商用車空氣壓縮機(jī)竄油分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

柳帥，冷彪，馬群，管仁梅

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

商用車空氣壓縮機(jī)竄油分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

柳帥，冷彪，馬群，管仁梅

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

針對(duì)商用車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分析商用車空氣壓縮機(jī)竄油的主要原因，提出一套簡(jiǎn)單有效的隨氣排油量測(cè)量方法。為降低和防止空氣壓縮機(jī)竄油問(wèn)題，總結(jié)出在氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意的設(shè)計(jì)原則。最后，對(duì)比分析改進(jìn)前后的空壓機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了改進(jìn)效果。

竄油分析；商用車；空壓機(jī)；設(shè)計(jì)改進(jìn)

目前，商用車多以往復(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱“空壓機(jī)”）作為制動(dòng)系統(tǒng)供能裝置。為降低成本、減小布置空間，空壓機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共用潤(rùn)滑系統(tǒng)。在正常使用工況下，空壓機(jī)所產(chǎn)生的高壓氣體中會(huì)混入少量的潤(rùn)滑油分子，這主要是在壓縮行程中活塞缸內(nèi)溫度升高使殘留在缸壁上的潤(rùn)滑油膜蒸發(fā)形成氣態(tài)油分子，并隨壓縮空氣一起排出造成的。該部分少量潤(rùn)滑油可在流經(jīng)空氣處理單元（APU）的干燥罐時(shí)被濾除，并不會(huì)影響制動(dòng)系統(tǒng)的正常使用；但當(dāng)空壓機(jī)由于過(guò)度磨損或長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行等原因造成隨氣排油量過(guò)大，即產(chǎn)生“竄油”現(xiàn)象時(shí)，將危害商用車制動(dòng)系統(tǒng)［1-3］，所以必須予以排除。

1　空壓機(jī)竄油產(chǎn)生原因

空壓機(jī)所產(chǎn)生的壓縮氣體從排氣閥片排出后，溫度不斷降低，其中包含的氣態(tài)潤(rùn)滑油冷凝成霧化油滴。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)［4-5］，在商用車發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的半合成或全合成機(jī)油中，由于含有多種添加劑，使霧化油滴的直徑變化范圍在0.1μm至8μm之間，并且，潤(rùn)滑油的蒸發(fā)速率與溫度直接相關(guān)。

通過(guò)分析空壓機(jī)失效模式（DFMEA），可將竄油原因分為兩大類:一是由于空壓機(jī)設(shè)計(jì)原因產(chǎn)生的。其中，活塞環(huán)與缸壁裝配間隙設(shè)計(jì)不合理、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油潤(rùn)滑不良等原因都會(huì)造成空壓機(jī)早期磨損，油環(huán)無(wú)法有效刮除殘留在缸壁上的過(guò)多油膜。二是由于空壓機(jī)負(fù)荷率過(guò)高引起的。當(dāng)空壓機(jī)冷卻不良、進(jìn)排氣效率低、密封性差等原因造成空壓機(jī)長(zhǎng)期處于50%以上的高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，將使活塞過(guò)熱并加速活塞環(huán)附近潤(rùn)滑油的氣化過(guò)程，導(dǎo)致潤(rùn)滑油蒸發(fā)量過(guò)高，同時(shí)更容易通過(guò)活塞環(huán)吸入缸體內(nèi)，造成“竄油”現(xiàn)象加重。當(dāng)活塞缸過(guò)熱使氣體溫度超過(guò)220℃時(shí)，將使?jié)櫥驮诟變?nèi)燃燒，并增加缸蓋內(nèi)氣道的積碳；冷凝后的霧化油滴吸附在積碳表面，與壓縮氣體中的水分子混合形成黑色膠狀混合物，導(dǎo)致空壓機(jī)進(jìn)、排氣效率降低，同時(shí)引起發(fā)熱，造成惡性循環(huán)［6-7］。

以某中型載貨汽車為例，可將制動(dòng)系統(tǒng)劃分為供能裝置、儲(chǔ)能裝置和控制裝置和車輪制動(dòng)器四部分。在整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)中，供能裝置部分（如圖1-a）是空壓機(jī)排油的來(lái)源，其設(shè)計(jì)的合理性與排油量直接相關(guān)；儲(chǔ)能裝置部分（如圖1-b）與空壓機(jī)參數(shù)的匹配不僅影響系統(tǒng)的充氣時(shí)間，還與空壓機(jī)的負(fù)荷率和壽命密切相關(guān)；控制裝置部分（如圖1-c）最容易受空壓機(jī)竄油影響，導(dǎo)致故障并危急行車安全，同時(shí)，其密封性和使用頻率（如山區(qū)工況）也會(huì)間接影響空壓機(jī)的負(fù)荷率；而車輪制動(dòng)器（如圖1-d）作為制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，受空壓機(jī)竄油影響很小。由此可見(jiàn)，供能裝置和儲(chǔ)能裝置是影響空壓機(jī)竄油的主要因素。

圖1　氣制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

空壓機(jī)出現(xiàn)竄油現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重降低APU中干燥罐的效率和使用壽命，而且，所形成的膠狀混合物還會(huì)影響其反吹再生效果，造成排氣不暢或消聲器阻塞。此外，若APU進(jìn)氣溫度過(guò)高，會(huì)使油霧和水蒸汽無(wú)法冷凝成液態(tài)，更容易經(jīng)干燥罐進(jìn)入貯氣筒，導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)中節(jié)流閥口阻塞、電器開(kāi)關(guān)故障以及制動(dòng)閥類零件密封不良等后果。

2　分析與測(cè)量

2.1竄油分析

為了快速有效地判斷竄油原因，可利用魚(yú)骨圖（圖2）對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行梳理和分析:

圖2　空壓機(jī)竄油原因分析魚(yú)骨圖

1）檢查制動(dòng)系統(tǒng)氣密性（對(duì)裝有空氣懸架系統(tǒng)或輔助用氣的裝置，也應(yīng)檢查其氣密性）。首先充氣至卸荷壓力，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)待貯氣筒中壓力穩(wěn)定后（約1min）記錄氣壓表數(shù)值；然后，將車輛靜止30min后觀察壓降情況，若壓降超過(guò)50 kPa，則說(shuō)明漏氣，需查找漏氣點(diǎn)。

2）檢查發(fā)動(dòng)機(jī)空濾是否阻塞（對(duì)電動(dòng)空壓機(jī)，應(yīng)檢查空壓機(jī)空濾）。發(fā)動(dòng)機(jī)空濾未按車輛維修保養(yǎng)手冊(cè)里的更換周期更換或產(chǎn)品質(zhì)量存在缺陷，會(huì)降低進(jìn)氣效率，延長(zhǎng)充氣時(shí)間，導(dǎo)致空壓機(jī)負(fù)荷率和竄油量增加。

3）檢查空壓機(jī)進(jìn)氣管外觀質(zhì)量。若出現(xiàn)裂紋、孔或卡箍松弛等現(xiàn)象，灰塵會(huì)隨空氣進(jìn)入缸體，引起早期過(guò)度磨損。另外，進(jìn)氣管設(shè)計(jì)不合理或橡膠材料耐真空度差，也將導(dǎo)致進(jìn)氣管容易吸癟、降低進(jìn)氣效率。

4）檢查空壓機(jī)出氣管是否損壞、阻塞（金屬管阻塞很難發(fā)現(xiàn)，尤其是彎管處）。當(dāng)設(shè)計(jì)管路不合理時(shí)，在冬季北方地區(qū)容易出現(xiàn)空壓機(jī)出氣管存水后結(jié)冰現(xiàn)象，使起車后空壓機(jī)過(guò)熱且無(wú)法向貯氣筒充氣。

5）檢查APU卸荷壓力和排氣口（或消聲器）是否有油污。通常排氣口或消聲器周圍存在干燥灰塵且僅有一小薄層油漬時(shí)，為正?，F(xiàn)象；若表面存有較多未干油漬，說(shuō)明有竄油現(xiàn)象，如圖3所示。這種外觀的檢查僅對(duì)表面有泥污的APU有效，若已清洗或表面濺有濕的油污，則不能說(shuō)明問(wèn)題。

圖3　 APU排氣口

6）檢查車輛維修保養(yǎng)記錄，看是否定期更換干燥罐、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和機(jī)濾等。當(dāng)超過(guò)機(jī)油更換周期時(shí)，將使空壓機(jī)過(guò)早磨損、排油量增加。

7）檢查貯氣筒。打開(kāi)放水閥并將排出的液體收集于玻璃容器中，若存水過(guò)多說(shuō)明APU失效；使發(fā)動(dòng)機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行并測(cè)量空壓機(jī)正常負(fù)荷下的APU進(jìn)氣口溫度，若溫度超過(guò)65℃，應(yīng)檢查空壓機(jī)出氣管是否阻塞或設(shè)計(jì)管路是否過(guò)短造成散熱效果不良。此外，需將收集的液體靜止2～3天，待油水分層后觀察油層高度，若油量超過(guò)10%，則說(shuō)明排油量過(guò)大（若時(shí)間有限，可參考步驟5中的方法檢查制動(dòng)閥、繼動(dòng)閥的排氣口或消聲器處有無(wú)油污），應(yīng)考慮故障源為空壓機(jī)。

8）檢查空壓機(jī)，對(duì)空壓機(jī)排油量進(jìn)行測(cè)量，確定是否竄油異常。

2.2竄油測(cè)量

目前，空氣壓縮機(jī)制造領(lǐng)域已有多種測(cè)量隨氣排油量的方法，包括比濁法、紅外光度法［8］、濾紙過(guò)濾法［9］，以及試管測(cè)試法［10］等。雖然這些方法適用范圍廣，測(cè)量精度高，但其測(cè)試過(guò)程中大多需要專用設(shè)備且測(cè)量步驟繁瑣。這對(duì)于大多數(shù)從事商用車設(shè)計(jì)和維修人員而言，在未經(jīng)過(guò)專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)的情況下，往往無(wú)法正確掌握，進(jìn)而限制了其在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。為了能更加快捷有效地判別排油量是否異常，本文結(jié)合商用車實(shí)際使用工況，提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的定性測(cè)量方法，步驟如下:

1）起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至冷卻液溫度達(dá)到正常工作水溫。在此之前，可采用對(duì)放水閥排氣或多次踩下制動(dòng)踏板等措施，人為降低制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓，使空壓機(jī)在負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，以便從冷態(tài)盡快達(dá)到其工作溫度。

2）熄火發(fā)動(dòng)機(jī)，在空壓機(jī)出氣口與APU進(jìn)氣口之間通過(guò)制動(dòng)軟管或金屬管引出氣體。考慮到商用車空壓機(jī)出氣管多為Φ18mm×1.5mm的冷拔鋼管，因此要求制動(dòng)管路噴氣口內(nèi)徑應(yīng)至少Φ15mm；空壓機(jī)排出的壓縮氣體在未經(jīng)過(guò)APU干燥罐過(guò)濾前溫度較高，因此需準(zhǔn)備較厚的80 g/m2普通A4紙1張。

3）再次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)以最高功率轉(zhuǎn)速（約2 000～2 500 r/min）或發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)允許的最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行10min，以保證出氣口溫度穩(wěn)定；將引出的出氣口對(duì)準(zhǔn)之前畫好Φ70mm直徑圓的A4紙，保持100mm的間距（如圖4），持續(xù)對(duì)紙張噴氣5min，即可得到如表1中相似的噴氣印跡。

圖4　簡(jiǎn)易測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4）更換或平移紙張（使噴氣口對(duì)準(zhǔn)紙張其他干凈的區(qū)域），按步驟3重復(fù)進(jìn)行2次，對(duì)比3次結(jié)果。當(dāng)3次測(cè)量結(jié)果存在較大差異時(shí)，可重新測(cè)量1次。若未采用與圖4相似的簡(jiǎn)易裝置，測(cè)量時(shí)只需保證噴氣口直徑大于Φ15mm且距離紙張100mm即可，并按上述步驟進(jìn)行測(cè)量，最后用圓規(guī)以測(cè)量的印跡中心為圓心，以Φ70mm為直徑對(duì)三次測(cè)量印跡畫圓，也可作為測(cè)量結(jié)果。

5）熄火發(fā)動(dòng)機(jī)，將測(cè)量結(jié)果與表1中的三種空壓機(jī)噴氣樣本印跡進(jìn)行對(duì)比，并確定當(dāng)前車輛通過(guò)上述方法測(cè)得的印跡類型。其中，表1中的Ⅰ類噴氣印跡為空壓機(jī)竄油量正常情況下的印跡，與車輛當(dāng)前的行駛時(shí)間和里程無(wú)關(guān)。相反，當(dāng)出現(xiàn)Ⅲ類噴氣印跡時(shí)，則說(shuō)明空壓機(jī)噴出的氣體中含有較大直徑的霧化油滴，存在嚴(yán)重的竄油現(xiàn)象，無(wú)論當(dāng)前車輛的行駛時(shí)間和里程為多少，都應(yīng)立即維修或更換空壓機(jī)，避免損壞其他零部件；當(dāng)噴氣印跡為Ⅱ類時(shí)，說(shuō)明車輛當(dāng)前的空壓機(jī)竄油量偏多，有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，應(yīng)依據(jù)車輛行駛時(shí)間或里程表讀數(shù)（以先到為準(zhǔn)）并參照表1中對(duì)應(yīng)的行駛時(shí)間或里程值判斷:對(duì)行駛時(shí)間小于6個(gè)月或里程在4萬(wàn)km以內(nèi)的新車，出現(xiàn)Ⅱ類噴氣印跡是異常的；而當(dāng)車輛行駛時(shí)間超過(guò)24個(gè)月或里程超過(guò)20萬(wàn)km后，若出現(xiàn)的Ⅱ類噴氣印跡，則主要是由空壓機(jī)在使用中正常磨損引起的，屬正?，F(xiàn)象；對(duì)于出現(xiàn)Ⅱ類噴氣印跡且行駛時(shí)間或里程在以上兩種情況以外的車輛，應(yīng)定期檢查，避免竄油惡化后，損壞其他零部件。

表1　竄油測(cè)量印跡對(duì)比樣本

3　設(shè)計(jì)改進(jìn)與臺(tái)架試驗(yàn)

為了降低或避免空壓機(jī)竄油的影響，在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)，應(yīng)滿足下列原則:

1）由于空壓機(jī)進(jìn)氣管多采用膠管，所以應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪和排氣管布置，避免烘烤后管路變軟發(fā)癟。為提高進(jìn)氣效率，進(jìn)氣管內(nèi)徑推薦至少為Φ27mm且盡量不用90°彎頭。裝配前，使膠管在-8 kPa±0.5 kPa真空度下保持3min，膠管外部不應(yīng)發(fā)生明顯的塌陷和變形；在88 kPa的壓力下保持5min，膠管外徑變化量不大于1.6mm。

2）控制出氣管走向。應(yīng)保證從出氣口至APU進(jìn)氣口的空壓機(jī)出氣管路走向逐步降低，避免形成U形彎曲管路，造成冷卻的潤(rùn)滑油、水分和雜質(zhì)等沉積或結(jié)冰，阻塞管路，無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)保證局部最低位置管路長(zhǎng)度需大于50mm。

3）降低APU進(jìn)氣口溫度，使之小于50℃，瞬間最大值不超過(guò)65℃。當(dāng)APU距離空壓機(jī)空間布置距離較近時(shí)，應(yīng)通過(guò)盤旋空壓機(jī)出氣管等方式提高管路長(zhǎng)度，以便散熱且管路走向應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管。通常情況下，當(dāng)空壓機(jī)至APU進(jìn)氣口的管路長(zhǎng)度達(dá)到6m以上時(shí)，便可保證進(jìn)氣溫度低于上述建議值。

4）在匹配空壓機(jī)規(guī)格時(shí)，應(yīng)滿足GB 12676-2014中第C.1.2.3條對(duì)充氣時(shí)間的要求［11］，并選擇稍大排量的空壓機(jī)。由于現(xiàn)代商用車中，還裝備有SCR系統(tǒng)、離合助力缸等耗氣裝置，安全系數(shù)過(guò)小將使空壓機(jī)負(fù)荷率增加，可靠性降低。

5）空壓機(jī)設(shè)計(jì)方面，通過(guò)對(duì)比國(guó)外WABCO、KNORR等空壓機(jī)產(chǎn)品，可在下列幾個(gè)方面對(duì)活塞與活塞環(huán)進(jìn)行改進(jìn):將活塞裙部由原來(lái)的錐形橢圓結(jié)構(gòu)改成鼓形橢圓結(jié)構(gòu)，同時(shí)合理地減小配合間隙；為了提高活塞氣環(huán)的耐磨性，采用氮化處理；改進(jìn)油環(huán)，采用新型的鋼帶組合環(huán)取代鑄鐵環(huán)；優(yōu)化回油孔，除了在油環(huán)槽側(cè)壁設(shè)計(jì)回油孔外，在活塞的裙部處油環(huán)槽的下部也增加回油孔，使油環(huán)下部刮下的機(jī)油快速流回曲軸箱。

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)，依據(jù)QC/T 29078中的方法［9］，分別對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的空壓機(jī)進(jìn)行500 h耐久性臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)得的排油量如表2所示。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的空壓機(jī)，其竄油量得到明顯改善，都滿足行標(biāo)值0.08 g/m3的要求。

表2　空壓機(jī)排油量試驗(yàn)值對(duì)比

4　結(jié)束語(yǔ)

以某中型商用車制動(dòng)系統(tǒng)為例，針對(duì)空壓機(jī)的故障與失效模式，提出了一套適用于商用車的空壓機(jī)竄油分析和測(cè)量方法。同時(shí)，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的設(shè)計(jì)原則，對(duì)比測(cè)量改進(jìn)前后的空壓機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)并驗(yàn)證了改進(jìn)效果。

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修改稿日期:2016-05-09

OilExpellingAnalysisandDesign Im provementofAirCom pressoron CommercialVehicles

Liu Shuai，Leng Biao，Ma Qun，Guan Renmei
（China FAW Group Corporation R&D Center，Changchun 130011，China）

According to the structure and characteristics of the pneumatic braking system on commercial vehicles，the authorsanalyze themain factorswhich lead the air compressor to oil expelling of commercialvehicles，and give outan easy and effectivemethod used tomeasure themassofoilexpelling.To reduce or even solve theoilexpelling problem，they sum up the design principles thatshould be paid attention to in the design ofpneumatic braking system.In the end，theeffectivenessof the improvementdesign isverified by comparativelyanalyzing thebench testdataof theair compressorbefore and after improvement.

oilexpellinganalysis；commercialvehicle；air compressor；design improvement

U464.141

B

1006-3331（2016）05-0055-04

柳帥（1985-），男，碩士；工程師；主要從事車輛底盤制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。