車用空壓機(jī)竄油問題的試驗(yàn)研究

金釗，張文通，金強(qiáng)，魏志友，栗明（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊261061）

車用空壓機(jī)竄油問題的試驗(yàn)研究

金釗，張文通，金強(qiáng)，魏志友，栗明
（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊261061）

現(xiàn)有車用空壓機(jī)的竄油故障率較高，影響機(jī)油耗率和空壓機(jī)的可靠性，用戶反映強(qiáng)烈。經(jīng)試驗(yàn)研究，優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)排氣管路，并對(duì)空壓機(jī)缸套進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，取得了良好效果。

空壓機(jī)；竄油；進(jìn)氣管路；水冷；排氣管路

在車輛氣制動(dòng)系統(tǒng)中，空壓機(jī)是提供和保持具有一定壓力的空氣來操作氣制動(dòng)和輔助氣制動(dòng)系統(tǒng)的裝置［1］。某商用車采用的空壓機(jī)為活塞式往復(fù)壓縮機(jī)［2-3］，車輛使用過程中易出現(xiàn)空壓機(jī)竄油量過多的現(xiàn)象。通過對(duì)該課題進(jìn)行攻關(guān)試驗(yàn)，找到了空壓機(jī)竄油的主要原因；通過一系列的改進(jìn)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)匹配優(yōu)化工作，有效控制了空壓機(jī)竄油，提升了制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

1　空壓機(jī)竄油的原因分析

空壓機(jī)在氣路系統(tǒng)中的連接如圖1所示，其適當(dāng)竄油是有益的，但竄油過多，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量增加，還會(huì)引起閥板和缸蓋排氣腔積炭，導(dǎo)致上氣緩慢甚至不打氣。故障原因主要有進(jìn)氣阻力大、空壓機(jī)頂部溫度高等?？諌簷C(jī)軸瓦改進(jìn)［4］、摩擦副的優(yōu)化設(shè)計(jì)［5-7］都可以改善空壓機(jī)竄油。本文主要從匹配方面分析，不涉及內(nèi)部改進(jìn)。

1.1進(jìn)氣阻力的影響

設(shè)P為空壓機(jī)外界的大氣壓力；P進(jìn)氣為進(jìn)氣過程中的空壓機(jī)工作腔（這里指活塞上部、缸頭、閥板之間的容積）的平均壓力；P排氣為排氣過程中的空壓機(jī)工作腔的平均壓力；P曲軸箱為空壓機(jī)活塞下部，即曲軸箱內(nèi)的平均壓力。該壓力隨進(jìn)氣、排氣工作過程的變化而產(chǎn)生壓力增大和下降的波動(dòng)，但由于它與柴油機(jī)的容腔是連通的，因此，平均值要高于外界大氣壓力。

自然取氣的空壓機(jī)進(jìn)氣過程中空活塞下行，此時(shí)P進(jìn)氣小于P才能保證正常吸氣，因此，P進(jìn)氣必定是個(gè)負(fù)壓值。而此時(shí)由于活塞下行，P曲軸箱必定增大且大于P，因此，P曲軸箱必定大于P進(jìn)氣。由于這種壓力差的存在，使曲軸箱內(nèi)氣體和機(jī)油上竄。當(dāng)進(jìn)氣阻力增大時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣量和進(jìn)氣速率減小，隨著空壓機(jī)工作容積增大，P進(jìn)氣下降并小于P。此時(shí)P曲軸箱卻在增大，因此，P進(jìn)氣與P曲軸箱之間的壓力差增大，最終曲軸箱內(nèi)氣體和機(jī)油上竄的趨勢(shì)就越來越嚴(yán)重。空壓機(jī)的工作簡(jiǎn)圖見圖2。

1.2溫度的影響

排氣溫度高，使零件受高熱，容易變形、磨損快［8］。如在高溫高壓環(huán)境中運(yùn)行，缸體磨損快、活塞熱膨脹、活塞環(huán)磨損快，使空壓機(jī)隨氣排油量增加。由于溫度高，機(jī)油氧化快，形成積炭，造成閥片不密封，或堵塞管路等，容易出現(xiàn)不打氣、打氣慢、燒機(jī)油等故障［9］。

閥板、缸蓋受溫越高、壓力越大，則變形越快，造成平面度差，就容易出現(xiàn)閥片、墊片不密封漏氣、沖墊現(xiàn)象，從而影響排氣量或造成不打氣、上氣慢等故障。

機(jī)油在溫度越高的情況下，粘稠度越低，流動(dòng)性越強(qiáng)，所以隨氣排油量也就越大。

2　進(jìn)氣管路的優(yōu)化

空壓機(jī)進(jìn)氣阻力主要受進(jìn)氣管路的影響，對(duì)于同一機(jī)型，空壓機(jī)進(jìn)氣管長(zhǎng)度是相當(dāng)?shù)?，此時(shí)進(jìn)氣管內(nèi)徑越小、折彎處越多，進(jìn)氣阻力就越大。從圖3可以看出，φ19進(jìn)氣阻力比φ22進(jìn)氣阻力大一倍以上，φ25進(jìn)氣管的阻力最小，只有φ19進(jìn)氣阻力的四分之一。

試驗(yàn)工況設(shè)定：空壓機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min、油溫90℃、進(jìn)水溫85℃、油壓0.35MPa，空負(fù)荷下測(cè)量1 h的空壓機(jī)排油量數(shù)值如表1所示。可以看出，內(nèi)徑越大，空壓機(jī)竄油量越小。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［10］，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速＞2 000 r/min時(shí)，隨氣排油量≤100mg/m3。φ25內(nèi)徑空壓機(jī)竄油量?jī)H有0.41mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于φ19和φ22的竄油量。

表1　不同進(jìn)氣管內(nèi)徑的空壓機(jī)竄油量

因此，空壓機(jī)竄油量受進(jìn)氣阻力影響很大，在滿足制動(dòng)系統(tǒng)匹配的前提下，盡量加大進(jìn)氣管路內(nèi)徑、避免管路打折，能夠有效地降低空壓機(jī)進(jìn)氣阻力，從而減少竄油量。濰柴發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)將進(jìn)氣膠管更改為硬管，同時(shí)加大進(jìn)氣管內(nèi)徑，極大地減少進(jìn)氣阻力，有效減少空壓機(jī)的竄油量。

同時(shí)，空壓機(jī)取氣口位置的選擇對(duì)進(jìn)氣阻力也有重要影響。某牽引車空壓機(jī)原取氣口在空濾器進(jìn)氣管中間部位，氣流方向垂直于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣方向。更改后，新取氣方向與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣方向呈銳角，并且布置在空濾器進(jìn)氣管前端，遠(yuǎn)離增壓器，避免較高轉(zhuǎn)速下增壓器“搶氣”。圖4是相同管徑的進(jìn)氣管在不同取氣位置的進(jìn)氣阻力曲線，可以得到，優(yōu)化取氣位置后，空壓機(jī)進(jìn)氣阻力降低20%以上。

布置空壓機(jī)取氣位置時(shí)，盡量保證取氣方向與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣方向一致，如圖5中序號(hào)1所示。若受外部布置影響無(wú)法實(shí)現(xiàn)，也可以采用序號(hào)2的布置方式，取氣方向與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣方向夾角要小于45°，同時(shí)遠(yuǎn)離增壓器。

3　缸體冷卻方式的優(yōu)化

濰柴原車用空壓機(jī)采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，缸體周圍分布翹片，用風(fēng)吹翅片從而達(dá)到冷卻的效果。因此，對(duì)空壓機(jī)使用環(huán)境的要求比較高。如果外部環(huán)境惡劣，比如空間比較封閉空氣流動(dòng)性差，或是粉塵多冷卻翅片容易堵塞，都會(huì)影響空壓機(jī)冷卻效果，造成空壓機(jī)故障。

為了解決該問題，在現(xiàn)有空壓機(jī)的基礎(chǔ)上將散熱片改成水腔［11］，增加冷卻水的冷卻面積，降低空壓機(jī)的壁溫和排氣溫度，有效地解決風(fēng)冷空壓機(jī)冷卻能力不足的問題。氣缸蓋冷卻水與外界連通，同時(shí)將輸出氣體冷卻。

表2是水冷空壓機(jī)和風(fēng)冷空壓機(jī)散熱量對(duì)比情況。水冷空壓機(jī)比普通空壓機(jī)每分鐘多帶走的熱量值約為43 kJ，散熱量是普通空壓機(jī)的1.5倍。上述試驗(yàn)是在試驗(yàn)室中進(jìn)行的，空壓機(jī)的外部環(huán)境良好。如果在實(shí)際工況下，水冷空壓機(jī)的冷卻效果會(huì)更好。同時(shí)，水冷空壓機(jī)帶走的熱量只占發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量的2%左右，空壓機(jī)缸體增加冷卻水道不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。經(jīng)過1 000h的可靠性試驗(yàn)考核后，將空壓機(jī)缸體解剖，沒有出現(xiàn)穴蝕。

表2　水冷空壓機(jī)和風(fēng)冷空壓機(jī)散熱量對(duì)比（kJ/m in）

圖6和圖7分別是相同試驗(yàn)條件下（油溫90℃、進(jìn)水溫85℃、油壓0.35MPa），水冷空壓機(jī)與風(fēng)冷空壓機(jī)排氣溫度、缸壁溫度對(duì)比情況。水冷空壓機(jī)排氣溫度比風(fēng)冷空壓機(jī)平均降低15℃左右，缸體壁溫降低20℃。

水冷空壓機(jī)在冷卻氣缸體的同時(shí)將曲軸箱冷卻，確保曲軸箱的潤(rùn)滑效果和設(shè)備壽命。缸體和曲軸箱一體式設(shè)計(jì)，減小了原來缸體和曲軸箱連接的四個(gè)緊固螺栓的安裝誤差，提高了同軸度，從而有效提高了活塞環(huán)的耐磨性。輸出的壓縮空氣經(jīng)冷卻后可以滿足需要，防止溫度過高造成后續(xù)制動(dòng)系統(tǒng)零部件失效。閥座板冷卻水腔體使得閥座板的溫度得到有效控制，避免閥片、進(jìn)氣膜片的受熱變形，保證閥片和進(jìn)氣膜片對(duì)整個(gè)氣道的控制效果，延長(zhǎng)空壓機(jī)的使用壽命。空壓機(jī)各零部件的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，有效控制了壓縮空氣中的竄油量。

4　排氣管路的優(yōu)化

選取長(zhǎng)度6m、內(nèi)徑尺寸分別為φ10、φ12和φ15的排氣管（銅管），在出氣筒背壓0.8MPa下進(jìn)行測(cè)試。排氣閥片開啟壓力為0.15MPa，缸蓋排氣腔壓力理想值為0.95MPa。圖8是不同管徑排氣壓力和排氣溫度對(duì)比情況，φ10、φ12和φ15的排氣管排氣腔壓力比理想值分別高出21.1%、12.1%、7.2%，管徑φ10的排氣溫度比φ12高11℃，比φ15高18℃。排氣管內(nèi)徑越小，排氣溫度越高，排氣腔背壓越大，制動(dòng)系統(tǒng)零部件失效概率就越高。

排氣管路布置時(shí)，排氣管要逐漸向下傾斜通往干燥器，防止排出的油污和雜質(zhì)回流到空壓機(jī)。同時(shí)空壓機(jī)排氣管到底盤間要有一段軟管，緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作帶來的振動(dòng)，避免空壓機(jī)損壞。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過進(jìn)排氣管路優(yōu)化以及水冷空壓機(jī)的推廣應(yīng)用，使得制動(dòng)系統(tǒng)零部件特別是空壓機(jī)的可靠性大大提高。目前干燥器的保養(yǎng)周期為50 000 km或半年，優(yōu)化管路、改為水冷空壓機(jī)后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及驗(yàn)證效果，可將干燥器保養(yǎng)周期提升至80 000 km或1年，提高干燥器使用壽命。經(jīng)過一年多的驗(yàn)證，空壓機(jī)的故障率降低40%以上，減少了配件更換消耗，節(jié)約了社會(huì)原材料資源，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益。

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2006.6.

［2］郁永章.往復(fù)活塞壓縮機(jī)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

［3］陳永江.容積式壓縮機(jī)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1985.

［4］鄒國(guó)慶.車用空壓機(jī)軸瓦的設(shè)計(jì)和失效分析［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2013，（6）：32-36.

［5］喬善智.車用空壓機(jī)的竄油問題［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，1993，（4）：29-34.

［6］劉立義.車用空壓機(jī)竄油問題的分析［J］.銅業(yè)工程，2003，34（4）：55-56.

［7］劉崢，李德金，田慶福.DFn型機(jī)車V-2.419型空氣壓縮機(jī)活塞竄油故障分析［J］.鐵道機(jī)車車輛工人，2004，18（3）：18-19.

［8］劉桂華.車用空氣壓縮機(jī)品質(zhì)改進(jìn)的研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

［9］劉利.車用空壓機(jī)故障模式分析與改進(jìn)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

［10］QC/T 29078-1992，汽車用空氣壓縮機(jī)技術(shù)條件［S］.

［11］張文通，叢孟營(yíng)，蔡樂，等.水冷空壓機(jī)：中國(guó)，2013304 37946.0［P］.2014-04-02.

修改稿日期：2014-12-05

ExprimentalStudy on OilExpelling of Vehicle Air-com pressor

Jin Zhao，ZhangWentong，Jin Qiang，Wei Zhiyou，LiMing
（WeichaiPowerCo.，Ltd，Weifang261061，China）

The oilexpelling failure rate of the vehicle air compressor ishigh atpresent，thiswill affect themachine oil consumption rateand air compressor's reliability，theusers'reflection is intense.After the experimentalstudy，the authorsoptimize theair compressor's intakeand outtake tubes，and improve the cylinderbody structure.The effect is good.

air compressor；oilexpelling；intake tube；water-cooling；outtake tube

U464.141

B

1006-3331（2015）41-0050-03

金釗（1985-），男，主任工程師；應(yīng)用工程部副部長(zhǎng)；主要從事工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、客車等行業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研發(fā)工作。