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汽車電器設備的節(jié)能論文
隨著國家第三階段汽車油耗節(jié)能惠民政策的實施，汽車企業(yè)都在想盡各種辦法降低油耗。發(fā)動機燃燒技術的應用是主流，但要想提高發(fā)動機的燃燒效率，達到好的節(jié)油效果需要付出很大努力和較高的成木。當前汽車電子設備較多，如何較好地控制這些電子設備，降低其功耗，也是節(jié)能很重要的手段。木文以汽車中常見的電子設備(油泵、發(fā)電機、空調(diào)、大燈、風扇)為例，從電子技術優(yōu)化控制方而進行節(jié)能研究。
1汽車燃油泵
當前中國市場上的汽車燃油泵仍舊是回油式穩(wěn)壓燃油泵。ECU控制油泵繼電器使油泵工作，燃油通過泵油管到達油軌。由于燃油噴射控制對油軌供油壓力要求很高，所以一旦油軌壓力超過要求值，就通過泄壓閥泄油，由回油管返回到油箱。為了保證油軌壓力的穩(wěn)定，油泵不停地泵油(油泵轉速不可調(diào))，泄壓閥不停地泄油，從而導致油泵效率較低。還有一種改進型結構，省掉回油管路，讓回油在油泵直接泄壓回油，但是這不僅影響車輛動態(tài)工況下的油軌壓力的穩(wěn)定性，而目_同樣有功耗損失。無論是回油式控制，還是回油改進式控制，只要車輛運行，油泵就以恒定的額定轉速泵油。然后為了保持油軌壓力的穩(wěn)定，不停地泄油。這種不間斷地泄油自然浪費了能耗。
國外很多車輛使用PWM控制燃油泵，由ECU直接驅動油泵，通過油壓傳感器信號獲得油軌壓力，來控制油泵的轉速或者開/關。結構不僅簡單可靠，且控制精度高、油泵效率大大提升。當點火鑰匙上電的時候，為了快速建立油壓，ECU給出PWM占空比為100%信號給油泵，油泵全速運轉。油軌壓力傳感器作為輸入信號給ECU，對當前油軌壓力和目標壓力進行比較，對油泵轉速進行PI閉環(huán)控制。
由此可見，PWM控制燃油泵相對于回油穩(wěn)壓控制，在油軌壓力控制精度上更加準確。同時，回油穩(wěn)壓控制一直讓油泵在額定轉速下運轉，而PWM控制式燃油泵基本上都在額定轉速以下運轉。顯然，PWM控制燃油泵能耗更低。通常油泵額定轉速下的電流為10A左右，蓄電池電壓為1214 V之間，額定功率約為120 W。使用PWM控制式燃油泵功率不超過60 W，可以節(jié)約50%的能耗。
2汽車發(fā)電機
汽車發(fā)電機有單功能調(diào)節(jié)器和多功能調(diào)節(jié)器之分。單功能電子調(diào)節(jié)器發(fā)電機，輸出電壓的控制是其最基本的功能。多功能調(diào)節(jié)器發(fā)電機，除了具備電壓調(diào)節(jié)功能外，還具有DF(軟加載)和FR(負載反饋)功能。其中FR負載反饋功能可由ECU利用發(fā)電機PWM負載信號自動調(diào)節(jié)發(fā)動機的運行狀態(tài)。我們可以利用多功能發(fā)電機調(diào)節(jié)器的FR功能，對怠速轉速進行控制來實現(xiàn)節(jié)能的目的。
ECU利用發(fā)電機PWM負載信號進行怠速轉速控制，這樣的好處是:①在輕負載的情況下，盡量降低怠速轉速，減少油耗;②在重負載的情況，提高目標怠速轉速，避免整車虧電及熄火等危險。
發(fā)電機PWM信號大于怠速轉速干預PWM限值Valuel，表示發(fā)電機重負載，怠速轉速目標值增加Value3。當電負載下降的時候，PWM值小于怠速轉速恢復門限值Value2的時候，怠速恢復到低怠速狀態(tài)。利用遲滯環(huán)Hysteresis，可以避免發(fā)電機PWM信號在Valuel附近導致頻繁的怠速控制切換，有利于怠速的穩(wěn)定控制。
怠速是汽車上最常用的運行工況，由于怠速不對外做功，所以降低怠速時的油耗也是汽車節(jié)能的一個重要手段。比如ISS自動起停功能，在怠速時，直接停掉發(fā)動機，這樣在怠速下就沒有燃油消耗。但ISS功能很多駕駛者感覺不便，不易被接受。而降低汽車怠速轉速不僅有利于降低怠速噪聲，同時也有利于降低怠速油耗。我國目前采用歐洲油耗和排放法規(guī)的駕駛循環(huán)(ECE+EUDC)，此駕駛循環(huán)中有13次怠速，整個駕駛循環(huán)1 220 s中有224 s為怠速工況。怠速油耗約占整個駕駛工況的6.3%，而實際城市(ECE)工況占比更大。針對市場上某款車型進行測試，在同樣點火角的情況下，怠速650 r/min時，噴油脈寬為2.32 ms;怠速850 r/min時，噴油脈寬為2.63 ms。怠速工況時，目標怠速650 r/min相對850 r/min節(jié)油11.8%。這樣下來，整個ECE+EUDC工況，把怠速從850 r/min降低到650 r/min，可節(jié)油0.74%。而實際的城市工況，節(jié)油率更高。
總結下來，多功能發(fā)電機在汽車怠速控制上的應用，不僅可以滿足用電設備的電平衡，而且可以實現(xiàn)節(jié)油的目的。無論是單功能發(fā)電機，還是多功能發(fā)電機，只要發(fā)動機運轉，發(fā)電機都會通過皮帶隨著發(fā)動機運轉，機械損失不可避免。未來技術發(fā)展到發(fā)電機轉速自由可控的時候，其機械損失能耗又將實現(xiàn)優(yōu)化。
3汽車空調(diào)
汽車空調(diào)有定排量和變排量之分。定排量的空調(diào)，在發(fā)動機高轉速的時候，輸出最大，如果溫度到達設定，就切斷壓縮機，所以頻繁啟動壓縮機，既不舒適又不節(jié)能，且影響空調(diào)壓縮機壽命。現(xiàn)在汽車空調(diào)技術多采用變排量的空調(diào)，變排量空調(diào)又分為內(nèi)部控制變排量壓縮機和外部控制變排量壓縮機。內(nèi)部控制變排量壓縮機用內(nèi)部控制閥使吸氣壓力保持在一個較低的恒定溫度一般保持蒸發(fā)溫度為，往往用再熱方式提高送風溫度來保持車內(nèi)的舒適性。外部控制變排量壓縮機根據(jù)環(huán)境溫度、車內(nèi)溫度及空調(diào)模式設定等參數(shù)，由ECU確定控制信號，再由外部(電磁)控制閥來控制壓縮機合適的排量，這樣可以根據(jù)當時的冷負荷情況確定一個合適的吸氣壓力，不需要再熱，從而達到節(jié)能的目的。
外部調(diào)節(jié)的變排量壓縮機的控制閥有一個電磁單元，可對壓縮機的功率進行無級調(diào)節(jié)。電磁單元通過500 Hz的通斷頻率進行控制，關掉空調(diào)或所需的制冷量較低時，閥門開啟，斜盤箱和高壓腔之間的通道被打開，斜盤的傾斜角度減小直至低于2%的排量。當系統(tǒng)的低壓較高時，真空膜盒被壓縮，閥門挺桿被松開，繼續(xù)向下移動，使得高壓腔和斜盤箱進一步被隔離，從而使壓縮機達到100%的排量。外部調(diào)節(jié)的變排量壓縮機的優(yōu)點:壓縮機一直運轉，無接合沖擊，提高了舒適性;通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的溫度使制冷量和熱負荷及能量消耗完美匹配，減少了再加熱過程，使出風口的溫度、濕度恒定調(diào)節(jié);由于排量可以降低到近0%，壓縮機的功率消耗下降，燃油消耗下降。
通過外部調(diào)節(jié)的變排量壓縮機的工作原理可以看出，其相對于定排量空調(diào)和內(nèi)部調(diào)節(jié)的變排量空調(diào)在節(jié)能上有很大的改善。通常汽車用空調(diào)功率在3kW左右，是汽車上較大功率的用電設備。定排量空調(diào)和內(nèi)部調(diào)節(jié)空調(diào)在工作時的功率也基本上在3kW左右，而外部調(diào)節(jié)變排量空調(diào)功率則不固定，其功率從較低到3kW，線性化對應排量從0%到100% , 外部調(diào)節(jié)變排量空調(diào)的控制原理。ECU控制器接收到駕駛員空調(diào)控制溫度設定值，以艙內(nèi)溫度傳感器為反饋信號，對空調(diào)壓縮機排量進行PI閉環(huán)控制。溫度恒定控制精度較高，除了空調(diào)剛打開時(艙內(nèi)溫度和設定溫度差異較大)，空調(diào)壓縮機需要較大的負荷工作.壓縮機排量甚至在100%。但隨著溫度接近或者達到設定值，壓縮機排量就會變得很小，壓縮機的功耗就會很低。所以從控制原理上看，外部調(diào)節(jié)的變排量壓縮機通常會長時間工作在低排量低功耗的工況下，能耗損失相對可降低50%以上，這對于一個大功率電器設備來說，節(jié)能效果非常顯著。
4汽車大燈
汽車大燈分為2個前照燈，2個后尾燈。普通鹵素燈常用前照燈的功率為60/55 W，后尾燈功率為21 W, 4個燈功率總和約為150 W。隨著技術的發(fā)展，很多車型上使用亮度更高、功率較低的氛氣燈，如奇瑞瑞虎5。而近年國外很多高端車開始使用LED燈，LE D燈相對鹵素燈和氛氣燈，亮度更高、功率最低，且壽命長。隨著LE D燈技術的成熟，國內(nèi)一些經(jīng)濟型轎車開始使用，如奇瑞E3 } LED燈每個燈的功率約在SW左右，4個燈的功率總和不超過30 W。汽車大燈使用LE D技術相對普通鹵素燈能耗降低75%左右。
5汽車風扇
目前汽車使用的散熱風扇多為兩檔可調(diào)，低速檔額定電流為17.4 A左右，高速檔額定電流為25 A左右，系統(tǒng)電壓為1214 V，這樣計算下來，汽車散熱風扇低速檔額定功率約為200 W，高速檔額定功率約為300 W。兩檔風扇控制方式如圖7所示，當發(fā)動機水溫達到93 0C(參考值)時，低速風扇運轉;達到96℃時，高速風扇運轉。為了避免風扇的頻繁開/關，通常把高、低速風扇關閉溫度點減-遲滯值。水溫低于93℃時，風扇由高速切換到低速;水溫低于90℃時，關閉低速風扇，風扇不再運轉。
6結束語
汽車節(jié)能不能僅局限于提升燃燒效率，而付出很大的代價去開發(fā)先進的發(fā)動機。利用現(xiàn)有成熟的電子電器先進技術，同樣可以實現(xiàn)節(jié)能目的。每個電子設備貢獻一小部分，綜合下來也是一個顯著的節(jié)能效果。目前中國汽車市場應用的電子電器設備相對技術比較落后，有很大的提升空間。
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