曲金玉，王儒，任傳波，韓爾樑，劉林

(1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博255049;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司新能源技術(shù)中心，山東濰坊261000)

公共汽車在市區(qū)運(yùn)行時(shí)需要頻繁起步、加速和制動(dòng)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)經(jīng)常偏離燃油效率最高的經(jīng)濟(jì)曲線而使油耗增加，廢氣排放也隨之增加;且在制動(dòng)過程中，車輛的動(dòng)能經(jīng)制動(dòng)器的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能被浪費(fèi)掉［1］。因此，如何合理有效地回收車輛制動(dòng)過程中浪費(fèi)的能量就成為汽車節(jié)能技術(shù)研究熱點(diǎn)。

目前，液壓蓄能方式因功率密度大、存儲(chǔ)能量時(shí)間長、工作性能穩(wěn)定和成本低等優(yōu)點(diǎn)，便于商業(yè)化應(yīng)用［2］。文中針對(duì)城市公共汽車的特殊要求提出了一種新型液壓蓄能式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的組成和工作原理，并著重對(duì)液壓系統(tǒng)的主要部件性能進(jìn)行分析，合理匹配系統(tǒng)參數(shù)。最后，通過臺(tái)架和實(shí)車道路試驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)的制動(dòng)回收性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

該液壓蓄能式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由動(dòng)力總成、液壓系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)三部分組成。

圖1 液壓蓄能式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，動(dòng)力總成包括:傳動(dòng)裝置，電磁離合器總成，液壓泵/馬達(dá)總成。該總成在保持原有柴油機(jī)零部件結(jié)構(gòu)不變，將傳動(dòng)裝置裝配在柴油機(jī)缸體與飛輪殼之間，使發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過傳動(dòng)裝置與電磁離合器、液壓泵/馬達(dá)連接;通過控制電磁離合器的接合與分離，實(shí)現(xiàn)液壓泵/馬達(dá)與柴油機(jī)之間的動(dòng)力傳遞。

液壓系統(tǒng)主要包括:液壓蓄能器、液壓閥體控制模塊、低壓閉式油箱等部分。

電子控制系統(tǒng)主要包括:電控單元、車速傳感器、蓄能器壓力傳感器和電磁換向閥等。其功能是通過檢測車輛的行駛參數(shù)和各傳感器信號(hào)，對(duì)制動(dòng)能量回收過程進(jìn)行控制。

1.2 系統(tǒng)工作原理

車輛制動(dòng)減速時(shí)，經(jīng)電控系統(tǒng)對(duì)各信號(hào)的檢測和判斷，電磁離合器接合，車輛慣性力驅(qū)動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，液壓油由低壓油箱經(jīng)液壓管路通過電磁換向閥的控制流入高壓蓄能器中，這樣就將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓勢能儲(chǔ)存在蓄能器中。當(dāng)終止制動(dòng)后，制動(dòng)回收系統(tǒng)停止工作，車輛正常運(yùn)行。在緊急制動(dòng)時(shí)，除進(jìn)行制動(dòng)回收外，車輛原制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)保持獨(dú)立運(yùn)行;在倒檔位置制動(dòng)時(shí)，車輛原制動(dòng)系統(tǒng)保持獨(dú)立運(yùn)行，制動(dòng)回收系統(tǒng)不工作。

2 制動(dòng)回收系統(tǒng)參數(shù)匹配與分析

2.1 車輛制動(dòng)減速過程

假設(shè)公共汽車制動(dòng)工況是在水平路面上進(jìn)行，忽略制動(dòng)過程中制動(dòng)器消耗的能量，汽車制動(dòng)時(shí)能量平衡方程如下:

式中:δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為車輛滿載質(zhì)量，kg;E1為液壓系統(tǒng)回收和損失的總能量，J;E2為車輪克服滾動(dòng)摩擦損失的能量，J;E3為發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)阻力消耗的能量，J;E4為車輛克服空氣阻力消耗的能量，J。

根據(jù)汽車?yán)碚?，汽車制?dòng)能量回收過程中動(dòng)力學(xué)平衡方程為［3］:

式中:a為制動(dòng)減速度，m/s2;Fp為液壓泵制動(dòng)阻力，N;Fe0為柴油機(jī)空轉(zhuǎn)的制動(dòng)阻力，N;Ff為輪胎滾動(dòng)阻力，N;Fw為空氣阻力，N;f為輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù);Te0為發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)的制動(dòng)阻力矩，根據(jù)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取Te0=200 N·m［4］。

其中，液壓泵制動(dòng)阻力矩Tp為:

式中:ηmh為液壓泵/馬達(dá)機(jī)械效率;Vg為液壓泵/馬達(dá)額定排量，mL/r;Δp為液壓系統(tǒng)工作壓力差，MPa。

忽略液壓部件的壓力泄漏，可認(rèn)為蓄能器工作壓力差即為液壓系統(tǒng)的工作壓力差 Δp。由式 (2)、(3)可得出，對(duì)于給定的車輛，當(dāng)液壓泵/馬達(dá)排量Vg確定的情況下，增加液壓系統(tǒng)工作壓力差Δp有助于提高系統(tǒng)的制動(dòng)性能，縮短制動(dòng)距離，減少傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的耗損，提高制動(dòng)器的使用壽命。

2.2 氣囊式液壓蓄能器性能分析

皮囊式蓄能器工作時(shí)，由于工作介質(zhì) (氮?dú)?的影響，可以看作是一個(gè)獨(dú)立的熱力學(xué)系統(tǒng)和外界進(jìn)行能量傳遞和轉(zhuǎn)換的過程［5］。

車輛制動(dòng)過程中，蓄能器回收的能量ΔE等于外界對(duì)蓄能器內(nèi)部氣體所做的功。由熱力學(xué)第一定律可知［9］:

式中:ηv為車輛傳動(dòng)效率;ηh為液壓傳動(dòng)效率。

當(dāng)蓄能器工作壓力從p1上升到p2時(shí)，液壓系統(tǒng)工作壓力差 Δp=p2-p1，蓄能器氣體容積變化量ΔV=V1-V2，在數(shù)值上等于液壓泵向蓄能器充入的油量，即蓄能器的有效容積ΔV為:

結(jié)合上述計(jì)算公式，評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收過程的回收率η的計(jì)算公式為:

由上式可知，蓄能器初始充氣壓力p0、最低工作壓力p1、最高工作壓力p2和總?cè)莘eV0是影響制動(dòng)能量回收率的主要因素。其中，最低工作壓力p1應(yīng)滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大負(fù)載工作時(shí)所需壓力。

制動(dòng)時(shí)流入蓄能器的液體體積Vliq為:

式中:ηv為液壓泵/馬達(dá)容積效率;npm為液壓泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min。

其中，根據(jù)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置，其傳動(dòng)比ipm=1，假設(shè)車輛制動(dòng)回收時(shí)，電磁離合器不打滑，即滑移率為0，則有:

式中:ntq為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

圖2、圖3分別為蓄能器不同初始充氣p0和總?cè)莘eV0下的蓄能器工作壓力p與流入蓄能器的液體體積Vliq的關(guān)系曲線。

圖2 不同初始充氣壓力下的蓄能器工作壓力隨充入油液體積的變化曲線

圖3 不同容積下的蓄能器工作壓力隨充入油液體積的變化曲線

由圖2、3可知，相對(duì)初始充氣壓力p0，蓄能器容積V0的大小對(duì)蓄能器工作壓力變化率的影響較大。在蓄能器初始充氣壓力p0和最低工作壓力p1一定的情況下，減少蓄能器容積V0可以提高工作壓力的變化率和制動(dòng)減速度a;但蓄能器回收的能量ΔE減少，回收率η也會(huì)降低;當(dāng)蓄能器容積V0一定時(shí)，增大最高工作壓力p2都能提高蓄能器回收的能量ΔE;但是會(huì)受密封和安全等因素的限制。所以，綜合考慮增加蓄能器容積V0和適當(dāng)提高初始充氣壓力p0對(duì)提升再生系統(tǒng)制動(dòng)能量的回收均有效。

2.3 制動(dòng)回收系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)選取

結(jié)合試驗(yàn)樣車參數(shù)，并根據(jù)上述對(duì)液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的分析，綜合考慮系統(tǒng)制動(dòng)能量回收效果、提高回收率等因素，完成對(duì)該液壓蓄能式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)的匹配選擇，如表1所示。

表1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3 試驗(yàn)

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為了實(shí)際測試該系統(tǒng)制動(dòng)回收的性能，搭建液壓蓄能式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，如圖4所示。

圖4 液壓蓄能式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

發(fā)動(dòng)機(jī)以600 r/min怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過測功機(jī)給液壓制動(dòng)回收系統(tǒng)增加制動(dòng)扭矩，輸入扭矩為171 N·m～701 N·m，測試系統(tǒng)制動(dòng)回收性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。車輛制動(dòng)過程中，蓄能器壓力從11.81 MPa 上升至 14.76 MPa，用時(shí)8.8 s，上升速率為 0.34 MPa/s。

圖5 制動(dòng)回收試驗(yàn)曲線

3.2 實(shí)車道路試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)樣車進(jìn)行改造并加裝該液壓蓄能式制動(dòng)回收系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)，驗(yàn)證該系統(tǒng)在實(shí)車上的制動(dòng)回收性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)車道路試驗(yàn)測試曲線

實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果:車輛從初始速度42.15 km/h以五擋制動(dòng)到14.83 km/h，制動(dòng)時(shí)間為12.18 s，平均制動(dòng)減速度為0.63 m/s2，蓄能器壓力從16.5 MPa上升至27.53 MPa，制動(dòng)能量回收率為69.7%。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)城市公共汽車運(yùn)行特點(diǎn)，提出的一種新型的液壓蓄能式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，便于實(shí)車布置改裝，通過對(duì)液壓系統(tǒng)參數(shù)分析綜合考慮各影響因素，完成了該系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)的匹配。

(2)分別利用臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車道路試驗(yàn)，測試驗(yàn)證了該液壓蓄能式制動(dòng)回收系統(tǒng)的回收性能，實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)具有制動(dòng)回收穩(wěn)定、迅速、高效等特點(diǎn)。

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