车用空压机取气位置对发动机和空压机性能的影响

2020-11-03梁昌水卢吉国范明果

客车技术与研究 2020年5期

梁昌水，卢吉国，范明果，张涛，梁冰

(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061； 2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061)

在车辆气制动系统中，空压机是由发动机驱动，为空气制动和辅助气系统提供和保持具有一定空气压力的装置。空压机是气压制动装置的重要部件[1]，其正常的工作是车辆安全运行的基本保障。此外，空压机对发动机以及整车的有关性能产生重要影响。本文通过某柴油机和空压机的台架试验，研究空压机取气位置对发动机和空压机性能的影响。

1 空压机进气口取气位置及特点分析

车用空压机有三种典型的取气位置[2]，分别是空滤器后-增压器前取气，增压器后-中冷器前取气，中冷器后取气。

1.1 空滤器后-增压器前取气

目前大多数商用车采用的是在空滤器后取气[3]，在此位置上取气时空压机靠自然吸气，受空滤器固有阻力和管路阻力影响，该处进气负压较大，有些车辆最大能达到-10 kPa，这样会导致空压机的随气排油量增加[4]，发生空压机窜油故障，使发动机的机油消耗增加，机油可能流至干燥器排气口[5]。

该位置取气的优点是：空压机进气温度低，稍高于环境温度，相应地空压机排气温度不高，到达干燥器入口的温度一般在65 ℃以下[6]，干燥器的使用寿命延长。另外，增压器前取气一般选择稍大排量的空压机；若安全系数过小，将使空压机负荷率增加，可靠性降低[7]。

1.2 增压器后-中冷器前取气

增压器后-中冷器前取气的优点：空压机进气压力大，在发动机标定点转速进气压力基本上都能在100 kPa以上，打气效率更高，空压机的负荷率降低[8]，整车储气罐的充气时间缩短。但是该位置取气的缺点比较明显：空压机进气温度较高，会导致经空压机压缩后的排气口温度很高[9]。空压机排气温度一般要求控制在220 ℃以下，为满足散热需求，必然要增加排气管长度或在空压机和空气干燥器之间加装冷凝器[10]，造成整车成本的增加。由于充气时间缩短，卸荷频次增多，造成气体浪费，对干燥器卸荷阀的寿命也产生不良影响。

1.3 中冷器后取气

市场上有些车辆采用空压机在中冷器后取气的布置方案。中冷器后取气能兼顾进气温度低、进气压力大(比中冷器前取气的压力稍小)、打气效率高等优点，但是离发动机进气口较近，存在与发动机抢气现象，使进入发动机的空气减少，影响发动机正常功率。此位置取气温度低于中冷器前的，但是高于空滤器后的。中冷器后取气也会产生太多的卸荷气体，造成浪费较多，对空压机的可靠性产生不良影响。

2 空压机取气位置对发动机性能的影响

对目前商用车最常用的两种取气方式：空滤器后-增压器前和中冷器后进行台架试验，分析不同取气位置对发动机性能的影响。不同取气位置如图1所示。

2.1 对发动机外特性的影响

在试验台架上将某10 L柴油机连接空压机及储气瓶，分别在空滤器后和中冷器后两个位置单独给空压机取气。稳定运行于标定工况，各项参数稳定后开始试验。调节发动机从额定转速至怠速，每隔200 r/min 选取工况点，每一个工况点下分别进行上述两种方式的取气试验，记录发动机多个转速对应的功率、扭矩、空压机进气压力、温度等参数，测试结果如图2所示。

图2 发动机外特扭矩对比

从图2可以看出，中冷器后取气在1 100 r/min以上外特性扭矩比增压器前取气降低2%左右。即在整车上使用中冷器后取气时，会使发动机发出的扭矩有所下降。主要原因是空压机因取气速率快而与发动机“抢气”，造成发动机过量空气系数偏低，严重则可能造成发动机进气不足、动力性变差等问题[11]。

2.2 对发动机功率和油耗率的影响

使柴油机运转在标定工况，待发动机稳定运行5 min后，调节发动机从额定转速至怠速，每一个工况点下分别进行上述两种方式的取气试验，记录发动机多个转速对应的功率和油耗率等数据，试验结果对比见表1。

表1 两种取气方式的发动机试验结果对比

从试验结果可以看出：除怠速以外的常用工况区，中冷器后取气在1 000 r/min以上，比增压器前取气的发动机功率降低1.5%左右；在1 200 r/min以上，中冷后压力最大降低9.5%，燃油消耗率最大升高2.5%。所以中冷器后取气会使发动机的功率降低，油耗升高。

2.3 对发动机辅助制动的影响

将柴油机缸内压缩释放制动开关打开，同时将排气制动蝶阀关闭，停止喷油，测功机拖动发动机运行。从标定转速开始，以100 r/min为间隔，直至2 000 r/min，每个转速点稳定运行5 min，采集发动机制动功率。试验结果如图3所示。

图3 发动机辅助制动功率对比

从试验结果可以看出：打开辅助制动时，空压机采用中冷器后取气基本不影响发动机的制动功率。所以在进行空压机进气位置选取时，不用考虑其对发动机制动功率的影响。

3 空压机取气位置对空压机性能的影响及建议

空压机进气口取气位置对空压机充气时间、进气压力、进排气温度等会产生较大影响。

3.1 对空压机充气时间和进气压力的影响

在台架试验中，两个取气位置加装压力传感器，进行空压机充气时间和进气压力的对比测试。待发动机稳定运行5 min后，控制发动机工作在多个转速与多个负荷率下对储气瓶进行充气。当气瓶内压力达到0.8 MPa时，停止充气，记录两种空压机取气方式下打气开始到打气结束的充气时间[12]和进入空压机的气体压力。部分测量结果见表2。

表2 空压机充气时间和进气压力

表2中空压机在增压器前取气导致其进气是负压的原因：增压器一直在吸气，且功率很大，使得空压机必须与增压器抢气才能将气体吸入缸体内。即需要空压机活塞往下止点运动产生负压，将空气吸入，所以这段管路测出的压力为负值。同理可知，空压机在中冷器后取气，其进气为正压的原因。

根据试验结果可以得出以下结论：

1) 中冷器后取气在高负荷(50%以上)及高转速(大于1 200 r/min)区域充气时间比增压器前取气缩短45%以上，空压机负荷率不足10%(90%的工作时间不再取气)，可大大降低空压机负荷率。

2) 采用增压器前取气，在相同转速下，发动机负荷率对空压机进气压力的影响很小；采用中冷器后取气，发动机负荷率对空压机进气压力的影响很大，且负荷率越大进气压力越大。

3.2 对空压机进、排气温度的影响

在台架试验中测量空滤器后-增压器前和中冷器后两个取气位置的空压机进、排气温度，测试结果显示两个位置取气的进气温度基本一致；空压机中冷器后取气，进气温度随中冷器后空气温度变化。两种形式的出气温度均未超过空压机出气温度限值220 ℃，且中冷器后取气的空压机出气温度较空滤器后-增压器前取气低。另外，整车实际运行时，部分工况点中冷后温度高，空压机进气温度高，而导致实际出气温度高，需要通过实际的整车试验验证。