采用儲能式液壓機械傳動車輛燃油經濟性分析

張銀彩，王杰，韓彥軍

(1.石家莊鐵道大學機械工程學院，河北石家莊050043;2.唐山學院機電工程系，河北唐山063020)

在當今社會，城市交通中的機動車輛數量眾多，帶來了巨大的能量消耗。由于城市人口和車輛集中，造成城市車輛運行工況的特殊性，需要頻繁地起步加速與制動。車速低、油耗高、排放污染與噪聲嚴重是城市車輛的共有問題［1－2］。制動器頻繁作用，造成能量的無謂消耗。如能把制動器消耗的能量回收，在車輛起步時釋放，無疑會提高車輛的能量利用率［3－5］。

儲能式多段液壓機械傳動系統可提高車輛的燃油經濟性，又能降低其有害排放量，保護環境。由于利用儲能式多段液壓機械傳動進行制動減速，減少了制動系統的發熱，且可延長車輛制動系的工作壽命，降低由于摩擦和磨損對環境的不良影響［6］。

儲能式多段液壓機械傳動系統，是基于多段液壓機械傳動的儲能系統。多段液壓機械傳動綜合利用了液壓傳動無級變速和機械傳動效率高的特點，能實現大功率的無級變速，轉速和轉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 基于兩段液壓機械傳動的儲能系統

圖1為兩段式液壓機械無級傳動簡圖。

圖1 兩段式液壓機械無級傳動簡圖

該液壓機械無級傳動由4個行星排 (k1、k2、k3、k4)，3個制動器 (CH、CL、CR)，1套容積調速式液壓傳動系統和1套控制系統組成［9］。k1、k2為匯流行星排，齒輪z2/z3構成了功率分流機構，液壓路傳動機構由雙向變量泵和定量馬達組成。此液壓機械傳動的輸出轉速具有等差特性。

CH制動器制動時，為液壓工況;CL制動器制動時，為正向液壓機械工況，其中輸出端液壓泵/馬達轉速大于零時，為功率循環工況，其轉速小于零時，為分流傳動工況［9］。

圖2為圖1所示兩段液壓機械無級傳動液壓工況的功率流分析，圖3為功率循環工況的功率流分析。

圖2 液壓工況功率流程分析

圖3 功率循環工況功率流分析

由圖3可知:液壓機械無級傳動換段過程中，輸出端液壓泵/馬達負載轉矩反向，輸出端液壓泵/馬達由馬達工況轉化為泵工況工作，輸入端液壓泵/馬達由泵工況轉化為馬達工況工作。換段過程液壓油的高壓邊發生了變化，功率的流動方向發生了改變。

通過對多段液壓機械傳動系統換段過程的分析，得到基于兩段液壓機械傳動的儲能方案，如圖4所示。該液壓儲能傳動系統主要由高壓蓄能器5，低壓蓄能器8，二通插裝閥4、6、7、9，輸入端液壓泵/馬達1，輸出端液壓泵/馬達2組成。

2 燃油消耗分析

2.1 基本假設

城市車輛的實際運行工況復雜，很難進行理論分析。為便于進行車輛的燃油經濟性理論分析，需對車輛運行工況進行一定簡化。假設如下:

(1)車輛在水平路面上行駛，滾動阻力系數不隨車速變化，風速為零，滑轉、滑移率為零。

(2)蓄能器效率為一定值。

圖4 儲能式兩段液壓機械無級傳動簡圖

(3)車輛運行工況擬采用國標 (GB/T 18386-2001)規定的基本市區循環。此循環工況如圖5所示。

圖5 循環工況圖

2.2 起步加速過程分析

把整個加速過程分為若干時間段，分別計算時間間隔Δt內的燃油消耗。在時間間隔內，依據市區循環工況表對加速度的要求，得出轉速和發動機要求的功率，進而得出轉矩。

(1)采用無級傳動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矩限制，液壓機械無級傳動輸出轉矩和液壓元件的壓力基本恒定，具有恒轉矩特性。

發動機功率:

②液壓機械工況

進入液壓機械工況后，輸出轉矩主要受發動機輸出功率限制，液壓機械無級傳動輸出軸的轉矩呈雙曲線形，具有恒功率特性。

液壓機械無級傳動輸出軸的轉矩

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為車輛的瞬時車速，km/h;u*h為換段時的車速，km/h;uam為基本市區循環工況2、7、13這3個加速工況的最高車速，km/h;ui為車輛的瞬時車速，m/s。

設f(Pex)在區間 ［a，b］上連續，且有:

由連續函數介值定理，f(Pex)在 ［a，b］內必有零點，二分取值得到一個區間序列。

［a，b］?［a1，b1］?［a2，b2］? … ?［an，bn］?…滿足

［an，bn］(n=1，2，…)均為方程 (3)的有根區間。

且Pe=是方程 (3)的根。

發動機轉矩:

發動機萬有特性的數學模型為

第i個時間間隔內的燃油消耗:

式中:Pe為發動機功率，kW;ge為發動機的燃油消耗率，g/(kW·h);Te為發動機的有效轉矩，N·m;ne為發動機的轉速，r/min;Qi為第i個時間間隔內的燃油消耗，g。

(2)采用儲能式液壓機械傳動的車輛起步加速過程分析

采用儲能式液壓機械傳動的車輛在液壓工況蓄能器單獨驅動，液壓機械工況發動機單獨驅動。

車輛的行駛方程式:

式中:Tq為驅動轉矩，N·m;acj為蓄能器加速時車輛的加速度，m/s2;δ'為質量換算系數;m為汽車質量，kg;Iw為車輪的轉動慣量，kg·m2。

輸出端液壓泵/馬達的排量為:

流出蓄能器的油液體積為:

蓄能器內氣體的壓力為:

式中:qmi為輸出端液壓泵/馬達的排量，m3/rad;pm為開始加速時蓄能器內氣體的壓力，Pa;Vm為壓力為pm時氣體的體積，m3;k為氣體的多變指數，變化范圍為1～1.4。

求出蓄能器加速結束時車輛的速度umj

在發動機單獨驅動時，采用儲能式液壓機械無級傳動與采用液壓機械傳動的車輛的起步加速過程相同，其分析過程見第2.2節中 (1)的分析。

2.3 穩定行駛工況過程分析

車輛按一定車速穩定行駛時，蓄能器不工作，采用液壓機械無級傳動與采用儲能式液壓機械無級傳動的車輛在油耗計算方面無差別。

發動機功率:

2.4 制動過程分析

對于采用液壓機械無級傳動的車輛，制動過程由制動器來完成。對于采用儲能式液壓機械傳動的車輛，由儲能傳動系統來完成，在儲能傳動系統提供的制動力不夠時，原制動系統加以補充。發動機處于怠速運轉工況。

怠速狀態的燃油消耗量為:

式中:Q0為怠速燃油消耗率，mL/s;Δth為制動過程時間。

2.5 怠速停車過程分析

在停車狀態，采用液壓機械傳動與采用儲能式液壓機械傳動的車輛的發動機處于怠速狀態，燃油消耗量相同。

怠速狀態的燃油消耗量為:

式中:Qd為怠速狀態的燃油消耗量，g;Δt為怠速停車時間，s。

根據上述的計算方法，針對圖5所示的循環工況表，在MATLAB軟件上編制仿真程序進行仿真。已知m=10 000 kg，ne=2 000 r/min，選用圖1某液壓機械無級傳動的數據進行分析。

圖6為采用液壓機械無級傳動與采用儲能式液壓機械無級傳動的車輛在一個基本循環工況下的仿真曲線，兩根曲線差值面積即為節約油耗。

圖6 油耗率的仿真曲線

采用液壓機械無級傳動的車輛燃油消耗量 (200 s):

采用儲能式液壓機械傳動的車輛燃油消耗量(200 s):

從仿真結果來看，儲能式液壓機械傳動系統可使車輛節油14.8%，系統能達到節油的效果。

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