采用储能式液压机械传动车辆燃油经济性分析

张银彩，王杰，韩彦军

(1.石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄050043;2.唐山学院机电工程系，河北唐山063020)

在当今社会，城市交通中的机动车辆数量众多，带来了巨大的能量消耗。由于城市人口和车辆集中，造成城市车辆运行工况的特殊性，需要频繁地起步加速与制动。车速低、油耗高、排放污染与噪声严重是城市车辆的共有问题［1－2］。制动器频繁作用，造成能量的无谓消耗。如能把制动器消耗的能量回收，在车辆起步时释放，无疑会提高车辆的能量利用率［3－5］。

储能式多段液压机械传动系统可提高车辆的燃油经济性，又能降低其有害排放量，保护环境。由于利用储能式多段液压机械传动进行制动减速，减少了制动系统的发热，且可延长车辆制动系的工作寿命，降低由于摩擦和磨损对环境的不良影响［6］。

储能式多段液压机械传动系统，是基于多段液压机械传动的储能系统。多段液压机械传动综合利用了液压传动无级变速和机械传动效率高的特点，能实现大功率的无级变速，转速和转矩变化范围能满足车辆的使用要求，可使车辆获得最佳的行驶性能［7－8］。

1 基于两段液压机械传动的储能系统

图1为两段式液压机械无级传动简图。

图1 两段式液压机械无级传动简图

该液压机械无级传动由4个行星排 (k1、k2、k3、k4)，3个制动器 (CH、CL、CR)，1套容积调速式液压传动系统和1套控制系统组成［9］。k1、k2为汇流行星排，齿轮z2/z3构成了功率分流机构，液压路传动机构由双向变量泵和定量马达组成。此液压机械传动的输出转速具有等差特性。

CH制动器制动时，为液压工况;CL制动器制动时，为正向液压机械工况，其中输出端液压泵/马达转速大于零时，为功率循环工况，其转速小于零时，为分流传动工况［9］。

图2为图1所示两段液压机械无级传动液压工况的功率流分析，图3为功率循环工况的功率流分析。

图2 液压工况功率流程分析

图3 功率循环工况功率流分析

由图3可知:液压机械无级传动换段过程中，输出端液压泵/马达负载转矩反向，输出端液压泵/马达由马达工况转化为泵工况工作，输入端液压泵/马达由泵工况转化为马达工况工作。换段过程液压油的高压边发生了变化，功率的流动方向发生了改变。

通过对多段液压机械传动系统换段过程的分析，得到基于两段液压机械传动的储能方案，如图4所示。该液压储能传动系统主要由高压蓄能器5，低压蓄能器8，二通插装阀4、6、7、9，输入端液压泵/马达1，输出端液压泵/马达2组成。

2 燃油消耗分析

2.1 基本假设

城市车辆的实际运行工况复杂，很难进行理论分析。为便于进行车辆的燃油经济性理论分析，需对车辆运行工况进行一定简化。假设如下:

(1)车辆在水平路面上行驶，滚动阻力系数不随车速变化，风速为零，滑转、滑移率为零。

(2)蓄能器效率为一定值。

图4 储能式两段液压机械无级传动简图

(3)车辆运行工况拟采用国标 (GB/T 18386-2001)规定的基本市区循环。此循环工况如图5所示。

图5 循环工况图

2.2 起步加速过程分析

把整个加速过程分为若干时间段，分别计算时间间隔Δt内的燃油消耗。在时间间隔内，依据市区循环工况表对加速度的要求，得出转速和发动机要求的功率，进而得出转矩。

(1)采用无级传动的车辆起步加速过程分析

①液压工况

在液压工况，受定排量液压元件输出转矩限制，液压机械无级传动输出转矩和液压元件的压力基本恒定，具有恒转矩特性。

发动机功率:

②液压机械工况

进入液压机械工况后，输出转矩主要受发动机输出功率限制，液压机械无级传动输出轴的转矩呈双曲线形，具有恒功率特性。

液压机械无级传动输出轴的转矩

车辆的加速度:

车速的变化:

式 (2)可表示为:

式 (3)为非线性方程，需借助于数值方法求近似解。

式中:aj为车辆的加速度，m/s2;uai为车辆的瞬时车速，km/h;u*h为换段时的车速，km/h;uam为基本市区循环工况2、7、13这3个加速工况的最高车速，km/h;ui为车辆的瞬时车速，m/s。

设f(Pex)在区间 ［a，b］上连续，且有:

由连续函数介值定理，f(Pex)在 ［a，b］内必有零点，二分取值得到一个区间序列。

［a，b］⊃［a1，b1］⊃［a2，b2］⊃ … ⊃［an，bn］⊃…满足

［an，bn］(n=1，2，…)均为方程 (3)的有根区间。

且Pe=是方程 (3)的根。

发动机转矩:

发动机万有特性的数学模型为

第i个时间间隔内的燃油消耗:

式中:Pe为发动机功率，kW;ge为发动机的燃油消耗率，g/(kW·h);Te为发动机的有效转矩，N·m;ne为发动机的转速，r/min;Qi为第i个时间间隔内的燃油消耗，g。

(2)采用储能式液压机械传动的车辆起步加速过程分析

采用储能式液压机械传动的车辆在液压工况蓄能器单独驱动，液压机械工况发动机单独驱动。

车辆的行驶方程式:

式中:Tq为驱动转矩，N·m;acj为蓄能器加速时车辆的加速度，m/s2;δ'为质量换算系数;m为汽车质量，kg;Iw为车轮的转动惯量，kg·m2。

输出端液压泵/马达的排量为:

流出蓄能器的油液体积为:

蓄能器内气体的压力为:

式中:qmi为输出端液压泵/马达的排量，m3/rad;pm为开始加速时蓄能器内气体的压力，Pa;Vm为压力为pm时气体的体积，m3;k为气体的多变指数，变化范围为1～1.4。

求出蓄能器加速结束时车辆的速度umj

在发动机单独驱动时，采用储能式液压机械无级传动与采用液压机械传动的车辆的起步加速过程相同，其分析过程见第2.2节中 (1)的分析。

2.3 稳定行驶工况过程分析

车辆按一定车速稳定行驶时，蓄能器不工作，采用液压机械无级传动与采用储能式液压机械无级传动的车辆在油耗计算方面无差别。

发动机功率:

2.4 制动过程分析

对于采用液压机械无级传动的车辆，制动过程由制动器来完成。对于采用储能式液压机械传动的车辆，由储能传动系统来完成，在储能传动系统提供的制动力不够时，原制动系统加以补充。发动机处于怠速运转工况。

怠速状态的燃油消耗量为:

式中:Q0为怠速燃油消耗率，mL/s;Δth为制动过程时间。

2.5 怠速停车过程分析

在停车状态，采用液压机械传动与采用储能式液压机械传动的车辆的发动机处于怠速状态，燃油消耗量相同。

怠速状态的燃油消耗量为:

式中:Qd为怠速状态的燃油消耗量，g;Δt为怠速停车时间，s。

根据上述的计算方法，针对图5所示的循环工况表，在MATLAB软件上编制仿真程序进行仿真。已知m=10 000 kg，ne=2 000 r/min，选用图1某液压机械无级传动的数据进行分析。

图6为采用液压机械无级传动与采用储能式液压机械无级传动的车辆在一个基本循环工况下的仿真曲线，两根曲线差值面积即为节约油耗。

图6 油耗率的仿真曲线

采用液压机械无级传动的车辆燃油消耗量 (200 s):

采用储能式液压机械传动的车辆燃油消耗量(200 s):

从仿真结果来看，储能式液压机械传动系统可使车辆节油14.8%，系统能达到节油的效果。

【1】陈华志，苑士华．城市用车辆制动能量回收的液压系统的设计［J］．液压与气动，2003(4):1－3．

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