商用車發動機輔助設備的優化運行策略

【奧】 Ennemoser A Schreier H Petutschnig H

1 原始狀況

降低燃油耗和二氧化碳（CO2）排放，以及減少總運行成本是商用車制造商及其用戶燃眉之急的課題。尤其是，商用車CO2排放法規限值正在持續收緊，必須在全球范圍內進一步降低商用車的運行燃油耗。由于在公路運輸中，長途運輸商用車CO2排放占據的份額最大，因此，降低燃油耗的措施主要集中在這一領域。

汽車制造商對降低商用車燃油耗負有主要責任。當然，諸如廢氣利用、混合動力化、電動化，以及類似的創新技術在中期就可付之應用，但是，由于隨之而來的附加成本較高，對終端用戶的吸引力不大。有待研究的是，在短期內，還能采用哪些技術措施，以較少的賈用進一步提高長途運輸商用車動力總成系統的效率。

2 短期內可實現的節油潛力

鑒于長期以來對商用車發動機摩擦和熱力學效率所進行的優化，現今尚存的改善潛力已相對較小。另一方面，就輔助設備而言，通過優化設計、調整和按需控制，卻能在短期內以相對較低的成本實施降低燃油耗的措施。其核心技術就是所謂“滿足需求的輔助設備”，即只賦予輔助設備實時所需的工作能力。改善潛力主要集中在以下幾個部件：（1）可多級調節或全可變控制的冷卻風扇，（2）可多級調節或全可變控制的冷卻水泵，（3）具備可變泵油量能力的機油泵，（4）可開關機油噴射冷卻的活塞，（5）可離合的空氣壓縮機，（6）按需控制的液力轉向助力泵。

因此，鑒于發動機各子系統之間的相互影響及其日益復雜的關系，迫使人們必須從系統層面或發動機層面來考慮問題。為此，AVL公司介紹了一種開發方法[1]，采用這一方法能夠在相對較短的開發周期內以較少的賈用進行總體優化，從而獲得所期望的整車性能。開發系統的主要組成部分是：（1）在整車層面上所有系統的模型化；（2）發動機及其主要子系統（燃燒、冷卻系統和潤滑系統）的模型化；（3）根據整車和/或試驗臺測量的調整模型；（4）為挖掘最大節油潛力而開發的最佳運行策略；（5）將運行策略轉化成發動機控制軟件代碼；（6）在發動機試驗臺和整車上驗證的節油效果。

模擬環境是重點，其模塊化結構須對各種不同的需求和開發等級進行調整，從物理學模型到尋找設計方案，以及詳細的系統設計，乃至實時模型[3]，同時給定的模型參數能夠相互自動轉化，以確保開發過程的順暢，這對于模擬品質和效率具有重要思義[2]。

3 通過熱管理降低燃油耗

優化冷卻系統和潤滑系統有2個目的：（1）按實時需要調節冷卻水泵和機油泵的驅動功率，確保供給各零部件極限范圍內所需的冷卻水和機油流量；（2）優化發動機的熱管理，在常規環境條件下（例如25℃），通過優化典型行駛循環中發動機和整車的熱管理，使燃油耗降低2%（圖1）。

在典型的歐洲長途運輸行駛中，多數時間發動機運行在部分負荷條件下，但為了確保獲得足夠的冷卻效果，冷卻水泵的驅動及其冷卻液流量卻是按照處于“最不利狀況”的全負荷條件設計的。若在部分負荷運行條件下按需調節冷卻水泵，并將冷卻液溫度提高到容許的最高水平，則能獲得良好的節油效果（圖2）。潤滑系統的情況與此相似，在全負荷運行條件下，機油冷卻噴嘴必須確保活塞得到足夠的冷卻，而在部分負荷運行條件下，活塞機油冷卻噴嘴可以關閉，從而減少機油泵的驅動功率。

在商用車上，冷卻風扇對節油效果具有重要思義。雖然冷卻風扇在典型的長途行駛循環中接通運轉的時間相對較少（根據行駛路段的不同，約為10%～20%），但其設計的驅動功率仍較大，約為30 k W，因此，只有在采取其他措施無法獲得足夠冷卻的情況下才接通冷卻風扇運轉。

如果采用多級調節風扇或全可變風扇傳動離合器實時控制是否與發動機脫開，并且較小及中等的冷卻需求峰值也能被平抑，而無需使用風扇，則就有可能節油0.8%。此外，在風扇脫開的運行狀態下，風扇的寄生功率必須被降至最低或在理想狀況下為零，因為其累積消耗的總燃油耗高達0.2%。

對于所有的優化措施而言，必須注思到，盡管考慮到了通常情況下冷卻和潤滑介質溫度較高，但還必須保持為了平抑（如在下坡行駛時）因啟用排氣制動功能而出現的短時間冷卻需求量峰值所需的儲備。同時，根據模型的調節，還必須考慮到重型商用車因冷卻液容積較大而具有明顯較大的系統慣性。

4 空氣壓縮機和轉向助力泵的節油潛力

在長途行駛循環中，無論是轉向助力泵，還是空氣壓縮機，都極少出現其設計功率被用盡的情況（圖3）。這些機組大多以較低的功率或在空轉下運行，但功率損耗并不小。

在空轉時，無功率限制的普通空氣壓縮機可節約的損耗功率為整個行駛循環總燃油耗的1.3%，而有功率限制的空氣壓縮機，通過完全脫開傳動能進一步節油0.3%。

即使在典型的長途貨車上，也很少使用液壓轉向助力泵的全功率（圖4），因為隨著車輛行駛速度的提高，轉向助力的需求及其所需的驅動功率會明顯降低。

轉向助力泵與發動機轉速直接連接，在實際行駛過程中會產生明顯的功率損耗（圖4（b）），因為最大的助力作用肯定會在怠速下顯現。因此，較為合適的方式是轉向助力系統可調節，而在較高車速時須降低所提供的液壓壓力，這樣的轉換策略在整個長途行駛循環中能夠獲得1%的節油效果。

5 主要取決于調節

為了充分利用系統所有的節油潛力，必須盡量接近系統和部件的極限，同時又不會損害其可靠性和耐久性的極限值。基于模型的調節方式適用于整個系統，并為控制各個執行器提供連接和足夠精確的調節，此外，還應考慮到系統有時存在明顯的慣性。

包括整個系統模擬在內，AVL公司已開發出基于模型的系統調節功能，采用這一功能能夠根據實時負荷狀況精確地預報系統性能，在實際行駛運行中，它能將各零部件與其極限值之間所需的安全距離減至最小，而且，將模型調節與整個系統的模擬相結合，使得在辦公桌上就能采用調節軟件精確地預設數據，隨后只需在發動機試驗臺或汽車上稍加匹配或最終優化即可。

6 結語

在模型調節的基礎上，輔助設備的不斷優化及其最佳的按需定位運行策略為長途貨運車輛降低燃油耗和CO2排放提供了可能性，與現今的技術相比，燃油耗和CO2排放可降低3%～4%，而對于其他車輛（配貨車輛、城市公交車輛和越野車等用途）[4]而言，根據其部分負荷在整個負荷譜中所占的份額不同，最多可獲得5%的節油效果。

在實際的行駛過程中，車輛的實際節油效果主要取決于發動機電子控制中整個系統被開發的程度，以及容許達到的零部件極限。

除了上述節油潛力之外，最重要的是其更容易在短期內達到目標，以及相對較低的附加成本，這對于制造商和用戶都十分有利。因此，最終用戶的總成本償還期應控制在半年以內。

未來，可按需調節的輔助設備被連接到全球定位系統或過路賈采集系統中，這就能根據預定的行駛路段和附加因素（交通、氣候等）預先主動控制輔助設備。

現已能在車輛抵達最近的上坡道前暫時降低冷卻液溫度，以防止因風扇沒有轉動而使系統過熱。與此類似，在車輛抵達最近的下坡路段前就降低冷卻液溫度，以便應對即將出現的排氣制動器所引起的熱量輸人，從而獲得足夠的減速效果。

AVL公司已證實，完全電氣化的輔助設備能提供額外的優化潛力，因為由此所產生的附加賈用最終能被消除，當然，還要注思在商用車電氣化方面的開發成本。無論是成本，還是功率密度與可靠性，全電氣化輔助設備在長途貨運車輛上的集成應適度。當然，將當今所能提供的機械或部分電氣化解決方案與智能調節相結合，已具有能充分挖掘輔助設備大部分節油潛力的能力。