尹繼江，叢日振，伍俊，盧振東，劉曉瑩，孫蕭

寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司,浙江寧波 315336

0 引言

2020年9月22日，我國(guó)提出將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，到2060年左右，中國(guó)將實(shí)現(xiàn)釋放的碳和吸收的碳達(dá)到平衡，即常說(shuō)的“碳達(dá)峰”和“碳中和”，為了達(dá)到這一目標(biāo)，國(guó)家對(duì)汽車(chē)的排放和油耗水平均提出了更高的要求，發(fā)布和實(shí)施了國(guó)六排放油耗法規(guī)。企業(yè)平均油耗(corporate average fuel consumption，CAFC)積分的壓力也讓各大主機(jī)廠(chǎng)都在大力發(fā)展純電動(dòng)車(chē)輛及混動(dòng)車(chē)輛，在電氣化電動(dòng)化過(guò)渡路上，對(duì)搭載傳統(tǒng)動(dòng)力的車(chē)型進(jìn)行降油耗的研究勢(shì)在必行。

本文從機(jī)械真空泵和電子真空泵的工作方式出發(fā)，通過(guò)實(shí)車(chē)循環(huán)油耗試驗(yàn)，分析機(jī)械真空泵和電子真空泵對(duì)車(chē)輛油耗的影響。

1 車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)介紹

車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)，其作用就是讓行駛中的汽車(chē)按駕駛者的意愿進(jìn)行減速制動(dòng)及停車(chē)。汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)主要由真空助力器、制動(dòng)總泵、制動(dòng)分泵、制動(dòng)油管和制動(dòng)器等部分組成，車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)際駕駛過(guò)程中，僅靠駕駛員腳部的力量無(wú)法提供足夠的推力推動(dòng)制動(dòng)總泵工作，因此需要用到真空助力，真空助力器就是制動(dòng)總泵的動(dòng)力來(lái)源。

圖1 車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

就增壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，真空助力器的真空度來(lái)源有兩種方式：①使用機(jī)械真空泵(MVP)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械真空泵工作產(chǎn)生真空，軟管連接真空助力器為制動(dòng)產(chǎn)生助力，如圖2所示；②使用電子真空泵(EVP)，通過(guò)三通接頭及單向閥，電子真空泵和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管共同為真空助力器提供真空助力[1],如圖3所示。

圖2 機(jī)械真空泵抽真空方式

圖3 電子真空泵抽真空方式

2 真空泵簡(jiǎn)介

2.1 機(jī)械真空泵簡(jiǎn)介

機(jī)械真空泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由泵體、轉(zhuǎn)子和滑片組成，通常由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，滑片隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)真空泵的腔體產(chǎn)生體積變化，抽取真空助力器內(nèi)的空氣，提供真空助力。并通過(guò)機(jī)油對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，再通過(guò)排油腔把機(jī)油和空氣排入曲軸箱，完成一個(gè)工作循環(huán)，如圖4所示。由于機(jī)械真空泵與發(fā)動(dòng)機(jī)之間是固定機(jī)械連接，所以在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)械真空泵會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而持續(xù)工作。

圖4 機(jī)械真空泵結(jié)構(gòu)

2.2 電子真空泵簡(jiǎn)介

如圖5和圖6所示，電子真空泵的結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)及葉片泵構(gòu)成，ECU接收壓力傳感器反饋的制動(dòng)助力器內(nèi)的壓力信號(hào)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)葉片泵抽取真空[2]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管也能在部分工況提供真空度，故在車(chē)輛行駛過(guò)程中，電子真空泵不會(huì)一直保持工作狀態(tài)，只有在制動(dòng)助力器的真空度(由真空度傳感器讀取)小于某設(shè)定閾值時(shí)才會(huì)工作，屬于按需工作狀態(tài)，其系統(tǒng)工作原理如圖7所示。

圖5 葉片式電子真空泵外觀(guān)

圖6 葉片式電子真空泵葉片分布狀態(tài)

圖7 電子真空泵的真空控制系統(tǒng)工作原理

3 整車(chē)油耗對(duì)比試驗(yàn)

3.1 車(chē)輛改制方案

為了驗(yàn)證同一車(chē)輛使用電子真空泵和使用機(jī)械真空泵之間的油耗差異，對(duì)兩者進(jìn)行實(shí)車(chē)轉(zhuǎn)鼓油耗試驗(yàn)。此次試驗(yàn)使用某品牌1.8 T增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)輛，該車(chē)輛設(shè)計(jì)狀態(tài)為機(jī)械真空泵，其驅(qū)動(dòng)方式如圖8和圖9所示。

圖8 機(jī)械真空泵及聯(lián)軸器

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣凸輪軸后端

機(jī)械真空泵的轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣凸輪軸后端連接，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，帶動(dòng)排氣凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，便會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械真空泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而為真空助力器提供真空。

由于原車(chē)搭載的是機(jī)械真空泵，ECU內(nèi)并沒(méi)有電子真空泵的控制軟件，故進(jìn)行電子真空泵狀態(tài)的試驗(yàn)時(shí)需對(duì)原車(chē)的ECU軟件進(jìn)行修改，增加電子真空泵的軟件控制模塊，通過(guò)ECU讀取真空助力器內(nèi)的壓力，并對(duì)比真空助力器內(nèi)壓力與目標(biāo)壓力的差值來(lái)控制電子真空泵的啟停，試驗(yàn)時(shí)使用的電子真空泵為車(chē)輛常用的電子真空泵類(lèi)型，額定功率為150 W，供電電壓為直流12 V。

試驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行原車(chē)機(jī)械真空泵狀態(tài)的油耗測(cè)試，原車(chē)狀態(tài)測(cè)試完成后，將機(jī)械真空泵的轉(zhuǎn)子及與其連接的聯(lián)軸器拆下，其余部分復(fù)原，使機(jī)械真空泵與發(fā)動(dòng)機(jī)斷開(kāi)連接，處于無(wú)法工作狀態(tài)；同時(shí)安裝電子真空泵及相應(yīng)的管路，將電子真空泵及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管以圖3的方式連接起來(lái)，并刷寫(xiě)修改后的對(duì)應(yīng)ECU控制軟件，改制成電子真空泵狀態(tài)再進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 車(chē)輛試驗(yàn)方法

以裝配機(jī)械真空泵和裝配電子真空泵車(chē)輛分別進(jìn)行3次WLTC試驗(yàn)[3]，并取其平均油耗數(shù)據(jù)來(lái)做對(duì)比分析。依據(jù)中國(guó)油耗測(cè)試評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[4]GB/T 19233—2020《輕型汽車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)包括低速、中速、高速、超高速4個(gè)部分，其對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間分別為589、433、455、323 s，且對(duì)應(yīng)的最高車(chē)速分別為56.5、76.6、97.4、131.3 km/h。

為保證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和可信性，該試驗(yàn)車(chē)輛已經(jīng)完全通過(guò)磨合期，試驗(yàn)前的行駛里程數(shù)約為30 000 km。每次油耗試驗(yàn)前車(chē)輛均靜置8 h以上，并確保蓄電池電量處于滿(mǎn)電狀態(tài)，在發(fā)電機(jī)的B+線(xiàn)上安裝電流鉗，測(cè)量每次循環(huán)油耗試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，并檢查輪胎胎壓，胎壓按銘牌要求的0.22 MPa進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)每次WLTC試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)CAN總線(xiàn)采集發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。燃油消耗量的計(jì)算均通過(guò)某公司生產(chǎn)的排放分析設(shè)備采集車(chē)輛循環(huán)試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中的尾氣，再通過(guò)碳平衡法計(jì)算測(cè)得。

表1及表2分別為機(jī)械真空泵及電子真空泵整車(chē)WLTC油耗測(cè)試結(jié)果。由表中的試驗(yàn)結(jié)果表明,該車(chē)輛搭載機(jī)械真空泵時(shí)綜合油耗平均值為0.082 72 L/km，搭載電子真空泵時(shí)綜合油耗平均值為0.082 01 L/km；車(chē)輛搭載電子真空泵的WLTC油耗較機(jī)械真空泵平均低0.000 71 L/km,下降了0.86%。

表1 機(jī)械真空泵整車(chē)WLTC油耗測(cè)試結(jié)果 單位:L/km

表2 電子真空泵整車(chē)WLTC油耗測(cè)試結(jié)果 單位:L/km

4 真空泵對(duì)整車(chē)油耗的影響分析

通過(guò)對(duì)比電子真空泵和機(jī)械真空泵的工作方式發(fā)現(xiàn)：該車(chē)輛機(jī)械真空泵由發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸驅(qū)動(dòng)，在WLTC試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)械真空泵的轉(zhuǎn)子一直在轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械真空泵一直工作，就會(huì)持續(xù)產(chǎn)生能耗。電子真空泵僅在制動(dòng)助力器內(nèi)真空度低于一定值時(shí)工作，而發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的真空度也能在一定程度上對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，故整個(gè)WLTC駕駛過(guò)程中，電子真空泵工作的時(shí)間非常短[5]。

如圖10和圖11所示，試驗(yàn)過(guò)程中的電子真空泵工作時(shí)間僅為7.6 s(工作標(biāo)志位為1表示電子真空泵工作，0表示電子真空泵不工作)，占整個(gè)WLTC試驗(yàn)的0.42%。

圖10 車(chē)輛裝配電子真空泵與裝配機(jī)械真空泵的發(fā)電機(jī)發(fā)電量對(duì)比(WLTC總1 800 s)

圖11 車(chē)輛裝配電子真空泵與裝配機(jī)械真空泵的發(fā)電機(jī)發(fā)電量對(duì)比(WLTC前100 s)

由圖10和圖11可知，電子真空泵僅在長(zhǎng)時(shí)間或者頻繁踩剎車(chē)時(shí)工作，同時(shí)根據(jù)發(fā)電機(jī)上安裝的電流鉗測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算得到：電子真空泵狀態(tài)車(chē)輛的平均電耗為354.6 W，機(jī)械真空泵狀態(tài)車(chē)輛的平均電耗為349.7 W，在整個(gè)WLTC過(guò)程中電子真空泵的平均電耗相當(dāng)，僅較機(jī)械真空泵的平均電耗高4.9 W，可忽略不計(jì)。由此可見(jiàn)，電子真空泵更省油。

5 結(jié)束語(yǔ)

2021年7月1日，我國(guó)正式實(shí)施GB 19578—2021《乘用車(chē)燃料消耗量限值》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)劃到2025年乘用車(chē)新車(chē)平均燃油消耗量降至0.04 L/km，面對(duì)國(guó)內(nèi)越來(lái)越嚴(yán)苛的油耗法規(guī)，各車(chē)企在加大新能源車(chē)型研發(fā)投入的同時(shí)，也在從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的各個(gè)方面研究降低油耗的可能。機(jī)械真空泵能耗大、需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的劣勢(shì)，會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，而能耗較小、通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子真空泵將會(huì)受到市場(chǎng)的青睞。