商用车能量回收策略优化 提升发动机效率

2013-08-26 19:24:36来源: 盖世汽车网

    废热回收(WHR)、发动机启停(start-stop)、制动动能回收(kinetic energy recovery)乃至混合动力,都是能提升发动机效率的能量回收技术。具体选择哪种技术,取决于车辆种类、用途和使用强度。

    长距离、大载重车辆(如长途重载冷柜卡车)更适合采用废热回收技术。载荷较小、经常走走停停的车辆更适合采用混合动力技术。对于某些车型(如大型公交车),采用不同的能量回收技术所带来的差别不大。

    对于发动机负荷较大的车辆,废热回收的节油效果更好。废热回收的效果在满载时最高,并随着负荷的减小而降低。其中,废热回收系统的自重对整车节油效果也有影响。

    废热回收分为加入涡轮和加入朗肯循环两种实现方式。它们都需要在排气气流的下游加入额外的气流扩张器,以便从排气中提取能量。首先是机械涡轮系统,它的涡轮和曲轴相连,提供额外动力。它一般带有液力联轴器,以消除转速波动和发动机扭振的影响,保护涡轮叶片。齿轮传动装置用于匹配曲轴转速和涡轮转速。对于长途运输车辆,机械涡轮系统带来的发动机效率提升幅度为1.5-2.5%。这个估值也和其他的研究结果相吻合。

    另一种实现方式是电涡轮。涡轮驱动发电机。电能可以通过电机驱动汽车、给混合动力系统充电、或给车载电器供电。对于长途运输车辆,电涡轮带来的发动机效率提升幅度为3-4%。

    装备完善、节能效果最好的电涡轮系统对于车辆硬件的改动较大。它包括车辆附件的电气化、加装一台用于辅助内燃机的电动机、加装用于储存没有立即用完的剩余电能的电池。

    最后是朗肯循环系统,它从排气和EGR尾流提取废热,并以此做功。有的系统还可以从进气冷却器处获得废热。朗肯循环要求有一台供给泵,把工作液输送给三个热交换器:

    1锅炉过热器(Super heater-boiler)——将EGR尾流处的废热传给工作液

    2排气锅炉(Exhaust boiler)——将排气的废热传给工作液。它位于尾气后处理的下游

    3前置于进气冷却器的热交换器(Pre-CAC heat exchanger)——将进气冷却器的废热传给工作液

    然后,涡轮膨胀机将工作液具有的热能转化为机械能。工作液再经过冷凝器,排出未经利用的热能后,开始新一轮工作循环。涡轮膨胀机所作的功通过齿轮变速传递到发动机输出轴。该系统还可以将机械能用于发电,利用电能带动电动机驱动车辆,或利用电能带动车载电器,或给混合动力系统充电。


    康明斯WHR废热回收系统已经在多台八级重载卡车上投入使用。整个系统经过悉心布置,保证了发动机盖下的足够的空气流量。控制系统可以可靠地管理流动中的工作液的状态。

    在多种工况(公路、省际运输、城际运输)和环境温度下的大量测试都表明:进气冷却器附近的废热量很小,由它引起的废热回收十分有限。所以在效果上,燃油消耗虽然有所下降,但是不足以抵消进气冷却器的改造成本。主要的节能效果来自排气废热和EGR的废热。

    总地看来,不同驾驶工况下,废热回收系统的节油效果不同。具体数据如下,因为环境温度不同,所以所得数据都是范围量。

    公路循环(70%公路行驶)——油耗降低5.1-6.0%

    省际运输(公路行驶和城际行驶的混合工况)——油耗降低4.3-4.7%

    城际行驶(针对重载公交车和特种汽车、专用汽车)——油耗降低2.5-3.7%

    特种汽车、专用汽车的走走停停的工况更加频繁,所以适合混合动力的能量回收系统,通过收集制动能量、减少怠速运转,增加发动机效率。根据美国温室气体条例的规定,混合动力系统看作一个整体进行各种考量。

    常规车辆进行混合动力改造的方式有很多种,从最基本的启停系统到最复杂的并联混合动力。和所有能量回收系统相同的是,混合动力系统的节油效果受到工作强度、车辆尺寸、种类、控制策略的很大影响。随着混合动力系统越来越普遍,其节油能力也越来越高。

    最基本的商用车启停系统可以在停车时关闭发动机。在MT变速箱的离合器分离或AMT变速箱的制动踏板释放时,发动机重新启动。挑战在于,对于某些长途运输卡车和特种车辆,发动机停止运转时,车载电器的持续供电是个问题。

    混合动力系统对于发动机效率提升的优势在于:

    1由于电驱动系统的加入,发动机的转速范围减小,可以使发动机运转在最经济的转速区间

    2瞬态工况和怠速工况的减少使得尾气后处理更加简单

    3附属机构经过电气化,实现按需供能,减少了寄生阻力

    4由于电机分担了驱动车辆的任务,发动机可以实现小型化。在重量和成本方面,小型的发动机可以给混合动力部件腾出空间

    5由于电驱动扭矩更大,公路巡航的换档频率得以降低,驾驶难度更低,车辆耐久性更高

    能源回收系统普遍存在的挑战存在于:

    1成本增加,重量增加,结构复杂,电气控制系统复杂

    2因为复杂程度高,所以可靠性降低

    3受驾驶工况、能源回收技术种类、控制系统策略的影响,存在节油效果低于预期的可能性

关键字:策略  优化  提升  效率

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0826/article_7754.html
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