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

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(zhǎng)車輛制動(dòng)系的工作壽命，降低由于摩擦和磨損對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。

圖1 兩段式液壓機(jī)械無級(jí)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

該液壓機(jī)械無級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)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(duì)車輛運(yùn)行工況進(jìn)行一定簡(jiǎn)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(jí)傳動(dòng)簡(jiǎn)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(duì)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)傳動(dòng)與采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械無級(jí)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(duì)于采用液壓機(jī)械無級(jí)傳動(dòng)的車輛，制動(dòng)過程由制動(dòng)器來完成。對(duì)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(duì)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(jí)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(jí)傳動(dòng)與采用儲(chǔ)能式液壓機(jī)械無級(jí)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(jí)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．

【2】張鐵柱．城市用車輛新型節(jié)能動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研究［J］．青島大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，12(2):86 －89．

【3】BUCHWALD P，CHRISTENSEN G，LARSEN H，et al．Improvement of Citybus Fuel Economy Using a Hydraulic Hybrid Propulsion System:A Theoretical and Experimental Study［R］．SAE paper790305，1979．

【4】NAKAZAWA N，TAKEDA N，TAKAO E，et al．Development of a Braking Energy Regeneration System for City Buses［R］．SAE paper872265，1987．

【5】王會(huì)義．靜液儲(chǔ)能傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1996．

【6】吳光強(qiáng)，鞠麗娟，羅邦杰．車輛混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］．汽車工程，1997，19(2):78 －82．

【7】YUAN Shi-hua，HU Ji-bin，YANG Wen-zheng．Conditions of Ratio Changing Continuously for Multi-range Split Transmission［J］．Journal of Beijing Institute of Technology，2000，9(4):358 －361．

【8】劉修驥．車輛傳動(dòng)系統(tǒng)分析［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1998．

【9】韓兆林．車輛液壓機(jī)械傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)理論及換段過程動(dòng)態(tài)仿真研究［D］．北京:北京理工大學(xué)，2004．

【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．