双发动机专用车应对排放标准升级的终极解决方案

宋永刚 宋扬

摘要：在国家《大气污染防治法》框架下，国家环境部发布了GB 20891-2014和HJ 1014-2020标准，自2022年12月1日起推行《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》标准，这对大量采用双发动机动力系统的专用汽车是一个严峻的挑战，同时也是一个机遇。本文介绍了一种单发动机专用车动力系统技术方案，该方案解决了整车动力配置、取力、分动、解耦等所有问题，使整车动力系统匹配性能远远优于传统双发动机系统，是专用车企业应对车用发动机排放标准不断升级的终极解决方案，同时全面提升产品性能，使企业立于行业不败地位。

关键词：专用车；单发动机；动力系统

中图分类号：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，《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》（GB 20891-2014）颁布，2015年8月29日全国人大常委会又审议通过了《大气污染防治法》修订版，尤其是2020年9月中国政府向全世界明确承诺2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。为配合“双碳”战略实施，2020年12月28日生态环境部发布了GB 20891-2014修改版和HJ 1014-2020，对GB 20891-2014标准中第四阶段相关内容进行了修改和补充，进一步强化了对移动排放源的管理并明确了执行时间，显示出国家对于大气治理的决心和力度。

显而易见的是，国家对于移动污染源的排放标准绝不仅仅止步于第四阶段标准，必然要逐级过渡到第五阶段、第六阶段等。这对于采用双发动机动力方案的专用车企业来说，意味着随着国家对移动污染源排放标准的不断提高，专用车企业必须不断被动性进行技术升级、配套件采购组织等方面付出大量时间和经济成本，无疑将不同程度影响企业快速发展和长期效益［1］。

尤其是本标准规定生产企业必须利用自建的或者共享网络平台向政府管理部门和社会实时发布单机排放信息，包括整机环保信息、位置信息和所使用发动机的排放信息，以及排放检验信息和污染控制技术信息，并对信息公开的真实性、准确性、及时性和完整性负责。这些严格而且具体的要求将对生产企业带来非常巨大的经济投入、人员投入及工作量。

因此，有关专用车生产企业必须积极应对这一挑战，寻求科学、高效的技术方案，尤其是一劳永逸的终极解决方案，才能不仅彻底摆脱不断升级的重复工作，而且还能变被动为主动，变挑战为机遇，全面提升专用车整车性能，使企业跨上行业技术新高峰。本文将重点介绍传统双发动机专用车企业应对发动机排放标准不断升级的终极解决方案。

2 双发动机专用车排放分析及解决途径

在我国，但凡采用双发动机动力系统的专用汽车都以高效工程施工为主要功能，具有以下共性特点：a.整车耗能巨大；b.动力系统复杂，子系统多；c.子系统之间的动力差异性大且独立性要求高；d.通常只有上装副发动机的排放不达标。而在现有移动电源能量密度低、赋能时间长的客观条件下，对于这类耗能巨大同时要求重新赋能速度快的专用汽车，以柴油机作为动力源依然是深受市场欢迎的选择［2］。

传统双发动机专用车采用双发动机动力方案，这一类工程专用车之所以采用通用汽车底盘为基础，其目的是利用汽车底盘的机动性，尤其是作业过程中的机动性，即作业过程在整车行驶状态下进行，而且通常在低速范围内的稳定速度或变速下进行，同时还要驱动各种作业装置运行，为了保证各种作业装置的高效率，通常要求动力源高速输出而且相对稳定［3］。可见，这类专用车的动力系统至少有两个对动力源要求不同的耗能系统，即作业系统和行驶系统。图1为环卫洗扫车和扫路车作业过程的动力需求。

因此，双发动机专用车为了简化动力系统的控制并尽量满足整车动力需要，上装发动机和底盘发动机几乎是完全独立的系统。上装发动机的功率通常小于底盘发动机，上装发动机可以根据上装作业装置的动力需要配置在较为合理的工作点上，而底盘发动机则为了尽量满足低速作业要求而工作在低速范围，甚至接近于怠速运转［4］。根据内燃机排放特性可知，内燃机的排放质量与负荷大小和转速高低直接相关。

图2、图3和图4分别是柴油机的主要排放成分的稳态排放特性曲线。由图2可见，在大多数工况下，CO比排放量都比较小，而高排放量出现在小负荷工况区。由图3可见，柴油机未燃HC比排放量基本上随负荷的上升而下降，即在小负荷、低转速区的HC比排放量较高。由图4可见，柴油机NOX的高排放区主要出现在小负荷和高速工况。

综上可见，双发动机专用车在作业过程中，尽管功率较大的底盘发动机的排放标准比较高，符合现行国家标准要求，但一直处于低转速、小负荷工况状态，排放特性差，排放质量低，也不能有效地保护环境。

更为严重的是，许多专用车企业，为了降低整车成本，提高利润空间或价格优势，所装备的副发动机有些是国二阶段的，有些是国三阶段的，有些甚至是报废车拆解的发动机，其环保指标必然不能达标［5］。然而，尽管双发动机动力方案的弊端显而易见，长期以来，此类专用车一直采用这种动力方案是因为存在难以突破的技术屏障。

因此，对于双发动机专用车来说，彻底解決排放污染问题的根本途径是寻求技术突破，首先取消排放标准较低的副发动机，并且使底盘发动机也工作在较高转速和较大负荷工况下，即使底盘发动机工作在排放特性较好的范围内，取得在给定条件下最好的排放效果。

3 单发动机动力系统功率配置

在我国，用于此类双发动机专用车的基础底盘均来自于国家认证的大型汽车生产企业，其底盘发动机排放指标已经达到国家要求的机动车排放标准，基本不存在问题，已经成为业内普遍的选择，也是比较经济的选择。采用单发动机动力系统方案，首先需要考虑和解决的问题是普通载货车底盘的标配发动机功率是否满足专用车作业时的动力需要。

实现单发动机动力系统的屏障之一是认知屏障，即对此类专用汽车耗功量级的认知太过保守和粗放。这种保守和粗放的认知来源于对传统双发动机专用汽车动力系统的感性和朴素认识。笔者在研究初期就被一些同行质疑。他们认为，单发动机专用车动力系统不可能比双发动机动力系统节能，原因是能量是守恒的，无论单发动机还是双发动机，需要驱动的作业装置都一样，所需要的功率一样，不可能节能。而且，目前市场常见的基于18 T底盘平台的双发动机环卫车辆的整车功率配置都在400 HP左右。由此推断认定用于改装专用汽车普通载货底盘的标配发动机功率不足以驱动整车作业。例如，国产18 T载货车底盘的主流标配发动机功率230～245 HP。

其实，只要总体设计从专用车的实际工况分析出发，认真核算各种工况下专用车各动力系统的功率需求，即可较为准确地评估整车动力系统的功率量级。理论计算和实践证明，普通载货车底盘的标配发动机功率完全满足绝大多数专用车的动力需求。不仅如此，如果整车传动方案科学、合理，致使整车传动效率充分高，即使普通载货车底盘的发动机功率小于主流标配发动机功率，仍可以满足专用车整车功率需求。当然，如果整车传动方案不够科学、合理，致使整车传动效率太低，则普通载货车底盘的标配发动机功率完全不能满足专用车整车的动力需求［6］。

提高整车传动效率，降低整车功率配置必须多管齐下，共同发力才能取得显著效果。而且必须从总体设计阶段开始，全面规划整车动力系统，使其具有充分的科学性，即可以在经济范围内充分利用动力源的输出功率，在满足作业系统动力需求的前提下，根据耗功份额选择传动方式。耗功份额较大的系统，应选择效率较高的传动方式，在耗功较小的系统里可考虑选择便于应用但效率较低的传动方式，例如液压传动。整车传动效率最优化的途径主要有以下幾种：

a.优化配置底盘发动机工作点。参照底盘可选用的发动机特性曲线，尽量将发动机工作点配置在输出功率满足整车需要且处于或接近经济油耗区的工作点上，如图5所示的1 200～1 800 r/min工作范围。

b.大功率作业系统（风机、水泵、油泵）占作业总功率的75%～80%，是耗功较大的系统，应尽量采用传动效率高的传动方式，例如机械传动，使无用功消耗最小，同时可以兼顾上述系统恒速稳定的作业要求。

c.小功率作业系统（行驶）占作业总功率的20%～25%，采用静液系统（容积调速的液压系统），可以实现作业行驶速度无级可变的要求，同时保证所产生的无用功耗绝对值较小。

d.提高运动副的加工精度和核心部件的装配精度，降低传动摩擦发热等无谓功耗。

以上多途径迭代即可使整车无用功耗能最小化，解决专用汽车整车动力量级的认知以及总功率需求最小化问题，即为以标配发动机的普通载货车底盘为基础研发单发动机专用车奠定了前提条件。

4 单发动机系统动力分配及解耦

实现单发动机动力系统的屏障之二是技术屏障，即单一动力源与多系统动力分配并实现动力解耦的技术问题，尤其是动力解耦问题，包括解耦方式及其控制和整车融合问题。

确定合理的总体传动方案并破解某些支系统的动力定比耦合关系即成为实现整车单发动机驱动的关键技术。为了最大限度地获得节能效果，笔者确定了直接从底盘发动机全功率取力，经过多路分配机械驱动主要作业装置，如风机、水泵等，保证以最高的传动效率获得大功率、恒稳定以及精准速度的动力匹配，对于必须变速运行的支系统采用可从同一动力源获得动力，同时可实现动力彻底隔离和变比例耦合的传动方式，即在单一动力源不变的情况下实现某些支系统的变速需求的总体传动方案，如图6所示。

在工程实践中最为常用的动力解耦方式有液压解耦和电动解耦两种，如图7、图8所示。液压解耦即利用流体传动原理，通过变量泵和马达构成的闭式静液系统实现原始动力的变比例耦合甚至变向耦合，从而实现被驱动对象的变速和换向驱动。同时，由于液压解耦相对于电动解耦具有功率密度大、体积紧凑、技术成熟等优点而被工程机械广泛应用。

电动解耦系统由于其功率密度相对较小，体积较大，不易布置安装，而在专用汽车这种空间较小的场景中难以应用。

图9所示的全功率取力分动箱可以完全替代传统双发动机专用车的副发动机，彻底解决副发动机排放标准升级问题，而且由于具有动力解耦功能，可以满足整车多个系统的不同动力需求，从动力匹配角度看，其性能远远优于传统双发动机系统，使得专用车能耗降低、排放达标、作业质量更优、效率更高，是一次具有显著实效和重大意义的技术升级。按照本文方法研发的单发动机洗扫车，采用普通载货车底盘的标配发动机为整车提供动力，已经3年多实践充分证明这种动力配置完全满足作业需要，而且整车经济性显著，施工质量高、可靠性高、操作方便。

5 结语

以燃油发动机为动力源的专用汽车应对排放标准不断升级已经成为必然，这不仅是人类社会保护生存环境的需要，也是专用汽车生产企业立于不败之地的需要，与其随着国家排放标准的一次次升级，重复一次次整改，不如一步到位，一劳永逸。本文介绍的单发动机工程专用车动力系统正是应对专用汽车发动机排放标准不断升级的终极解决方案。

除此之外，该方案还可以带来专用汽车整体性能的全面提升，主要体现在以下：a.该方案科学、成功地提高了整车传动效率，将绝大多数专用汽车的整车功率需求控制在相应吨位的普通载货车底盘的标配发动机功率范围之内，大大降低了整车能耗，具有显著的节省能耗、减少排放效果，而且无需为单发动机专用汽车开发专用底盘。b.该方案实现了单一动力源的多系统动力分配，实现了完全动力解耦，解决了多系统动力的差异化需求，最大限度地满足了专用汽车多动力系统的精准匹配，使得该单发动机专用车动力系统的匹配质量远远高于传统双发动机动力系统，可以保证专用汽车各动力系统协调作业，大大提高了专用汽车的作业质量和效率。c.该方案使得作业工况下的发动机稳定地处于高效作业范围，发动机的燃烧状态和尾气处理装置的中和作用都更加充分，可以在节省能耗、减少排放的基础上进一步优化排放质量。所以，本文介绍的方法不仅仅是“双碳”战略背景下应对发动机排放标准升级的终极解决方案，而且，可以借此机会实现专用汽车整体性能的飞跃。

参考文献：

[1]宋永刚，宋扬.节能环保型单发动机的专用汽车动力系统研究[J].专用汽车，2021（10）：67-69.

[2]肖军.非道路移动机械动力排放污染的控制和治理[J].汽车工业研究，2017（1）：36-40.

[3]黄盛杰，郑巍，樊成赛，等.非道路移动机械“国四”排放标准实施带来的机遇与挑战[J].江苏农机化，2022（5）：40-43.

[4]项雅静，陈佳昊，王东方.非道路移动机械排放污染的控制和治理研究[J].环境科学与管理，2023，48（1）：24-28.

[5]倪计民，孙皓，沈剑平，等.车用内燃机排放试验方法研究[J].上海汽车，1997（11）：5-8.

[6]陈绍刚.重型柴油车辆排放因子和排放特性研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

作者简介：

宋永刚，男，1958年生，教授，研究方向为机电液一体化。