商用车发动机辅助设备的优化运行策略

【奥】 Ennemoser A Schreier H Petutschnig H

1 原始状况

降低燃油耗和二氧化碳（CO2）排放，以及减少总运行成本是商用车制造商及其用户燃眉之急的课题。尤其是，商用车CO2排放法规限值正在持续收紧，必须在全球范围内进一步降低商用车的运行燃油耗。由于在公路运输中，长途运输商用车CO2排放占据的份额最大，因此，降低燃油耗的措施主要集中在这一领域。

汽车制造商对降低商用车燃油耗负有主要责任。当然，诸如废气利用、混合动力化、电动化，以及类似的创新技术在中期就可付之应用，但是，由于随之而来的附加成本较高，对终端用户的吸引力不大。有待研究的是，在短期内，还能采用哪些技术措施，以较少的贾用进一步提高长途运输商用车动力总成系统的效率。

2 短期内可实现的节油潜力

鉴于长期以来对商用车发动机摩擦和热力学效率所进行的优化，现今尚存的改善潜力已相对较小。另一方面，就辅助设备而言，通过优化设计、调整和按需控制，却能在短期内以相对较低的成本实施降低燃油耗的措施。其核心技术就是所谓“满足需求的辅助设备”，即只赋予辅助设备实时所需的工作能力。改善潜力主要集中在以下几个部件：（1）可多级调节或全可变控制的冷却风扇，（2）可多级调节或全可变控制的冷却水泵，（3）具备可变泵油量能力的机油泵，（4）可开关机油喷射冷却的活塞，（5）可离合的空气压缩机，（6）按需控制的液力转向助力泵。

因此，鉴于发动机各子系统之间的相互影响及其日益复杂的关系，迫使人们必须从系统层面或发动机层面来考虑问题。为此，AVL公司介绍了一种开发方法[1]，采用这一方法能够在相对较短的开发周期内以较少的贾用进行总体优化，从而获得所期望的整车性能。开发系统的主要组成部分是：（1）在整车层面上所有系统的模型化；（2）发动机及其主要子系统（燃烧、冷却系统和润滑系统）的模型化；（3）根据整车和/或试验台测量的调整模型；（4）为挖掘最大节油潜力而开发的最佳运行策略；（5）将运行策略转化成发动机控制软件代码；（6）在发动机试验台和整车上验证的节油效果。

模拟环境是重点，其模块化结构须对各种不同的需求和开发等级进行调整，从物理学模型到寻找设计方案，以及详细的系统设计，乃至实时模型[3]，同时给定的模型参数能够相互自动转化，以确保开发过程的顺畅，这对于模拟品质和效率具有重要思义[2]。

3 通过热管理降低燃油耗

优化冷却系统和润滑系统有2个目的：（1）按实时需要调节冷却水泵和机油泵的驱动功率，确保供给各零部件极限范围内所需的冷却水和机油流量；（2）优化发动机的热管理，在常规环境条件下（例如25℃），通过优化典型行驶循环中发动机和整车的热管理，使燃油耗降低2%（图1）。

在典型的欧洲长途运输行驶中，多数时间发动机运行在部分负荷条件下，但为了确保获得足够的冷却效果，冷却水泵的驱动及其冷却液流量却是按照处于“最不利状况”的全负荷条件设计的。若在部分负荷运行条件下按需调节冷却水泵，并将冷却液温度提高到容许的最高水平，则能获得良好的节油效果（图2）。润滑系统的情况与此相似，在全负荷运行条件下，机油冷却喷嘴必须确保活塞得到足够的冷却，而在部分负荷运行条件下，活塞机油冷却喷嘴可以关闭，从而减少机油泵的驱动功率。

在商用车上，冷却风扇对节油效果具有重要思义。虽然冷却风扇在典型的长途行驶循环中接通运转的时间相对较少（根据行驶路段的不同，约为10%～20%），但其设计的驱动功率仍较大，约为30 k W，因此，只有在采取其他措施无法获得足够冷却的情况下才接通冷却风扇运转。

如果采用多级调节风扇或全可变风扇传动离合器实时控制是否与发动机脱开，并且较小及中等的冷却需求峰值也能被平抑，而无需使用风扇，则就有可能节油0.8%。此外，在风扇脱开的运行状态下，风扇的寄生功率必须被降至最低或在理想状况下为零，因为其累积消耗的总燃油耗高达0.2%。

对于所有的优化措施而言，必须注思到，尽管考虑到了通常情况下冷却和润滑介质温度较高，但还必须保持为了平抑（如在下坡行驶时）因启用排气制动功能而出现的短时间冷却需求量峰值所需的储备。同时，根据模型的调节，还必须考虑到重型商用车因冷却液容积较大而具有明显较大的系统惯性。

4 空气压缩机和转向助力泵的节油潜力

在长途行驶循环中，无论是转向助力泵，还是空气压缩机，都极少出现其设计功率被用尽的情况（图3）。这些机组大多以较低的功率或在空转下运行，但功率损耗并不小。

在空转时，无功率限制的普通空气压缩机可节约的损耗功率为整个行驶循环总燃油耗的1.3%，而有功率限制的空气压缩机，通过完全脱开传动能进一步节油0.3%。

即使在典型的长途货车上，也很少使用液压转向助力泵的全功率（图4），因为随着车辆行驶速度的提高，转向助力的需求及其所需的驱动功率会明显降低。

转向助力泵与发动机转速直接连接，在实际行驶过程中会产生明显的功率损耗（图4（b）），因为最大的助力作用肯定会在怠速下显现。因此，较为合适的方式是转向助力系统可调节，而在较高车速时须降低所提供的液压压力，这样的转换策略在整个长途行驶循环中能够获得1%的节油效果。

5 主要取决于调节

为了充分利用系统所有的节油潜力，必须尽量接近系统和部件的极限，同时又不会损害其可靠性和耐久性的极限值。基于模型的调节方式适用于整个系统，并为控制各个执行器提供连接和足够精确的调节，此外，还应考虑到系统有时存在明显的惯性。

包括整个系统模拟在内，AVL公司已开发出基于模型的系统调节功能，采用这一功能能够根据实时负荷状况精确地预报系统性能，在实际行驶运行中，它能将各零部件与其极限值之间所需的安全距离减至最小，而且，将模型调节与整个系统的模拟相结合，使得在办公桌上就能采用调节软件精确地预设数据，随后只需在发动机试验台或汽车上稍加匹配或最终优化即可。

6 结语

在模型调节的基础上，辅助设备的不断优化及其最佳的按需定位运行策略为长途货运车辆降低燃油耗和CO2排放提供了可能性，与现今的技术相比，燃油耗和CO2排放可降低3%～4%，而对于其他车辆（配货车辆、城市公交车辆和越野车等用途）[4]而言，根据其部分负荷在整个负荷谱中所占的份额不同，最多可获得5%的节油效果。

在实际的行驶过程中，车辆的实际节油效果主要取决于发动机电子控制中整个系统被开发的程度，以及容许达到的零部件极限。

除了上述节油潜力之外，最重要的是其更容易在短期内达到目标，以及相对较低的附加成本，这对于制造商和用户都十分有利。因此，最终用户的总成本偿还期应控制在半年以内。

未来，可按需调节的辅助设备被连接到全球定位系统或过路贾采集系统中，这就能根据预定的行驶路段和附加因素（交通、气候等）预先主动控制辅助设备。

现已能在车辆抵达最近的上坡道前暂时降低冷却液温度，以防止因风扇没有转动而使系统过热。与此类似，在车辆抵达最近的下坡路段前就降低冷却液温度，以便应对即将出现的排气制动器所引起的热量输人，从而获得足够的减速效果。

AVL公司已证实，完全电气化的辅助设备能提供额外的优化潜力，因为由此所产生的附加贾用最终能被消除，当然，还要注思在商用车电气化方面的开发成本。无论是成本，还是功率密度与可靠性，全电气化辅助设备在长途货运车辆上的集成应适度。当然，将当今所能提供的机械或部分电气化解决方案与智能调节相结合，已具有能充分挖掘辅助设备大部分节油潜力的能力。