機械真空泵與電子真空泵對整車循環(huán)油耗的影響

尹繼江，叢日振，伍俊，盧振東，劉曉瑩，孫蕭

寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司,浙江寧波 315336

0 引言

2020年9月22日，我國提出將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，到2060年左右，中國將實現(xiàn)釋放的碳和吸收的碳達到平衡，即常說的“碳達峰”和“碳中和”，為了達到這一目標，國家對汽車的排放和油耗水平均提出了更高的要求，發(fā)布和實施了國六排放油耗法規(guī)。企業(yè)平均油耗(corporate average fuel consumption，CAFC)積分的壓力也讓各大主機廠都在大力發(fā)展純電動車輛及混動車輛，在電氣化電動化過渡路上，對搭載傳統(tǒng)動力的車型進行降油耗的研究勢在必行。

本文從機械真空泵和電子真空泵的工作方式出發(fā)，通過實車循環(huán)油耗試驗，分析機械真空泵和電子真空泵對車輛油耗的影響。

1 車輛制動系統(tǒng)介紹

車輛制動系統(tǒng)，其作用就是讓行駛中的汽車按駕駛者的意愿進行減速制動及停車。汽車制動系統(tǒng)主要由真空助力器、制動總泵、制動分泵、制動油管和制動器等部分組成，車輛制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實際駕駛過程中，僅靠駕駛員腳部的力量無法提供足夠的推力推動制動總泵工作，因此需要用到真空助力，真空助力器就是制動總泵的動力來源。

圖1 車輛制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

就增壓發(fā)動機而言，真空助力器的真空度來源有兩種方式：①使用機械真空泵(MVP)，發(fā)動機帶動機械真空泵工作產(chǎn)生真空，軟管連接真空助力器為制動產(chǎn)生助力，如圖2所示；②使用電子真空泵(EVP)，通過三通接頭及單向閥，電子真空泵和發(fā)動機進氣歧管共同為真空助力器提供真空助力[1],如圖3所示。

圖2 機械真空泵抽真空方式

圖3 電子真空泵抽真空方式

2 真空泵簡介

2.1 機械真空泵簡介

機械真空泵結(jié)構(gòu)簡單，由泵體、轉(zhuǎn)子和滑片組成，通常由發(fā)動機直接驅(qū)動，滑片隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時真空泵的腔體產(chǎn)生體積變化，抽取真空助力器內(nèi)的空氣，提供真空助力。并通過機油對轉(zhuǎn)子進行冷卻和潤滑，再通過排油腔把機油和空氣排入曲軸箱，完成一個工作循環(huán)，如圖4所示。由于機械真空泵與發(fā)動機之間是固定機械連接，所以在車輛運行過程中，機械真空泵會隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)動而持續(xù)工作。

圖4 機械真空泵結(jié)構(gòu)

2.2 電子真空泵簡介

如圖5和圖6所示，電子真空泵的結(jié)構(gòu)主要由電機及葉片泵構(gòu)成，ECU接收壓力傳感器反饋的制動助力器內(nèi)的壓力信號來控制電機轉(zhuǎn)動，從而帶動葉片泵抽取真空[2]。由于發(fā)動機的進氣歧管也能在部分工況提供真空度，故在車輛行駛過程中，電子真空泵不會一直保持工作狀態(tài)，只有在制動助力器的真空度(由真空度傳感器讀取)小于某設(shè)定閾值時才會工作，屬于按需工作狀態(tài)，其系統(tǒng)工作原理如圖7所示。

圖5 葉片式電子真空泵外觀

圖6 葉片式電子真空泵葉片分布狀態(tài)

圖7 電子真空泵的真空控制系統(tǒng)工作原理

3 整車油耗對比試驗

3.1 車輛改制方案

為了驗證同一車輛使用電子真空泵和使用機械真空泵之間的油耗差異，對兩者進行實車轉(zhuǎn)鼓油耗試驗。此次試驗使用某品牌1.8 T增壓汽油發(fā)動機車輛，該車輛設(shè)計狀態(tài)為機械真空泵，其驅(qū)動方式如圖8和圖9所示。

圖8 機械真空泵及聯(lián)軸器

圖9 發(fā)動機的排氣凸輪軸后端

機械真空泵的轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器與發(fā)動機的排氣凸輪軸后端連接，發(fā)動機工作時，帶動排氣凸輪軸轉(zhuǎn)動，便會驅(qū)動機械真空泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而為真空助力器提供真空。

由于原車搭載的是機械真空泵，ECU內(nèi)并沒有電子真空泵的控制軟件，故進行電子真空泵狀態(tài)的試驗時需對原車的ECU軟件進行修改，增加電子真空泵的軟件控制模塊，通過ECU讀取真空助力器內(nèi)的壓力，并對比真空助力器內(nèi)壓力與目標壓力的差值來控制電子真空泵的啟停，試驗時使用的電子真空泵為車輛常用的電子真空泵類型，額定功率為150 W，供電電壓為直流12 V。

試驗時先進行原車機械真空泵狀態(tài)的油耗測試，原車狀態(tài)測試完成后，將機械真空泵的轉(zhuǎn)子及與其連接的聯(lián)軸器拆下，其余部分復原，使機械真空泵與發(fā)動機斷開連接，處于無法工作狀態(tài)；同時安裝電子真空泵及相應(yīng)的管路，將電子真空泵及發(fā)動機進氣歧管以圖3的方式連接起來，并刷寫修改后的對應(yīng)ECU控制軟件，改制成電子真空泵狀態(tài)再進行試驗。

3.2 車輛試驗方法

以裝配機械真空泵和裝配電子真空泵車輛分別進行3次WLTC試驗[3]，并取其平均油耗數(shù)據(jù)來做對比分析。依據(jù)中國油耗測試評定標準[4]GB/T 19233—2020《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》進行試驗。一個試驗循環(huán)包括低速、中速、高速、超高速4個部分，其對應(yīng)的持續(xù)時間分別為589、433、455、323 s，且對應(yīng)的最高車速分別為56.5、76.6、97.4、131.3 km/h。

為保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定性和可信性，該試驗車輛已經(jīng)完全通過磨合期，試驗前的行駛里程數(shù)約為30 000 km。每次油耗試驗前車輛均靜置8 h以上，并確保蓄電池電量處于滿電狀態(tài)，在發(fā)電機的B+線上安裝電流鉗，測量每次循環(huán)油耗試驗過程中發(fā)電機的發(fā)電量，并檢查輪胎胎壓，胎壓按銘牌要求的0.22 MPa進行調(diào)整，同時每次WLTC試驗過程中，通過CAN總線采集發(fā)動機和整車相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。燃油消耗量的計算均通過某公司生產(chǎn)的排放分析設(shè)備采集車輛循環(huán)試驗運行過程中的尾氣，再通過碳平衡法計算測得。

表1及表2分別為機械真空泵及電子真空泵整車WLTC油耗測試結(jié)果。由表中的試驗結(jié)果表明,該車輛搭載機械真空泵時綜合油耗平均值為0.082 72 L/km，搭載電子真空泵時綜合油耗平均值為0.082 01 L/km；車輛搭載電子真空泵的WLTC油耗較機械真空泵平均低0.000 71 L/km,下降了0.86%。

表1 機械真空泵整車WLTC油耗測試結(jié)果 單位:L/km

表2 電子真空泵整車WLTC油耗測試結(jié)果 單位:L/km

4 真空泵對整車油耗的影響分析

通過對比電子真空泵和機械真空泵的工作方式發(fā)現(xiàn)：該車輛機械真空泵由發(fā)動機凸輪軸驅(qū)動，在WLTC試驗過程中機械真空泵的轉(zhuǎn)子一直在轉(zhuǎn)動，機械真空泵一直工作，就會持續(xù)產(chǎn)生能耗。電子真空泵僅在制動助力器內(nèi)真空度低于一定值時工作，而發(fā)動機進氣歧管的真空度也能在一定程度上對其進行補充，故整個WLTC駕駛過程中，電子真空泵工作的時間非常短[5]。

如圖10和圖11所示，試驗過程中的電子真空泵工作時間僅為7.6 s(工作標志位為1表示電子真空泵工作，0表示電子真空泵不工作)，占整個WLTC試驗的0.42%。

圖10 車輛裝配電子真空泵與裝配機械真空泵的發(fā)電機發(fā)電量對比(WLTC總1 800 s)

圖11 車輛裝配電子真空泵與裝配機械真空泵的發(fā)電機發(fā)電量對比(WLTC前100 s)

由圖10和圖11可知，電子真空泵僅在長時間或者頻繁踩剎車時工作，同時根據(jù)發(fā)電機上安裝的電流鉗測量的數(shù)據(jù)計算得到：電子真空泵狀態(tài)車輛的平均電耗為354.6 W，機械真空泵狀態(tài)車輛的平均電耗為349.7 W，在整個WLTC過程中電子真空泵的平均電耗相當，僅較機械真空泵的平均電耗高4.9 W，可忽略不計。由此可見，電子真空泵更省油。

5 結(jié)束語

2021年7月1日，我國正式實施GB 19578—2021《乘用車燃料消耗量限值》國家標準。計劃到2025年乘用車新車平均燃油消耗量降至0.04 L/km，面對國內(nèi)越來越嚴苛的油耗法規(guī)，各車企在加大新能源車型研發(fā)投入的同時，也在從傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛的各個方面研究降低油耗的可能。機械真空泵能耗大、需要通過發(fā)動機驅(qū)動的劣勢，會逐漸顯現(xiàn)出來，而能耗較小、通過電機驅(qū)動的電子真空泵將會受到市場的青睞。