商用车空压机封闭气室节能系统研究

邬钱涌

（克诺尔制动系统（大连）有限公司，辽宁大连 116620）

1 引言

商用车按照载重量不同可以分为轻型、中型、重型。按照车辆用途可以分为客车、卡车、非道路车辆。按照动力源不同可以分为燃油车、天然气车、新能源车与纯电动车。目前全球占比最大的车辆为燃油车，同时燃油车对于环境的破坏以及温室气体的贡献也是最大的。

针对目前全球严峻的温室效应问题，纷纷提出了节能减排的措施和规划。中国提出了蓝天保卫战、青山绿水、颁布国六排放标准等一系列的环保政策。并且加大力度全面推进新能源和纯电动车辆的使用。但是在未来相当长时间内，燃油机将仍然被大量的使用。因此还需要在燃油机降能耗方面持续投入研发新的技术。

空压机作为发动机上的一个附加部件，消耗了发动机一定比例的输出功率。国六排放标准已经在全国范围内实施推广，传统ESS节能系统已经在国六阶段进行了大面积的应用，包括进气卸荷ESS和连接墙ESS，并获得了良好的效果反馈。前瞻性的考虑国六二阶段排放以及后期环保政策的进一步收紧，针对空压机降功耗方面的研究，仍在持续进行。

2 传统ESS节能系统原理

传统ESS节能系统分为两种形式：进气卸荷ESS和连接墙ESS。

ESS是节能系统（Energysaving system）的英文缩写。在空压机上，ESS就是代表ESS阀组件，由ESS阀座，弹簧和ESS活塞组成。空压机就是通过ESS阀组件的动作来控制空压机卸荷时候的工作环境。ESS阀座的动作依靠高压气体推动来实现，而高压气体则是来源于空气处理单元，通过空气处理单元与空压机上ESS控制口之间的管路来传递高压气体。当ESS需要动作时高压气体从空气处理单元输送至ESS阀座处，使ESS阀座开启；当ESS不需要动作时，高压气体则从空气处理单元的排气口直接排至大气，使ESS阀座回位。

进气卸荷ESS结构针对的是单缸空压机，如图1所示，当空压机卸荷时，通过空气处理单元输出的高压气体打开ESS阀座，使空压机的压缩腔与空压机的进气腔相联通。空压机压缩并排气时不仅向排气腔输送压缩气体同时也向进气腔输送压缩气体，使空压机实际所承受的背压降低，从而降低扭矩和功率。

图1 进气卸荷ESS结构

连接墙ESS结构针对的是双缸空压机，如图2所示，当空压机卸荷时，也是通过空气处理单元输出的高压气体打开ESS阀座，使空压机前后两个压缩腔相联通。空压机压缩并排气时，一个压缩腔内的压缩气体将通过ESS通道直接流入另一个压缩腔内，而此另一个压缩腔正处于吸气阶段，因此可以减少外部空气的吸入，同时降低空压机承受的背压，从而降低空压机的扭矩和功率。

图2 连接墙ESS结构

采用进气卸荷ESS和连接墙ESS结构的空压机能够实现空压机卸荷状态下30%～40%的功率节省。

3 封闭气室ESS节能系统

封闭气室ESS的执行机构构成方面同进气卸荷ESS和连接墙ESS相同，仍是通过ESS阀组件动作并开启相关通道的方式来实现空压机卸荷状态下内部环境的改变。

如图3所示，空压机由缸盖、阀板、缸体、活塞、连杆、曲轴组成。缸盖上布置有进气接口、排气接口、冷却水接口、ESS控制口，同时安装有ESS阀组件，单缸空压机使用一套ESS阀，双缸空压机采用两套ESS阀。缸盖内分隔成进气腔、排气腔、冷却水腔和ESS封闭腔。单缸空压机只有1个ESS封闭腔室，双缸空压机则有2个独立的ESS封闭腔室。所有腔室相互独立互不联通。ESS阀组安装在封闭腔室内，由一个ESS活塞、ESS阀座和弹簧组成，ESS阀座与缸盖ESS孔之间均布置有O型圈密封。阀板上布置有进气孔和排气孔，并安装了单向进气阀片和单向排气阀片。同时阀板上加工有ESS孔，ESS阀座与ESS孔顶面采用端面形式密封。

图3 封闭气室ESS结构

配备有ESS节能系统的空压机，需要在空气处理单元和空压机缸盖ESS控制口之间连接一根软管，用于控制ESS组件动作，该管路称为ESS控制管。

空压机正常打气时，ESS阀座坐落在阀板ESS孔上，空压机从缸盖进气腔自然吸气进入压缩腔；空压机压缩时，通过排气腔将压缩空气输送至排气管路以及后面的空气处理单元。

当储气筒压力达到设定压力时，空气处理单元通过ESS控制管将高压气体输送至缸盖ESS控制口。高压气体推动ESS阀组打开，从而使空压机的压缩腔与缸盖内的ESS封闭腔相通，相当于扩大了空压机的压缩腔。

配备ESS封闭气室结构的空压机既可以应用于排气管路开放模式也可以应用于排气管路封闭模式。

所谓排气管路开放模式，即空压机在卸荷时，排气管路通过空气处理单元的卸荷口直接通向大气，空压机所排出的气体将通过排气管，最终从空气处理单元的卸荷口直接排入大气。此种应用状态下，当ESS动作时，由于封闭气室与压缩腔相联通，所以空压机内部的压缩腔被增大了，压缩比减少，因此排气量下降，但是仍然有部分被压缩的气体被排入大气，造成部分浪费，可以实现节能，但是无法达到最佳效果。

所谓排气管路封闭模式，即空压机在卸荷时，空气处理单元卸荷阀不打开，排气管路内保持有高压气体。此种应用状态下，当ESS动作，空压机的压缩腔被扩大，压缩比下降，内部压缩的空气仅仅可以达到3～4 bar的压力，因此无法打开空压机排气阀片，所以空压机内部实现了压缩-膨胀的自平衡状态，既不从外界吸入空气，也不向外界排出空气，实现了整个循环过程最小能量消耗，可以达到最佳的节能效果。

4 封闭气室ESS实测数据分析

空压机具有专业的测试台架，可用于空压机排温、扭矩、排量、功率、效率等参数的测定。台架上空压机由电机直接驱动，采用扭矩传感器采集扭矩信息，采用温度传感器和压力传感器采集温度和压力信息，采用流量计采集排气量信息。

分别对配备封闭气室ESS结构的单缸和双缸空压机进行性能试验，并对比配备传统ESS结构形式的空压机卸荷状态下性能参数，以说明节能效果。

ESS封闭气室模式1，表示空压机采用了ESS封闭气室结构，但是卸荷时不打开ESS，同时排气管路是通大气的。

ESS封闭气室模式2，表示空压机采用了ESS封闭气室结构，卸荷时打开ESS，同时排气管路是通大气的。

ESS封闭气室模式3，表示空压机采用了ESS封闭气室结构，卸荷时打开ESS，同时排气管路是封闭的。

传统ESS模式，表示单缸空压机采用了进气卸荷ESS结构，双缸空压机采用了连接墙ESS结构，卸荷时打开ESS，同时排气管路是通大气的。

通过实测数据和功率曲线趋势可以见：

ESS封闭气室结构配合排气管路开放的应用状态可以实现卸荷状态下的功率节省。单缸节省比率可达30%～40%，双缸节省比率可达40%～50%。

ESS封闭气室结构配合排气管路封闭的应用状态可以实现卸荷状态下的最佳功率节省。单缸节省比率可达40%～50%，双缸节省比率可达50%～60%。

在小于1300 r/min的转速区间，传统ESS节能效果优于ESS封闭气室配合排气管路开放的应用状态。但是在转速高于1300 r/min时，ESS封闭气室的节能效果会优于传统ESS结构形式。

ESS封闭气室配合排气管路封闭相对于排气管路开放实现了10%～20%的节能增幅。

通过数据分析可知，转速较低时，ESS节能效果相对较少，而随着转速的提升，ESS节能效果逐步增加。在常规空压机转速1500～2000r/min下，ESS封闭气室节能系统配合排气管路封闭相对于传统ESS结构形式能够带来20%～40%的功率节省增幅。

表1 单缸空压机性能参数

图4 单缸空压机功率曲线

通过综合考虑整车的形式路况，以高速路况作为典型路况进行模拟分析计算，结合多年的实测数据累计，设定空压机带载运行时间为15%，空压机平均转速1500 r/min，现阶段整车的燃油率可达198 g/kW·h，柴油密度为0.84 kg/L，车辆平均时速60 km/h，则配备ESS封闭气室结构空压机并结合排气管路封闭的应用状态，相对于不使用ESS节能系统的车辆的节油能力计算如下

表2 双缸空压机性能参数

图5 双缸空压机功率曲线

单缸空压机

[1.34×（100%-15%）-0.77×（100%-15%）]×198÷1000÷0.84÷60×100=0.19 L/100 km

双缸空压机

[2.09×（100%-15%）-0.8×（100%-15%）]×198÷1000÷0.84÷60×100=0.43 L/100 km

5 结论

为了应对国家后期进一步收紧的环保政策和节能减排政策，提出了ESS封闭气室匹配排气管路封闭的新型节能模式和概念。

通过对缸盖进行合理的设计优化，可以实现传统ESS节能结构向ESS封闭气室结构的转变。

从实测数据可得，采用ESS封闭气室结构相对于传统ESS结构可实现更多的节能效果。采用ESS封闭气室结构匹配排气管路封闭的应用状态，可以实现最佳的节能效果。在高速路况下，可以实现单缸百公里约0.2 L，双缸百公里约0.4 L的节油效果。并且相对于传统ESS结构形式，卸荷时可以带来20%～40%的功率节省增幅。

为商用车行业进一步实现燃油节省提供了一种新型的节能方案。