），凸轮轴旋转使摇杆上升，压迫主活塞回到壳体内，这样制动器中的油被压回控制阀，使球形阀门回到阀座，在装置内形成了液压锁止。现在主副活塞之间形成了密封的液压通路，如图4所示。因此随着主活塞的运动，副活塞将做出同步响应。其配气相位改变原理（如图3、4所示）。

停止工作：一旦驾驶员踩下离合器踏板或踩下油门踩板，电磁阀的电压立即中断，供油压力的下降，使得控制阀的内弹簧足以将其顶回原位，主副回路中的剩余机油随即被压出，在没有油压的情况下，制动器的活塞将离开摇杆和阀门，至此制动器停用，停用的过程瞬间完成。

3 汽车发动机节能缓速系统

3.1 工作原理

如图2所示，汽车发动机节能缓速系统工作原理与发动机压缩式缓速系统的工作原理基本相同，只是汽车发动机节能缓速系统通过采用放气时刻更精准的放气凸轮参与驱动发动机排气门，从而改变排气门的配气相位使发动机变成空压机。当缓速器激活工作时，发动机排气门会在压缩冲程上止点附近开启。这样，压缩气体吸收的能量会被排放掉，接着在做功行程后不久，排气门关闭，使燃烧室产生真空负压阻力又进一步消耗汽车的惯性动能。车辆的惯性动能会不停地通过发动机压缩—释放—抽真空的动作耗散。

如图5、6、7所示[1]，汽车发动机节能缓速系统不工作时：

缓速控制电路（31）断开电磁阀线圈（30）和电动机油泵（33）的电源电路，电动机油泵（33）没有将机油泵入机油管（32），阀芯（29）在阀芯复位弹簧（28）的作用下处于使电磁阀（27）的A接口和B接口连通状态的位置，此时机油管（32）内的机油通过B接口回流到发动机油底壳，因而没有油压作用在正时活塞（10）上，阻挡活塞（18）在复位弹簧（17）的作用下将第二同步活塞（14）拦截在阻挡活塞孔（20）之外，与此同时，第二同步活塞（14）也将第一同步活塞（11）拦截在第二同步活塞孔（25）之外；此时，第一排气门摇臂（5）、第二排气门摇臂（7）在各自对应凸轮的驱动下摇动，同时在第一定位飘台（13）和第二定位飘台（15）的作用下，也使放气摇臂（6）随同摇动，从而使第一同步活塞孔（21）、第二同步活塞孔（25）和阻挡活塞孔（20）的中心线重合；而放气摇臂（6）可在放气凸轮（3）的驱动下独自摇动。汽车发动机节能缓速系统工作时：缓速控制电路（31）接通电磁阀线圈（30）和电动机油泵（33）的电源电路，第一同步活塞（11）部分进入第二同步活塞孔（25），第二同步活塞（14）部分进入阻挡活塞孔（20）， 第一排气门摇臂（5）和第二排气门摇臂（7）及放气摇臂（6）联结一体后，既受排气凸轮驱动在排气冲程打开排气门，也受放气凸轮（2）驱动在压缩冲程终了时打开排气门。

3.2 缓速控制电路工作原理

图8是汽车发动机节能缓速系统的缓速控制电路图，以下结合图8对缓速控制电路的各种设定下的随机工况作进一步的说明：

3.2.1 设定1

缓速控制电路隔离开关（33）缓速装置电源开关（34）处于断开状态、同时喷油器电源开关（37）处于闭合状态时：缓速器（38）（注：即图6的电动机油泵（33）和电磁阀（27））处于断电不工作状态，汽车只有强制怠速缓速模式。

3.2.2 设定2

缓速控制电路隔离开关（33）缓速装置电源触点（34）处于闭合状态、同时喷油器电源触点（37）处于断开状态，缓速选择开关（27）处于断开状态，手控缓速开关（26）A触点、B触点都处于断开状态，无怠速行车选择开关（6）处于断开状态时：缓速器（38）处于断电不工作状态。

3.2.2.1 随机工况1

挂挡行车时，当驾驶员同时不踩油门踏板、离合器踏板，则油门踏板开关（11）和离合器踏板开关（18）处于同时闭合状态，导致第三三极管（10）的基极的触发电流被短路，从而没有电流通过第三三极管（10）向喷油器组（19）供电；车辆进入发动机断油空转缓速模式。

3.2.2.2 随机工况2

空挡时，空挡灯开关（1）处于闭合状态，第一三极管（3）向喷油器组（19）供电。

3.2.3 设定3

缓速控制电路隔离开关（33）缓速装置电源触点（34）处于闭合状态、同时喷油器电源开触点（37）处于断开状态，缓速选择开关（27）处于闭合状态，手控缓速开关（26）A触点、B触点都处于断开状态，无怠速行车选择开关（6）处于断开状态时：

3.2.3.1 随机工况3

挂挡行车时，当驾驶员同时不踩油门踏板、离合器踏板，则没有电流通过第三三极管（10）向喷油器组（19）供电；车辆进入发动机断油空转缓速模式。

3.2.3.2 随机工况4

如驾驶员继续深踩下制动踏板使制动踏板缓速开关（20）闭合，则第四三极管（30）、第五三极管（36）、第六三极管（29）同时导通，此时，电流便从电源正极通过第四三极管（30）、第五三极管（36）、第六三极管（29）、常开继电器（28）的线圈、缓速选择开关（27）、制动踏板缓速开关（20）搭铁、触点闭合，缓速器（38）通电工作使发动机产生压缩式缓速作用；车辆进入发动机压缩式缓速模式。

3.2.3.3 随机工况5

只要驾驶员踩下离合器踏板，使离合器踏板开关（18）断开，第五三极管（36）随即不导通、常开继电器（28）线圈随即断电、触点断开，缓速器（38）随即断电停止工作并使发动机不再产生压缩式缓速作用，同时，第三三极管（10）导通向喷油器组（19）供电。

3.2.3.4 随机工况6

只要挂入空挡，空挡灯开关（1）随即闭合，第四三极管（30）的触发电流被短路，第四三极管（30）随即不导通，常开继电器（28）线圈随即断电、触点断开，缓速器（38）随即断电不工作并使发动机不再产生压缩式缓速作用，同时，第一三极管（3）导通向喷油器组（19）供电。

3.2.4 设定4

缓速控制电路隔离开关（33）缓速装置电源开关（34）处于闭合状态、同时喷油器电源开关（37）处于断开状态，缓速选择开关（27）处于闭合状态，手控缓速开关（26）A触点、B触点处于闭合状态时：无怠速行车选择开关（6）不起作用。

3.2.4.1 随机工况7

挂挡行车时，当驾驶员同时不踩油门踏板、离合器踏板，那么油门踏板开关（11）和离合器踏板开关（18）则处于同时闭合状态，第三三极管（10）的触发电流被短路，从而没有电流通过第三三极管（10）向喷油器（21）供电。同时，第四三极管（30）、第五三极管（36）、第六三极管（29）导通，此时，电流便从电源正极通过第四三极管（30）、第五三极管（36）、第六三极管（29）、常开继电器（28）的线圈、缓速选择开关（27）、手控缓速开关（26）A触点搭铁、触点闭合，缓速器（38）随即通电工作使发动机产生压缩式缓速作用；车辆进入发动机压缩式缓速模式。

3.2.4.2 随机工况8

当驾驶员踩下油门踏板，使油门踏板开关（11）断开，第六三极管（29）随即不导通、常开继电器（28）线圈随即断电、触点断开、缓速器（38）随即断电停止工作并使发动机不再产生压缩式缓速作用，同时，第三三极管（10）导通向喷油器组（19）供电。

3.2.4.3 随机工况9

只要驾驶员踩下离合器踏板，则发动机不再产生压缩式缓速作用，同时，第三三极管（10）导通向喷油器组（19）供电。

3.2.4.4 随机工况10

只要挂入空挡，则第一三极管（3）导通向喷油器组（19）供电。

3.2.5 设定5

缓速控制电路隔离开关（33）、缓速装置电源触点（34）处于闭合状态，同时喷油器电源触点（37）处于断开状态，缓速选择开关（27）处于闭合状态，手控缓速开关（26）A触点、B触点处于断开状态，无怠速行车选择开关（6）处于闭合状态时：

3.2.5.1 随机工况11

挂挡行车时，当驾驶员同时不踩油门踏极、离合器踏板，则油门踏板开关（11）和离合器踏板开关（18）处于同时闭合状态，此时，由第二三极管（7）向喷油器组（19）供电；车辆进入强制怠速缓速模式。

3.2.5.2 随机工况12

如驾驶员继续轻踩制动踏板，使制动灯开关（22）闭合，则第二三极管（7）的触发电流被短路，从而没有电流通过第二三极管（7）向喷油器组（19）供电；车辆进入发动机断油空转缓速模式。

3.2.5.3 随机工况13

如驾驶员继续深踩下制动踏板，则进入发动机压缩式缓速模式。

3.2.5.4 随机工况14

当驾驶员踩下离合器踏板，则第三三极管（10）导通向喷油器组（19）供电。

3.2.5.5 随机工况15

只要挂入空挡，则第一三极管（3）导通向喷油器组（19）供电。

3.2.6 设定6

缓速控制电路隔离开关（33）、缓速装置电源触点（34）处于闭合状态，同时喷油器电源触点（37）处于断开状态，缓速选择开关（27）处于断开状态、手控缓速开关（26）A触点、B触点处于断开状态、无怠速行车选择开关（6）处于闭合状态时：

3.2.6.1 随机工况16

挂挡行车时，当驾驶员同时不踩油门踏极、离合器踏板，则车辆进入强制怠速缓速模式。

3.2.6.2 随机工况17

如驾驶员继续轻踩制动踏板，则车辆进入发动机断油空转缓速模式。

3.2.6.3 随机工况18

车辆空挡时，则第一三极管（3）向喷油器组（19）供电。

4 结论

汽车发动机节能缓速系统相对于目前正在应用的同类型发动机压缩式缓速系统而言，具有节能、高制动功率密度、高稳定性、高集成性且不需要另外的保养和调整、在不改变正常驾驶习惯的情况下，可依次实现发动机强制怠速缓速模式、发动机断油空转缓速模式、发动机压缩式缓速模式；且各模式还可根据驾驶员踩踏制动踏板的深度随意转换、停留，有效地使汽车运行油耗自然下降等优点。

5 结束语

汽车发动机节能缓速系统可大幅提高车辆下坡速度，提升运输效率，更省油，极大地降低制动片及轮胎磨损，对发动机及增压器无任何损坏。该系统是作者根据汽车运行规律，运用汽车发动机及传动系统的各种工作原理[2]，经多年的深入研究而开发出来的。本文所述的并不一定是最好的发动机压缩式缓速技术，只希望通过所撰论文的发表能给予同行的科研人员一个启示，以便使汽车缓速技术有更多的改进。

参考文献：

[1]陈红，莫嘉林.汽车发动机压缩式制动缓速系统：中国，201520604964.7[P].2015-05-11.

[2]闫大建.汽车发动机原理与汽车理论[M].北京：国防工业也版社，2008.