王立功

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)輕型汽車在開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)車輛動(dòng)力性能迅速降低、耗油量大幅度升高的問題，結(jié)合傳統(tǒng)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)及電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出使用電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)代替皮帶驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的方案。并基于MAHA FPS2700平臺(tái)，試驗(yàn)測(cè)試了發(fā)電機(jī)負(fù)載增加后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和油耗的變化情況，結(jié)果表明改裝電動(dòng)壓縮機(jī)提高了整車動(dòng)力性能、降低了油耗。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī);MAHA FPS2700平臺(tái);發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率;油耗

0 ?引言

近年來，全球的能源結(jié)構(gòu)逐漸由傳統(tǒng)化學(xué)能源向新能源傾斜，特別是純電力驅(qū)動(dòng)快速發(fā)展，各國(guó)力圖在新一輪能源戰(zhàn)中搶占制高點(diǎn)。不過需要注意的是，盡管有些國(guó)家在政府文件中提及了燃油車禁售問題，實(shí)際上所謂“禁售燃油車”大多是環(huán)保部門或某一黨派的提議、提案，基本都停留在規(guī)劃和愿景層面，并沒有落到實(shí)處[1]。

由此看來燃油車將會(huì)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)存在，即使到了全面禁售燃油車的時(shí)間點(diǎn)，已經(jīng)售出的大量的在用車輛會(huì)在十幾年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行。

因此，針對(duì)燃油車輛的節(jié)能、降耗、減排再研究仍然很有必要。

1 ?研究背景

1.1 空調(diào)制冷系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)是采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的空調(diào)壓縮機(jī)推動(dòng)制冷劑循環(huán)進(jìn)行工作[2]，與其他的空調(diào)系統(tǒng)（如家用空調(diào)）相比，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

①車輛的制冷系統(tǒng)基本是在自然環(huán)境的路面上移動(dòng)中工作，流動(dòng)的空氣、陽光的照射及發(fā)動(dòng)機(jī)和路面熱輻射等原因造成汽車空調(diào)熱負(fù)荷較大，并且熱負(fù)荷變化幅度也大[3]。

②由于汽車空調(diào)的壓縮機(jī)均由發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可從600～6500rpm變化，空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑流量變化幅度大，這樣對(duì)系統(tǒng)的流量控制、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來困難。

③空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出，增加了燃油消耗。

④空調(diào)壓縮機(jī)安裝于震動(dòng)較大并且在一定范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，因此對(duì)壓縮機(jī)的強(qiáng)度、抗震性能及系統(tǒng)管路的撓度要求較高，并且制冷劑容易泄漏，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

⑤要想開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)必須啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)?？照{(diào)系統(tǒng)僅能在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的前提下才能運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停止的狀態(tài)，空調(diào)系統(tǒng)將無法工作[4]。

1.2 電源（發(fā)電機(jī)）系統(tǒng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)電機(jī)和空調(diào)壓縮機(jī)是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)工作的，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是成正比的。因?yàn)檐囕v在運(yùn)行的過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化幅度較大，發(fā)電機(jī)的發(fā)電量又必須保證發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能滿足車輛最大用電量的需求，因此傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)電機(jī)的（設(shè)計(jì)）功率儲(chǔ)備都較大。

但是車輛大部分時(shí)間是在以經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行。所以車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)中、高速運(yùn)行時(shí)，可能因?yàn)闆]有大量電能消耗的需求而造成發(fā)電機(jī)的發(fā)電量較低，即發(fā)電機(jī)在車輛運(yùn)行過程中的利用率不高。

2 ?擬采取的改進(jìn)措施及可能帶來的問題

2.1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改進(jìn)策略

基于傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)的不足，本文將原車由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)——電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)。改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì)：

①電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)不再安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)之上，對(duì)壓縮機(jī)的強(qiáng)度、抗震性能及整套系統(tǒng)管路的撓度要求降低，可降低系統(tǒng)造價(jià)、減少系統(tǒng)故障率[5]。

②電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制非常方便，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不再受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速制約?？梢酝ㄟ^提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速方法讓小排量的壓縮機(jī)滿足空調(diào)系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)對(duì)制冷量的要求。減小了壓縮機(jī)排量，降低系統(tǒng)造價(jià)。

③電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)擺脫了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴，在一定時(shí)間段內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)而不用啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

④電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的沒有機(jī)械連接，可以緩解車輛開空調(diào)制冷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足的問題。

2.2 電源系統(tǒng)改進(jìn)策略

針對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)電機(jī)利用率不高的問題，將原車額定電壓為12V的發(fā)電機(jī)改為功率相同的額定電壓48V發(fā)電機(jī)，并安裝一塊48V的適當(dāng)容量的電池。通過提高發(fā)電機(jī)的利用率以滿足電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)用電需求。發(fā)電機(jī)連接電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)和48V電池，以維持電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)工作并給48V電池充電。DC/DC模塊把48V轉(zhuǎn)化為12V給原車12V電池充電并為其他低壓用電器提供電源。

另一方面電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的使用也可能會(huì)帶來一系列問題。制冷系統(tǒng)改為電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)后在開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)勢(shì)必要增加發(fā)電機(jī)負(fù)載。本文主要針對(duì)以下兩點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

①發(fā)電機(jī)負(fù)荷的增加是否比原車設(shè)計(jì)開空調(diào)制冷消耗更大的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

②發(fā)電機(jī)負(fù)載的增加是否比原車設(shè)計(jì)開空調(diào)制冷帶來更大的耗油量。

2.3 電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)功率的確定

本研究以某一量產(chǎn)的純電動(dòng)轎車為例，通過測(cè)試電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的電流參數(shù)獲得功率。

測(cè)試前，將車輛放置于能夠自動(dòng)調(diào)整溫度并能模擬陽光照射的環(huán)境（烤漆房）。將環(huán)境溫度設(shè)定為45℃，并且模擬陽光照射整個(gè)車身。啟動(dòng)車輛，打開所有的車門及后備箱，待環(huán)境溫度穩(wěn)定4小時(shí)后進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，關(guān)閉所有車輛門窗及后備箱，空調(diào)設(shè)置為外循環(huán)、溫度24℃，從開啟空調(diào)壓縮機(jī)的瞬間開始計(jì)時(shí)，并每間隔1分鐘測(cè)量壓縮機(jī)電流，直到環(huán)境溫度到達(dá)設(shè)定溫度。此時(shí)車輛制冷系統(tǒng)的制冷量與車輛的熱負(fù)荷保持動(dòng)態(tài)平衡，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電流趨于穩(wěn)定。

P=UI（1）

式中：P為壓縮機(jī)功率;U為壓縮機(jī)電源電壓，320V;I為壓縮機(jī)電流。

壓縮機(jī)電源電壓為恒定值320V，電流隨時(shí)間而變化，通過式（1）可計(jì)算壓縮機(jī)消耗的功率，結(jié)果如表1所示。

數(shù)據(jù)表明：電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的功率消耗在400W左右，僅僅是在電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)開啟的很短時(shí)間內(nèi)功率接近800W。因?yàn)橛行铍姵氐拇嬖?，蓄電池可以在開啟電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的初期與發(fā)電機(jī)一起給電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)供電或者單獨(dú)給壓縮機(jī)供電。又考慮到整車低壓12V電源是48V電源經(jīng)過DC-DC獲得的，在DC-DC轉(zhuǎn)變的過程中會(huì)產(chǎn)生能量消耗。

基于以上兩種原因，開啟電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)后發(fā)電機(jī)的負(fù)載增加量不會(huì)大于800W。我們按照發(fā)電機(jī)負(fù)載增加800W進(jìn)行發(fā)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)對(duì)車輛的功率和油耗影響進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)是可行的。

3 ?測(cè)試平臺(tái)及工況簡(jiǎn)介

3.1 測(cè)試平臺(tái)簡(jiǎn)介

FPS2700是德國(guó)馬哈（MAHA）公司制造的適用于軸重2700kg及以下的兩輪驅(qū)動(dòng)（前輪驅(qū)動(dòng)或者后輪驅(qū)動(dòng)）輕型車輛檢測(cè)用底盤測(cè)功機(jī)，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、牽引功率、底盤輸出功率等進(jìn)行測(cè)試;可以在恒速、恒轉(zhuǎn)速、恒牽引力等模式下進(jìn)行加載模擬;連續(xù)及離散功率測(cè)試;真實(shí)路況（風(fēng)阻、滾動(dòng)阻力、坡度等）模擬;與馬哈公司的尾氣及油耗設(shè)備配合可檢測(cè)尾氣及車輛油耗。本文中的發(fā)動(dòng)機(jī)功率測(cè)試和各種不同工況的油耗測(cè)試均是在本設(shè)備上完成的。

3.2 測(cè)試工況IM240簡(jiǎn)介

I/M（inspection and maintenance）制度是檢測(cè)在用輕型車排放控制系統(tǒng)工作是否正常的一整套程序。本試驗(yàn)采用了I/M240工況進(jìn)行油耗測(cè)試。I/M240測(cè)試工況是采用美國(guó)聯(lián)邦新車型式認(rèn)定用測(cè)試規(guī)程FTP曲線0-333秒的兩個(gè)峰，經(jīng)修改為240秒，因?yàn)镮/M240工況下的測(cè)試結(jié)果與FTP結(jié)果有很好的相關(guān)性，所以本工況被大量使用。

4 ?測(cè)試方案設(shè)計(jì)

4.1 車輛選擇

測(cè)試車輛選擇運(yùn)行年限、運(yùn)行公里數(shù)不同的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛，因?yàn)槿虬l(fā)動(dòng)機(jī)逐步小型化，所以選擇車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)排量在1.4～2.0L。

4.2 功率測(cè)試

在MAHA FPS2700平臺(tái)上測(cè)試車輛分別在同一個(gè)溫度、濕度環(huán)境下檢測(cè)，每臺(tái)車輛在關(guān)閉空調(diào)、開啟空調(diào)和關(guān)閉空調(diào)同時(shí)將發(fā)電機(jī)負(fù)載增加電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的最大功率，前者數(shù)據(jù)分別與后兩者數(shù)據(jù)之差即為傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)和電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)所消耗的功率。

4.3 油耗測(cè)試

在MAHA FPS2700平臺(tái)上測(cè)試車輛分別在同一個(gè)溫度、濕度環(huán)境下檢測(cè)每臺(tái)車輛在關(guān)閉空調(diào)、開啟空調(diào)和關(guān)閉空調(diào)同時(shí)將發(fā)電機(jī)負(fù)載增加電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的最大功率時(shí)的I/M240工況下的耗油量。后兩者數(shù)據(jù)分別與前者數(shù)據(jù)之差即為傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)和電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)工作時(shí)所帶來的油耗增加數(shù)據(jù)。

4.4 測(cè)試及數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

MAHA FPS2700實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置自動(dòng)溫控加熱裝置和新鮮空氣加熱注入裝置，以滿足開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)所需要的溫度條件和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行所需要的新鮮空氣。

每臺(tái)車輛可靠固定在MAHA FPS2700測(cè)功機(jī)上，并且在測(cè)功機(jī)上模擬每一臺(tái)車輛的道路負(fù)載系數(shù)，確保準(zhǔn)確測(cè)量車輛在不同工況下的燃油消耗數(shù)量和發(fā)動(dòng)機(jī)在不同狀態(tài)下發(fā)出的最大功率。然后連接油耗儀、OBD II數(shù)據(jù)線、潤(rùn)滑油溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器等附件;檢測(cè)、維修每臺(tái)車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)，保證每臺(tái)車輛的空調(diào)制冷系統(tǒng)能工作正常;蓄電池兩端連接有開關(guān)控制的額定電壓12V、額定功率800W的純電阻性負(fù)載，用來模擬車輛加裝電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)時(shí)的電能消耗。文中僅提供起亞獅跑2.0的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)和曲線，測(cè)試結(jié)果如下：

①傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)功率增加800W兩種情況下對(duì)車輛功率影響測(cè)試及結(jié)果。

在環(huán)境溫度40℃情況下分別測(cè)量空調(diào)開啟和空調(diào)關(guān)閉發(fā)電機(jī)負(fù)載增加800W三種狀態(tài)下車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，獲得每臺(tái)車輛空調(diào)壓縮機(jī)消耗的功率、發(fā)電機(jī)負(fù)載增加800W消耗的功率。

圖中藍(lán)色曲線為輪邊功率，綠色為損耗功率，紫色為油耗率，紅色為修正后功率，橙色為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。圖1可知，空調(diào)開啟時(shí)功率損耗明顯加劇修正后功率為93.9kW;圖2，當(dāng)空調(diào)關(guān)閉發(fā)電機(jī)負(fù)載增加800W時(shí)的修正后功率99.3kW，消耗的功率明顯小于傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)功率。

計(jì)算每臺(tái)車輛空調(diào)壓縮機(jī)消耗的功率、發(fā)電機(jī)負(fù)載增加800W消耗的功率兩個(gè)功率占不開空調(diào)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的百分?jǐn)?shù)，如表2所示。

②傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)負(fù)載增加800W兩種情況下對(duì)車輛油耗影響測(cè)試及結(jié)果。

在環(huán)境溫度40℃情況下分別測(cè)量空調(diào)開啟和空調(diào)關(guān)閉發(fā)電機(jī)負(fù)載增加800W三種狀態(tài)下每一臺(tái)車輛在I/M240工況下的燃油消耗數(shù)據(jù)。

紅色曲線為發(fā)動(dòng)機(jī)總耗油量，橙色為瞬時(shí)百公里耗油量，綠色曲線為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，藍(lán)色曲線為車輛速度。（圖3、圖4）

獲得每臺(tái)車輛開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)負(fù)載增加800W所帶來的燃料消耗增加值，計(jì)算燃料消耗增加值占不開空調(diào)時(shí)車輛燃料消耗量的百分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表3所示。

③數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。

功率影響：車輛在運(yùn)行過程中開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)所消耗的功率占車輛不開空調(diào)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的7.16%，發(fā)電機(jī)功率增加800W所消耗的功率僅僅占車輛關(guān)閉空調(diào)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的3.6%;加裝電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)后，車輛打開空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)車輛的功率會(huì)比使用傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)增加3.56%，即車輛開啟空調(diào)時(shí)動(dòng)力下降得到了緩解。

油耗影響：空調(diào)制冷系統(tǒng)關(guān)閉與開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)相比，傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)使車輛油耗增加30%，而發(fā)電機(jī)功率增加800W時(shí)車輛油耗僅僅增加12.6%。加裝電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)后車輛開空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)車輛的燃料消耗會(huì)比使用傳統(tǒng)壓縮機(jī)要節(jié)省17.4%燃料。

因?yàn)檐囕v在運(yùn)行過程中整車電壓接近14V，所以測(cè)試時(shí)實(shí)際發(fā)電機(jī)上增加的負(fù)載要大于900W，即實(shí)際加裝電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)后所消耗的功率不足3.6%，而燃料消耗增加不到12.6%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空調(diào)消耗。

5 ?結(jié)論

本文分析了燃油汽車皮帶驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的空調(diào)制冷系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在的問題，提出了用電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)代替皮帶驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的方案，借助FPS2700平臺(tái)設(shè)計(jì)了改進(jìn)后對(duì)車輛功率和IM240工況油耗影響的相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明開啟車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)采用電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)比采用皮帶驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)車輛的動(dòng)力增加3.56%，燃油消耗節(jié)省17.4%，改裝方案實(shí)際可行。

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