商用車電控空氣干燥器系統(tǒng)仿真分析及應(yīng)用

呂征 李淼 張煉 馬明武 李法兵

（1.東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056；2.一汽解放汽車有限公司，長春 130011）

1 前言

空氣干燥器是商用車氣壓制動系統(tǒng)的關(guān)鍵總成，可利用內(nèi)部分子篩去除壓縮空氣中的水分，確保制動系統(tǒng)獲得潔凈的壓縮空氣，并能對制動系統(tǒng)進(jìn)行氣壓調(diào)節(jié)，保證車輛行駛過程中制動系統(tǒng)獲得足夠的安全制動氣壓。

干燥器類型主要包括機(jī)械干燥器和電控干燥器。機(jī)械干燥器成本相對較低且便于維修保養(yǎng)。2001 年以來，國際主流商用車制造商開始應(yīng)用電控干燥器。目前，國內(nèi)電控干燥器僅在客車、新能源車領(lǐng)域及部分載貨汽車上小批量應(yīng)用，仍處于技術(shù)探索儲備階段，電控干燥器與機(jī)械干燥器的性能和功能差異尚待深入研究。

本文以再生氣耗比作為干燥效能的評價指標(biāo)，建立電控干燥器仿真分析模型，探索電控干燥器性能優(yōu)勢，最后闡述電控干燥器在節(jié)省燃油、預(yù)見性維修及故障診斷等方面的功能特點(diǎn)。

2 電控干燥器原理及效能評價指標(biāo)

2.1 電控干燥器閥體基本構(gòu)成

機(jī)械干燥器和電控干燥器基本外形類似，如圖1、圖2所示。

圖2 電控干燥器

機(jī)械干燥器主要由氣閥殼體、干燥筒（內(nèi)有分子篩吸附劑）、調(diào)壓閥、再生閥組成，如圖3所示?？諝鈮嚎s機(jī)輸出的壓縮空氣經(jīng)干燥器進(jìn)氣口進(jìn)入干燥器，流經(jīng)干燥筒內(nèi)部分子篩吸附劑，分子篩吸附壓縮空氣中的水分子后，壓縮空氣經(jīng)干燥器出氣口進(jìn)入制動系統(tǒng)貯氣筒。貯氣筒氣壓達(dá)到卸荷壓力時，調(diào)壓閥氣路打開，卸荷閥工作，此時卸荷氣壓下降，再生閥開啟，貯氣筒內(nèi)壓縮空氣流經(jīng)再生閥再生節(jié)流孔對干燥筒內(nèi)的干燥劑進(jìn)行反吹，再生壓縮空氣經(jīng)卸荷閥排出。

圖3 機(jī)械干燥器結(jié)構(gòu)示意

電控干燥器與機(jī)械干燥器的區(qū)別是其卸荷和再生過程實(shí)現(xiàn)電子控制，以簡易式電控干燥器為例，如圖4所示，主要在機(jī)械干燥器基礎(chǔ)上將調(diào)壓閥和再生閥替換為2 個兩位三通電磁閥，利用控制器控制電磁閥。

圖4 簡易式電控干燥器結(jié)構(gòu)示意

機(jī)械式干燥器的卸荷壓力和再生空氣量固定（例如卸荷壓力為1.2 MPa，根據(jù)貯氣筒容積，其再生空氣量為30～60 L），且隨內(nèi)部機(jī)械螺旋彈簧的老化發(fā)生衰減。電控干燥器取消了機(jī)械調(diào)壓閥和再生閥的彈簧，采用電磁閥控制，能夠根據(jù)需要調(diào)整卸荷壓力和再生空氣量，耐久性更強(qiáng)。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成及控制功能實(shí)現(xiàn)

電控干燥器需要與車輛其他零件總成進(jìn)行連接和通信，從而實(shí)現(xiàn)控制功能，如圖5 所示，其中空氣壓縮機(jī)、貯氣筒等與機(jī)械式干燥器相同。電控干燥器由底盤模塊（Chassis Input/Output Module，CIOM）控制，CIOM利用氣壓傳感器獲取制動系統(tǒng)氣壓，通過控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線獲取車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同工況干燥器卸荷和再生的智能化控制。多種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如圖6所示。車輛狀態(tài)包含正常行駛控制模式（Normal 行駛狀態(tài)）、下坡及滑行控制模式（OverRun 行駛狀態(tài)）、加速行駛控制模式（OverTake行駛狀態(tài)）、高耗氣控制模式（HighCon 行駛狀態(tài)），其他狀態(tài)均為車輛靜止時的狀態(tài)。無論電控干燥器處于何種工作模式，應(yīng)確保貯氣筒在足夠制動氣壓下能夠卸荷，通過再生為制動系統(tǒng)提供干燥潔凈的壓縮空氣。

圖5 電控干燥器與整車的連接及通信

圖6 電控干燥器不同工作狀態(tài)及功能轉(zhuǎn)化

2.3 干燥效能評價

干燥器內(nèi)部的分子篩吸附劑的再生是吸附的逆過程，需消耗部分壓縮空氣并滿足完全再生原則。完全再生的目的是將吸附劑的表面活化能恢復(fù)到吸附前的水平，確保分子篩再次具備干燥效能。水分吸附量一定時，再生能耗存在下限，分子篩吸附劑的實(shí)際再生能耗不能低于下限，否則會出現(xiàn)再生不全的情況，影響干燥效能。

分子篩完全再生，最低再生氣耗vmin為[1]：

式中，V為單位時間流入干燥器的壓縮空氣流量；d0為進(jìn)氣狀態(tài)壓縮空氣的絕對含水量；d為再生氣排氣狀態(tài)下的絕對含水量；T為工作半周期。

根據(jù)最小氣耗原則，在能夠克服吸附劑阻力的情況下，再生氣壓力應(yīng)盡可能接近大氣壓，使相同溫度下空氣飽和含水量更多，最小再生氣耗比Ψmin為：

式中，dout為卸荷狀態(tài)飽和壓縮空氣的絕對含水量；dreg為再生狀態(tài)飽和空氣排氣狀態(tài)下的絕對含水量。

不同氣壓條件下飽和空氣含水量如表1所示（以22 ℃室溫為例）?？紤]車輛分子篩使用過程中的吸附能力衰減，引入安全系數(shù)δ，則最小再生氣耗比Ψ′min=δΨmin，得出不同卸荷壓力（一般取相對壓力）下分子篩的最小再生氣耗比Ψ′min，如圖7 所示[2]。為使分子篩足夠的再生能力，需確保再生氣耗比Ψ≥Ψ′min。

表1 不同氣壓條件下飽和空氣含水量（22 ℃）

圖7 不同卸荷壓力下的分子篩最小再生氣耗比

針對同一干燥分子篩，以再生氣耗比Ψ作為干燥效能評價指標(biāo)，Ψ越大，分子篩吸附能力越強(qiáng)，即干燥效能越強(qiáng)。

3 電控干燥器控制仿真模型建立

3.1 干燥器工作過程簡化分析

車輛行駛過程中，空氣壓縮機(jī)泵氣的同時隨整車制動過程不斷耗氣，干燥器調(diào)壓閥處于切斷和切入交替工作狀態(tài)，貯氣筒壓力在切斷壓力Pout和切入壓力Pin間循環(huán)，為簡化分析，取工作周期T′分析，如圖8所示。

圖8 干燥器工作周期

貯氣筒壓力由Pin提高到Pout過程中，設(shè)Tpump為泵氣時間、QC為空氣壓縮機(jī)泵氣體積流量，流經(jīng)干燥器的空氣體積Vpump為：

達(dá)到卸荷壓力Pout后，干燥器進(jìn)行再生反吹，直至再生終止，貯氣筒壓力達(dá)到Preg,end。假定再生空氣體積為Vreg，得到干燥器空氣再生氣耗比Ψ為：

3.2 再生節(jié)流孔模型

干燥器再生控制的關(guān)鍵在于用于反吹再生的空氣量，再生空氣量主要由再生節(jié)流孔流量及再生時間決定。

干燥器內(nèi)部再生節(jié)流孔可以視為氣壓傳動動力學(xué)中的容器噴嘴流動模型，如圖9所示，容器可以視為貯氣筒，噴嘴處空氣流動可以視為干燥器再生節(jié)流孔的流量特性。

圖9 容器噴嘴模型[3]

噴嘴空氣流量模型存在以下關(guān)系：

式中，ωe、ω0分別為容器節(jié)流孔處和容器內(nèi)空氣的流速；pe、p0分別為容器節(jié)流孔處和容器內(nèi)的氣壓；Te、T0分別為容器節(jié)流孔處和容器內(nèi)空氣的溫度；ρe、ρ0分別為容器節(jié)流孔處和容器內(nèi)壓縮空氣的密度；R為理想氣體熱力學(xué)常數(shù)；k為理想氣體比熱容比。

容器內(nèi)的截面積遠(yuǎn)大于節(jié)流口處的截面積，流速ω0視為0，故有[4]：

節(jié)流口氣體質(zhì)量流量Qm為：

式中，Ae為再生節(jié)流孔面積。

考慮到：

故節(jié)流口氣體質(zhì)量流量Qm為：

式中，μ為流量系數(shù)（μ＜1，由試驗(yàn)確定）。

對壓強(qiáng)比求導(dǎo)，令導(dǎo)數(shù)為0，可得最大體積流量Qvmax為[4]：

節(jié)流口氣體體積流量Qv為：

因此，再生空氣體積Vreg為：

3.3 電控干燥器系統(tǒng)控制仿真分析模型

根據(jù)車輛空氣壓縮機(jī)排量、貯氣筒容積、電控干燥器及整車耗氣量建立電控干燥器系統(tǒng)仿真模型，如圖10所示。

圖10 電控干燥器系統(tǒng)仿真模型

基于式（3）和式（4）建立電控干燥器調(diào)壓電磁閥和再生電磁閥仿真模型，基于式（7）和式（11）建立電控干燥器內(nèi)部再生節(jié)流孔空氣流量和再生空氣體積仿真模型。該模型針對空氣壓縮機(jī)泵氣和干燥器再生狀態(tài)下流經(jīng)干燥器空氣量的累計(jì)計(jì)算分析，結(jié)合多種工作模式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)干燥器電控再生功能的智能穩(wěn)態(tài)控制。

通過修改參數(shù)設(shè)置，該模型可適用于機(jī)械式干燥器系統(tǒng)仿真分析。

4 電控干燥器仿真分析及實(shí)際應(yīng)用

4.1 電控干燥器效能分析

受車輛行駛路況的影響，整車各總成用氣頻次不同，導(dǎo)致耗氣量存在差別（如涉及制動、離合器操縱、后處理等），根據(jù)實(shí)際行駛過程的耗氣量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，高速工況下耗氣量一般小于60 L/min，普通國道、山區(qū)工況下耗氣量為60～160 L/min，特殊國道、山區(qū)工況下耗氣量大于160 L/min。對機(jī)械式干燥器和電控式干燥器進(jìn)行仿真分析（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min），直至系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

不同耗氣量條件下的再生氣耗比如圖11 所示，機(jī)械干燥器的干燥效能在低耗氣量條件下較為突出，隨著耗氣量的增大，機(jī)械干燥器的再生氣耗比不斷減小，耗氣量超過160 L/min 時無法滿足最小再生氣耗比12%的要求，即分子篩已經(jīng)不能完全再生，干燥筒存在失去干燥作用的風(fēng)險(xiǎn)。而電控式干燥器的再生氣耗比恒定為12%（不低于最小臨界值），干燥罐不存在失去干燥作用的風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 平衡狀態(tài)下2種干燥器再生氣耗比

不同耗氣量下的再生空氣量如圖12所示，機(jī)械干燥器在低耗氣量條件下的再生空氣量大于電控干燥器的再生空氣量，耗氣量增加到160 L/min 時，機(jī)械干燥器的再生空氣量達(dá)到上限，但電控干燥器再生空氣量仍可繼續(xù)增加。

圖12 平衡狀態(tài)下2種干燥器再生空氣量

上述結(jié)果表明，電控干燥器的干燥效能穩(wěn)定，再生空氣量可隨整車耗氣量的增加進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，確保再生氣耗比恒定。

4.2 模擬實(shí)際道路的電控干燥器模式仿真

考慮到山區(qū)道路行駛路況條件苛刻，以實(shí)際道路車輛行駛狀態(tài)作為仿真輸入，包括制動頻次、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)扭矩，如圖13所示。

圖13 某山區(qū)海拔路況實(shí)際信號采集

從貯氣筒氣壓為0 時開始泵氣，直到干燥器卸荷，然后車輛開始行駛，如圖14 所示。隨貯氣筒氣壓變化，電控干燥器控制模式自動切換，如圖15 所示，開始時處于HighCon 模式，隨后根據(jù)需求先后進(jìn)入Normal 模式、OverRun 模式及OverTake 模式，由于初始階段空氣壓縮機(jī)泵氣流經(jīng)干燥器的空氣較多，為保證分子篩恢復(fù)足夠的再生能力，電控干燥器的再生空氣量明顯高于機(jī)械干燥器，如圖16所示。

圖14 貯氣筒氣壓變化

圖15 電控干燥器控制模式狀態(tài)變化

圖16 不同干燥器再生空氣量差異比較

貯氣筒氣壓為990 kPa 時開始泵氣，達(dá)到干燥器卸荷，然后車輛開始行駛，如圖17 所示。初始階段沒有大量壓縮空氣流經(jīng)干燥器，因此，電控干燥器全過程并未進(jìn)入HighCon 模式，僅在Normal 模式、OverRun模式及OverTake模式間切換，如圖18所示。電控干燥器并不需要較大的再生空氣量進(jìn)行分子篩再生，再生空氣量明顯低于機(jī)械干燥器，如圖19 所示。

圖17 貯氣筒氣壓變化

圖18 電控干燥器控制模式狀態(tài)變化

圖19 不同干燥器再生空氣量差異比較

5 電控干燥器優(yōu)勢

5.1 避免制動管路結(jié)冰

由于機(jī)械式干燥器干燥劑再生不充分容易導(dǎo)致貯氣筒產(chǎn)生積水，積水進(jìn)入制動閥和輪邊制動氣室，冬季時管路容易結(jié)冰造成制動失效。電控干燥器憑借穩(wěn)定的干燥效能，可有效避免制動系統(tǒng)積水結(jié)冰，實(shí)際測量結(jié)果如圖20 所示，與機(jī)械干燥器相比，電控干燥器對應(yīng)的貯氣筒露點(diǎn)降更大（即貯氣筒濕度更低），且露點(diǎn)降相對機(jī)械干燥器更為穩(wěn)定（即干燥效能相對穩(wěn)定），與仿真結(jié)果相吻合。

圖20 電控干燥器與機(jī)械干燥器的貯氣筒露點(diǎn)降對比

在北方寒冷地區(qū)，匹配機(jī)械干燥器的車輛熄火后經(jīng)常存在空氣壓縮機(jī)排氣鋼管內(nèi)部儲存高濕度壓縮空氣的情況，車輛再次起動時因鋼管內(nèi)部結(jié)冰導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)泵氣受阻，進(jìn)而使車輛無法起步，如圖21 所示。電控干燥器控制器在車輛熄火之后仍可對干燥器進(jìn)行強(qiáng)制卸荷和再生，排盡空氣鋼管內(nèi)部潮濕的壓縮空氣，防止空氣鋼管結(jié)冰堵塞。

圖21 北方用戶冬季空氣壓縮機(jī)排氣鋼管內(nèi)部結(jié)冰

5.2 降低油耗

電控干燥器的節(jié)能功能表現(xiàn)在2 個方面：一是其根據(jù)干燥劑的飽和狀態(tài)，僅在必要條件下進(jìn)行再生，相比傳統(tǒng)干燥器每次卸荷時均進(jìn)行反吹，減小了再生次數(shù)，即減少車輛耗氣量，減少了空氣壓縮機(jī)泵氣功率損耗；二是發(fā)動機(jī)扭矩為零或負(fù)值時（例如下坡、平路滑行和制動等工況條件下），如圖22 所示，電控干燥器提高切斷壓力和切入壓力，將車輛勢能和動能轉(zhuǎn)化為空氣壓縮機(jī)泵氣的功率消耗，百公里燃油消耗量可降低約0.35 L[5]。

圖22 空壓機(jī)優(yōu)先泵氣階段示意

5.3 預(yù)見性維修及保養(yǎng)

電控干燥器能夠記錄流經(jīng)干燥罐的空氣量和更換日期，即需要更換干燥罐時，能夠自動檢測并在組合儀表上顯示，確保制動安全性。

5.4 診斷及故障描述

電控干燥器具有故障自診斷和顯示功能，報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控電子、機(jī)械系統(tǒng)失效情況，通過罩殼上的指示報(bào)警燈顯示，通過安全保護(hù)系統(tǒng)防止電子、機(jī)械系統(tǒng)失效所帶來的損失[6]。

6 結(jié)束語

本文介紹了電控干燥器的工作原理，提出基于再生氣耗比的干燥效能評價方法。通過建立仿真模型，證明了電控干燥器相對機(jī)械干燥器干燥效能更穩(wěn)定，貯氣筒濕度的實(shí)車測試結(jié)果表明，電控干燥器的干燥性能優(yōu)于機(jī)械干燥器，最后，闡述了電控干燥器在制動安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、維修保養(yǎng)方面的優(yōu)勢。后續(xù)可結(jié)合硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺架進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和故障模式開發(fā)，縮短電控干燥器參數(shù)標(biāo)定及驗(yàn)證周期。