进气卸荷空压机节油效果分析与验证

曹凤明，邹兴辉

进气卸荷空压机节油效果分析与验证

曹凤明，邹兴辉

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章目的是在某款成熟重卡发动机上应用带进气卸荷功能的空压机，通过试验，验证油耗改善情况。利用CRUISE软件建立整车仿真模型进行计算，对油耗改善效果从理论上进行分析和支持。应用进气卸荷空压机，可降低发动机附配件的功率消耗，实现节能，从而改善经济性，提升产品竞争力。

进气卸荷；节能；附配件

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-155-04

引言

我国对商用车排放要求越来越严格的同时，对油耗的要求也越来越高，《节能与新能源汽车产业发展规划（2012～2020年》要求：到2020年，商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平。《中国制造2025》要求：到2020年，商用车新车油耗接近国际先进水平；到2025年，达到国际先进水平。JT/T719-2016 《营运货车燃料消耗量限值及测量方法》新车第三阶段于2017年7月1日执行，第四阶段于2018年7月1日执行，三阶段在二阶段基础上油耗严了7%，四阶段在三阶段基础上也加严了7%左右。 GB 30510《重型商用车燃料消耗量限值》目前已发布征求意见稿，预计2020左右年实施第三阶段的工信部油耗标准，燃油消耗量限值要在现有标准的基础上降低15%左右。

随着国家对油耗要求的逐步提高，节油技术也越来越受到重视，为降低油耗，需要充分挖掘每一个能量消耗单元的节能潜力。对于重型商用车，改善发动机附件的功率消耗，是现阶段改善燃油经济性的有效措施之一，本文中采用的进气卸荷空压机有助于降低发动机附配件能量损失，提升发动机燃油经济性。

1 进气卸荷空压机简介

带卸荷阀空压机就是使空压机的容积腔与缸盖进气腔或预设的单独气腔相通，当储气筒达到预设压力后，内部导通并传导出高压气体，推动空压机进气卸荷中的执行机构（简称ESS）工作，使进气腔和压缩腔之间保持畅通，此时空压机处于空负荷的运行状态，达到节能的目的。

图1 空压机卸荷状态气流方向示意图Fig.1 ESS air compressor airflow

对于进气卸荷空压机，当储气筒未到预设压力时，其处于正常工作状态，功率消耗与普通空压机相同；当储气筒达到预设压力后，进气卸荷空压机的ESS工作，进气卸荷空压机处于空负荷状态，功率消耗降低；普通空压机则是经由干燥器泄压阀，将高压气体排到大气中，空压机仍然处于正常工作状态。故储气筒达到预设压力后，进气卸荷空压机相对应普通空压机，有明显的节能效果。

2 进气卸荷空压机应用方案

2.1 卸荷阀空压机选型确认

根据现有搭载某国五发动机的车型要求，对进气卸荷空压机的状态进行选型确认。

根据制动系统对储气筒容量、打气时间、布置结构要求，选择进气卸荷空压机参数如下：

表1 进气卸荷空压机性能参数Tab.1 ESS air compressor parameter

2.2 空压机台架性能验证

根据发动机的最大扭矩转速、额定功率转速等因素，选择相应的空压机转速，进行台架性能测试。

图2 空压机台架性能验证Fig.2 ESS air compressor bench tests

测试结果如表2：

通过测试结果可以看出，当储气筒达到预设压力时，卸荷状态下空压机功率消耗平均降低了40%左右。

表2 空压机台架性能试验数据Tab.2 bench tests results of air compressor

2.3 试验验证

由于带卸荷阀空压机单个子技术节油效果并不明显，在转毂上不能直观的通过油耗试验数据反馈出来；同时，基于卸荷阀空压机的节油原理，城市路况常用刹车，空压机基本上处于打气的工作状态，卸荷阀基本不工作，而在高速段储气筒打满气后，空压机长期处于卸荷状态，因此确定节油验证方案以高速路况的节油效果作为评价指标。

降油耗的评价方法根据采集卸荷阀空压机在高速路况下打气/卸荷两种工作状态的时间占比，结合发动机万有特性数据，计算得出：

带卸荷阀空压机的节省油量=正常空压机功率×时间×燃油率-ESS空压机功率×时间×燃油率。

2.4 卸荷时间的采集

为确保采集数据更加贴近车辆实际运行情况，对车辆进行装载到16t；储气筒在打满气时，卸荷阀空压机的ESS功能开启，空压机不再对外打气，储气筒压力保持在8bar左右，因此只需统计储气筒的压力及保持时间即可确定卸荷阀空压机的工作比例。

图3 试验车辆加载（16吨）Fig.3 vehicle loaded (16 ton)

对车辆从高速段储气筒压力信号进行监测，输出压力时间曲线，通过分析压力信号数据得出空压机打气、卸荷时间比例。

整车在高速路段行驶过程中，储气筒压力几乎都在8bar以上，卸荷阀空压机95%以上的时间处于空负荷运行状态。车辆的百公里油耗实测为17.4L/100km。

图4 压力－时间曲线Fig.4 pressure-time curve

根据车辆在高速路上的卸荷时间比为95%，绘制发动机MAP图及车辆的行驶区间，确定发动机燃油消耗率为204g/ kW·h，利用油耗计算公式计算节油效果。

图5 发动机MAP图Fig.5 engine MAP

2.4 数据分析与计算

车辆在高速路行驶时平均车速v=80km/h，对应的发动机转速：

空压机转速为：

空压机在1569r/min转速下，查表2可得普通空压机消耗功率约为P普通空压机=1.5kW，进气卸荷空压机消耗功率约为PESS=0.8kW。

通过前面试验已经得到：汽车在高速路上行驶时，卸荷时间超过95%，则百公里卸荷时间：

汽车在80km/h行驶时，对应的燃油消耗率b=204g/ kW·h，燃油密度为ρ=0.84kg/l，

故百公里节省的油量为：

车辆带进气卸荷发动机的的百公里油耗实测为Q=17.4L /100km，故油耗降低百分比为：

综上所述，通过试验获得的信息，整理并计算卸荷阀空压机的油耗，得出发动机打进气卸荷空压机时，在高速路段的节油比例为1.1%。

3 软件仿真计算

采用cruise软件建立仿真计算模型，从理论上分析进气卸荷空压机的节油效果。

3.1 建立仿真模型

建立整车的Cruise模型，同时增加空压机能耗附件，输入空压机不同状态下的转速—功率特性曲线，通过模型计算，对比分析普通空压机及ESS模式下的油耗数据；

图6 带ESS模块的cruise模型Fig.6 cruise model with ESS module

图7 普通空压机的转速-功率消耗曲线Fig.7 speed-power curve of common air compressor

图8 带ESS空压机的转速-功率消耗曲线Fig.8 speed-power curve of ESS air compressor

计算后得到的发动机带普通空压机及ESS空压机的油耗值分别如下表：

表3 带ESS空压机的转速-功率消耗曲线Tab.3 speed-power curve of ESS air compressor

从上表中看出，在各个车速下的油耗对比结果中，带进气卸荷空压机的车辆，节油比例都＞0.5%，其中二阶段交通部综合油耗节油百分比为1.07%，工信部油耗节油百分比为0.56%。

3.2 最高档80km/h计算、试验数据对比

由于试验只做了80km/h的油耗数据，故只对比80km/h的计算值与试验值，对比结果如下表：

表4 理论值与试验值对比Tab.4 comparison of theory and test

经过对比可以看出，试验测试数据与理论计算数据符合性较好。

4 总结

通过试验及分析，关于进气卸荷空压机的应用效果，有以下几点结论：

4.1 带进气卸荷的空压机，其卸荷状态下的平均功率消耗比不卸荷状态下低约40%。

4.2 对于带进气卸荷的空压机，车辆在高速公路行驶时，由于不进行刹车等操作，因此空压机95%以上的时间都处于卸荷状态，空压机处于卸荷状态的时间主要取决于储气筒的保压能力。

4.3 通过理论计算与试验验证得出，车辆在高速公路行驶时，在储气筒保压能力良好的情况下，若发动机配备进气卸荷空压机，相对于配备普通空压机可以实现1%左右的节油效果。

进气卸荷空压机相对于离合器空压机，节油能力仍存在一定局限性，进气卸荷空压机即使在卸荷状态下仍存在一部分的发动机功率消耗，而离合器空压机在储气筒达到预设压力后，通过离合器执行机构工作，空压机完全处于不工作状态，不消耗发动机能量。但是离合器空压机由于目前技术状态不成熟，而且需要与发动机同时匹配开发、标定，周期较长，可在未来作为一项新型节油技术进行研究和开发。

[1] 余志生.汽车理论.机械工业出版社,2009.

[2] 王启广,叶平.现代设计理论.中国矿业大学出版社.2005.

[3] 陈家瑞.汽车构造（上册）.机械工业出版社,2001.

[4] GB/T 12545.2-200l,商用车辆燃料消耗量试验方法.

Analysis and Verification of Fuel Consumption Improvement by ESS Air Compressor

Cao Fengming, Zou Xinghui
（Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

The purpose of this paper is to apply an ESS air compressor on a heavy-duty truck, and to evaluate and verify the improvement of fuel consumption. The vehicle simulation model is established by using cruise software to analyze and support the fuel consumption improvement theoretically. The application of ESS air compressor can reduce power consumption of engine accessory parts and realize energy saving, and thereby improving economy and enhancing product competitiveness.

ESS air compressor; Energy saving; Heavy-duty truck; engine accessory parts

U467

A

1671-7988 (2017)16-155-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.054

曹凤明，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。