爱华网中国节能竞技大赛在国内已成功举办五届。比赛要求参赛团队设计、制作、驾驶一辆符合比赛技术规则的节能竞技赛车，以不低于25Km/h的平均速度行驶规定的里程，计量燃油消耗量作为比赛的最终成绩。比赛要求各参赛团队统一使用HONDA wh125-6发动机。该机排量为104.4mL,压缩比为10.5:1，采用滚子气门摇臂、偏心曲轴、螺旋进气道、双火花塞分时点火技术，最低燃油消耗率为260g/(Kw·h)。 为达到最佳燃油消耗率，比赛中节能车的行驶策略为：车辆在发动机的牵引下驶出起点加速到大约45Km/h,发动机熄火，车辆无驱动状态滑行至17Km/h后发动机重新起动牵引车辆至45Km/h，（点火起动时刻和熄火时的车辆运行速度以具体赛道策略为准），如此循环14次完成大约11Km的赛程[1]。 发动机的火过程如下：当前车速达到赛道策略指定的速度时车手手动按下熄火开关，并迅速松开油门使供油柱塞降到最低，ECU检测到开关信号，控制离合器分离，切断发动机与传动轴的能量传递，此时发动机在飞轮惯性的作用下逐渐减速。在此时间段内化油器无法停止供油，在每次熄火过程中一部分燃油被吸入气缸内但不做功，导致燃油消耗量增加。因此本文针对熄火工况中的燃油消耗量进行数理分析和实车测试实验，并设计开发出一套熄火工况自动断油装置，比赛结果表明该系统控制过程精确、执行机构运转稳定、节油效果明显、显著提升团队比赛成绩。 1.熄火工况供油策略分析 节能竞技赛车熄火工况供油系统主要经历三个阶段：第一阶段，按下熄火开关至柱塞高度降到最低。车手按下熄火开后经过人的正常生理反应时间t1后松开油门，柱塞受柱塞弹簧的弹力，克服线管及其它附件的阻力经时间t2后下落至最低。相关文献[2]表明t1=0.11-0.16S,t2由实验人员测得。 第二阶段，柱塞处于最低状态至发动机转速 降为0。供油柱塞处于最低状态，发动机速度由上一节点转速经时间t3至停止运转。t3不易直接测量，但实验人员可以测得松开油门至发动机停止运转的总时间t2,3,即 t2,3=t2+t3。 经分析熄火过程中的燃油消耗量m计算方法为： m=ot1+t2BhT,nTdT+B0n0?t1+t2t2,3+t1nTdT （1） 以按下熄火开关时刻为T=0，用nT表示发动机转速随时间T变化的函数，hT表示柱塞高度随时间T变化的函数，通过台架试验测得燃油消耗量BhT,nT曲线。B0为怠速燃油消耗量，n0为怠速转速。该发动机供油量仅取决于喉管出气体流动状态，因此熄火后t2时间段内燃油消耗量与发动机在该时刻对应nT和hT下正常工作时相等。但是当柱塞高度接近最低前某一时刻Tc时台架试验中发动机在空载下还不能满足此时对应的nTc，则该阶段Tc时刻后取 BhT,nT≈B0?nTn0。t3时间段柱塞降至最低，充量系数基本不变，视每循环进入气缸充量相等，燃油消耗总量为发动机运行总循环数与怠速时发动机循环供油量的乘积。 柱塞下落过程时间t2和柱塞开始下落至发动机停止运转过程时间t2,3由实验人员进行等进度10次测量取平均值，结果如表1示。 发动机熄火工况，转速nT和柱塞高度hT均为线性递减至零 [3]，因此已知每个过程经历的时间和初始条件即可得到如下函数关系： 发动机熄火时刻转速即n0=60v2πr·i
其中 车速 v=45Km/h=12.5m/s 车轮半径 r=0.25m 整车传动比 i=8.3 计算得 n0=3800r/min 可得 nT=3800-1131T 0≤T≤3.36 （2） hT=40% , &T<0.13 1000.460-0.465T% 0.13≤T≤0.99 （3） B0、n0 、Tc及BhT,nT曲线由发动机台架试验制得，首先起动发动机暖机至工作状态稳定，在怠速工况下测量发动机转速n0和燃油消耗量B每组数据测量10次剔除可疑测量数据后取平均值。记录当时燃油密度及空气温度、湿度、大气压力。 发动机在不加载的工况下缓慢提升柱塞高度,根据函数（2）和（3）可知对应nTˊh 当转速n≥nTˊh则Tc=Tˊh。试验结果如表3示 然后分别取在 T=k·Tc8 k=0,1,2,···9 时刻对应的发动机转速nT和柱塞高度hT进行试验，测得该工况下发动机的燃油消耗量B, 每组数据测三次有效数据取平均值，当T≥Tc时取BhT,nT=B0?nTn0。试验结果如图1示： 图 1 熄火后燃油消耗量变化曲线 由上图可知，熄火工况燃油消耗量随时间近似线性变化，经拟合得 B = -0.3921T + 0.6433 综合公式（1）、（2）、（3）可得熄火工况燃油消耗量m为： m=o0.99-0.3921T+0.64333.6dT+0.09×603.6×850?0.993.363800-1131T60dT 得 m=0.2132g或V=mρ=0.2824mL 在比赛过程中共有14次熄火过程，由该问题导致的燃油浪费总量 m总=14×m=2.9848g 2.熄火断油装置设计 图 2 燃油阻断装置 1 密封圈；2 电磁补气阀；3补气孔；4端盖；5 限位销及槽；6电机 针对以上情况，设计开发了可以在熄火瞬间阻断燃油供给系统(上图2)。ECU采集熄火开关信号，当按下熄火开关时，控制电机旋转，关闭气缸与化油器的连接，同时补气阀打开，使空气经补气阀顺利进入到气缸内。发动机停止运转后电机反向旋转，补气阀断电。装置设置限位销和限位槽保证发动机正常工作时装置不产生阻力,且熄火时完全阻断气流。 3.实车对比试验 试验场地为标准塑胶跑道，每6 圈记录1 次（每圈400m），期间共加速4次。对比赛车在有、无熄火断油系统的燃油消耗量如表4、表5示： 表4熄火断油系统不工作实车试验数据 对比试验结果表明，参赛车辆加装燃油阻断装置后燃油消耗量降低1.1mL，平均每次加速节油0.275mL，与理论分析结果V=0.2824mL误差在2.6%左右。整个比赛过程中，车辆采用熄火断油控制策略可节省燃油16.9%，节油效果明显。 本文对HONDA wh125-6发动机熄火工况的燃油消耗量进行了理论分析计算与实车道路试验，建立了熄火燃油消耗率随时间变化的函数关系。计算和试验结果吻合良好。设计开发了熄火燃油阻断系统。该系统控制过程精确、执行机构运转稳定、节油效果明显、显著提升团队比赛成绩。 参考文献 [1]夏晓坤,颜伏伍等.降低节能车燃油消耗量的研究(1)[J].摩托车技术,2008.10 [2]王 忠,历宝录,马淋军等.柴油机整机与零部件机械损失的评价指标及实验分析[J].中国机械工程,2006,17
