两种不同取气位置对空压机的影响分析

梁延会，汤志军，汤书芳，刘鹏

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

0 引言

目前商用车制动系统的动力源主要来自于储气筒中的高压气体，随着储气筒内空气量的不断消耗，空压机随着发动机转动不断的向储气筒中补充气体，以保证车辆的正常制动能力。空压机的气体来源于整车空气滤清器过滤后的空气。现有车用空压机的取气方式分为两种，自然取气(也称压前取气)和压后取气[1]。车用空压机故障一直是一个难以解决的大难题，在各大柴油机厂零部件的故障频率中也排名靠前。空压机最主要的故障模式为窜油，导致空压机窜油的原因有设计和匹配两个方面。从匹配的角度来看，导致空压机出现窜油故障的主要原因是进气负压。因此，如何从匹配的角度来减小进气负压是解决车用空压机窜油故障的关键。

1 结构对比

1.1 自然取气空压机的布置形式

自然取气是目前国内外商用车主流压缩气系统的取气方式[2]。系统如图1所示，包括空压机、空滤器、空压机进气管和排气管、接收罐、空气干燥器、储气罐以及空气损耗装置等。

图1自然取气布置结构图

1.2 压后取气空压机的布置形式

压后取气的压缩空气系统如图2所示，包括空压机(推荐使用进气卸荷空压机)、空滤器、涡轮增压器、空压机进气管和排气管、接收罐、空气干燥器、储气罐以及空气损耗装置等。

图2压后取气布置结构图

压后取气空压机进气道压力为正压，对发动机性能和排放存在影响。随着环保要求的日益加严以及排放标准的不断升级，压后取气方式的空压机布置形式慢慢被淘汰，不推荐使用。

1.3 自然取气空压机的不同取气位置

目前商用车空压机取气的主流布置形式为自然取气，自然取气空压机取气接头的主要布置位置分为两种：一种靠近增压器进气口，另一种为靠近空气滤清器，分别如图3、图4所示。与靠近增压器进气口相比，靠近空气滤清器端取气，距离增压器相对较远，理论上受增压器的影响较小。

图3靠近增压器的空压机取气位置

图4靠近空气滤清器的空压机取气位置

2 进气负压对空压机的影响

车用空压机窜油故障即为空压机随气排油量超标。除去空压机自身零部件的设计选型、选材和质量外，对窜油故障影响较大的就是整车匹配以及使用工况。其中使用工况是无法预测和改变的，但是整车匹配是可以优化更改的，整车匹配中对其影响最大的是进气管路的匹配，即进气负压控制。

根据行业标准QC/T29078-2016《汽车用空气压缩机性能要求及台架试验方法》[3]的要求，通过在进气管端加装控制阀门来进行负压控制。针对不同负压点收集窜油量，每个点测试三组数据取平均值。空压机冷却水温、空压机润滑油温和空压机额定转速均控制相同，采用更接近实际工况的带压测试随气排油量的方法，测试系统见图5，测试结果见表1。

图5不同负压下随气排油量测试

表1 进气负压与窜油量的关系表

如图6所示，通过采用对数拟合回归方程y=0.025ln(x)+0.021分析后，可以发现空压机随气排油量随着进气负压(绝对值)的增大而增大。

图6不同负压下空压机随气排油量关系曲线

3 两种不同取气位置试验验证对比

空压机进气负压大小与空压机在整车上的取气位置关联较大。为了验证不同的取气位置对于空压机的影响，对相应管路进行整改后进行了专题验证，取气位置分别为空滤后取气(空压机取气接头设置在靠近空滤端)、压气机位置取气(空压机取气接头设置在涡轮增压器压气机进气管路，靠近增压器)，试验整车对应的二者距离相差大约1.2 m。

空压机整车测试主要测试的参数有：空压机进气压力、空压机排气压力、空压机排气温度、空压机的负荷率(也称为空压机负载循环，广义来说指空压机负载时间与空压机负载时间和空压机空载时间之和的比值)。一般进气负压值要求为不小于-5 kPa(新空滤)，排气温度最大不超220℃，排气压力由整车制定系统的匹配设计决定，此参数的测试值仅为系统压力确认项[4,5]。

图7测试路况

图8排气传感器位置布置图

为了充分测试空压机的能力，试验测试路况选择了较为拥堵的国道路段，空压机相对工作负荷率较大，对应工况相对较为恶劣(见图7)。由于试验验证的目的是为了确定不同取气位置对应空压机的影响，因此，传感器位置布置点进气侧不同，排气侧相同(见图8、图9)。

3.1 空滤后取气(靠近空滤)的整车验证

整个测试过程空压机进气负压平均值为-2.2 kPa，最大值为-6.6 kPa，空压机排气温度最大为150℃，空压机负荷率为32%，均满足设计要求(见图10、图11和表2)。

图9进气传感器位置布置图

图10空压机进气压力数据曲线

图11空压机排气压力数据曲线

表2 实车空压机测试数据表

3.2 压气机位置取气的整车验证

靠近压气机位置取气，整个测试过程空压机进气负压平均值为-4.07 kPa，最大值为-10.7 kPa，空压机排气温度最大为152℃，空压机负荷率为37%，进气负压均值基本在临界要求范围内，最大进气负压达-10.7 kPa，整体运行过程中负压值较大，易造成空压机随气排油量大[6]，建议优化改进(见图12、图13和表3)。

图12进气传感器位置布置图

图13空压机排气压力数据曲线

表3 实车空压机测试数据表

4 结论

通过整车测试可知，两种取气结构排气温度相差不大，差异约为1.3%；进气压力绝对值最大相差约4.1 kPa，差异约为38.3%，进气负压平均值相差约1.87 kPa，差异为46.6%，靠近空滤取气进气阻力更小。负荷率差异稍大，差异值为13.5%，排气压力基本相当。

(1)测试结果表明，空压机取气口靠近空气滤清器相比安装在增压器压气机进气管上，进气负压绝对值更小，空压机的随气排油量更小、对空压机更有益，空压机的可靠性更高。

(2)在匹配设计时建议空压机取气靠近空气滤清器端，从空压机进气管路布置方面优化提升空压机在整车上的性能表现，减少空压机随气排油量，延长空压机的使用寿命，减少用户的抱怨。