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        采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械傳動(dòng)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性分析

        2013-09-17 12:10:28張銀彩王杰韓彥軍
        機(jī)床與液壓 2013年3期
        關(guān)鍵詞:機(jī)械傳動(dòng)蓄能器傳動(dòng)

        張銀彩,王杰,韓彥軍

        (1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北石家莊050043;2.唐山學(xué)院機(jī)電工程系,河北唐山063020)

        在當(dāng)今社會(huì),城市交通中的機(jī)動(dòng)車輛數(shù)量眾多,帶來了巨大的能量消耗。由于城市人口和車輛集中,造成城市車輛運(yùn)行工況的特殊性,需要頻繁地起步加速與制動(dòng)。車速低、油耗高、排放污染與噪聲嚴(yán)重是城市車輛的共有問題[1-2]。制動(dòng)器頻繁作用,造成能量的無謂消耗。如能把制動(dòng)器消耗的能量回收,在車輛起步時(shí)釋放,無疑會(huì)提高車輛的能量利用率[3-5]。

        儲(chǔ)能式多段液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性,又能降低其有害排放量,保護(hù)環(huán)境。由于利用儲(chǔ)能式多段液壓機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)減速,減少了制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱,且可延長車輛制動(dòng)系的工作壽命,降低由于摩擦和磨損對環(huán)境的不良影響[6]。

        儲(chǔ)能式多段液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),是基于多段液壓機(jī)械傳動(dòng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。多段液壓機(jī)械傳動(dòng)綜合利用了液壓傳動(dòng)無級變速和機(jī)械傳動(dòng)效率高的特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)大功率的無級變速,轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化范圍能滿足車輛的使用要求,可使車輛獲得最佳的行駛性能[7-8]。

        1 基于兩段液壓機(jī)械傳動(dòng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)

        圖1為兩段式液壓機(jī)械無級傳動(dòng)簡圖。

        圖1 兩段式液壓機(jī)械無級傳動(dòng)簡圖

        該液壓機(jī)械無級傳動(dòng)由4個(gè)行星排 (k1、k2、k3、k4),3個(gè)制動(dòng)器 (CH、CL、CR),1套容積調(diào)速式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和1套控制系統(tǒng)組成[9]。k1、k2為匯流行星排,齒輪z2/z3構(gòu)成了功率分流機(jī)構(gòu),液壓路傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由雙向變量泵和定量馬達(dá)組成。此液壓機(jī)械傳動(dòng)的輸出轉(zhuǎn)速具有等差特性。

        CH制動(dòng)器制動(dòng)時(shí),為液壓工況;CL制動(dòng)器制動(dòng)時(shí),為正向液壓機(jī)械工況,其中輸出端液壓泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速大于零時(shí),為功率循環(huán)工況,其轉(zhuǎn)速小于零時(shí),為分流傳動(dòng)工況[9]。

        圖2為圖1所示兩段液壓機(jī)械無級傳動(dòng)液壓工況的功率流分析,圖3為功率循環(huán)工況的功率流分析。

        圖2 液壓工況功率流程分析

        圖3 功率循環(huán)工況功率流分析

        由圖3可知:液壓機(jī)械無級傳動(dòng)換段過程中,輸出端液壓泵/馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩反向,輸出端液壓泵/馬達(dá)由馬達(dá)工況轉(zhuǎn)化為泵工況工作,輸入端液壓泵/馬達(dá)由泵工況轉(zhuǎn)化為馬達(dá)工況工作。換段過程液壓油的高壓邊發(fā)生了變化,功率的流動(dòng)方向發(fā)生了改變。

        通過對多段液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)換段過程的分析,得到基于兩段液壓機(jī)械傳動(dòng)的儲(chǔ)能方案,如圖4所示。該液壓儲(chǔ)能傳動(dòng)系統(tǒng)主要由高壓蓄能器5,低壓蓄能器8,二通插裝閥4、6、7、9,輸入端液壓泵/馬達(dá)1,輸出端液壓泵/馬達(dá)2組成。

        2 燃油消耗分析

        2.1 基本假設(shè)

        城市車輛的實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜,很難進(jìn)行理論分析。為便于進(jìn)行車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性理論分析,需對車輛運(yùn)行工況進(jìn)行一定簡化。假設(shè)如下:

        (1)車輛在水平路面上行駛,滾動(dòng)阻力系數(shù)不隨車速變化,風(fēng)速為零,滑轉(zhuǎn)、滑移率為零。

        (2)蓄能器效率為一定值。

        圖4 儲(chǔ)能式兩段液壓機(jī)械無級傳動(dòng)簡圖

        (3)車輛運(yùn)行工況擬采用國標(biāo) (GB/T 18386-2001)規(guī)定的基本市區(qū)循環(huán)。此循環(huán)工況如圖5所示。

        圖5 循環(huán)工況圖

        2.2 起步加速過程分析

        把整個(gè)加速過程分為若干時(shí)間段,分別計(jì)算時(shí)間間隔Δt內(nèi)的燃油消耗。在時(shí)間間隔內(nèi),依據(jù)市區(qū)循環(huán)工況表對加速度的要求,得出轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)要求的功率,進(jìn)而得出轉(zhuǎn)矩。

        (1)采用無級傳動(dòng)的車輛起步加速過程分析

        ①液壓工況

        在液壓工況,受定排量液壓元件輸出轉(zhuǎn)矩限制,液壓機(jī)械無級傳動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩和液壓元件的壓力基本恒定,具有恒轉(zhuǎn)矩特性。

        發(fā)動(dòng)機(jī)功率:

        ②液壓機(jī)械工況

        進(jìn)入液壓機(jī)械工況后,輸出轉(zhuǎn)矩主要受發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率限制,液壓機(jī)械無級傳動(dòng)輸出軸的轉(zhuǎn)矩呈雙曲線形,具有恒功率特性。

        液壓機(jī)械無級傳動(dòng)輸出軸的轉(zhuǎn)矩

        車輛的加速度:

        車速的變化:

        式 (2)可表示為:

        式 (3)為非線性方程,需借助于數(shù)值方法求近似解。

        式中:aj為車輛的加速度,m/s2;uai為車輛的瞬時(shí)車速,km/h;u*h為換段時(shí)的車速,km/h;uam為基本市區(qū)循環(huán)工況2、7、13這3個(gè)加速工況的最高車速,km/h;ui為車輛的瞬時(shí)車速,m/s。

        設(shè)f(Pex)在區(qū)間 [a,b]上連續(xù),且有:

        由連續(xù)函數(shù)介值定理,f(Pex)在 [a,b]內(nèi)必有零點(diǎn),二分取值得到一個(gè)區(qū)間序列。

        [a,b]?[a1,b1]?[a2,b2]? … ?[an,bn]?…滿足

        [an,bn](n=1,2,…)均為方程 (3)的有根區(qū)間。

        且Pe=是方程 (3)的根。

        發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩:

        發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性的數(shù)學(xué)模型為

        第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的燃油消耗:

        式中:Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率,kW;ge為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率,g/(kW·h);Te為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩,N·m;ne為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,r/min;Qi為第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的燃油消耗,g。

        (2)采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械傳動(dòng)的車輛起步加速過程分析

        采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械傳動(dòng)的車輛在液壓工況蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng),液壓機(jī)械工況發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

        車輛的行駛方程式:

        式中:Tq為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,N·m;acj為蓄能器加速時(shí)車輛的加速度,m/s2;δ'為質(zhì)量換算系數(shù);m為汽車質(zhì)量,kg;Iw為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。

        輸出端液壓泵/馬達(dá)的排量為:

        流出蓄能器的油液體積為:

        蓄能器內(nèi)氣體的壓力為:

        式中:qmi為輸出端液壓泵/馬達(dá)的排量,m3/rad;pm為開始加速時(shí)蓄能器內(nèi)氣體的壓力,Pa;Vm為壓力為pm時(shí)氣體的體積,m3;k為氣體的多變指數(shù),變化范圍為1~1.4。

        求出蓄能器加速結(jié)束時(shí)車輛的速度umj

        在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí),采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械無級傳動(dòng)與采用液壓機(jī)械傳動(dòng)的車輛的起步加速過程相同,其分析過程見第2.2節(jié)中 (1)的分析。

        2.3 穩(wěn)定行駛工況過程分析

        車輛按一定車速穩(wěn)定行駛時(shí),蓄能器不工作,采用液壓機(jī)械無級傳動(dòng)與采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械無級傳動(dòng)的車輛在油耗計(jì)算方面無差別。

        發(fā)動(dòng)機(jī)功率:

        2.4 制動(dòng)過程分析

        對于采用液壓機(jī)械無級傳動(dòng)的車輛,制動(dòng)過程由制動(dòng)器來完成。對于采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械傳動(dòng)的車輛,由儲(chǔ)能傳動(dòng)系統(tǒng)來完成,在儲(chǔ)能傳動(dòng)系統(tǒng)提供的制動(dòng)力不夠時(shí),原制動(dòng)系統(tǒng)加以補(bǔ)充。發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)工況。

        怠速狀態(tài)的燃油消耗量為:

        式中:Q0為怠速燃油消耗率,mL/s;Δth為制動(dòng)過程時(shí)間。

        2.5 怠速停車過程分析

        在停車狀態(tài),采用液壓機(jī)械傳動(dòng)與采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械傳動(dòng)的車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài),燃油消耗量相同。

        怠速狀態(tài)的燃油消耗量為:

        式中:Qd為怠速狀態(tài)的燃油消耗量,g;Δt為怠速停車時(shí)間,s。

        根據(jù)上述的計(jì)算方法,針對圖5所示的循環(huán)工況表,在MATLAB軟件上編制仿真程序進(jìn)行仿真。已知m=10 000 kg,ne=2 000 r/min,選用圖1某液壓機(jī)械無級傳動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        圖6為采用液壓機(jī)械無級傳動(dòng)與采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械無級傳動(dòng)的車輛在一個(gè)基本循環(huán)工況下的仿真曲線,兩根曲線差值面積即為節(jié)約油耗。

        圖6 油耗率的仿真曲線

        采用液壓機(jī)械無級傳動(dòng)的車輛燃油消耗量 (200 s):

        采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械傳動(dòng)的車輛燃油消耗量(200 s):

        從仿真結(jié)果來看,儲(chǔ)能式液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可使車輛節(jié)油14.8%,系統(tǒng)能達(dá)到節(jié)油的效果。

        【1】陳華志,苑士華.城市用車輛制動(dòng)能量回收的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2003(4):1-3.

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        【10】余志生.汽車?yán)碚摚跰].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

        【11】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 183886-2005電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

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