采用储能式液压机械传动车辆燃油经济性分析.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 1卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL ＆ HYDRAULI CS Fe b ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 2 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 0 5 0 0 4 3 ；2 ．唐山学院机 电工程系，河北唐山 0 6 3 0 2 0 摘要提出基于两段液压机械传动的储能传动方案。根据基本市区循环工况表和发动机的万有特性，提出了储能式液 压机械无级传动车辆起步加速过程在液压机械工况功率的计算方法 ，进行了储能式两段液压机械传动与液压机械无级传动 车辆的燃油经济性分析，得出了车辆的节油率。 关键词储能技术；液压机械无级传动 ；燃油经济性 中图分类号U 4 6 3 ． 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 3 0 4 4 4 Ana l y s i s o f Fue l Ec o n o my o f Ve hi c l e s wi t h En e r g y- r e s e r v i ng Hy d r o- me c h a n i c a l Tr a n s mi s s i o n Z HANG Yi n c a i ，WANG J i e ，HAN Ya n i u n 1 ． D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h i j i a z h u a n g R a i l w a y U n i v e r s i t y ，S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 4 3 ，C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f Me c h a t r o n i c s ，T a n g s h a n C o l l e g e ，T a n g s h a n H e b e i 0 6 3 0 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s c h e me o f e n e r g y r e s e r v i n g h y d r o me c h a n i c M t r a n s mi s s i o n w a s p u t f o r wa r d ． B a s e d o n t h e d u t y c y c l e t a b l e i n c i t y a n d e n g i n e c h a r a c t e r i s t i c ma p ， t h e me t h o d o f c a l c u l a t i n g d u t y p o we r o f h y d r o me c h a n i c a l ma c h i n e r y d u ri n g s p e e d u p p r o c e s s a t s t a r t u p o f v e h i c l e s u s i n g e n e r gy r e s e r v i n g h y d r o me c h a n i c a l s t e p l e s s t r a n s mi s s i o n w a s p r o p o s e d ， a n d t h e f u e l e c o n o my c h a r a c t e r s o f v e h i c l e s U s i n g t w o r a n g e e n e r gy r e s e r v i n g h y d r o me c h a n i c al t r a n s mi s s i o n a n d h y d r a u l i c me c h a n i c a l s t e p l e s s t r a n s mi s s i o n w e r e a n aly z e d ． T h e r a t i 一 0 o f s a v i n g f u e l o f v e h i c l e w a s e d u c e d ． Ke y wo r d s En e r gy r e s e rvi n g t e c h n o l o g y；Hy d r o me c h a n i c a l s t e p l e s s t r a n s mi s s i o n ； F u e l e c o n o my 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 。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 。 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 。 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 ] 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。 l 一输入端液压泵／ 马达2 一输出端液压泵／ 马达 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 k 、k 、 k 、k ，3个制动器 c C 、C ，1 套容积调速 收稿日期2 0 1 2一 O 1 1 8 基金项目河北省教育厅项目 Z 2 0 1 1 2 1 2 作者简介张银彩 1 9 6 5 一 ，女，博士 ，硕士研究生导师，从事车辆传动系统理论与技术的教学和研究工作。Ema i l w j t j j y t 1 6 3 ． c o m。 第 3期 张银彩 等采用储能式液压机械传动车辆燃油经济性分析 4 5 式液压传动系统和 1 套控制系统组成 。k 。 、k 为汇 流行星排，齿轮 z ／ z 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。 c 制动器制动时，为液压工况；C 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 。 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。 a 一 输 入轴b 一输 出轴 图 2 液压工况功率流程分析 a 一输入轴b 一输出轴 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 马达负载转矩反向，输出端液压 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 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。 l 一输入端液压泵／ 马达2 一输出端液压泵／ 马达卜 溢流阀 4 、6 、7 、 二通插装阀5 一高压蓄能器 8 一低压蓄能器 l O ～飞 轮a 一 输入 轴b 一输 出轴 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 G B ／ T 1 8 3 8 6 ． 2 0 0 1 规定的基本市区循环。此循环工况如图 5所 示 。 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 o 1 5 1 0 5 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 t ／ s 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问段，分别计算时间 问隔 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 P 鱼 。3 6 0 0 r l T 。 7 6 1 4 0r ／ T’3 6 0 0, ／ T ② 液压机械工况 4 6 机床与液压 第 4 l卷 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 To 9 5 5 0 P o q 1 n 0 ‘ 车辆 的加速度 一 一 。i t 一 一 一 I 一 一 J 6 m 车速的变化 i一1 u 3 ． 6 U h ∑a j i- 1 d t 3 6 l I l 一 1 rn 一 一 1 2 1／ d 、 0 Zl 6 m 2 6 0u f i 0 。 式 2 可表示 为 P 0 3 式 3 为非线性方程，需借助于数值方法求近 似解 。 式中 a 为车辆的加速度，m ／ s ； u 为车辆的瞬时车 速，k m ／ h ； U h 为换段时的车速，k m ／ h ； t t 为基本市 区循环工况 2 、7 、1 3这 3个加速工况的最高车速 ， k m ／ h ； u 为车辆的瞬时车速，m ／ s 。 设， P 在区间 [ a ，b ]上连续 ，且有 0 I厂 b 0 由连续函数介值定理， ， P 在 [ a ，b ]内必有 零点，二分取值得到一个区间序列。 [ a ， b ]D [ a 。 ， b ]][ a ， b ]D⋯ [ a ， b ]D ⋯ 满 足 f a ， 6 0 b 一a n [ a ， b ] n1 ， 2 ， ⋯均为方程 3 的有根 区 间。 由区间套定理 ，存在 P [ a ， b ]，使得 l i ma l i mb P 且 P 是方程 3 的根。 发动机转矩 ⋯4 9鲁 发动机万有特性的数学模型为 g 磊 毫 B [ 寺 1 2 一 一 1 i J T o 第 i 个时间间隔内的燃油 消耗 r J Pg o At “ 3 6 0 0 式中 P 为发动机功率，k W； g 为发动机的燃油消耗 率， k w h ； T o 为发动机的有效转矩 ，N m； n 为 发动机的转速，r ／ m i n ； Q 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 了 T q 一 mA m g f一 m △ m a c j ． 1∑， 1 1_ 一 ， n r 式中 为驱动转矩 ，N m； a 为蓄能器加速时车辆 的加速度 ，m ／ s ； 6 为质量换算系数； 为汽车质量 ， k g ； 1 w 为车轮的转动惯量 ，k g m 。 输出端液压泵／ 马达的排量为 一 一 q m i 一 p 一P L 1k 1 i 4 i 。 h 叼 叼 叼 。一 占 △ m 。 州 m △ m g f r P 一P L 1k 1 i 4 i 0 叼 h m 叼 叼 2 0 - 流出蓄能器的油液体积为 ∑Q d t 6 m A m a ， n r m叼x v △ m C d A u P P L T ] h m T ] J， 7 2g 田 0 y 蓄能器内气体的压力为 ／ ＼ I J 式中 q 为输 出端液压泵／ 马达 的排量，m ／ r a d ； P 为开始加速时蓄能器内气体的压力，P a ； 为压力为 P 时气体的体积，m ； 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 “ i 『 U M i 发动机工作 在发动机单独驱动时，采用储能式液压机械无级 第 3期 张银彩 等采用储能式液压机械传动车辆燃油经济性分析 4 7 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 ’ 口 t 吕 ． Cd AM ‘3 6 0 Or ／ T 。 7 6 1 4 0r ／ T 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 Q d hQ o A t h 式中 Q 。 为怠速燃油消耗率 ，m L ／ s ； A t 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 Q dQ 0 A t 式中 Q 为怠速状态的燃油消耗量 ，g ； △ 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 MA T L A B软件上编制仿真程序进行仿真。已 知 m 1 0 0 0 0 k g ， n 2 0 0 0 r ／ m i n ，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。 一- 采 用储 能式 液 压机 械无 级 传动 车辆 燃 油消 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 2 0 0 S Q 13 1 6 ． 3 g 采用储 能式液压 机械传动 的车辆燃油 消耗量 2 0 0 s Q ， 2 6 9 g 节油率 卵 l 4 ． 8 ％ V1 从仿真结果来看，储能式液压机械传动系统可使 车辆节油 1 4 ． 8 ％ ，系统能达到节油的效果。 参考文献 【 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， 2 0 0 3 4 1 3 ． 【 2 】张铁柱． 城市用车辆新型节能动力传动系统研究 [ J ] ． 青岛大学学报， 1 9 9 7 ， 1 2 2 8 68 9 ． 【 3 】 B U C H WA L D P ， C H R I S T E N S E N G， L A R S E N H， e t a1 ． I m ． p r o v e me n t o f C i t y b u s F u e l E c o n o my Us i n g a Hy d r a u l i c Hy b r i d P r o p u l s i o n S y s t e m A T h e o r e t i c a l a n d E x p e ri me n t a l S t u d y [ R] ． S A E p a p e r 7 9 0 3 0 5 ， 1 9 7 9 ． 【 4 】N A K A Z A WA N ， T A K E D A N， T A K A O E ， e t a1 ． D e v e l o p ． me n t o f a B r a k i n g E n e r g y Re g e n e r a t i o n S y s t e m f o r C i t y B u s e s [ R] ． S A E p a p e r 8 7 2 2 6 5 ， 1 9 8 7 ． 【 5 】王会义． 静液储能传动系统节能机理及实验研究 [ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 1 9 9 6 ． 【 6 】吴光强， 鞠丽娟 ， 罗邦杰． 车辆混合动力传动系统发展现 状与展望[ J ] ． 汽车工程， 1 9 9 7 ， 1 9 2 7 8 8 2 ． 【 7 】Y U A N S h i h u a ， H U J i ． b i n ， Y A N G W e n ． z h e n g ． C o n d i t i o n s o f R a t i o C h a n g i n g Co n t i n u o u s l y for Mu l t i - r ang e S p l i t T r a n s -- mi s s i o n [ J ] ． J o u r n a l o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy， 2 0 0 0 ， 9 4 3 5 8 3 6 1 ． 【 8 】 刘修骥． 车辆传动系统分析[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 9 8 ． 【 9 】 韩兆林． 车辆液压机械传动方案设计理论及换段过程动 态仿真研究[ D ] ． 北京 北京理工大学， 2 0 0 4 ． 【 1 0 】 余志生． 汽车理论[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 l 1 】全国汽车标准化技术委员会． G B ／ T 1 8 3 8 8 6 - 2 0 0 5电动 汽车能量消耗率和续驶里程试验方法[ S ] ． 北京 中国 标准出版社， 2 0 0 6 ．