進氣卸荷空壓機節油效果分析與驗證

曹鳳明，鄒興輝

進氣卸荷空壓機節油效果分析與驗證

曹鳳明，鄒興輝

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章目的是在某款成熟重卡發動機上應用帶進氣卸荷功能的空壓機，通過試驗，驗證油耗改善情況。利用CRUISE軟件建立整車仿真模型進行計算，對油耗改善效果從理論上進行分析和支持。應用進氣卸荷空壓機，可降低發動機附配件的功率消耗，實現節能，從而改善經濟性，提升產品競爭力。

進氣卸荷；節能；附配件

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

引言

我國對商用車排放要求越來越嚴格的同時，對油耗的要求也越來越高，《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012～2020年》要求：到2020年，商用車新車燃料消耗量接近國際先進水平?！吨袊圃?025》要求：到2020年，商用車新車油耗接近國際先進水平；到2025年，達到國際先進水平。JT/T719-2016 《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》新車第三階段于2017年7月1日執行，第四階段于2018年7月1日執行，三階段在二階段基礎上油耗嚴了7%，四階段在三階段基礎上也加嚴了7%左右。 GB 30510《重型商用車燃料消耗量限值》目前已發布征求意見稿，預計2020左右年實施第三階段的工信部油耗標準，燃油消耗量限值要在現有標準的基礎上降低15%左右。

隨著國家對油耗要求的逐步提高，節油技術也越來越受到重視，為降低油耗，需要充分挖掘每一個能量消耗單元的節能潛力。對于重型商用車，改善發動機附件的功率消耗，是現階段改善燃油經濟性的有效措施之一，本文中采用的進氣卸荷空壓機有助于降低發動機附配件能量損失，提升發動機燃油經濟性。

1 進氣卸荷空壓機簡介

帶卸荷閥空壓機就是使空壓機的容積腔與缸蓋進氣腔或預設的單獨氣腔相通，當儲氣筒達到預設壓力后，內部導通并傳導出高壓氣體，推動空壓機進氣卸荷中的執行機構（簡稱ESS）工作，使進氣腔和壓縮腔之間保持暢通，此時空壓機處于空負荷的運行狀態，達到節能的目的。

圖1 空壓機卸荷狀態氣流方向示意圖Fig.1 ESS air compressor airflow

對于進氣卸荷空壓機，當儲氣筒未到預設壓力時，其處于正常工作狀態，功率消耗與普通空壓機相同；當儲氣筒達到預設壓力后，進氣卸荷空壓機的ESS工作，進氣卸荷空壓機處于空負荷狀態，功率消耗降低；普通空壓機則是經由干燥器泄壓閥，將高壓氣體排到大氣中，空壓機仍然處于正常工作狀態。故儲氣筒達到預設壓力后，進氣卸荷空壓機相對應普通空壓機，有明顯的節能效果。

2 進氣卸荷空壓機應用方案

2.1 卸荷閥空壓機選型確認

根據現有搭載某國五發動機的車型要求，對進氣卸荷空壓機的狀態進行選型確認。

根據制動系統對儲氣筒容量、打氣時間、布置結構要求，選擇進氣卸荷空壓機參數如下：

表1 進氣卸荷空壓機性能參數Tab.1 ESS air compressor parameter

2.2 空壓機臺架性能驗證

根據發動機的最大扭矩轉速、額定功率轉速等因素，選擇相應的空壓機轉速，進行臺架性能測試。

圖2 空壓機臺架性能驗證Fig.2 ESS air compressor bench tests

測試結果如表2：

通過測試結果可以看出，當儲氣筒達到預設壓力時，卸荷狀態下空壓機功率消耗平均降低了40%左右。

表2 空壓機臺架性能試驗數據Tab.2 bench tests results of air compressor

2.3 試驗驗證

由于帶卸荷閥空壓機單個子技術節油效果并不明顯，在轉轂上不能直觀的通過油耗試驗數據反饋出來；同時，基于卸荷閥空壓機的節油原理，城市路況常用剎車，空壓機基本上處于打氣的工作狀態，卸荷閥基本不工作，而在高速段儲氣筒打滿氣后，空壓機長期處于卸荷狀態，因此確定節油驗證方案以高速路況的節油效果作為評價指標。

降油耗的評價方法根據采集卸荷閥空壓機在高速路況下打氣/卸荷兩種工作狀態的時間占比，結合發動機萬有特性數據，計算得出：

帶卸荷閥空壓機的節省油量=正?？諌簷C功率×時間×燃油率-ESS空壓機功率×時間×燃油率。

2.4 卸荷時間的采集

為確保采集數據更加貼近車輛實際運行情況，對車輛進行裝載到16t；儲氣筒在打滿氣時，卸荷閥空壓機的ESS功能開啟，空壓機不再對外打氣，儲氣筒壓力保持在8bar左右，因此只需統計儲氣筒的壓力及保持時間即可確定卸荷閥空壓機的工作比例。

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

對車輛從高速段儲氣筒壓力信號進行監測，輸出壓力時間曲線，通過分析壓力信號數據得出空壓機打氣、卸荷時間比例。

整車在高速路段行駛過程中，儲氣筒壓力幾乎都在8bar以上，卸荷閥空壓機95%以上的時間處于空負荷運行狀態。車輛的百公里油耗實測為17.4L/100km。

圖4 壓力－時間曲線Fig.4 pressure-time curve

根據車輛在高速路上的卸荷時間比為95%，繪制發動機MAP圖及車輛的行駛區間，確定發動機燃油消耗率為204g/ kW·h，利用油耗計算公式計算節油效果。

圖5 發動機MAP圖Fig.5 engine MAP

2.4 數據分析與計算

車輛在高速路行駛時平均車速v=80km/h，對應的發動機轉速：

空壓機轉速為：

空壓機在1569r/min轉速下，查表2可得普通空壓機消耗功率約為P普通空壓機=1.5kW，進氣卸荷空壓機消耗功率約為PESS=0.8kW。

通過前面試驗已經得到：汽車在高速路上行駛時，卸荷時間超過95%，則百公里卸荷時間：

汽車在80km/h行駛時，對應的燃油消耗率b=204g/ kW·h，燃油密度為ρ=0.84kg/l，

故百公里節省的油量為：

車輛帶進氣卸荷發動機的的百公里油耗實測為Q=17.4L /100km，故油耗降低百分比為：

綜上所述，通過試驗獲得的信息，整理并計算卸荷閥空壓機的油耗，得出發動機打進氣卸荷空壓機時，在高速路段的節油比例為1.1%。

3 軟件仿真計算

采用cruise軟件建立仿真計算模型，從理論上分析進氣卸荷空壓機的節油效果。

3.1 建立仿真模型

建立整車的Cruise模型，同時增加空壓機能耗附件，輸入空壓機不同狀態下的轉速—功率特性曲線，通過模型計算，對比分析普通空壓機及ESS模式下的油耗數據；

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

圖7 普通空壓機的轉速-功率消耗曲線Fig.7 speed-power curve of common air compressor

圖8 帶ESS空壓機的轉速-功率消耗曲線Fig.8 speed-power curve of ESS air compressor

計算后得到的發動機帶普通空壓機及ESS空壓機的油耗值分別如下表：

表3 帶ESS空壓機的轉速-功率消耗曲線Tab.3 speed-power curve of ESS air compressor

從上表中看出，在各個車速下的油耗對比結果中，帶進氣卸荷空壓機的車輛，節油比例都＞0.5%，其中二階段交通部綜合油耗節油百分比為1.07%，工信部油耗節油百分比為0.56%。

3.2 最高檔80km/h計算、試驗數據對比

由于試驗只做了80km/h的油耗數據，故只對比80km/h的計算值與試驗值，對比結果如下表：

表4 理論值與試驗值對比Tab.4 comparison of theory and test

經過對比可以看出，試驗測試數據與理論計算數據符合性較好。

4 總結

通過試驗及分析，關于進氣卸荷空壓機的應用效果，有以下幾點結論：

4.1 帶進氣卸荷的空壓機，其卸荷狀態下的平均功率消耗比不卸荷狀態下低約40%。

4.2 對于帶進氣卸荷的空壓機，車輛在高速公路行駛時，由于不進行剎車等操作，因此空壓機95%以上的時間都處于卸荷狀態，空壓機處于卸荷狀態的時間主要取決于儲氣筒的保壓能力。

4.3 通過理論計算與試驗驗證得出，車輛在高速公路行駛時，在儲氣筒保壓能力良好的情況下，若發動機配備進氣卸荷空壓機，相對于配備普通空壓機可以實現1%左右的節油效果。

進氣卸荷空壓機相對于離合器空壓機，節油能力仍存在一定局限性，進氣卸荷空壓機即使在卸荷狀態下仍存在一部分的發動機功率消耗，而離合器空壓機在儲氣筒達到預設壓力后，通過離合器執行機構工作，空壓機完全處于不工作狀態，不消耗發動機能量。但是離合器空壓機由于目前技術狀態不成熟，而且需要與發動機同時匹配開發、標定，周期較長，可在未來作為一項新型節油技術進行研究和開發。

[1] 余志生.汽車理論.機械工業出版社,2009.

[2] 王啟廣,葉平.現代設計理論.中國礦業大學出版社.2005.

[3] 陳家瑞.汽車構造（上冊）.機械工業出版社,2001.

[4] GB/T 12545.2-200l,商用車輛燃料消耗量試驗方法.

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股份有限公司。