循環(huán)速度工況下空氣處理系統(tǒng)性能整車試驗研究

王旭剛，諶炎輝，2，吳遷

（1.廣西科技大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，南寧 545023；3.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

0 引言

制動安全一直是車輛在行駛過程中的研究重點[1]，商用車的質(zhì)量大，制動過程中的慣性大，相對于小型汽車危害性更大。商用車氣壓制動系統(tǒng)主要依靠壓縮空氣的壓力為車輛提供制動所需的機械力[2]，系統(tǒng)內(nèi)部壓縮空氣的質(zhì)量優(yōu)劣，對整車制動性能有很大的影響[3]。制動所需的壓縮空氣是由空氣壓縮機產(chǎn)生的，經(jīng)過鋼管進行冷卻，由空氣干燥器將壓縮空氣中攜帶的水汽、油污等雜質(zhì)吸附，通過四回路保護閥輸送到各個儲氣筒。儲氣筒內(nèi)部積水現(xiàn)象是判斷壓縮空氣質(zhì)量的依據(jù)之一，要保證壓縮空氣的質(zhì)量，需要空氣處理系統(tǒng)有足夠優(yōu)良的性能，可通過干燥器進氣口的溫度、干燥器的再生率、空壓機的負荷率這幾個方面，判斷空氣處理系統(tǒng)性能。

國內(nèi)商用車大多搭載機械式干燥器，電控干燥器一直處于推廣階段。呂征等[4]結(jié)合分子篩吸附原理推導(dǎo)不同卸荷壓力下干燥器的最小再生率，并提出了干燥器與空壓機的匹配方法，并經(jīng)實際驗證，可以解決儲氣筒積水問題。呂征等[5]介紹了電控干燥器的工作原理及控制策略，并通過露點降實例驗證了電控干燥器的性能優(yōu)于機械式干燥器。田雪毅[6]對空氣處理系統(tǒng)的匹配要求及應(yīng)用測試方法進行了說明，對空氣處理系統(tǒng)的匹配進行判定。郇浪浪等[7]對傳統(tǒng)機械式干燥器、電控式干燥器及全智能型干燥器的工作原理及功能實現(xiàn)方式進行闡述，為干燥器的選型提供了一些參考。

本文采用城市路工況對搭載機械式干燥器與電控式干燥器的車輛進行整車制動性能測試，通過在車輛上安裝傳感器的方式獲得車輛在行駛過程中的狀態(tài)及空氣處理系統(tǒng)參數(shù)的變化。

1 試驗研究

參與試驗的4輛車分別搭載機械式干燥器和電控式干燥器，采取相同的制動策略，并用傳感器測量試驗過程產(chǎn)生的信號，這些信號包括空壓機出氣口處的溫度和壓力、干燥器進氣口處的溫度和壓力、儲氣筒內(nèi)部壓力信號。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并記錄[8]，進而分析空氣處理系統(tǒng)的性能。

1.1 試驗方案

本次試驗所用試驗車輛均為6×4牽引車，干燥器的切斷壓力均為（1.25±0.02）MPa，試驗時間為20 min左右。試驗道路工況為城市路，城市路條件下車輛的最高速度不會超過60 km/h；車輛的載荷情況分為兩種：一種為帶掛車，另一種不帶掛車。

1.2 車輛行駛速度設(shè)定

車輛在行駛過程中，速度的變化趨勢為車輛行駛過程中的狀態(tài)，試驗驗中，車輛在城市道路行駛，車速低于60 km/h，并且處于加速→（巡航）→減速（制動）→怠速的循環(huán)過程，在這個循環(huán)過程中，車輛加速及行駛時間在50～70 s之間，制動減速時間為15～20 s，駐車時間為15～20 s。

1.3 試驗測試數(shù)據(jù)

試驗中所測數(shù)據(jù)包括：車速（km/h）、油門、試驗時間（s）、環(huán)境溫度（℃）、空壓機出氣口溫度（℃）、干燥器進氣口溫度（℃）、空壓機出氣口壓力（kPa）、干燥器進氣口壓力（kPa）、儲氣筒壓力（kPa）、大氣壓力（kPa）。

1.4 評價指標

制動系統(tǒng)的作用是提供可靠及穩(wěn)定的制動力，保證車輛制動時有穩(wěn)定的制動減速度[9]，制動力是由空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)化。壓縮空氣的質(zhì)量對車輛制動過程的穩(wěn)定影響巨大，而空氣處理系統(tǒng)的性能對壓縮空氣的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。對于空氣處理系統(tǒng)，主要性能是干燥器的進氣溫度、再生率及空壓機的負荷率。

2 試驗過程分析

試驗中，車輛一與車輛二搭載機械式干燥器，車輛三與車輛四搭載電控式干燥器，其中，車輛一與車輛三不帶掛車，車輛二與車輛四帶掛車。路況均為城市路，速度信號均為加速→勻速→減速→停車。4輛車在相同的路況、速度信號下進行試驗。4輛車在試驗過程中的基本參數(shù)如表1所示。分別對4輛車進行整車試驗，所測數(shù)據(jù)如圖2所示。

表1 試驗車輛的基本信息

圖1 駕駛循環(huán)

圖2 試驗車輛測試結(jié)果

圖2為4輛車行駛過程中速度、空壓機出氣口和干燥器進氣口出的溫度變化及干燥器進氣口和儲氣筒壓力變化曲線。如圖2所示，對4輛車在行駛過程中速度分別進行了12、10、14、9次循環(huán)，在循環(huán)過程中，空壓機的出氣口和干燥器的進氣口溫度、干燥器進氣口壓力、儲氣筒內(nèi)部壓力及整車的耗氣量等都有差異，進而引起車輛空氣處理系統(tǒng)性能的差別。對圖2的數(shù)據(jù)進行整理，如表2所示。

表2 試驗車輛測試數(shù)據(jù)

3 試驗結(jié)果分析

表2所示為4輛車的試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明，在相同的速度信號下，帶掛車與不帶掛車、制動次數(shù)的多少都會對空氣處理系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。

車輛一與車輛三沒有攜帶掛車，整車的耗氣量較低，空壓機出氣口的溫度和干燥器進氣口的溫度較低。車輛二空壓機的額定泵氣量較小，泵氣時間長，空壓機出氣口的溫度較高；車輛四因掛車氣密性較差的原因，干燥器進氣口的溫度較高。泵氣時間的長短對空壓機出氣口處的溫度影響巨大，而連接在空壓機與干燥器之間的鋼管就是影響干燥器進氣口處溫度的主要因素，泵氣次數(shù)多，每個周期短，鋼管沒有得到足夠的冷卻。

搭載機械式干燥器的車輛一與車輛二，每次反吹再生過程都是反吹容積的全部反吹，整體的再生率較高，車輛一的反吹容積為46.8 L，車輛二的反吹容積為56.7 L，由于車輛二帶掛車，整車的耗氣量比車輛一高，再生率為16.2%，比車輛一小2.6%。車輛三與車輛四搭載電控式干燥器，是通過控制反吹時間來控制反吹空氣量的，2輛車的再生率均為12%左右，比在卸荷壓力為（1.25±0.02）MPa時的最小再生率高，能夠保證干燥器不會失效。

空壓機的負荷率也是判斷空氣處理系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個重要指標，對空氣處理系統(tǒng)來講，空壓機的負荷率過高，導(dǎo)致空壓機的竄油概率增大，進而會影響空氣處理系統(tǒng)的性能。試驗中，4輛車的耗氣量分別為51.2、110.0、57.0、149.1 L/min，4輛車空壓機的負荷率分別為19.9%、33.3%、21.3%、48.3%。車輛二與車輛四的耗氣量大，負荷率高。車輛四因掛車氣密性較差，其負荷率更高。

空壓機的排量主要與空壓機的額定排量、發(fā)動機的轉(zhuǎn)速等有關(guān)，在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速相同時，空壓機的額定排量越大，單位時間內(nèi)的泵氣量越多，將儲氣筒內(nèi)部壓力由切入壓力升至切斷壓力的時間越短；空壓機的排量相同時，搭載額定排量大的空壓機的車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速低，降低了發(fā)動機的功率。試驗中，搭載電控式干燥器的車輛空壓機額定排量為630 mL/min，與搭載機械式干燥器且空壓機排量為460 mL/min的車輛相比，其空壓機的排量在同一水平線，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速卻更低，降低了發(fā)動機的功率。

4 結(jié)論

本文通過對搭載機械式干燥器與電控式干燥器的車輛進行整車試驗，對循環(huán)行駛工況下空氣處理系統(tǒng)的性能進行了試驗研究。研究表明，整車的耗氣量對其性能有很大影響。車輛的耗氣量越大，空壓機泵氣的時間間隔越短，泵氣時間占工作周期的比例越大，空壓機的負荷率越大，引起空壓機竄油的概率越大；車輛的耗氣量越大，空壓機的泵氣時間越長，空壓機出氣口處和干燥器進氣口處的溫度會越高，溫度達到一定界限時，會引起干燥器內(nèi)部干燥劑失效，造成干燥能力下降，影響制動能力。與機械式干燥器相比，電控式干燥器的控制方式由壓差控制轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間控制，其控制方式更為先進，能夠通過控制儲氣筒的反吹時間來控制反吹空氣量，保證反吹再生時滿足最小再生氣耗比，反吹過程穩(wěn)定，空氣處理系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。