循环速度工况下空气处理系统性能整车试验研究

王旭刚，谌炎辉，2，吴迁

（1.广西科技大学 机械与汽车工程学院，广西 柳州 545006；2.广西水利电力职业技术学院 机电工程系，南宁 545023；3.东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545006）

0 引言

制动安全一直是车辆在行驶过程中的研究重点[1]，商用车的质量大，制动过程中的惯性大，相对于小型汽车危害性更大。商用车气压制动系统主要依靠压缩空气的压力为车辆提供制动所需的机械力[2]，系统内部压缩空气的质量优劣，对整车制动性能有很大的影响[3]。制动所需的压缩空气是由空气压缩机产生的，经过钢管进行冷却，由空气干燥器将压缩空气中携带的水汽、油污等杂质吸附，通过四回路保护阀输送到各个储气筒。储气筒内部积水现象是判断压缩空气质量的依据之一，要保证压缩空气的质量，需要空气处理系统有足够优良的性能，可通过干燥器进气口的温度、干燥器的再生率、空压机的负荷率这几个方面，判断空气处理系统性能。

国内商用车大多搭载机械式干燥器，电控干燥器一直处于推广阶段。吕征等[4]结合分子筛吸附原理推导不同卸荷压力下干燥器的最小再生率，并提出了干燥器与空压机的匹配方法，并经实际验证，可以解决储气筒积水问题。吕征等[5]介绍了电控干燥器的工作原理及控制策略，并通过露点降实例验证了电控干燥器的性能优于机械式干燥器。田雪毅[6]对空气处理系统的匹配要求及应用测试方法进行了说明，对空气处理系统的匹配进行判定。郇浪浪等[7]对传统机械式干燥器、电控式干燥器及全智能型干燥器的工作原理及功能实现方式进行阐述，为干燥器的选型提供了一些参考。

本文采用城市路工况对搭载机械式干燥器与电控式干燥器的车辆进行整车制动性能测试，通过在车辆上安装传感器的方式获得车辆在行驶过程中的状态及空气处理系统参数的变化。

1 试验研究

参与试验的4辆车分别搭载机械式干燥器和电控式干燥器，采取相同的制动策略，并用传感器测量试验过程产生的信号，这些信号包括空压机出气口处的温度和压力、干燥器进气口处的温度和压力、储气筒内部压力信号。通过数据采集系统把信号转化为数字信号并记录[8]，进而分析空气处理系统的性能。

1.1 试验方案

本次试验所用试验车辆均为6×4牵引车，干燥器的切断压力均为（1.25±0.02）MPa，试验时间为20 min左右。试验道路工况为城市路，城市路条件下车辆的最高速度不会超过60 km/h；车辆的载荷情况分为两种：一种为带挂车，另一种不带挂车。

1.2 车辆行驶速度设定

车辆在行驶过程中，速度的变化趋势为车辆行驶过程中的状态，试验验中，车辆在城市道路行驶，车速低于60 km/h，并且处于加速→（巡航）→减速（制动）→怠速的循环过程，在这个循环过程中，车辆加速及行驶时间在50～70 s之间，制动减速时间为15～20 s，驻车时间为15～20 s。

1.3 试验测试数据

试验中所测数据包括：车速（km/h）、油门、试验时间（s）、环境温度（℃）、空压机出气口温度（℃）、干燥器进气口温度（℃）、空压机出气口压力（kPa）、干燥器进气口压力（kPa）、储气筒压力（kPa）、大气压力（kPa）。

1.4 评价指标

制动系统的作用是提供可靠及稳定的制动力，保证车辆制动时有稳定的制动减速度[9]，制动力是由空压机产生的压缩空气的压力转化。压缩空气的质量对车辆制动过程的稳定影响巨大，而空气处理系统的性能对压缩空气的质量起着至关重要的作用。对于空气处理系统，主要性能是干燥器的进气温度、再生率及空压机的负荷率。

2 试验过程分析

试验中，车辆一与车辆二搭载机械式干燥器，车辆三与车辆四搭载电控式干燥器，其中，车辆一与车辆三不带挂车，车辆二与车辆四带挂车。路况均为城市路，速度信号均为加速→匀速→减速→停车。4辆车在相同的路况、速度信号下进行试验。4辆车在试验过程中的基本参数如表1所示。分别对4辆车进行整车试验，所测数据如图2所示。

表1 试验车辆的基本信息

图1 驾驶循环

图2 试验车辆测试结果

图2为4辆车行驶过程中速度、空压机出气口和干燥器进气口出的温度变化及干燥器进气口和储气筒压力变化曲线。如图2所示，对4辆车在行驶过程中速度分别进行了12、10、14、9次循环，在循环过程中，空压机的出气口和干燥器的进气口温度、干燥器进气口压力、储气筒内部压力及整车的耗气量等都有差异，进而引起车辆空气处理系统性能的差别。对图2的数据进行整理，如表2所示。

表2 试验车辆测试数据

3 试验结果分析

表2所示为4辆车的试验结果。试验结果表明，在相同的速度信号下，带挂车与不带挂车、制动次数的多少都会对空气处理系统的性能产生影响。

车辆一与车辆三没有携带挂车，整车的耗气量较低，空压机出气口的温度和干燥器进气口的温度较低。车辆二空压机的额定泵气量较小，泵气时间长，空压机出气口的温度较高；车辆四因挂车气密性较差的原因，干燥器进气口的温度较高。泵气时间的长短对空压机出气口处的温度影响巨大，而连接在空压机与干燥器之间的钢管就是影响干燥器进气口处温度的主要因素，泵气次数多，每个周期短，钢管没有得到足够的冷却。

搭载机械式干燥器的车辆一与车辆二，每次反吹再生过程都是反吹容积的全部反吹，整体的再生率较高，车辆一的反吹容积为46.8 L，车辆二的反吹容积为56.7 L，由于车辆二带挂车，整车的耗气量比车辆一高，再生率为16.2%，比车辆一小2.6%。车辆三与车辆四搭载电控式干燥器，是通过控制反吹时间来控制反吹空气量的，2辆车的再生率均为12%左右，比在卸荷压力为（1.25±0.02）MPa时的最小再生率高，能够保证干燥器不会失效。

空压机的负荷率也是判断空气处理系统性能优劣的一个重要指标，对空气处理系统来讲，空压机的负荷率过高，导致空压机的窜油概率增大，进而会影响空气处理系统的性能。试验中，4辆车的耗气量分别为51.2、110.0、57.0、149.1 L/min，4辆车空压机的负荷率分别为19.9%、33.3%、21.3%、48.3%。车辆二与车辆四的耗气量大，负荷率高。车辆四因挂车气密性较差，其负荷率更高。

空压机的排量主要与空压机的额定排量、发动机的转速等有关，在发动机的转速相同时，空压机的额定排量越大，单位时间内的泵气量越多，将储气筒内部压力由切入压力升至切断压力的时间越短；空压机的排量相同时，搭载额定排量大的空压机的车辆发动机转速低，降低了发动机的功率。试验中，搭载电控式干燥器的车辆空压机额定排量为630 mL/min，与搭载机械式干燥器且空压机排量为460 mL/min的车辆相比，其空压机的排量在同一水平线，发动机的转速却更低，降低了发动机的功率。

4 结论

本文通过对搭载机械式干燥器与电控式干燥器的车辆进行整车试验，对循环行驶工况下空气处理系统的性能进行了试验研究。研究表明，整车的耗气量对其性能有很大影响。车辆的耗气量越大，空压机泵气的时间间隔越短，泵气时间占工作周期的比例越大，空压机的负荷率越大，引起空压机窜油的概率越大；车辆的耗气量越大，空压机的泵气时间越长，空压机出气口处和干燥器进气口处的温度会越高，温度达到一定界限时，会引起干燥器内部干燥剂失效，造成干燥能力下降，影响制动能力。与机械式干燥器相比，电控式干燥器的控制方式由压差控制转变为时间控制，其控制方式更为先进，能够通过控制储气筒的反吹时间来控制反吹空气量，保证反吹再生时满足最小再生气耗比，反吹过程稳定，空气处理系统的性能稳定。