鄧希凡， 孫瑞曉， 顧 杰， 贠蓓璐， 鄔江濤

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

GB 30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》中要求，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量16.5～18 t的客車百公里油耗低于21.3 L，因此節(jié)能技術(shù)也越來越受到重視。為降低油耗，需要充分挖掘每一個(gè)能量消耗單元的節(jié)能潛力。大型客車制動(dòng)系統(tǒng)一般都是氣壓式，需要發(fā)動(dòng)機(jī)匹配打氣泵進(jìn)行供能。本文從更換打氣泵結(jié)構(gòu)形式和減少制動(dòng)用氣量?jī)蓚€(gè)方面來降低整車的油耗。

1 更換打氣泵結(jié)構(gòu)形式及效果

1.1 更換打氣泵結(jié)構(gòu)形式

普通排氣卸荷空壓機(jī)達(dá)到預(yù)定的排氣壓力時(shí)，將高壓氣體經(jīng)由干燥器泄壓閥排到大氣中，空壓機(jī)仍在正常工作，消耗一定的能量。為降低打氣泵的能量消耗，將普通排氣空壓機(jī)改進(jìn)為進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)。

進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)可以使容積腔與缸蓋進(jìn)氣腔或者預(yù)設(shè)的單獨(dú)氣腔相通，當(dāng)干燥器氣壓達(dá)到預(yù)定排氣壓力值時(shí)，其反饋口傳導(dǎo)出高壓氣體，推動(dòng)空壓機(jī)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卸荷。這時(shí)空壓機(jī)將不再從外界進(jìn)氣，也不向外部排氣，即進(jìn)、排氣閥門均不再工作。所以在達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后，進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的能耗將大大小于普通排氣空壓機(jī)。

1.2 效果驗(yàn)證

1.2.1 空壓機(jī)參數(shù)確定

試驗(yàn)車輛為11 m空氣懸架大客車，儲(chǔ)氣筒容積為120 L。根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)氣筒容量、打氣時(shí)間及布置結(jié)構(gòu)的要求，選擇的空壓機(jī)排量為359 L/min(2 200 r/min)，額定工作壓力為12 bar，對(duì)應(yīng)工作功率為4.7 kW，速比為1，空濾后取氣方式。

圖1 進(jìn)/排氣空壓機(jī)卸荷時(shí)功率對(duì)比

選用2款以上參數(shù)完全相同的空壓機(jī)進(jìn)行對(duì)比，其中一臺(tái)為進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)，另一臺(tái)為普通排氣卸荷空壓機(jī)。根據(jù)廠家提供的臺(tái)架參數(shù)，2臺(tái)空壓機(jī)的軸功率對(duì)比如圖1所示。

1.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)

為提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。按照最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38146.2—2019中客車部分CHTC-C的路譜進(jìn)行試驗(yàn)。

將1.2.1中的2款不同類型的空壓機(jī)分別在同一輛車上進(jìn)行油耗測(cè)試，每組試驗(yàn)做3次，取平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同類型空壓機(jī)整車100 km油耗對(duì)比 L

從表1可以看出，在整個(gè)CHTC-C循環(huán)中，油耗降低很小，只降低了0.2%。這是因?yàn)樵贑HTC-C循環(huán)中,高速工況只占了1/3，其余為城市道路和一般公路。城市工況下，由于制動(dòng)駐車、開門等較為頻繁，空濾后取氣空壓機(jī)的負(fù)荷率較高，一般在50%左右，未能體現(xiàn)出進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的卸荷優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)這一情況，單獨(dú)截取整個(gè)循環(huán)中的高速工況進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同類型空壓機(jī)高速工況100 km油耗對(duì)比 L

從表2可以看出，在高速工況下油耗降低了1.37% 。

1.2.3 高速工況理論分析

分析CHTC-C循環(huán)中高速工況中的路譜，得知車輛的平均車速為78 km/h。根據(jù)車輛的后橋速比、變速器速比、輪胎半徑等參數(shù)可以反推出發(fā)動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為1 226 r/min。根據(jù)圖1可以估算出普通空壓機(jī)的卸荷功率=1 kW，進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的卸荷功率=0.23 kW。同時(shí)根據(jù)車輛高速工況的一般經(jīng)驗(yàn)，打氣泵卸荷時(shí)間占比約為95%,查閱發(fā)動(dòng)機(jī)的MAP圖，對(duì)應(yīng)的油耗=210 g/(kW·h)。燃油密度=840 g/L，則可以計(jì)算出高速工況100 km節(jié)省的油耗：

=(-)×100×095(×78)=0234 L

與高速工況試驗(yàn)結(jié)果0.25 L基本一致。

2 減少制動(dòng)用氣量措施及效果

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間在城市道路運(yùn)行的車輛，采用進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的節(jié)能效果不明顯。需要考慮減少制動(dòng)用氣量來降低制動(dòng)系統(tǒng)的能耗。

2.1 當(dāng)前制動(dòng)用氣量分析

車輛制動(dòng)用氣主要包括行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)。其中行車制動(dòng)涉及功能面廣，更改難度大，故不作更改。本文只考慮駐車制動(dòng)用氣量的優(yōu)化。

當(dāng)前整車制動(dòng)系統(tǒng)的最高壓力為10 bar，駐車制動(dòng)系統(tǒng)工作壓力上限為8 bar。后橋駐車制動(dòng)的氣室容積為1.52 L，連接用管路容積約為0.76 L,單次駐車用氣量換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的容積為8×(1.52×2+0.76×1.1)=31(L)，式中1.1為管路的膨脹系數(shù)。

針對(duì)上述理論計(jì)算結(jié)果，選擇一輛樣車進(jìn)行測(cè)試。在駐車儲(chǔ)氣筒上連接壓力表。打氣泵持續(xù)打氣，直到整車制動(dòng)儲(chǔ)氣筒(容積100 L)打滿氣壓，干燥器卸荷后，實(shí)施駐車制動(dòng)，記錄每次氣壓表的壓力，直到壓力降低到8 bar左右。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)共2組，見表3。

表3 駐車制動(dòng)氣耗試驗(yàn)氣壓數(shù)據(jù) bar

則第一組試驗(yàn)平均用氣量(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài))：

(9.8-8.1)÷5×100 L=34 L

第二組試驗(yàn)平均用氣量(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài))：

(9.9-8.1)÷5×100 L=36 L

2組試驗(yàn)中每次駐車的平均用氣量為35 L(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài))。

2.2 改進(jìn)后的駐車用氣量分析

目前駐車制動(dòng)所使用的限壓閥限制壓力為8 bar，實(shí)際上解除駐車制動(dòng)不需要這么高的壓力值，可以適當(dāng)降低該壓力以降低駐車的用氣量，從而節(jié)能減耗。

考慮到整車設(shè)定的起步壓力為5.5 bar，本文將駐車制動(dòng)系統(tǒng)使用的壓力上限設(shè)定為6.5 bar。則理論上單次駐車的用氣量變?yōu)?.5×(1.52×2+0.76×1.1)=25.2(L)，可節(jié)省用氣5.8 L。

將改進(jìn)方案實(shí)施在同一樣車上后，進(jìn)行與2.1節(jié)相同的試驗(yàn)。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算出2組試驗(yàn)的平均每次駐車的氣耗為29.15 L，即實(shí)際測(cè)試每次駐車節(jié)省用氣量為5.85 L。

2.3 燃油城市客車減少駐車用氣后的能耗分析

根據(jù)公交城市道路運(yùn)行的一般經(jīng)驗(yàn)，每公里駐車制動(dòng)工作約3次。則可計(jì)算出改進(jìn)后100 km節(jié)省的用氣量=5.85×3×100=1 755(L)。

根據(jù)CHTC-C循環(huán)中的城市工況進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓油耗測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖2所示，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速約1 000 r/min。

圖2 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)曲線

根據(jù)前述的空壓機(jī)參數(shù)，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)速約 1 000 r/min時(shí)空壓機(jī)的排量=359×1 000/2 200=163(L/min)，工作時(shí)功率=4.7×1 000/2 200=2.14(kW)，空轉(zhuǎn)時(shí)功率=0.125 2 kW。

查詢發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖對(duì)應(yīng)的城市工況油耗=290 g/(kW·h)?？梢杂?jì)算出改進(jìn)后100 km節(jié)省的油耗=(-)(60)=0.125 L。

同時(shí)，在車輛轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)中測(cè)得城市工況100 km油耗34 L，則減少駐車用氣后油耗降低0.125×100%/34=0.367%。說明此改進(jìn)方案的節(jié)能效果不明顯。

2.4 純電動(dòng)城市客車減少駐車用氣后的能耗分析

選用一輛10 m純電動(dòng)城市客車來進(jìn)行能耗分析，10 m城市客車的百公里電耗一般為100 kW·h。選用空壓機(jī)排量=250 L/min，功率=3 kW。

純電動(dòng)車都采用的是電動(dòng)空壓機(jī)，可以通過整車控制器控制空壓機(jī)的啟停。即當(dāng)整車氣壓達(dá)到設(shè)定壓力后，空壓機(jī)停止工作，這樣空壓機(jī)是沒有空轉(zhuǎn)損失的。同時(shí)因?yàn)殡妱?dòng)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的，所以其功率不受車速影響。

根據(jù)以上參數(shù)，可以計(jì)算出改進(jìn)后100 km節(jié)省的電耗=(60)=0.351 kW·h。

與車輛100 km電耗100 kW·h相比，改進(jìn)后電耗降低0.351×100%/100=0.351%。節(jié)能效果也不明顯。

2.5 減少駐車用氣節(jié)能效果不明顯原因

駐車制動(dòng)降低使用壓力減少用氣量后，純電動(dòng)車和燃油車在城市工況下節(jié)能效果均不明顯，主要是因?yàn)轳v車制動(dòng)的能耗在整車能耗中占比很小。以純電動(dòng)城市客車為例，改進(jìn)前駐車制動(dòng)總能耗=35×100×3(60)=2.1 kW·h，只占整車總能耗的2.1%，導(dǎo)致其節(jié)能效果不明顯。

3 結(jié)束語

本文對(duì)更改打氣泵的形式和減少駐車制動(dòng)用氣量的方案節(jié)能效果進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)測(cè)試。為客車及其他車型降耗措施的采取提供參考。