汽车空气压缩机释放热量转换利用装置研究

于秩祥

(江苏建筑职业技术学院 实验实训与职业技能管理中心，江苏 徐州 221116)

汽车空气压缩机释放热量转换利用装置研究

于秩祥

(江苏建筑职业技术学院 实验实训与职业技能管理中心，江苏 徐州 221116)

针对汽车空气压缩机系统产生的热量，结合汽车结构特点和使用燃料性质，设计一套能量转换装置，将这部分释放掉的热量进行转换回收利用，以便汽车在低温和严寒环境下工作时，将空气压缩机系统产生的热量转换给燃油供给系统，改善汽车在特殊环境下的使用可靠性，同时能促进燃油在发动机内部充分燃烧，降低废气物排放，提高汽车动力性和燃油经济性，达到节能减排的效果.

汽车；空气压缩机；柴油；能量转换；加热装置

0 引言

带有空气压缩机系统的汽车(大型卡车、大型客车和特种车辆)，空气压缩机由柴油机驱动产生的压缩空气用来控制制动系统和其他气动系统.空气压缩机将空气压缩后会产生大量热量，一部分是由压缩机内活塞与汽缸壁摩擦产生的摩擦热量，另一部分是压缩空气后空气体积变小分子之间摩擦产生的热量.活塞与汽缸壁产生的热量由柴油机冷却系统带走或空气冷却带走；压缩空气产生的热量就直接释放到外界环境中[1]181-211.这样产生的大量热能就全部浪费掉了，同时还给冷却系统增加负担.根据空气压缩机系统的这一特点，结合汽车结构和燃油特性，设计一套在低温或严寒下使用的装置，将这部分热量进行回收转换利用，促进汽车在特殊环境下的使用安全可靠性.

1 压缩缸体产生热量利用装置设计

大排量高功率的汽车柴油机空气压缩机都采用水冷却，利用柴油机冷却系统的冷却液对压缩机汽缸套进行冷却降温.在汽车行驶的某些工况下，会给柴油机冷却系统带来负担，影响散热器散热；另外，还会增加水泵负载，增大柴油机机械损失，降低柴油机有效功率.

根据这一特点设计一套独立的冷却系统，冷却系统将热量带到燃油供给系统，对燃油系统进行加热，提高柴油温度和流动性，避免柴油在特殊环境(低温或严寒)下凝固.图1为压缩汽缸体产生热量的利用结构原理图.将柴油机燃油供给系统的回油管路与空气压缩机的汽缸冷却水道连接，利用燃油系统的剩余柴油对压缩机汽缸体进行冷却.柴油将空气压缩机产生的热量带走，通过散热器适当散发热量，将带有一定的热量的柴油返回到油箱，反复循环油箱内柴油最终被加热，避免柴油在油箱内凝固[2].

图1 压缩机汽缸体产生热量利用图

2 压缩空气产生热量利用装置设计

在汽车空气压缩系统中，空气被压缩，体积缩小压力增大，空气分子之间会产生相互摩擦对外释放热量，这部分热量就直接释放到外部环境中浪费掉了.根据这一情况，在空气压缩机出气口处设计一套热量利用转换装置，将这部分热量进行有效利用，把热量传递给燃油系统，对柴油进行加热，可提高柴油的流动性.如图2所示，在汽车空气压缩机排气管处设置一个柴油加热罐，高压空气管穿过柴油加热罐，在罐内设计成“S”形.在汽车柴油箱上引出一根进油管与柴油加热罐相连接，在进油管上设置电动油泵，用来驱动柴油在管路内循环流动；在柴油加热罐上引出一根回油管与柴油箱连接，在回油管上安装油水分离器和散热器，用来控制加热后柴油的质量和温度.整个装置以柴油箱和柴油加热罐构成一套油气热交换循环回路，压缩机把空气不断压缩送进压缩储气瓶，产生的热量在柴油加热罐被柴油吸收，柴油的流动性得到了提高，压缩空气被冷却后提升了储气瓶存气量，满足了汽车在特殊环境(低温和严寒)下的使用安全性和可靠性[3].

图2 压缩空气热量利用原理与结构图

3 安全性和可靠性试验分析

3.1 试验方法及项目

以国产某品牌牵引卡车为测试对象，技术参数见表1所示.采用试验对比及数理统计方法，实施信息反馈，在低温和严寒环境下验证牵引卡车使用油箱加热装置，分析动力性、燃油经济性、安全性和可靠性[4]269-310.试验标准采用GB/T27840—2011《重型商用车燃料消耗测量方法》.车辆技术状况良好，平均使用12个月60 000 km.测试车辆使用柴油凝点标号为-35号.试验环境，气温-18 ℃～-32 ℃，晴，微风.道路类型为城市公路和高速公路，路面为柏油沥青和混凝土路面，地面滚动阻力系数为0.010～0.018[5]283-290.

表1 技术参数

试验项目采用C-WTVC循环，是以世界统一的商用车辆瞬态车辆循环(WTVC，World Transient Vehicle Cycle)为基础，调整加速度和减速度形成的驾驶循环.C-WTVC循环由市区、公路和高速工况3部分组成，如图3所示.

图3 商用车C-WTVC循环曲线

针对半挂牵引卡车在市区、公路和高速工况的里程分布进行调查，并据此相应调整市区、公路和高速工况运行比例，使其与我国道路条件和车辆的技术特点相适应，加权计算各类车辆的燃料消耗量.试验标准中规定了其在C-WTVC循环中市区、公路和高速部分的特征里程分配比例，如表2所示.

表2 特征里程分配比例

3.2 综合燃料量计算

参照标准，根据实际测试得到的市区、公路和高速工况的燃料消耗量，对照表2确定该车型市区、公路和高速部分的特征里程分配比例，按公式(1)可以加权计算该车型的综合燃料消耗量.

式中：FC综合为一个完整的C-WTVC循环的综合燃料消耗量，L/100 km；FC市区：市区燃料消耗量，L/100 km；FC公路：公路燃料消耗量，L/100 km；FC高速：高速公路燃料消耗量，L/100 km；D市区:市区里程分配比例系数，%；D公路：公路里程分配比例系数，%；D高速：高速公路里程分配比例系数，%.

3.3 试验数据对比分析

按照国家标准和实际道路测试数据进行分析，由于驾驶习惯、道路状况、气候条件和柴油品质等因素的影响，实际燃油消耗量可能与厂家标示的燃油消耗量有所不同.测试半挂牵引卡车型号相同，技术状况接近.测试车辆牵引半挂车行驶，牵引质量为30 000 kg. 1号车辆油箱为原厂配置未采用任何加热装置，2号车辆油箱采用压缩机汽缸体产生热量加热装置，3号车辆油箱采用压缩空气产生热量加热装置.根据环境气温，柴油选择凝点标号为-35号.3辆测试车辆总里程在1 000 km左右，测试次数10次.3辆车道路状况一致，行驶里程基本一致.试验过程中，车辆实际运行状态应尽量与C-WTVC循环一致.当试验车辆不能达到C-WTVC循环要求的加速度或试验车速时，应将加速踏板完全踩到底；当试验车辆不能达到C-WTVC循环规定的减速度时，应完全作用制动踏板直至车辆运行状态再次回到C-WTVC循环规定的偏差范围内.行驶道路按照表2所示分配，依据公式⑴进行综合油耗计算，油耗取平均值.对比数据见表3所示.

表3 综合油耗对比

由表3可以看出，采用油箱加热技术的车辆行驶油耗都低于未加装车辆.根据试验对比数据可知汽车采用油箱加热技术在严寒环境下具有一定的节油性.在1 000 km测试过程中，加装油箱加热装置的车辆未发现任何问题，车辆运转安全可靠.通过驾驶员在实际驾驶过程中反馈，加装油箱加热装置的车辆，在起步、爬坡、中等负荷加速和全负荷加速等工况下动力略有提升，同时车辆尾气排放污染物有所下降，在爬坡和中等以上负荷加速时，通过观察，尾气黑烟量降低.车辆在高速行驶时，车速控制在80～90 km/h左右，外界环境温度在-26 ℃，由于高速冷风作用，油箱周围的环境温度应在-30 ℃左右，在这种环境下对油箱进行加热能提高柴油的流动性，具有一定黏度和温度的柴油能减少高压燃油系统内部精密器件的磨损，提高喷油器雾化质量，促进柴油机燃烧.

4 结语

根据汽车空气压缩机的结构特点和产生的热量进行分析，在不改变车辆基本结构的前提下设计一套热量转换装置，将废弃热量进行转化利用，优化了车辆结构，改善了汽车使用的安全可靠性.通过试验比较分析，装有该套装置的汽车在特殊环境下使用时，车辆的动力性、燃油经济性、排放性、安全性和可靠性都得到了不同改善，尤其在车辆使用上能降低车辆维护和使用成本，提高运输经济性，目前2套装置已获得国家发明专利授权.

[1] 张为正，刘金祥.内燃机失效分析与评估[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[2] 于秩祥.利用空气压缩机的车辆油路防冻装置与方法：ZL201310021170.3[P].2015-03-26.

[3] 于秩祥.对汽车空压机排出热量有效利用的装置和方法：ZL201410144879.5[P].2017-06-19.

[4] Erich Hoepke.载货汽车技术[M].朱思洪,缪小红，译.北京：机械工业出版社，2009.

[5] 安相璧.汽车试验工程[M].北京:国防工业出版社,2006.

ResearchonHeatTransferandUtilizationDeviceforAutomobileAairCompressorRelease

YU Zhixiang

(ExperimentalandOccupationalSkillsManagementCenter,JiangsuInstituteofArchitecturalTechnology,Xuzhou221116,China)

The article analyzes the heat generated by the automobile air compressor system. Combined with the automobile structure characteristics and the use of fuel properties, an energy conversion device is designed which will release the heat conversion of recycling, so that the car can work at low temperature and cold environment to transfer the heat produced by the air compressor system to fuel supply system. In this way the reliability of the vehicle in the special environment is improved. At the same time, it can promote the full combustion of fuel in the engine, reduce the emission of exhaust gas, improve the vehicle power and fuel economy, and finally achieve the effect of energy saving and emission reduction.

automobile; air compressor; diesel; energy conversion; heating device

U464.141

A

1671-8127(2017)06-0093-04

2017-06-14

2016年度江苏建筑职业技术学院校级课题“工程机械车辆在低温条件下运行的可靠性技术研究”(JYQZ16-09)

于秩祥(1983- )，男，山东临沂人，江苏建筑职业技术学院实验师，主要从事汽车结构优化设计、动力与电气系统检测研究。

[责任编辑梧桐雨]