車用空壓機取氣位置對發(fā)動機和空壓機性能的影響

梁昌水，盧吉國，范明果，張 濤，梁 冰

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061； 2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

在車輛氣制動系統(tǒng)中，空壓機是由發(fā)動機驅(qū)動，為空氣制動和輔助氣系統(tǒng)提供和保持具有一定空氣壓力的裝置?？諌簷C是氣壓制動裝置的重要部件[1]，其正常的工作是車輛安全運行的基本保障。此外，空壓機對發(fā)動機以及整車的有關(guān)性能產(chǎn)生重要影響。本文通過某柴油機和空壓機的臺架試驗，研究空壓機取氣位置對發(fā)動機和空壓機性能的影響。

1 空壓機進氣口取氣位置及特點分析

車用空壓機有三種典型的取氣位置[2]，分別是空濾器后-增壓器前取氣，增壓器后-中冷器前取氣，中冷器后取氣。

1.1 空濾器后-增壓器前取氣

目前大多數(shù)商用車采用的是在空濾器后取氣[3]，在此位置上取氣時空壓機靠自然吸氣，受空濾器固有阻力和管路阻力影響，該處進氣負壓較大，有些車輛最大能達到-10 kPa，這樣會導(dǎo)致空壓機的隨氣排油量增加[4]，發(fā)生空壓機竄油故障，使發(fā)動機的機油消耗增加，機油可能流至干燥器排氣口[5]。

該位置取氣的優(yōu)點是：空壓機進氣溫度低，稍高于環(huán)境溫度，相應(yīng)地空壓機排氣溫度不高，到達干燥器入口的溫度一般在65 ℃以下[6]，干燥器的使用壽命延長。另外，增壓器前取氣一般選擇稍大排量的空壓機；若安全系數(shù)過小，將使空壓機負荷率增加，可靠性降低[7]。

1.2 增壓器后-中冷器前取氣

增壓器后-中冷器前取氣的優(yōu)點：空壓機進氣壓力大，在發(fā)動機標定點轉(zhuǎn)速進氣壓力基本上都能在100 kPa以上，打氣效率更高，空壓機的負荷率降低[8]，整車儲氣罐的充氣時間縮短。但是該位置取氣的缺點比較明顯：空壓機進氣溫度較高，會導(dǎo)致經(jīng)空壓機壓縮后的排氣口溫度很高[9]?？諌簷C排氣溫度一般要求控制在220 ℃以下，為滿足散熱需求，必然要增加排氣管長度或在空壓機和空氣干燥器之間加裝冷凝器[10]，造成整車成本的增加。由于充氣時間縮短，卸荷頻次增多，造成氣體浪費，對干燥器卸荷閥的壽命也產(chǎn)生不良影響。

1.3 中冷器后取氣

市場上有些車輛采用空壓機在中冷器后取氣的布置方案。中冷器后取氣能兼顧進氣溫度低、進氣壓力大(比中冷器前取氣的壓力稍小)、打氣效率高等優(yōu)點，但是離發(fā)動機進氣口較近，存在與發(fā)動機搶氣現(xiàn)象，使進入發(fā)動機的空氣減少，影響發(fā)動機正常功率。此位置取氣溫度低于中冷器前的，但是高于空濾器后的。中冷器后取氣也會產(chǎn)生太多的卸荷氣體，造成浪費較多，對空壓機的可靠性產(chǎn)生不良影響。

2 空壓機取氣位置對發(fā)動機性能的影響

對目前商用車最常用的兩種取氣方式：空濾器后-增壓器前和中冷器后進行臺架試驗，分析不同取氣位置對發(fā)動機性能的影響。不同取氣位置如圖1所示。

2.1 對發(fā)動機外特性的影響

在試驗臺架上將某10 L柴油機連接空壓機及儲氣瓶，分別在空濾器后和中冷器后兩個位置單獨給空壓機取氣。穩(wěn)定運行于標定工況，各項參數(shù)穩(wěn)定后開始試驗。調(diào)節(jié)發(fā)動機從額定轉(zhuǎn)速至怠速，每隔200 r/min 選取工況點，每一個工況點下分別進行上述兩種方式的取氣試驗，記錄發(fā)動機多個轉(zhuǎn)速對應(yīng)的功率、扭矩、空壓機進氣壓力、溫度等參數(shù)，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)動機外特扭矩對比

從圖2可以看出，中冷器后取氣在1 100 r/min以上外特性扭矩比增壓器前取氣降低2%左右。即在整車上使用中冷器后取氣時，會使發(fā)動機發(fā)出的扭矩有所下降。主要原因是空壓機因取氣速率快而與發(fā)動機“搶氣”，造成發(fā)動機過量空氣系數(shù)偏低，嚴重則可能造成發(fā)動機進氣不足、動力性變差等問題[11]。

2.2 對發(fā)動機功率和油耗率的影響

使柴油機運轉(zhuǎn)在標定工況，待發(fā)動機穩(wěn)定運行5 min后，調(diào)節(jié)發(fā)動機從額定轉(zhuǎn)速至怠速，每一個工況點下分別進行上述兩種方式的取氣試驗，記錄發(fā)動機多個轉(zhuǎn)速對應(yīng)的功率和油耗率等數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果對比見表1。

表1 兩種取氣方式的發(fā)動機試驗結(jié)果對比

從試驗結(jié)果可以看出：除怠速以外的常用工況區(qū)，中冷器后取氣在1 000 r/min以上，比增壓器前取氣的發(fā)動機功率降低1.5%左右；在1 200 r/min以上，中冷后壓力最大降低9.5%，燃油消耗率最大升高2.5%。所以中冷器后取氣會使發(fā)動機的功率降低，油耗升高。

2.3 對發(fā)動機輔助制動的影響

將柴油機缸內(nèi)壓縮釋放制動開關(guān)打開，同時將排氣制動蝶閥關(guān)閉，停止噴油，測功機拖動發(fā)動機運行。從標定轉(zhuǎn)速開始，以100 r/min為間隔，直至2 000 r/min，每個轉(zhuǎn)速點穩(wěn)定運行5 min，采集發(fā)動機制動功率。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)動機輔助制動功率對比

從試驗結(jié)果可以看出：打開輔助制動時，空壓機采用中冷器后取氣基本不影響發(fā)動機的制動功率。所以在進行空壓機進氣位置選取時，不用考慮其對發(fā)動機制動功率的影響。

3 空壓機取氣位置對空壓機性能的影響及建議

空壓機進氣口取氣位置對空壓機充氣時間、進氣壓力、進排氣溫度等會產(chǎn)生較大影響。

3.1 對空壓機充氣時間和進氣壓力的影響

在臺架試驗中，兩個取氣位置加裝壓力傳感器，進行空壓機充氣時間和進氣壓力的對比測試。待發(fā)動機穩(wěn)定運行5 min后，控制發(fā)動機工作在多個轉(zhuǎn)速與多個負荷率下對儲氣瓶進行充氣。當氣瓶內(nèi)壓力達到0.8 MPa時，停止充氣，記錄兩種空壓機取氣方式下打氣開始到打氣結(jié)束的充氣時間[12]和進入空壓機的氣體壓力。部分測量結(jié)果見表2。

表2 空壓機充氣時間和進氣壓力

表2中空壓機在增壓器前取氣導(dǎo)致其進氣是負壓的原因：增壓器一直在吸氣，且功率很大，使得空壓機必須與增壓器搶氣才能將氣體吸入缸體內(nèi)。即需要空壓機活塞往下止點運動產(chǎn)生負壓，將空氣吸入，所以這段管路測出的壓力為負值。同理可知，空壓機在中冷器后取氣，其進氣為正壓的原因。

根據(jù)試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1) 中冷器后取氣在高負荷(50%以上)及高轉(zhuǎn)速(大于1 200 r/min)區(qū)域充氣時間比增壓器前取氣縮短45%以上，空壓機負荷率不足10%(90%的工作時間不再取氣)，可大大降低空壓機負荷率。

2) 采用增壓器前取氣，在相同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機負荷率對空壓機進氣壓力的影響很小；采用中冷器后取氣，發(fā)動機負荷率對空壓機進氣壓力的影響很大，且負荷率越大進氣壓力越大。

3.2 對空壓機進、排氣溫度的影響

在臺架試驗中測量空濾器后-增壓器前和中冷器后兩個取氣位置的空壓機進、排氣溫度，測試結(jié)果顯示兩個位置取氣的進氣溫度基本一致；空壓機中冷器后取氣，進氣溫度隨中冷器后空氣溫度變化。兩種形式的出氣溫度均未超過空壓機出氣溫度限值220 ℃，且中冷器后取氣的空壓機出氣溫度較空濾器后-增壓器前取氣低。另外，整車實際運行時，部分工況點中冷后溫度高，空壓機進氣溫度高，而導(dǎo)致實際出氣溫度高，需要通過實際的整車試驗驗證。

3.3 空壓機取氣位置的選取建議

車輛可以根據(jù)其常用的實際工況來選擇空壓機的取氣位置：

1) 經(jīng)常運行在崎嶇道路的車輛，會出現(xiàn)頻繁剎車，制動用氣量大。此時若整車對動力性要求不高，或者發(fā)動機儲備功率大，則建議空壓機采用中冷器后取氣。

2) 針對市區(qū)運行的城市客車，頻繁的剎車和減速，加上氣動門的開和閉，會造成整車用氣量很大，使空壓機的負荷率一直維持在非常高的水平，長時間運行會導(dǎo)致空壓機竄油嚴重，空壓機故障率較高。所以建議該類城市客車也選用中冷器后取氣。

3) 若車輛經(jīng)常運行在高速公路上，由于剎車次數(shù)較少，車輛用氣需求正常；若車輛對動力性和經(jīng)濟性要求較高，則都建議空壓機選用空濾器后-增壓器前取氣。

4 結(jié)束語

應(yīng)根據(jù)車輛實際運行工況和用氣需求，綜合考慮選擇空壓機的取氣位置。對于用氣需求小的車輛，可采用增壓器前取氣；對于用氣需求大、空壓機竄油嚴重車輛，可考慮中冷器后取氣。當然也可以在整車上加裝管路和閥門，讓ECU根據(jù)車輛的綜合信息來判斷并實現(xiàn)兩種取氣方式的智能切換，集合兩種取氣方式的優(yōu)點，實現(xiàn)性能最大化。