雙發動機專用車應對排放標準升級的終極解決方案

宋永剛 宋揚

摘要：在國家《大氣污染防治法》框架下，國家環境部發布了GB 20891-2014和HJ 1014-2020標準，自2022年12月1日起推行《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》標準，這對大量采用雙發動機動力系統的專用汽車是一個嚴峻的挑戰，同時也是一個機遇。本文介紹了一種單發動機專用車動力系統技術方案，該方案解決了整車動力配置、取力、分動、解耦等所有問題，使整車動力系統匹配性能遠遠優于傳統雙發動機系統，是專用車企業應對車用發動機排放標準不斷升級的終極解決方案，同時全面提升產品性能，使企業立于行業不敗地位。

關鍵詞：專用車；單發動機；動力系統

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，《非道路移動機械用柴油機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“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。為配合“雙碳”戰略實施，2020年12月28日生態環境部發布了GB 20891-2014修改版和HJ 1014-2020，對GB 20891-2014標準中第四階段相關內容進行了修改和補充，進一步強化了對移動排放源的管理并明確了執行時間，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準絕不僅僅止步于第四階段標準，必然要逐級過渡到第五階段、第六階段等。這對于采用雙發動機動力方案的專用車企業來說，意味著隨著國家對移動污染源排放標準的不斷提高，專用車企業必須不斷被動性進行技術升級、配套件采購組織等方面付出大量時間和經濟成本，無疑將不同程度影響企業快速發展和長期效益［1］。

尤其是本標準規定生產企業必須利用自建的或者共享網絡平臺向政府管理部門和社會實時發布單機排放信息，包括整機環保信息、位置信息和所使用發動機的排放信息，以及排放檢驗信息和污染控制技術信息，并對信息公開的真實性、準確性、及時性和完整性負責。這些嚴格而且具體的要求將對生產企業帶來非常巨大的經濟投入、人員投入及工作量。

因此，有關專用車生產企業必須積極應對這一挑戰，尋求科學、高效的技術方案，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工作，而且還能變被動為主動，變挑戰為機遇，全面提升專用車整車性能，使企業跨上行業技術新高峰。本文將重點介紹傳統雙發動機專用車企業應對發動機排放標準不斷升級的終極解決方案。

2 雙發動機專用車排放分析及解決途徑

在我國，但凡采用雙發動機動力系統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.動力系統復雜，子系統多；c.子系統之間的動力差異性大且獨立性要求高；d.通常只有上裝副發動機的排放不達標。而在現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，以柴油機作為動力源依然是深受市場歡迎的選擇［2］。

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

因此，雙發動機專用車為了簡化動力系統的控制并盡量滿足整車動力需要，上裝發動機和底盤發動機幾乎是完全獨立的系統。上裝發動機的功率通常小于底盤發動機，上裝發動機可以根據上裝作業裝置的動力需要配置在較為合理的工作點上，而底盤發動機則為了盡量滿足低速作業要求而工作在低速范圍，甚至接近于怠速運轉［4］。根據內燃機排放特性可知，內燃機的排放質量與負荷大小和轉速高低直接相關。

圖2、圖3和圖4分別是柴油機的主要排放成分的穩態排放特性曲線。由圖2可見，在大多數工況下，CO比排放量都比較小，而高排放量出現在小負荷工況區。由圖3可見，柴油機未燃HC比排放量基本上隨負荷的上升而下降，即在小負荷、低轉速區的HC比排放量較高。由圖4可見，柴油機NOX的高排放區主要出現在小負荷和高速工況。

綜上可見，雙發動機專用車在作業過程中，盡管功率較大的底盤發動機的排放標準比較高，符合現行國家標準要求，但一直處于低轉速、小負荷工況狀態，排放特性差，排放質量低，也不能有效地保護環境。

更為嚴重的是，許多專用車企業，為了降低整車成本，提高利潤空間或價格優勢，所裝備的副發動機有些是國二階段的，有些是國三階段的，有些甚至是報廢車拆解的發動機，其環保指標必然不能達標［5］。然而，盡管雙發動機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屏障。

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

3 單發動機動力系統功率配置

在我國，用于此類雙發動機專用車的基礎底盤均來自于國家認證的大型汽車生產企業，其底盤發動機排放指標已經達到國家要求的機動車排放標準，基本不存在問題，已經成為業內普遍的選擇，也是比較經濟的選擇。采用單發動機動力系統方案，首先需要考慮和解決的問題是普通載貨車底盤的標配發動機功率是否滿足專用車作業時的動力需要。

實現單發動機動力系統的屏障之一是認知屏障，即對此類專用汽車耗功量級的認知太過保守和粗放。這種保守和粗放的認知來源于對傳統雙發動機專用汽車動力系統的感性和樸素認識。筆者在研究初期就被一些同行質疑。他們認為，單發動機專用車動力系統不可能比雙發動機動力系統節能，原因是能量是守恒的，無論單發動機還是雙發動機，需要驅動的作業裝置都一樣，所需要的功率一樣，不可能節能。而且，目前市場常見的基于18 T底盤平臺的雙發動機環衛車輛的整車功率配置都在400 HP左右。由此推斷認定用于改裝專用汽車普通載貨底盤的標配發動機功率不足以驅動整車作業。例如，國產18 T載貨車底盤的主流標配發動機功率230～245 HP。

其實，只要總體設計從專用車的實際工況分析出發，認真核算各種工況下專用車各動力系統的功率需求，即可較為準確地評估整車動力系統的功率量級。理論計算和實踐證明，普通載貨車底盤的標配發動機功率完全滿足絕大多數專用車的動力需求。不僅如此，如果整車傳動方案科學、合理，致使整車傳動效率充分高，即使普通載貨車底盤的發動機功率小于主流標配發動機功率，仍可以滿足專用車整車功率需求。當然，如果整車傳動方案不夠科學、合理，致使整車傳動效率太低，則普通載貨車底盤的標配發動機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，共同發力才能取得顯著效果。而且必須從總體設計階段開始，全面規劃整車動力系統，使其具有充分的科學性，即可以在經濟范圍內充分利用動力源的輸出功率，在滿足作業系統動力需求的前提下，根據耗功份額選擇傳動方式。耗功份額較大的系統，應選擇效率較高的傳動方式，在耗功較小的系統里可考慮選擇便于應用但效率較低的傳動方式，例如液壓傳動。整車傳動效率最優化的途徑主要有以下幾種：

a.優化配置底盤發動機工作點。參照底盤可選用的發動機特性曲線，盡量將發動機工作點配置在輸出功率滿足整車需要且處于或接近經濟油耗區的工作點上，如圖5所示的1 200～1 800 r/min工作范圍。

b.大功率作業系統（風機、水泵、油泵）占作業總功率的75%～80%，是耗功較大的系統，應盡量采用傳動效率高的傳動方式，例如機械傳動，使無用功消耗最小，同時可以兼顧上述系統恒速穩定的作業要求。

c.小功率作業系統（行駛）占作業總功率的20%～25%，采用靜液系統（容積調速的液壓系統），可以實現作業行駛速度無級可變的要求，同時保證所產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知以及總功率需求最小化問題，即為以標配發動機的普通載貨車底盤為基礎研發單發動機專用車奠定了前提條件。

4 單發動機系統動力分配及解耦

實現單發動機動力系統的屏障之二是技術屏障，即單一動力源與多系統動力分配并實現動力解耦的技術問題，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的動力定比耦合關系即成為實現整車單發動機驅動的關鍵技術。為了最大限度地獲得節能效果，筆者確定了直接從底盤發動機全功率取力，經過多路分配機械驅動主要作業裝置，如風機、水泵等，保證以最高的傳動效率獲得大功率、恒穩定以及精準速度的動力匹配，對于必須變速運行的支系統采用可從同一動力源獲得動力，同時可實現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某些支系統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，通過變量泵和馬達構成的閉式靜液系統實現原始動力的變比例耦合甚至變向耦合，從而實現被驅動對象的變速和換向驅動。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、技術成熟等優點而被工程機械廣泛應用。

電動解耦系統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用。

圖9所示的全功率取力分動箱可以完全替代傳統雙發動機專用車的副發動機，徹底解決副發動機排放標準升級問題，而且由于具有動力解耦功能，可以滿足整車多個系統的不同動力需求，從動力匹配角度看，其性能遠遠優于傳統雙發動機系統，使得專用車能耗降低、排放達標、作業質量更優、效率更高，是一次具有顯著實效和重大意義的技術升級。按照本文方法研發的單發動機洗掃車，采用普通載貨車底盤的標配發動機為整車提供動力，已經3年多實踐充分證明這種動力配置完全滿足作業需要，而且整車經濟性顯著，施工質量高、可靠性高、操作方便。

5 結語

以燃油發動機為動力源的專用汽車應對排放標準不斷升級已經成為必然，這不僅是人類社會保護生存環境的需要，也是專用汽車生產企業立于不敗之地的需要，與其隨著國家排放標準的一次次升級，重復一次次整改，不如一步到位，一勞永逸。本文介紹的單發動機工程專用車動力系統正是應對專用汽車發動機排放標準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，主要體現在以下：a.該方案科學、成功地提高了整車傳動效率，將絕大多數專用汽車的整車功率需求控制在相應噸位的普通載貨車底盤的標配發動機功率范圍之內，大大降低了整車能耗，具有顯著的節省能耗、減少排放效果，而且無需為單發動機專用汽車開發專用底盤。b.該方案實現了單一動力源的多系統動力分配，實現了完全動力解耦，解決了多系統動力的差異化需求，最大限度地滿足了專用汽車多動力系統的精準匹配，使得該單發動機專用車動力系統的匹配質量遠遠高于傳統雙發動機動力系統，可以保證專用汽車各動力系統協調作業，大大提高了專用汽車的作業質量和效率。c.該方案使得作業工況下的發動機穩定地處于高效作業范圍，發動機的燃燒狀態和尾氣處理裝置的中和作用都更加充分，可以在節省能耗、減少排放的基礎上進一步優化排放質量。所以，本文介紹的方法不僅僅是“雙碳”戰略背景下應對發動機排放標準升級的終極解決方案，而且，可以借此機會實現專用汽車整體性能的飛躍。

參考文獻：

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作者簡介：

宋永剛，男，1958年生，教授，研究方向為機電液一體化。