机械真空泵与电子真空泵对整车循环油耗的影响

尹继江，丛日振，伍俊，卢振东，刘晓莹，孙萧

宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司,浙江宁波 315336

0 引言

2020年9月22日，我国提出将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，到2060年左右，中国将实现释放的碳和吸收的碳达到平衡，即常说的“碳达峰”和“碳中和”，为了达到这一目标，国家对汽车的排放和油耗水平均提出了更高的要求，发布和实施了国六排放油耗法规。企业平均油耗(corporate average fuel consumption，CAFC)积分的压力也让各大主机厂都在大力发展纯电动车辆及混动车辆，在电气化电动化过渡路上，对搭载传统动力的车型进行降油耗的研究势在必行。

本文从机械真空泵和电子真空泵的工作方式出发，通过实车循环油耗试验，分析机械真空泵和电子真空泵对车辆油耗的影响。

1 车辆制动系统介绍

车辆制动系统，其作用就是让行驶中的汽车按驾驶者的意愿进行减速制动及停车。汽车制动系统主要由真空助力器、制动总泵、制动分泵、制动油管和制动器等部分组成，车辆制动系统结构如图1所示。实际驾驶过程中，仅靠驾驶员脚部的力量无法提供足够的推力推动制动总泵工作，因此需要用到真空助力，真空助力器就是制动总泵的动力来源。

图1 车辆制动系统结构

就增压发动机而言，真空助力器的真空度来源有两种方式：①使用机械真空泵(MVP)，发动机带动机械真空泵工作产生真空，软管连接真空助力器为制动产生助力，如图2所示；②使用电子真空泵(EVP)，通过三通接头及单向阀，电子真空泵和发动机进气歧管共同为真空助力器提供真空助力[1],如图3所示。

图2 机械真空泵抽真空方式

图3 电子真空泵抽真空方式

2 真空泵简介

2.1 机械真空泵简介

机械真空泵结构简单，由泵体、转子和滑片组成，通常由发动机直接驱动，滑片随转子旋转时真空泵的腔体产生体积变化，抽取真空助力器内的空气，提供真空助力。并通过机油对转子进行冷却和润滑，再通过排油腔把机油和空气排入曲轴箱，完成一个工作循环，如图4所示。由于机械真空泵与发动机之间是固定机械连接，所以在车辆运行过程中，机械真空泵会随着发动机的转动而持续工作。

图4 机械真空泵结构

2.2 电子真空泵简介

如图5和图6所示，电子真空泵的结构主要由电机及叶片泵构成，ECU接收压力传感器反馈的制动助力器内的压力信号来控制电机转动，从而带动叶片泵抽取真空[2]。由于发动机的进气歧管也能在部分工况提供真空度，故在车辆行驶过程中，电子真空泵不会一直保持工作状态，只有在制动助力器的真空度(由真空度传感器读取)小于某设定阈值时才会工作，属于按需工作状态，其系统工作原理如图7所示。

图5 叶片式电子真空泵外观

图6 叶片式电子真空泵叶片分布状态

图7 电子真空泵的真空控制系统工作原理

3 整车油耗对比试验

3.1 车辆改制方案

为了验证同一车辆使用电子真空泵和使用机械真空泵之间的油耗差异，对两者进行实车转鼓油耗试验。此次试验使用某品牌1.8 T增压汽油发动机车辆，该车辆设计状态为机械真空泵，其驱动方式如图8和图9所示。

图8 机械真空泵及联轴器

图9 发动机的排气凸轮轴后端

机械真空泵的转子通过联轴器与发动机的排气凸轮轴后端连接，发动机工作时，带动排气凸轮轴转动，便会驱动机械真空泵的转子转动，从而为真空助力器提供真空。

由于原车搭载的是机械真空泵，ECU内并没有电子真空泵的控制软件，故进行电子真空泵状态的试验时需对原车的ECU软件进行修改，增加电子真空泵的软件控制模块，通过ECU读取真空助力器内的压力，并对比真空助力器内压力与目标压力的差值来控制电子真空泵的启停，试验时使用的电子真空泵为车辆常用的电子真空泵类型，额定功率为150 W，供电电压为直流12 V。

试验时先进行原车机械真空泵状态的油耗测试，原车状态测试完成后，将机械真空泵的转子及与其连接的联轴器拆下，其余部分复原，使机械真空泵与发动机断开连接，处于无法工作状态；同时安装电子真空泵及相应的管路，将电子真空泵及发动机进气歧管以图3的方式连接起来，并刷写修改后的对应ECU控制软件，改制成电子真空泵状态再进行试验。

3.2 车辆试验方法

以装配机械真空泵和装配电子真空泵车辆分别进行3次WLTC试验[3]，并取其平均油耗数据来做对比分析。依据中国油耗测试评定标准[4]GB/T 19233—2020《轻型汽车燃料消耗量试验方法》进行试验。一个试验循环包括低速、中速、高速、超高速4个部分，其对应的持续时间分别为589、433、455、323 s，且对应的最高车速分别为56.5、76.6、97.4、131.3 km/h。

为保证试验结果的稳定性和可信性，该试验车辆已经完全通过磨合期，试验前的行驶里程数约为30 000 km。每次油耗试验前车辆均静置8 h以上，并确保蓄电池电量处于满电状态，在发电机的B+线上安装电流钳，测量每次循环油耗试验过程中发电机的发电量，并检查轮胎胎压，胎压按铭牌要求的0.22 MPa进行调整，同时每次WLTC试验过程中，通过CAN总线采集发动机和整车相关数据进行分析。燃油消耗量的计算均通过某公司生产的排放分析设备采集车辆循环试验运行过程中的尾气，再通过碳平衡法计算测得。

表1及表2分别为机械真空泵及电子真空泵整车WLTC油耗测试结果。由表中的试验结果表明,该车辆搭载机械真空泵时综合油耗平均值为0.082 72 L/km，搭载电子真空泵时综合油耗平均值为0.082 01 L/km；车辆搭载电子真空泵的WLTC油耗较机械真空泵平均低0.000 71 L/km,下降了0.86%。

表1 机械真空泵整车WLTC油耗测试结果 单位:L/km

表2 电子真空泵整车WLTC油耗测试结果 单位:L/km

4 真空泵对整车油耗的影响分析

通过对比电子真空泵和机械真空泵的工作方式发现：该车辆机械真空泵由发动机凸轮轴驱动，在WLTC试验过程中机械真空泵的转子一直在转动，机械真空泵一直工作，就会持续产生能耗。电子真空泵仅在制动助力器内真空度低于一定值时工作，而发动机进气歧管的真空度也能在一定程度上对其进行补充，故整个WLTC驾驶过程中，电子真空泵工作的时间非常短[5]。

如图10和图11所示，试验过程中的电子真空泵工作时间仅为7.6 s(工作标志位为1表示电子真空泵工作，0表示电子真空泵不工作)，占整个WLTC试验的0.42%。

图10 车辆装配电子真空泵与装配机械真空泵的发电机发电量对比(WLTC总1 800 s)

图11 车辆装配电子真空泵与装配机械真空泵的发电机发电量对比(WLTC前100 s)

由图10和图11可知，电子真空泵仅在长时间或者频繁踩刹车时工作，同时根据发电机上安装的电流钳测量的数据计算得到：电子真空泵状态车辆的平均电耗为354.6 W，机械真空泵状态车辆的平均电耗为349.7 W，在整个WLTC过程中电子真空泵的平均电耗相当，仅较机械真空泵的平均电耗高4.9 W，可忽略不计。由此可见，电子真空泵更省油。

5 结束语

2021年7月1日，我国正式实施GB 19578—2021《乘用车燃料消耗量限值》国家标准。计划到2025年乘用车新车平均燃油消耗量降至0.04 L/km，面对国内越来越严苛的油耗法规，各车企在加大新能源车型研发投入的同时，也在从传统内燃机车辆的各个方面研究降低油耗的可能。机械真空泵能耗大、需要通过发动机驱动的劣势，会逐渐显现出来，而能耗较小、通过电机驱动的电子真空泵将会受到市场的青睐。