新能源客車燃油經(jīng)濟(jì)性提升分析研究

王華武　李慶欣　李春東

摘 要：本文通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)，得出了12米城市公交車的燃油利用率，并以能量流的形式詳細(xì)分析了汽車各部分的燃油消耗，最后闡述了混合動(dòng)力車輛的節(jié)油措施及其效果。

關(guān)鍵詞：燃油利用率；能量平衡；混合動(dòng)力；燃油經(jīng)濟(jì)性提升

中圖分類號(hào)：U461.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2014）03-0005-06

The Improvement of Fuel Economy Analysis on the New Energy Bus

WANG Hua-wu， LI Qing-xin， LI Chun-dong

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFCV， Wuhan 430056， China）

Abstract：In this paper， the fuel-efficiency of 12 meters city bus was got by calculation and test data. Then the analysis of fuel consumption was did in the form of energy flow. Finally， the method of fuel-saving on Hybrid Vehicle was explained.

無(wú)論是以柴油為燃料的汽車，還是以汽油為燃料的汽車，除排放問(wèn)題以外，燃燒效率低是汽車行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題，人們一直在為提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率而絞盡腦汁，可以說(shuō)無(wú)論國(guó)內(nèi)外，也不論過(guò)去和現(xiàn)在，這項(xiàng)工作一直沒(méi)有停止過(guò)，采用各種技術(shù)和手段，力圖提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，代價(jià)越來(lái)越高，成效卻越來(lái)越差。

現(xiàn)代混合動(dòng)力技術(shù)和節(jié)能技術(shù)幫助人們跳出了發(fā)動(dòng)機(jī)提高燃燒效率這個(gè)圈子，尋找減少燃油消耗的途徑，取得了顯著的效果?；旌蟿?dòng)力技術(shù)和純電動(dòng)技術(shù)利用可循環(huán)再生的清潔電能源，為汽車起步加速助力，制動(dòng)時(shí)可以進(jìn)行制動(dòng)能量回收，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在節(jié)能方面，減少發(fā)動(dòng)機(jī)附件如空調(diào)、空壓機(jī)、水泵、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)向泵的功率消耗，代之以電動(dòng)空調(diào)、電動(dòng)空壓機(jī)、電動(dòng)水泵、電子風(fēng)扇或電磁風(fēng)扇、電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵。在能量回收方面，如客車?yán)梦矚饧訜帷⒄駝?dòng)發(fā)電等技術(shù)回收能量，減少燃油加熱方式帶來(lái)的燃油消耗等。這些技術(shù)手段目前逐步在國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)開(kāi)始研究和應(yīng)用。

本文將利用分析數(shù)據(jù)讓人們認(rèn)識(shí)汽車燃油效率或者說(shuō)燃油消耗利用率到底是什么樣一個(gè)水平，為什么人們非常關(guān)注燃油燃燒效率的問(wèn)題，以及從節(jié)能角度看，哪些方面我們可以入手，有多少節(jié)能價(jià)值，大致可以做到什么水平，供業(yè)界參考。

1 整車燃油利用效率

我們以某型12米總重17噸的城市公交客車，在中國(guó)典型城市公況循環(huán)下行駛百公里為例來(lái)計(jì)算。

圖1 中國(guó)典型城市公交循環(huán)曲線

經(jīng)實(shí)車試驗(yàn)，該城市工況下百公里油耗為34 L（不開(kāi)制冷/制熱設(shè)備），燃燒產(chǎn)生的總能量：

W1=4186Qρq=4186×34×0.85×9600=1.161×109J

（1）

式中：Q是百公里油耗值，取44 L；ρ是柴油密度，取0.85；q是國(guó)標(biāo)0#柴油熱值，取9 600 KCal/kg。

汽車的行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力，即：

式中：f是滾動(dòng)阻力系數(shù)；a是道路坡度角；CD是空氣阻力系數(shù)；A是迎風(fēng)面積；ua是車速；δ是汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； 是加速度。

根據(jù)式（2），接合工況中的車速、加速度信息即可計(jì)算出工況下每一時(shí)刻的行駛阻力，進(jìn)而計(jì)算出維持該車速及加速度所需的驅(qū)動(dòng)功率，求和即可得到車輛跑完一個(gè)工況循環(huán)所需的驅(qū)動(dòng)功，其中制動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率設(shè)為0，怠速時(shí)的能耗不計(jì)入驅(qū)動(dòng)功，計(jì)算結(jié)果如下表1。

汽車的行駛阻力中，只有加速阻力和坡度阻力才是我們需要的有效功，其他的阻力都是無(wú)效損耗，那么跑完一個(gè)工況循環(huán)需要的有效驅(qū)動(dòng)功為：

WJ=WQ-WW-Wf=4.17-0.2-1.18=2.79kWh （3）

行駛百公里需要的凈驅(qū)動(dòng)功為：

那么燃油利用率：

把發(fā)動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗、汽車附件損耗、怠速停車損耗、傳動(dòng)系損耗、整車風(fēng)阻損耗、制動(dòng)能量損耗、尾氣排放熱能損失等考慮在內(nèi)，最終的整車的燃油利用率僅為15%左右，85%左右的燃油燃燒能量損失掉了。

2 能耗分析

2.1 制動(dòng)能量損耗

初速度為v（m/s）的車輛制動(dòng)至停車，忽略制動(dòng)時(shí)的風(fēng)阻和滾動(dòng)阻力影響，每次制動(dòng)所消耗的能量約為：

則各初速度狀態(tài)下所消耗的能量見(jiàn)表2。

我們?cè)賮?lái)看一下表1中計(jì)算出的城市工況下一個(gè)循環(huán)的制動(dòng)能量損耗為2.79 kWh，行駛百公里制動(dòng)共損失能量： ，相當(dāng)于約5.07 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。可見(jiàn)，城市工況下制動(dòng)損耗相當(dāng)大。

2.2 空壓機(jī)百公里能耗

12米公交車選用的空壓機(jī)額定排量Qk基本都在350 L/min以上，額定工作壓力Pk為0.8 MPa，則額定功率：

公交車用氣量較大，根據(jù)對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)，一般3-5分鐘打一次氣，每次用時(shí)1分鐘左右，一個(gè)工況循環(huán)下空壓機(jī)工作時(shí)間t約為200秒左右，空壓機(jī)效率取0.8，工作時(shí)的平均功率取3 kW，則一個(gè)工況循環(huán)中空壓機(jī)耗能：

百公里能耗：

相當(dāng)于0.38 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.3 風(fēng)扇百公里能耗

風(fēng)扇消耗的功率取決于風(fēng)扇直徑、轉(zhuǎn)速等，可用式（10）計(jì)算：

式中：K2是修正系數(shù)，本文取1.7×10-9；D是風(fēng)扇直徑；n1是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。endprint

12米客車匹配的風(fēng)扇直徑為0.62 m，接合城市工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，就可以計(jì)算出工況每一時(shí)刻下的風(fēng)扇功率Pt，見(jiàn)圖2。

圖2 中國(guó)典型城市公交循環(huán)中的風(fēng)扇功率曲線

則跑完一個(gè)工況消耗能量為：

百公里將消耗：

相當(dāng)于2.32 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量，本文在進(jìn)行城市工況油耗測(cè)試時(shí)裝有電磁風(fēng)扇離合器，整車油耗相比裝機(jī)械風(fēng)扇的車要節(jié)油3%左右，因此裝電磁風(fēng)扇離合器后的風(fēng)扇百公里油耗約為1 L。

2.4 轉(zhuǎn)向泵百公里能耗

12米公交車選用的轉(zhuǎn)向泵額定排量 基本都在19 L/min以上，額定工作壓力為13 Mpa，則額定功率：

因本文在進(jìn)行城市工況油耗測(cè)試時(shí)，測(cè)試道路以直路為主，轉(zhuǎn)向較少，轉(zhuǎn)向泵平均功率在0.5 kW左右，則百公里消耗3 kWh左右的能量，相當(dāng)于0.33 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.5 空調(diào)百公里能耗

12米公交車空調(diào)制冷平均消耗功率在11 kW左右，則一個(gè)工況下耗能4.015 kWh，百公里能耗為：

相當(dāng)于7.30 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)損耗

發(fā)動(dòng)機(jī)從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在著大量的能量損失，如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣損失、機(jī)械摩擦損失、附件消耗損失和泵氣損失等。其有效熱效率是由發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的燃燒效率ηc，循環(huán)熱效率ηt，機(jī)械效率ηm三個(gè)部分組成。燃油消耗與發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率反比，發(fā)動(dòng)機(jī)效率越高燃油消耗越低。圖3為一款先進(jìn)的某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線，可見(jiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的總效率隨工作點(diǎn)的不同基本上處在30%-45%之間，怠速時(shí)的效率更低，約25%左右。

圖3 某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線

2.7 怠速停車損耗

中國(guó)典型城市循環(huán)工況的怠速時(shí)間t1為381 s，占工況總時(shí)間的29%，若采用圖3所示發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速時(shí)的摩擦扭矩Tf為最大扭矩的8%左右，即80 Nm左右，怠速nd設(shè)為600 rpm，怠速時(shí)的燃油消耗率b約為288 g/kWh，則一個(gè)循環(huán)工況下怠速停車將消耗燃油：

百公里將消耗3.1 L燃油。

2.8 滾動(dòng)阻力損耗

由表1可知，該城市工況下滾動(dòng)阻力消耗掉1.18 kWh的能量，百公里則消耗20.3 kWh的能量，相當(dāng)于2.14 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.9 空氣阻力損耗

由表1可知，該城市工況下空氣阻力消耗掉0.2 kWh的能量，百公里則消耗3.45 kWh的能量，相當(dāng)于0.36 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.10 傳動(dòng)系統(tǒng)損耗

則傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為：0.95?0.96?0.98=0.89。

根據(jù)上述分析，可得出12米公交客車在中國(guó)典型城市工況中的燃油化學(xué)能與汽車各處消耗能量的平衡圖如圖4。

由圖4可以看出，汽車燃油消耗除與行駛阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率以及傳動(dòng)系效率有關(guān)之外，還同怠速停車油耗、汽車附件消耗及制動(dòng)能量損耗有關(guān)，并且在城市循環(huán)工況中，后三個(gè)因素的影響相當(dāng)大，它們消耗的能量總計(jì)達(dá)燃油化學(xué)能的28.9%。但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的汽車在這些方面尚未找到突破性的提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施。

3 混合動(dòng)力汽車節(jié)能措施

以石油產(chǎn)品為燃料的內(nèi)燃機(jī)，由于其所具有的高能量密度而成為目前汽車上使用最普遍的動(dòng)力源，而電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相比，具有清潔、安靜、效率高的特點(diǎn)，同時(shí)它的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩控制特性也比較靈活。電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)具有恒轉(zhuǎn)矩的特性，高速時(shí)具有恒功率的特性，可以在轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性曲線下區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)工作?；旌蟿?dòng)力汽車將電力驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，它可以從根本上解決現(xiàn)在純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能差和續(xù)駛里程短的問(wèn)題[1]。

本文以并聯(lián)混合動(dòng)力汽車為例來(lái)分析混合動(dòng)力汽車的節(jié)油措施，圖5為同軸并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車的典型結(jié)構(gòu)。

1-發(fā)動(dòng)機(jī)；2-離合器；3-變速箱；4-輪胎；5-主減速器；6-電機(jī)；7-電機(jī)控制器；8-動(dòng)力電池。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的優(yōu)化

混合動(dòng)力汽車采用下述措施優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油消耗率比較小的區(qū)域，從而變相提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率：

①電池SOC高于設(shè)定的平衡點(diǎn)，低速或低扭矩時(shí)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉；

②中等負(fù)荷時(shí)采用純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；

③需求扭矩較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，電機(jī)助力；

④電池SOC不足，需求扭矩較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，多余的扭矩用來(lái)發(fā)電。

⑤與傳統(tǒng)車相比，采用較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了負(fù)荷率。

經(jīng)實(shí)車測(cè)試，通過(guò)工作點(diǎn)的優(yōu)化，可節(jié)油約8%。

3.2 制動(dòng)能量回收

最大程度回收制動(dòng)能量的控制策略是：在保證制動(dòng)安全性的前提下，實(shí)時(shí)優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)來(lái)發(fā)電，電機(jī)制動(dòng)能力不足的部分再由整車控制器控制ABS調(diào)控后橋氣室氣壓來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，經(jīng)實(shí)車測(cè)試，不同制動(dòng)初速下的能量回收數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 實(shí)車測(cè)試的制動(dòng)能量回收

由表4可見(jiàn)，回收的制動(dòng)能量約占剛開(kāi)始制動(dòng)時(shí)整車動(dòng)能的25%以上，由表1可知，該城市工況下需要驅(qū)動(dòng)能量4.17 kWh，產(chǎn)生動(dòng)能2.79 kWh，則實(shí)際可回收的制動(dòng)能量Wb為0.70 kWh，回收的電能儲(chǔ)存進(jìn)電池，然后再通過(guò)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，考慮到充放電效率及電機(jī)效率，制動(dòng)能量回收的節(jié)油率為：

E=Wbηiηoηm/WQ=0.70×0.8×0.8×0.8/4.17=8% （16）

式中：E為節(jié)油率；ηi是電池充電效率；ηo是電池放電效率；ηm是電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率。

3.3 怠速啟停

通過(guò)上文分析可知，怠速停車造成的能量損耗為9%，而混合動(dòng)力車輛可以在綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)承受能力（如水溫、潤(rùn)滑、增壓器等）的基礎(chǔ)上怠速時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用大電機(jī)拖起的方式直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖到怠速以上，避免傳統(tǒng)方式啟動(dòng)時(shí)的加濃噴油過(guò)程，以節(jié)省燃油。經(jīng)實(shí)車測(cè)試，怠速啟?？晒?jié)油約6%。

3.4 電動(dòng)附件

通過(guò)上文的分析可知，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向泵在不轉(zhuǎn)向時(shí)百公里約消耗0.33 L燃油，若采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵，不轉(zhuǎn)向時(shí)可使其降功率運(yùn)轉(zhuǎn)甚至停止運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向時(shí)再快速建立油壓，因此采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵約可以節(jié)油約0.5%；同理，采用電動(dòng)空壓機(jī)可節(jié)油約0.3%左右。

12米公交車若采用電子風(fēng)扇，其功率只需要1 kW，并且通過(guò)PWM控制，消耗的平均功率將更小；

采用電動(dòng)空調(diào)，不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，并且可進(jìn)行變頻控制，12米公交車匹配的電動(dòng)空調(diào)消耗功率最高頻運(yùn)行時(shí)為11 kW，隨溫度的變化可進(jìn)行變頻控制，最低能降到5 kW左右，因此，比傳統(tǒng)空調(diào)要節(jié)能。

3.5 其他新技術(shù)

如利用尾氣熱能加熱車內(nèi)空氣，利用振動(dòng)發(fā)電，利用尾氣熱能制造溫差來(lái)發(fā)電等技術(shù)已經(jīng)取得較大進(jìn)展，據(jù)資料介紹，溫差發(fā)電機(jī)可以只利用汽車尾氣余熱發(fā)出汽車所需的全部低壓電量。

綜上所述，混合動(dòng)力車輛通過(guò)合理的能量管理策略及電動(dòng)附件的使用，可節(jié)油約25%以上，而插電式混合動(dòng)力客車通過(guò)外接充電從電網(wǎng)獲取電能后，可進(jìn)一步增加節(jié)油率，如某12米插電式混合動(dòng)力客車配置60 kWh的電池后，充滿電可勻速40 km/h行駛約40 km，根據(jù)國(guó)家相關(guān)測(cè)試方法，僅這一部分的節(jié)油率就能達(dá)到25%。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)，得出了當(dāng)前情況下的燃油利用率，并詳細(xì)分析了各部分的燃油消耗，最后闡述了混合動(dòng)力車輛的節(jié)油措施。通過(guò)分析可看出，在電池技術(shù)瓶頸尚未突破的情況下，混合動(dòng)力車輛尤其是插電式混合動(dòng)力車輛將具有廣闊前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006： 80-83.endprint

12米客車匹配的風(fēng)扇直徑為0.62 m，接合城市工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，就可以計(jì)算出工況每一時(shí)刻下的風(fēng)扇功率Pt，見(jiàn)圖2。

圖2 中國(guó)典型城市公交循環(huán)中的風(fēng)扇功率曲線

則跑完一個(gè)工況消耗能量為：

百公里將消耗：

相當(dāng)于2.32 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量，本文在進(jìn)行城市工況油耗測(cè)試時(shí)裝有電磁風(fēng)扇離合器，整車油耗相比裝機(jī)械風(fēng)扇的車要節(jié)油3%左右，因此裝電磁風(fēng)扇離合器后的風(fēng)扇百公里油耗約為1 L。

2.4 轉(zhuǎn)向泵百公里能耗

12米公交車選用的轉(zhuǎn)向泵額定排量 基本都在19 L/min以上，額定工作壓力為13 Mpa，則額定功率：

因本文在進(jìn)行城市工況油耗測(cè)試時(shí)，測(cè)試道路以直路為主，轉(zhuǎn)向較少，轉(zhuǎn)向泵平均功率在0.5 kW左右，則百公里消耗3 kWh左右的能量，相當(dāng)于0.33 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.5 空調(diào)百公里能耗

12米公交車空調(diào)制冷平均消耗功率在11 kW左右，則一個(gè)工況下耗能4.015 kWh，百公里能耗為：

相當(dāng)于7.30 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)損耗

發(fā)動(dòng)機(jī)從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在著大量的能量損失，如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣損失、機(jī)械摩擦損失、附件消耗損失和泵氣損失等。其有效熱效率是由發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的燃燒效率ηc，循環(huán)熱效率ηt，機(jī)械效率ηm三個(gè)部分組成。燃油消耗與發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率反比，發(fā)動(dòng)機(jī)效率越高燃油消耗越低。圖3為一款先進(jìn)的某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線，可見(jiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的總效率隨工作點(diǎn)的不同基本上處在30%-45%之間，怠速時(shí)的效率更低，約25%左右。

圖3 某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線

2.7 怠速停車損耗

中國(guó)典型城市循環(huán)工況的怠速時(shí)間t1為381 s，占工況總時(shí)間的29%，若采用圖3所示發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速時(shí)的摩擦扭矩Tf為最大扭矩的8%左右，即80 Nm左右，怠速nd設(shè)為600 rpm，怠速時(shí)的燃油消耗率b約為288 g/kWh，則一個(gè)循環(huán)工況下怠速停車將消耗燃油：

百公里將消耗3.1 L燃油。

2.8 滾動(dòng)阻力損耗

由表1可知，該城市工況下滾動(dòng)阻力消耗掉1.18 kWh的能量，百公里則消耗20.3 kWh的能量，相當(dāng)于2.14 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.9 空氣阻力損耗

由表1可知，該城市工況下空氣阻力消耗掉0.2 kWh的能量，百公里則消耗3.45 kWh的能量，相當(dāng)于0.36 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.10 傳動(dòng)系統(tǒng)損耗

則傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為：0.95?0.96?0.98=0.89。

根據(jù)上述分析，可得出12米公交客車在中國(guó)典型城市工況中的燃油化學(xué)能與汽車各處消耗能量的平衡圖如圖4。

由圖4可以看出，汽車燃油消耗除與行駛阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率以及傳動(dòng)系效率有關(guān)之外，還同怠速停車油耗、汽車附件消耗及制動(dòng)能量損耗有關(guān)，并且在城市循環(huán)工況中，后三個(gè)因素的影響相當(dāng)大，它們消耗的能量總計(jì)達(dá)燃油化學(xué)能的28.9%。但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的汽車在這些方面尚未找到突破性的提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施。

3 混合動(dòng)力汽車節(jié)能措施

以石油產(chǎn)品為燃料的內(nèi)燃機(jī)，由于其所具有的高能量密度而成為目前汽車上使用最普遍的動(dòng)力源，而電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相比，具有清潔、安靜、效率高的特點(diǎn)，同時(shí)它的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩控制特性也比較靈活。電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)具有恒轉(zhuǎn)矩的特性，高速時(shí)具有恒功率的特性，可以在轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性曲線下區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)工作?；旌蟿?dòng)力汽車將電力驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，它可以從根本上解決現(xiàn)在純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能差和續(xù)駛里程短的問(wèn)題[1]。

本文以并聯(lián)混合動(dòng)力汽車為例來(lái)分析混合動(dòng)力汽車的節(jié)油措施，圖5為同軸并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車的典型結(jié)構(gòu)。

1-發(fā)動(dòng)機(jī)；2-離合器；3-變速箱；4-輪胎；5-主減速器；6-電機(jī)；7-電機(jī)控制器；8-動(dòng)力電池。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的優(yōu)化

混合動(dòng)力汽車采用下述措施優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油消耗率比較小的區(qū)域，從而變相提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率：

①電池SOC高于設(shè)定的平衡點(diǎn)，低速或低扭矩時(shí)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉；

②中等負(fù)荷時(shí)采用純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；

③需求扭矩較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，電機(jī)助力；

④電池SOC不足，需求扭矩較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，多余的扭矩用來(lái)發(fā)電。

⑤與傳統(tǒng)車相比，采用較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了負(fù)荷率。

經(jīng)實(shí)車測(cè)試，通過(guò)工作點(diǎn)的優(yōu)化，可節(jié)油約8%。

3.2 制動(dòng)能量回收

最大程度回收制動(dòng)能量的控制策略是：在保證制動(dòng)安全性的前提下，實(shí)時(shí)優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)來(lái)發(fā)電，電機(jī)制動(dòng)能力不足的部分再由整車控制器控制ABS調(diào)控后橋氣室氣壓來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，經(jīng)實(shí)車測(cè)試，不同制動(dòng)初速下的能量回收數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 實(shí)車測(cè)試的制動(dòng)能量回收

由表4可見(jiàn)，回收的制動(dòng)能量約占剛開(kāi)始制動(dòng)時(shí)整車動(dòng)能的25%以上，由表1可知，該城市工況下需要驅(qū)動(dòng)能量4.17 kWh，產(chǎn)生動(dòng)能2.79 kWh，則實(shí)際可回收的制動(dòng)能量Wb為0.70 kWh，回收的電能儲(chǔ)存進(jìn)電池，然后再通過(guò)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，考慮到充放電效率及電機(jī)效率，制動(dòng)能量回收的節(jié)油率為：

E=Wbηiηoηm/WQ=0.70×0.8×0.8×0.8/4.17=8% （16）

式中：E為節(jié)油率；ηi是電池充電效率；ηo是電池放電效率；ηm是電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率。

3.3 怠速啟停

通過(guò)上文分析可知，怠速停車造成的能量損耗為9%，而混合動(dòng)力車輛可以在綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)承受能力（如水溫、潤(rùn)滑、增壓器等）的基礎(chǔ)上怠速時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用大電機(jī)拖起的方式直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖到怠速以上，避免傳統(tǒng)方式啟動(dòng)時(shí)的加濃噴油過(guò)程，以節(jié)省燃油。經(jīng)實(shí)車測(cè)試，怠速啟停可節(jié)油約6%。

3.4 電動(dòng)附件

通過(guò)上文的分析可知，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向泵在不轉(zhuǎn)向時(shí)百公里約消耗0.33 L燃油，若采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵，不轉(zhuǎn)向時(shí)可使其降功率運(yùn)轉(zhuǎn)甚至停止運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向時(shí)再快速建立油壓，因此采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵約可以節(jié)油約0.5%；同理，采用電動(dòng)空壓機(jī)可節(jié)油約0.3%左右。

12米公交車若采用電子風(fēng)扇，其功率只需要1 kW，并且通過(guò)PWM控制，消耗的平均功率將更?。?/p>

采用電動(dòng)空調(diào)，不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，并且可進(jìn)行變頻控制，12米公交車匹配的電動(dòng)空調(diào)消耗功率最高頻運(yùn)行時(shí)為11 kW，隨溫度的變化可進(jìn)行變頻控制，最低能降到5 kW左右，因此，比傳統(tǒng)空調(diào)要節(jié)能。

3.5 其他新技術(shù)

如利用尾氣熱能加熱車內(nèi)空氣，利用振動(dòng)發(fā)電，利用尾氣熱能制造溫差來(lái)發(fā)電等技術(shù)已經(jīng)取得較大進(jìn)展，據(jù)資料介紹，溫差發(fā)電機(jī)可以只利用汽車尾氣余熱發(fā)出汽車所需的全部低壓電量。

綜上所述，混合動(dòng)力車輛通過(guò)合理的能量管理策略及電動(dòng)附件的使用，可節(jié)油約25%以上，而插電式混合動(dòng)力客車通過(guò)外接充電從電網(wǎng)獲取電能后，可進(jìn)一步增加節(jié)油率，如某12米插電式混合動(dòng)力客車配置60 kWh的電池后，充滿電可勻速40 km/h行駛約40 km，根據(jù)國(guó)家相關(guān)測(cè)試方法，僅這一部分的節(jié)油率就能達(dá)到25%。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)，得出了當(dāng)前情況下的燃油利用率，并詳細(xì)分析了各部分的燃油消耗，最后闡述了混合動(dòng)力車輛的節(jié)油措施。通過(guò)分析可看出，在電池技術(shù)瓶頸尚未突破的情況下，混合動(dòng)力車輛尤其是插電式混合動(dòng)力車輛將具有廣闊前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006： 80-83.endprint

12米客車匹配的風(fēng)扇直徑為0.62 m，接合城市工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，就可以計(jì)算出工況每一時(shí)刻下的風(fēng)扇功率Pt，見(jiàn)圖2。

圖2 中國(guó)典型城市公交循環(huán)中的風(fēng)扇功率曲線

則跑完一個(gè)工況消耗能量為：

百公里將消耗：

相當(dāng)于2.32 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量，本文在進(jìn)行城市工況油耗測(cè)試時(shí)裝有電磁風(fēng)扇離合器，整車油耗相比裝機(jī)械風(fēng)扇的車要節(jié)油3%左右，因此裝電磁風(fēng)扇離合器后的風(fēng)扇百公里油耗約為1 L。

2.4 轉(zhuǎn)向泵百公里能耗

12米公交車選用的轉(zhuǎn)向泵額定排量 基本都在19 L/min以上，額定工作壓力為13 Mpa，則額定功率：

因本文在進(jìn)行城市工況油耗測(cè)試時(shí)，測(cè)試道路以直路為主，轉(zhuǎn)向較少，轉(zhuǎn)向泵平均功率在0.5 kW左右，則百公里消耗3 kWh左右的能量，相當(dāng)于0.33 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.5 空調(diào)百公里能耗

12米公交車空調(diào)制冷平均消耗功率在11 kW左右，則一個(gè)工況下耗能4.015 kWh，百公里能耗為：

相當(dāng)于7.30 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)損耗

發(fā)動(dòng)機(jī)從燃料化學(xué)能到輸出功的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在著大量的能量損失，如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣損失、機(jī)械摩擦損失、附件消耗損失和泵氣損失等。其有效熱效率是由發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的燃燒效率ηc，循環(huán)熱效率ηt，機(jī)械效率ηm三個(gè)部分組成。燃油消耗與發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率反比，發(fā)動(dòng)機(jī)效率越高燃油消耗越低。圖3為一款先進(jìn)的某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線，可見(jiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的總效率隨工作點(diǎn)的不同基本上處在30%-45%之間，怠速時(shí)的效率更低，約25%左右。

圖3 某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線

2.7 怠速停車損耗

中國(guó)典型城市循環(huán)工況的怠速時(shí)間t1為381 s，占工況總時(shí)間的29%，若采用圖3所示發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速時(shí)的摩擦扭矩Tf為最大扭矩的8%左右，即80 Nm左右，怠速nd設(shè)為600 rpm，怠速時(shí)的燃油消耗率b約為288 g/kWh，則一個(gè)循環(huán)工況下怠速停車將消耗燃油：

百公里將消耗3.1 L燃油。

2.8 滾動(dòng)阻力損耗

由表1可知，該城市工況下滾動(dòng)阻力消耗掉1.18 kWh的能量，百公里則消耗20.3 kWh的能量，相當(dāng)于2.14 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.9 空氣阻力損耗

由表1可知，該城市工況下空氣阻力消耗掉0.2 kWh的能量，百公里則消耗3.45 kWh的能量，相當(dāng)于0.36 L燃油完全燃燒發(fā)出的能量。

2.10 傳動(dòng)系統(tǒng)損耗

則傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為：0.95?0.96?0.98=0.89。

根據(jù)上述分析，可得出12米公交客車在中國(guó)典型城市工況中的燃油化學(xué)能與汽車各處消耗能量的平衡圖如圖4。

由圖4可以看出，汽車燃油消耗除與行駛阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率以及傳動(dòng)系效率有關(guān)之外，還同怠速停車油耗、汽車附件消耗及制動(dòng)能量損耗有關(guān)，并且在城市循環(huán)工況中，后三個(gè)因素的影響相當(dāng)大，它們消耗的能量總計(jì)達(dá)燃油化學(xué)能的28.9%。但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的汽車在這些方面尚未找到突破性的提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施。

3 混合動(dòng)力汽車節(jié)能措施

以石油產(chǎn)品為燃料的內(nèi)燃機(jī)，由于其所具有的高能量密度而成為目前汽車上使用最普遍的動(dòng)力源，而電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相比，具有清潔、安靜、效率高的特點(diǎn)，同時(shí)它的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩控制特性也比較靈活。電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)具有恒轉(zhuǎn)矩的特性，高速時(shí)具有恒功率的特性，可以在轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性曲線下區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)工作?；旌蟿?dòng)力汽車將電力驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，它可以從根本上解決現(xiàn)在純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能差和續(xù)駛里程短的問(wèn)題[1]。

本文以并聯(lián)混合動(dòng)力汽車為例來(lái)分析混合動(dòng)力汽車的節(jié)油措施，圖5為同軸并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車的典型結(jié)構(gòu)。

1-發(fā)動(dòng)機(jī)；2-離合器；3-變速箱；4-輪胎；5-主減速器；6-電機(jī)；7-電機(jī)控制器；8-動(dòng)力電池。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的優(yōu)化

混合動(dòng)力汽車采用下述措施優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油消耗率比較小的區(qū)域，從而變相提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率：

①電池SOC高于設(shè)定的平衡點(diǎn)，低速或低扭矩時(shí)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉；

②中等負(fù)荷時(shí)采用純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；

③需求扭矩較大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，電機(jī)助力；

④電池SOC不足，需求扭矩較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)，多余的扭矩用來(lái)發(fā)電。

⑤與傳統(tǒng)車相比，采用較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了負(fù)荷率。

經(jīng)實(shí)車測(cè)試，通過(guò)工作點(diǎn)的優(yōu)化，可節(jié)油約8%。

3.2 制動(dòng)能量回收

最大程度回收制動(dòng)能量的控制策略是：在保證制動(dòng)安全性的前提下，實(shí)時(shí)優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)來(lái)發(fā)電，電機(jī)制動(dòng)能力不足的部分再由整車控制器控制ABS調(diào)控后橋氣室氣壓來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，經(jīng)實(shí)車測(cè)試，不同制動(dòng)初速下的能量回收數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 實(shí)車測(cè)試的制動(dòng)能量回收

由表4可見(jiàn)，回收的制動(dòng)能量約占剛開(kāi)始制動(dòng)時(shí)整車動(dòng)能的25%以上，由表1可知，該城市工況下需要驅(qū)動(dòng)能量4.17 kWh，產(chǎn)生動(dòng)能2.79 kWh，則實(shí)際可回收的制動(dòng)能量Wb為0.70 kWh，回收的電能儲(chǔ)存進(jìn)電池，然后再通過(guò)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，考慮到充放電效率及電機(jī)效率，制動(dòng)能量回收的節(jié)油率為：

E=Wbηiηoηm/WQ=0.70×0.8×0.8×0.8/4.17=8% （16）

式中：E為節(jié)油率；ηi是電池充電效率；ηo是電池放電效率；ηm是電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率。

3.3 怠速啟停

通過(guò)上文分析可知，怠速停車造成的能量損耗為9%，而混合動(dòng)力車輛可以在綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)承受能力（如水溫、潤(rùn)滑、增壓器等）的基礎(chǔ)上怠速時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用大電機(jī)拖起的方式直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖到怠速以上，避免傳統(tǒng)方式啟動(dòng)時(shí)的加濃噴油過(guò)程，以節(jié)省燃油。經(jīng)實(shí)車測(cè)試，怠速啟停可節(jié)油約6%。

3.4 電動(dòng)附件

通過(guò)上文的分析可知，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向泵在不轉(zhuǎn)向時(shí)百公里約消耗0.33 L燃油，若采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵，不轉(zhuǎn)向時(shí)可使其降功率運(yùn)轉(zhuǎn)甚至停止運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向時(shí)再快速建立油壓，因此采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵約可以節(jié)油約0.5%；同理，采用電動(dòng)空壓機(jī)可節(jié)油約0.3%左右。

12米公交車若采用電子風(fēng)扇，其功率只需要1 kW，并且通過(guò)PWM控制，消耗的平均功率將更??；

采用電動(dòng)空調(diào)，不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，并且可進(jìn)行變頻控制，12米公交車匹配的電動(dòng)空調(diào)消耗功率最高頻運(yùn)行時(shí)為11 kW，隨溫度的變化可進(jìn)行變頻控制，最低能降到5 kW左右，因此，比傳統(tǒng)空調(diào)要節(jié)能。

3.5 其他新技術(shù)

如利用尾氣熱能加熱車內(nèi)空氣，利用振動(dòng)發(fā)電，利用尾氣熱能制造溫差來(lái)發(fā)電等技術(shù)已經(jīng)取得較大進(jìn)展，據(jù)資料介紹，溫差發(fā)電機(jī)可以只利用汽車尾氣余熱發(fā)出汽車所需的全部低壓電量。

綜上所述，混合動(dòng)力車輛通過(guò)合理的能量管理策略及電動(dòng)附件的使用，可節(jié)油約25%以上，而插電式混合動(dòng)力客車通過(guò)外接充電從電網(wǎng)獲取電能后，可進(jìn)一步增加節(jié)油率，如某12米插電式混合動(dòng)力客車配置60 kWh的電池后，充滿電可勻速40 km/h行駛約40 km，根據(jù)國(guó)家相關(guān)測(cè)試方法，僅這一部分的節(jié)油率就能達(dá)到25%。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)，得出了當(dāng)前情況下的燃油利用率，并詳細(xì)分析了各部分的燃油消耗，最后闡述了混合動(dòng)力車輛的節(jié)油措施。通過(guò)分析可看出，在電池技術(shù)瓶頸尚未突破的情況下，混合動(dòng)力車輛尤其是插電式混合動(dòng)力車輛將具有廣闊前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006： 80-83.endprint