梁延會，湯志軍，湯書芳，劉鵬

(內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

目前商用車制動系統(tǒng)的動力源主要來自于儲氣筒中的高壓氣體，隨著儲氣筒內(nèi)空氣量的不斷消耗，空壓機(jī)隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動不斷的向儲氣筒中補(bǔ)充氣體，以保證車輛的正常制動能力?？諌簷C(jī)的氣體來源于整車空氣濾清器過濾后的空氣?，F(xiàn)有車用空壓機(jī)的取氣方式分為兩種，自然取氣(也稱壓前取氣)和壓后取氣[1]。車用空壓機(jī)故障一直是一個(gè)難以解決的大難題，在各大柴油機(jī)廠零部件的故障頻率中也排名靠前?？諌簷C(jī)最主要的故障模式為竄油，導(dǎo)致空壓機(jī)竄油的原因有設(shè)計(jì)和匹配兩個(gè)方面。從匹配的角度來看，導(dǎo)致空壓機(jī)出現(xiàn)竄油故障的主要原因是進(jìn)氣負(fù)壓。因此，如何從匹配的角度來減小進(jìn)氣負(fù)壓是解決車用空壓機(jī)竄油故障的關(guān)鍵。

1 結(jié)構(gòu)對比

1.1 自然取氣空壓機(jī)的布置形式

自然取氣是目前國內(nèi)外商用車主流壓縮氣系統(tǒng)的取氣方式[2]。系統(tǒng)如圖1所示，包括空壓機(jī)、空濾器、空壓機(jī)進(jìn)氣管和排氣管、接收罐、空氣干燥器、儲氣罐以及空氣損耗裝置等。

圖1自然取氣布置結(jié)構(gòu)圖

1.2 壓后取氣空壓機(jī)的布置形式

壓后取氣的壓縮空氣系統(tǒng)如圖2所示，包括空壓機(jī)(推薦使用進(jìn)氣卸荷空壓機(jī))、空濾器、渦輪增壓器、空壓機(jī)進(jìn)氣管和排氣管、接收罐、空氣干燥器、儲氣罐以及空氣損耗裝置等。

圖2壓后取氣布置結(jié)構(gòu)圖

壓后取氣空壓機(jī)進(jìn)氣道壓力為正壓，對發(fā)動機(jī)性能和排放存在影響。隨著環(huán)保要求的日益加嚴(yán)以及排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級，壓后取氣方式的空壓機(jī)布置形式慢慢被淘汰，不推薦使用。

1.3 自然取氣空壓機(jī)的不同取氣位置

目前商用車空壓機(jī)取氣的主流布置形式為自然取氣，自然取氣空壓機(jī)取氣接頭的主要布置位置分為兩種：一種靠近增壓器進(jìn)氣口，另一種為靠近空氣濾清器，分別如圖3、圖4所示。與靠近增壓器進(jìn)氣口相比，靠近空氣濾清器端取氣，距離增壓器相對較遠(yuǎn)，理論上受增壓器的影響較小。

圖3靠近增壓器的空壓機(jī)取氣位置

圖4靠近空氣濾清器的空壓機(jī)取氣位置

2 進(jìn)氣負(fù)壓對空壓機(jī)的影響

車用空壓機(jī)竄油故障即為空壓機(jī)隨氣排油量超標(biāo)。除去空壓機(jī)自身零部件的設(shè)計(jì)選型、選材和質(zhì)量外，對竄油故障影響較大的就是整車匹配以及使用工況。其中使用工況是無法預(yù)測和改變的，但是整車匹配是可以優(yōu)化更改的，整車匹配中對其影響最大的是進(jìn)氣管路的匹配，即進(jìn)氣負(fù)壓控制。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T29078-2016《汽車用空氣壓縮機(jī)性能要求及臺架試驗(yàn)方法》[3]的要求，通過在進(jìn)氣管端加裝控制閥門來進(jìn)行負(fù)壓控制。針對不同負(fù)壓點(diǎn)收集竄油量，每個(gè)點(diǎn)測試三組數(shù)據(jù)取平均值?？諌簷C(jī)冷卻水溫、空壓機(jī)潤滑油溫和空壓機(jī)額定轉(zhuǎn)速均控制相同，采用更接近實(shí)際工況的帶壓測試隨氣排油量的方法，測試系統(tǒng)見圖5，測試結(jié)果見表1。

圖5不同負(fù)壓下隨氣排油量測試

表1 進(jìn)氣負(fù)壓與竄油量的關(guān)系表

如圖6所示，通過采用對數(shù)擬合回歸方程y=0.025ln(x)+0.021分析后，可以發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)隨氣排油量隨著進(jìn)氣負(fù)壓(絕對值)的增大而增大。

圖6不同負(fù)壓下空壓機(jī)隨氣排油量關(guān)系曲線

3 兩種不同取氣位置試驗(yàn)驗(yàn)證對比

空壓機(jī)進(jìn)氣負(fù)壓大小與空壓機(jī)在整車上的取氣位置關(guān)聯(lián)較大。為了驗(yàn)證不同的取氣位置對于空壓機(jī)的影響，對相應(yīng)管路進(jìn)行整改后進(jìn)行了專題驗(yàn)證，取氣位置分別為空濾后取氣(空壓機(jī)取氣接頭設(shè)置在靠近空濾端)、壓氣機(jī)位置取氣(空壓機(jī)取氣接頭設(shè)置在渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管路，靠近增壓器)，試驗(yàn)整車對應(yīng)的二者距離相差大約1.2 m。

空壓機(jī)整車測試主要測試的參數(shù)有：空壓機(jī)進(jìn)氣壓力、空壓機(jī)排氣壓力、空壓機(jī)排氣溫度、空壓機(jī)的負(fù)荷率(也稱為空壓機(jī)負(fù)載循環(huán)，廣義來說指空壓機(jī)負(fù)載時(shí)間與空壓機(jī)負(fù)載時(shí)間和空壓機(jī)空載時(shí)間之和的比值)。一般進(jìn)氣負(fù)壓值要求為不小于-5 kPa(新空濾)，排氣溫度最大不超220℃，排氣壓力由整車制定系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)決定，此參數(shù)的測試值僅為系統(tǒng)壓力確認(rèn)項(xiàng)[4,5]。

圖7測試路況

圖8排氣傳感器位置布置圖

為了充分測試空壓機(jī)的能力，試驗(yàn)測試路況選擇了較為擁堵的國道路段，空壓機(jī)相對工作負(fù)荷率較大，對應(yīng)工況相對較為惡劣(見圖7)。由于試驗(yàn)驗(yàn)證的目的是為了確定不同取氣位置對應(yīng)空壓機(jī)的影響，因此，傳感器位置布置點(diǎn)進(jìn)氣側(cè)不同，排氣側(cè)相同(見圖8、圖9)。

3.1 空濾后取氣(靠近空濾)的整車驗(yàn)證

整個(gè)測試過程空壓機(jī)進(jìn)氣負(fù)壓平均值為-2.2 kPa，最大值為-6.6 kPa，空壓機(jī)排氣溫度最大為150℃，空壓機(jī)負(fù)荷率為32%，均滿足設(shè)計(jì)要求(見圖10、圖11和表2)。

圖9進(jìn)氣傳感器位置布置圖

圖10空壓機(jī)進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)曲線

圖11空壓機(jī)排氣壓力數(shù)據(jù)曲線

表2 實(shí)車空壓機(jī)測試數(shù)據(jù)表

3.2 壓氣機(jī)位置取氣的整車驗(yàn)證

靠近壓氣機(jī)位置取氣，整個(gè)測試過程空壓機(jī)進(jìn)氣負(fù)壓平均值為-4.07 kPa，最大值為-10.7 kPa，空壓機(jī)排氣溫度最大為152℃，空壓機(jī)負(fù)荷率為37%，進(jìn)氣負(fù)壓均值基本在臨界要求范圍內(nèi)，最大進(jìn)氣負(fù)壓達(dá)-10.7 kPa，整體運(yùn)行過程中負(fù)壓值較大，易造成空壓機(jī)隨氣排油量大[6]，建議優(yōu)化改進(jìn)(見圖12、圖13和表3)。

圖12進(jìn)氣傳感器位置布置圖

圖13空壓機(jī)排氣壓力數(shù)據(jù)曲線

表3 實(shí)車空壓機(jī)測試數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

通過整車測試可知，兩種取氣結(jié)構(gòu)排氣溫度相差不大，差異約為1.3%；進(jìn)氣壓力絕對值最大相差約4.1 kPa，差異約為38.3%，進(jìn)氣負(fù)壓平均值相差約1.87 kPa，差異為46.6%，靠近空濾取氣進(jìn)氣阻力更小。負(fù)荷率差異稍大，差異值為13.5%，排氣壓力基本相當(dāng)。

(1)測試結(jié)果表明，空壓機(jī)取氣口靠近空氣濾清器相比安裝在增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管上，進(jìn)氣負(fù)壓絕對值更小，空壓機(jī)的隨氣排油量更小、對空壓機(jī)更有益，空壓機(jī)的可靠性更高。

(2)在匹配設(shè)計(jì)時(shí)建議空壓機(jī)取氣靠近空氣濾清器端，從空壓機(jī)進(jìn)氣管路布置方面優(yōu)化提升空壓機(jī)在整車上的性能表現(xiàn)，減少空壓機(jī)隨氣排油量，延長空壓機(jī)的使用壽命，減少用戶的抱怨。