曹鳳明，鄒興輝

進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)節(jié)油效果分析與驗(yàn)證

曹鳳明，鄒興輝

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章目的是在某款成熟重卡發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用帶進(jìn)氣卸荷功能的空壓機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證油耗改善情況。利用CRUISE軟件建立整車仿真模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)油耗改善效果從理論上進(jìn)行分析和支持。應(yīng)用進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)附配件的功率消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，從而改善經(jīng)濟(jì)性，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

進(jìn)氣卸荷；節(jié)能；附配件

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-155-04

引言

我國(guó)對(duì)商用車排放要求越來(lái)越嚴(yán)格的同時(shí)，對(duì)油耗的要求也越來(lái)越高，《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年》要求：到2020年，商用車新車燃料消耗量接近國(guó)際先進(jìn)水平?！吨袊?guó)制造2025》要求：到2020年，商用車新車油耗接近國(guó)際先進(jìn)水平；到2025年，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。JT/T719-2016 《營(yíng)運(yùn)貨車燃料消耗量限值及測(cè)量方法》新車第三階段于2017年7月1日?qǐng)?zhí)行，第四階段于2018年7月1日?qǐng)?zhí)行，三階段在二階段基礎(chǔ)上油耗嚴(yán)了7%，四階段在三階段基礎(chǔ)上也加嚴(yán)了7%左右。 GB 30510《重型商用車燃料消耗量限值》目前已發(fā)布征求意見(jiàn)稿，預(yù)計(jì)2020左右年實(shí)施第三階段的工信部油耗標(biāo)準(zhǔn)，燃油消耗量限值要在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上降低15%左右。

隨著國(guó)家對(duì)油耗要求的逐步提高，節(jié)油技術(shù)也越來(lái)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。對(duì)于重型商用車，改善發(fā)動(dòng)機(jī)附件的功率消耗，是現(xiàn)階段改善燃油經(jīng)濟(jì)性的有效措施之一，本文中采用的進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)附配件能量損失，提升發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)簡(jiǎn)介

帶卸荷閥空壓機(jī)就是使空壓機(jī)的容積腔與缸蓋進(jìn)氣腔或預(yù)設(shè)的單獨(dú)氣腔相通，當(dāng)儲(chǔ)氣筒達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后，內(nèi)部導(dǎo)通并傳導(dǎo)出高壓氣體，推動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)氣卸荷中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱ESS）工作，使進(jìn)氣腔和壓縮腔之間保持暢通，此時(shí)空壓機(jī)處于空負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1 空壓機(jī)卸荷狀態(tài)氣流方向示意圖Fig.1 ESS air compressor airflow

對(duì)于進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)，當(dāng)儲(chǔ)氣筒未到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，其處于正常工作狀態(tài)，功率消耗與普通空壓機(jī)相同；當(dāng)儲(chǔ)氣筒達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后，進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的ESS工作，進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)處于空負(fù)荷狀態(tài)，功率消耗降低；普通空壓機(jī)則是經(jīng)由干燥器泄壓閥，將高壓氣體排到大氣中，空壓機(jī)仍然處于正常工作狀態(tài)。故儲(chǔ)氣筒達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后，進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)相對(duì)應(yīng)普通空壓機(jī)，有明顯的節(jié)能效果。

2 進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)應(yīng)用方案

2.1 卸荷閥空壓機(jī)選型確認(rèn)

根據(jù)現(xiàn)有搭載某國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)的車型要求，對(duì)進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行選型確認(rèn)。

根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)氣筒容量、打氣時(shí)間、布置結(jié)構(gòu)要求，選擇進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)參數(shù)如下：

表1 進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)性能參數(shù)Tab.1 ESS air compressor parameter

2.2 空壓機(jī)臺(tái)架性能驗(yàn)證

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩轉(zhuǎn)速、額定功率轉(zhuǎn)速等因素，選擇相應(yīng)的空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行臺(tái)架性能測(cè)試。

圖2 空壓機(jī)臺(tái)架性能驗(yàn)證Fig.2 ESS air compressor bench tests

測(cè)試結(jié)果如表2：

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)儲(chǔ)氣筒達(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，卸荷狀態(tài)下空壓機(jī)功率消耗平均降低了40%左右。

表2 空壓機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 bench tests results of air compressor

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于帶卸荷閥空壓機(jī)單個(gè)子技術(shù)節(jié)油效果并不明顯，在轉(zhuǎn)轂上不能直觀的通過(guò)油耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋出來(lái)；同時(shí)，基于卸荷閥空壓機(jī)的節(jié)油原理，城市路況常用剎車，空壓機(jī)基本上處于打氣的工作狀態(tài)，卸荷閥基本不工作，而在高速段儲(chǔ)氣筒打滿氣后，空壓機(jī)長(zhǎng)期處于卸荷狀態(tài)，因此確定節(jié)油驗(yàn)證方案以高速路況的節(jié)油效果作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

降油耗的評(píng)價(jià)方法根據(jù)采集卸荷閥空壓機(jī)在高速路況下打氣/卸荷兩種工作狀態(tài)的時(shí)間占比，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)，計(jì)算得出：

帶卸荷閥空壓機(jī)的節(jié)省油量=正常空壓機(jī)功率×?xí)r間×燃油率-ESS空壓機(jī)功率×?xí)r間×燃油率。

2.4 卸荷時(shí)間的采集

為確保采集數(shù)據(jù)更加貼近車輛實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)車輛進(jìn)行裝載到16t；儲(chǔ)氣筒在打滿氣時(shí)，卸荷閥空壓機(jī)的ESS功能開(kāi)啟，空壓機(jī)不再對(duì)外打氣，儲(chǔ)氣筒壓力保持在8bar左右，因此只需統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)氣筒的壓力及保持時(shí)間即可確定卸荷閥空壓機(jī)的工作比例。

圖3 試驗(yàn)車輛加載（16噸）Fig.3 vehicle loaded (16 ton)

對(duì)車輛從高速段儲(chǔ)氣筒壓力信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輸出壓力時(shí)間曲線，通過(guò)分析壓力信號(hào)數(shù)據(jù)得出空壓機(jī)打氣、卸荷時(shí)間比例。

整車在高速路段行駛過(guò)程中，儲(chǔ)氣筒壓力幾乎都在8bar以上，卸荷閥空壓機(jī)95%以上的時(shí)間處于空負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。車輛的百公里油耗實(shí)測(cè)為17.4L/100km。

圖4 壓力－時(shí)間曲線Fig.4 pressure-time curve

根據(jù)車輛在高速路上的卸荷時(shí)間比為95%，繪制發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖及車輛的行駛區(qū)間，確定發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率為204g/ kW·h，利用油耗計(jì)算公式計(jì)算節(jié)油效果。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖Fig.5 engine MAP

2.4 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

車輛在高速路行駛時(shí)平均車速v=80km/h，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：

空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為：

空壓機(jī)在1569r/min轉(zhuǎn)速下，查表2可得普通空壓機(jī)消耗功率約為P普通空壓機(jī)=1.5kW，進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)消耗功率約為PESS=0.8kW。

通過(guò)前面試驗(yàn)已經(jīng)得到：汽車在高速路上行駛時(shí)，卸荷時(shí)間超過(guò)95%，則百公里卸荷時(shí)間：

汽車在80km/h行駛時(shí)，對(duì)應(yīng)的燃油消耗率b=204g/ kW·h，燃油密度為ρ=0.84kg/l，

故百公里節(jié)省的油量為：

車輛帶進(jìn)氣卸荷發(fā)動(dòng)機(jī)的的百公里油耗實(shí)測(cè)為Q=17.4L /100km，故油耗降低百分比為：

綜上所述，通過(guò)試驗(yàn)獲得的信息，整理并計(jì)算卸荷閥空壓機(jī)的油耗，得出發(fā)動(dòng)機(jī)打進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)時(shí)，在高速路段的節(jié)油比例為1.1%。

3 軟件仿真計(jì)算

采用cruise軟件建立仿真計(jì)算模型，從理論上分析進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的節(jié)油效果。

3.1 建立仿真模型

建立整車的Cruise模型，同時(shí)增加空壓機(jī)能耗附件，輸入空壓機(jī)不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速—功率特性曲線，通過(guò)模型計(jì)算，對(duì)比分析普通空壓機(jī)及ESS模式下的油耗數(shù)據(jù)；

圖6 帶ESS模塊的cruise模型Fig.6 cruise model with ESS module

圖7 普通空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速-功率消耗曲線Fig.7 speed-power curve of common air compressor

圖8 帶ESS空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速-功率消耗曲線Fig.8 speed-power curve of ESS air compressor

計(jì)算后得到的發(fā)動(dòng)機(jī)帶普通空壓機(jī)及ESS空壓機(jī)的油耗值分別如下表：

表3 帶ESS空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速-功率消耗曲線Tab.3 speed-power curve of ESS air compressor

從上表中看出，在各個(gè)車速下的油耗對(duì)比結(jié)果中，帶進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的車輛，節(jié)油比例都＞0.5%，其中二階段交通部綜合油耗節(jié)油百分比為1.07%，工信部油耗節(jié)油百分比為0.56%。

3.2 最高檔80km/h計(jì)算、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由于試驗(yàn)只做了80km/h的油耗數(shù)據(jù)，故只對(duì)比80km/h的計(jì)算值與試驗(yàn)值，對(duì)比結(jié)果如下表：

表4 理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.4 comparison of theory and test

經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)符合性較好。

4 總結(jié)

通過(guò)試驗(yàn)及分析，關(guān)于進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)的應(yīng)用效果，有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

4.1 帶進(jìn)氣卸荷的空壓機(jī)，其卸荷狀態(tài)下的平均功率消耗比不卸荷狀態(tài)下低約40%。

4.2 對(duì)于帶進(jìn)氣卸荷的空壓機(jī)，車輛在高速公路行駛時(shí)，由于不進(jìn)行剎車等操作，因此空壓機(jī)95%以上的時(shí)間都處于卸荷狀態(tài)，空壓機(jī)處于卸荷狀態(tài)的時(shí)間主要取決于儲(chǔ)氣筒的保壓能力。

4.3 通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證得出，車輛在高速公路行駛時(shí)，在儲(chǔ)氣筒保壓能力良好的情況下，若發(fā)動(dòng)機(jī)配備進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)，相對(duì)于配備普通空壓機(jī)可以實(shí)現(xiàn)1%左右的節(jié)油效果。

進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)相對(duì)于離合器空壓機(jī)，節(jié)油能力仍存在一定局限性，進(jìn)氣卸荷空壓機(jī)即使在卸荷狀態(tài)下仍存在一部分的發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗，而離合器空壓機(jī)在儲(chǔ)氣筒達(dá)到預(yù)設(shè)壓力后，通過(guò)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，空壓機(jī)完全處于不工作狀態(tài)，不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)能量。但是離合器空壓機(jī)由于目前技術(shù)狀態(tài)不成熟，而且需要與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)匹配開(kāi)發(fā)、標(biāo)定，周期較長(zhǎng)，可在未來(lái)作為一項(xiàng)新型節(jié)油技術(shù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。

[1] 余志生.汽車?yán)碚?機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 王啟廣,葉平.現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.2005.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊(cè)）.機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[4] GB/T 12545.2-200l,商用車輛燃料消耗量試驗(yàn)方法.

Analysis and Verification of Fuel Consumption Improvement by ESS Air Compressor

Cao Fengming, Zou Xinghui
（Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

The purpose of this paper is to apply an ESS air compressor on a heavy-duty truck, and to evaluate and verify the improvement of fuel consumption. The vehicle simulation model is established by using cruise software to analyze and support the fuel consumption improvement theoretically. The application of ESS air compressor can reduce power consumption of engine accessory parts and realize energy saving, and thereby improving economy and enhancing product competitiveness.

ESS air compressor; Energy saving; Heavy-duty truck; engine accessory parts

U467

A

1671-7988 (2017)16-155-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.054

曹鳳明，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。