汽車空氣壓縮機(jī)釋放熱量轉(zhuǎn)換利用裝置研究

于秩祥

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州 221116)

汽車空氣壓縮機(jī)釋放熱量轉(zhuǎn)換利用裝置研究

于秩祥

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州 221116)

針對(duì)汽車空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用燃料性質(zhì)，設(shè)計(jì)一套能量轉(zhuǎn)換裝置，將這部分釋放掉的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)換回收利用，以便汽車在低溫和嚴(yán)寒環(huán)境下工作時(shí)，將空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換給燃油供給系統(tǒng)，改善汽車在特殊環(huán)境下的使用可靠性，同時(shí)能促進(jìn)燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部充分燃燒，降低廢氣物排放，提高汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能減排的效果.

汽車；空氣壓縮機(jī)；柴油；能量轉(zhuǎn)換；加熱裝置

0 引言

帶有空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的汽車(大型卡車、大型客車和特種車輛)，空氣壓縮機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的壓縮空氣用來控制制動(dòng)系統(tǒng)和其他氣動(dòng)系統(tǒng).空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后會(huì)產(chǎn)生大量熱量，一部分是由壓縮機(jī)內(nèi)活塞與汽缸壁摩擦產(chǎn)生的摩擦熱量，另一部分是壓縮空氣后空氣體積變小分子之間摩擦產(chǎn)生的熱量.活塞與汽缸壁產(chǎn)生的熱量由柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)帶走或空氣冷卻帶走；壓縮空氣產(chǎn)生的熱量就直接釋放到外界環(huán)境中[1]181-211.這樣產(chǎn)生的大量熱能就全部浪費(fèi)掉了，同時(shí)還給冷卻系統(tǒng)增加負(fù)擔(dān).根據(jù)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的這一特點(diǎn)，結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)和燃油特性，設(shè)計(jì)一套在低溫或嚴(yán)寒下使用的裝置，將這部分熱量進(jìn)行回收轉(zhuǎn)換利用，促進(jìn)汽車在特殊環(huán)境下的使用安全可靠性.

1 壓縮缸體產(chǎn)生熱量利用裝置設(shè)計(jì)

大排量高功率的汽車柴油機(jī)空氣壓縮機(jī)都采用水冷卻，利用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻液對(duì)壓縮機(jī)汽缸套進(jìn)行冷卻降溫.在汽車行駛的某些工況下，會(huì)給柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)，影響散熱器散熱；另外，還會(huì)增加水泵負(fù)載，增大柴油機(jī)機(jī)械損失，降低柴油機(jī)有效功率.

根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)將熱量帶到燃油供給系統(tǒng)，對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行加熱，提高柴油溫度和流動(dòng)性，避免柴油在特殊環(huán)境(低溫或嚴(yán)寒)下凝固.圖1為壓縮汽缸體產(chǎn)生熱量的利用結(jié)構(gòu)原理圖.將柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)的回油管路與空氣壓縮機(jī)的汽缸冷卻水道連接，利用燃油系統(tǒng)的剩余柴油對(duì)壓縮機(jī)汽缸體進(jìn)行冷卻.柴油將空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量帶走，通過散熱器適當(dāng)散發(fā)熱量，將帶有一定的熱量的柴油返回到油箱，反復(fù)循環(huán)油箱內(nèi)柴油最終被加熱，避免柴油在油箱內(nèi)凝固[2].

圖1 壓縮機(jī)汽缸體產(chǎn)生熱量利用圖

2 壓縮空氣產(chǎn)生熱量利用裝置設(shè)計(jì)

在汽車空氣壓縮系統(tǒng)中，空氣被壓縮，體積縮小壓力增大，空氣分子之間會(huì)產(chǎn)生相互摩擦對(duì)外釋放熱量，這部分熱量就直接釋放到外部環(huán)境中浪費(fèi)掉了.根據(jù)這一情況，在空氣壓縮機(jī)出氣口處設(shè)計(jì)一套熱量利用轉(zhuǎn)換裝置，將這部分熱量進(jìn)行有效利用，把熱量傳遞給燃油系統(tǒng)，對(duì)柴油進(jìn)行加熱，可提高柴油的流動(dòng)性.如圖2所示，在汽車空氣壓縮機(jī)排氣管處設(shè)置一個(gè)柴油加熱罐，高壓空氣管穿過柴油加熱罐，在罐內(nèi)設(shè)計(jì)成“S”形.在汽車柴油箱上引出一根進(jìn)油管與柴油加熱罐相連接，在進(jìn)油管上設(shè)置電動(dòng)油泵，用來驅(qū)動(dòng)柴油在管路內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；在柴油加熱罐上引出一根回油管與柴油箱連接，在回油管上安裝油水分離器和散熱器，用來控制加熱后柴油的質(zhì)量和溫度.整個(gè)裝置以柴油箱和柴油加熱罐構(gòu)成一套油氣熱交換循環(huán)回路，壓縮機(jī)把空氣不斷壓縮送進(jìn)壓縮儲(chǔ)氣瓶，產(chǎn)生的熱量在柴油加熱罐被柴油吸收，柴油的流動(dòng)性得到了提高，壓縮空氣被冷卻后提升了儲(chǔ)氣瓶存氣量，滿足了汽車在特殊環(huán)境(低溫和嚴(yán)寒)下的使用安全性和可靠性[3].

圖2 壓縮空氣熱量利用原理與結(jié)構(gòu)圖

3 安全性和可靠性試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方法及項(xiàng)目

以國產(chǎn)某品牌牽引卡車為測試對(duì)象，技術(shù)參數(shù)見表1所示.采用試驗(yàn)對(duì)比及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，實(shí)施信息反饋，在低溫和嚴(yán)寒環(huán)境下驗(yàn)證牽引卡車使用油箱加熱裝置，分析動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性[4]269-310.試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T27840—2011《重型商用車燃料消耗測量方法》.車輛技術(shù)狀況良好，平均使用12個(gè)月60 000 km.測試車輛使用柴油凝點(diǎn)標(biāo)號(hào)為-35號(hào).試驗(yàn)環(huán)境，氣溫-18 ℃～-32 ℃，晴，微風(fēng).道路類型為城市公路和高速公路，路面為柏油瀝青和混凝土路面，地面滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.010～0.018[5]283-290.

表1 技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)項(xiàng)目采用C-WTVC循環(huán)，是以世界統(tǒng)一的商用車輛瞬態(tài)車輛循環(huán)(WTVC，World Transient Vehicle Cycle)為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán).C-WTVC循環(huán)由市區(qū)、公路和高速工況3部分組成，如圖3所示.

圖3 商用車C-WTVC循環(huán)曲線

針對(duì)半掛牽引卡車在市區(qū)、公路和高速工況的里程分布進(jìn)行調(diào)查，并據(jù)此相應(yīng)調(diào)整市區(qū)、公路和高速工況運(yùn)行比例，使其與我國道路條件和車輛的技術(shù)特點(diǎn)相適應(yīng)，加權(quán)計(jì)算各類車輛的燃料消耗量.試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了其在C-WTVC循環(huán)中市區(qū)、公路和高速部分的特征里程分配比例，如表2所示.

表2 特征里程分配比例

3.2 綜合燃料量計(jì)算

參照標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際測試得到的市區(qū)、公路和高速工況的燃料消耗量，對(duì)照表2確定該車型市區(qū)、公路和高速部分的特征里程分配比例，按公式(1)可以加權(quán)計(jì)算該車型的綜合燃料消耗量.

式中：FC綜合為一個(gè)完整的C-WTVC循環(huán)的綜合燃料消耗量，L/100 km；FC市區(qū)：市區(qū)燃料消耗量，L/100 km；FC公路：公路燃料消耗量，L/100 km；FC高速：高速公路燃料消耗量，L/100 km；D市區(qū):市區(qū)里程分配比例系數(shù)，%；D公路：公路里程分配比例系數(shù)，%；D高速：高速公路里程分配比例系數(shù)，%.

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際道路測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于駕駛習(xí)慣、道路狀況、氣候條件和柴油品質(zhì)等因素的影響，實(shí)際燃油消耗量可能與廠家標(biāo)示的燃油消耗量有所不同.測試半掛牽引卡車型號(hào)相同，技術(shù)狀況接近.測試車輛牽引半掛車行駛，牽引質(zhì)量為30 000 kg. 1號(hào)車輛油箱為原廠配置未采用任何加熱裝置，2號(hào)車輛油箱采用壓縮機(jī)汽缸體產(chǎn)生熱量加熱裝置，3號(hào)車輛油箱采用壓縮空氣產(chǎn)生熱量加熱裝置.根據(jù)環(huán)境氣溫，柴油選擇凝點(diǎn)標(biāo)號(hào)為-35號(hào).3輛測試車輛總里程在1 000 km左右，測試次數(shù)10次.3輛車道路狀況一致，行駛里程基本一致.試驗(yàn)過程中，車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)盡量與C-WTVC循環(huán)一致.當(dāng)試驗(yàn)車輛不能達(dá)到C-WTVC循環(huán)要求的加速度或試驗(yàn)車速時(shí)，應(yīng)將加速踏板完全踩到底；當(dāng)試驗(yàn)車輛不能達(dá)到C-WTVC循環(huán)規(guī)定的減速度時(shí)，應(yīng)完全作用制動(dòng)踏板直至車輛運(yùn)行狀態(tài)再次回到C-WTVC循環(huán)規(guī)定的偏差范圍內(nèi).行駛道路按照表2所示分配，依據(jù)公式⑴進(jìn)行綜合油耗計(jì)算，油耗取平均值.對(duì)比數(shù)據(jù)見表3所示.

表3 綜合油耗對(duì)比

由表3可以看出，采用油箱加熱技術(shù)的車輛行駛油耗都低于未加裝車輛.根據(jù)試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可知汽車采用油箱加熱技術(shù)在嚴(yán)寒環(huán)境下具有一定的節(jié)油性.在1 000 km測試過程中，加裝油箱加熱裝置的車輛未發(fā)現(xiàn)任何問題，車輛運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠.通過駕駛員在實(shí)際駕駛過程中反饋，加裝油箱加熱裝置的車輛，在起步、爬坡、中等負(fù)荷加速和全負(fù)荷加速等工況下動(dòng)力略有提升，同時(shí)車輛尾氣排放污染物有所下降，在爬坡和中等以上負(fù)荷加速時(shí)，通過觀察，尾氣黑煙量降低.車輛在高速行駛時(shí)，車速控制在80～90 km/h左右，外界環(huán)境溫度在-26 ℃，由于高速冷風(fēng)作用，油箱周圍的環(huán)境溫度應(yīng)在-30 ℃左右，在這種環(huán)境下對(duì)油箱進(jìn)行加熱能提高柴油的流動(dòng)性，具有一定黏度和溫度的柴油能減少高壓燃油系統(tǒng)內(nèi)部精密器件的磨損，提高噴油器霧化質(zhì)量，促進(jìn)柴油機(jī)燃燒.

4 結(jié)語

根據(jù)汽車空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和產(chǎn)生的熱量進(jìn)行分析，在不改變車輛基本結(jié)構(gòu)的前提下設(shè)計(jì)一套熱量轉(zhuǎn)換裝置，將廢棄熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用，優(yōu)化了車輛結(jié)構(gòu)，改善了汽車使用的安全可靠性.通過試驗(yàn)比較分析，裝有該套裝置的汽車在特殊環(huán)境下使用時(shí)，車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性、安全性和可靠性都得到了不同改善，尤其在車輛使用上能降低車輛維護(hù)和使用成本，提高運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性，目前2套裝置已獲得國家發(fā)明專利授權(quán).

[1] 張為正，劉金祥.內(nèi)燃機(jī)失效分析與評(píng)估[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[2] 于秩祥.利用空氣壓縮機(jī)的車輛油路防凍裝置與方法：ZL201310021170.3[P].2015-03-26.

[3] 于秩祥.對(duì)汽車空壓機(jī)排出熱量有效利用的裝置和方法：ZL201410144879.5[P].2017-06-19.

[4] Erich Hoepke.載貨汽車技術(shù)[M].朱思洪,繆小紅，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 安相璧.汽車試驗(yàn)工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

ResearchonHeatTransferandUtilizationDeviceforAutomobileAairCompressorRelease

YU Zhixiang

(ExperimentalandOccupationalSkillsManagementCenter,JiangsuInstituteofArchitecturalTechnology,Xuzhou221116,China)

The article analyzes the heat generated by the automobile air compressor system. Combined with the automobile structure characteristics and the use of fuel properties, an energy conversion device is designed which will release the heat conversion of recycling, so that the car can work at low temperature and cold environment to transfer the heat produced by the air compressor system to fuel supply system. In this way the reliability of the vehicle in the special environment is improved. At the same time, it can promote the full combustion of fuel in the engine, reduce the emission of exhaust gas, improve the vehicle power and fuel economy, and finally achieve the effect of energy saving and emission reduction.

automobile; air compressor; diesel; energy conversion; heating device

U464.141

A

1671-8127(2017)06-0093-04

2017-06-14

2016年度江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題“工程機(jī)械車輛在低溫條件下運(yùn)行的可靠性技術(shù)研究”(JYQZ16-09)

于秩祥(1983- )，男，山東臨沂人，江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)力與電氣系統(tǒng)檢測研究。

[責(zé)任編輯梧桐雨]