呂征,楊冠華,劉兆英,馬明武,李法兵

(中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長(zhǎng)春 130011 )

淺析商用車分子篩干燥及再生匹配方法

呂征,楊冠華,劉兆英,馬明武,李法兵

(中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長(zhǎng)春 130011 )

國(guó)內(nèi)商用車貯氣筒普遍存在積水問題，結(jié)合分子篩吸附原理推導(dǎo)不同氣壓條件下的最小再生率，根據(jù)干燥罐調(diào)壓閥工作特性，提出將空氣再生氣耗比作為分子篩干燥主要參數(shù)并兼顧空壓機(jī)負(fù)荷率的匹配方法。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該方法可用來解決貯氣筒積水問題，為制動(dòng)系統(tǒng)壓縮空氣的分子篩干燥及再生控制提供參考。

分子篩；再生氣耗比；空壓機(jī)負(fù)荷率

0 引言

國(guó)內(nèi)外商用車普遍采用壓縮空氣實(shí)施車輛制動(dòng)，如壓縮空氣不夠干燥，容易導(dǎo)致貯氣筒積水或管路結(jié)冰，影響制動(dòng)閥體的正常工作，車輛行駛存在安全隱患。目前壓縮空氣干燥系統(tǒng)主要采用干燥罐，某些工況由于空壓機(jī)負(fù)荷率、干燥劑再生氣耗比或維修保養(yǎng)不及時(shí)等客觀原因，空氣干燥器性能下降，甚至不起任何干燥的作用，此時(shí)單純由干燥器排水不能確保將氣體中的水及時(shí)排出[1]，司機(jī)一般只能短期更換干燥罐確保行車安全，沒有根本解決積水問題。作者根據(jù)干燥罐分子篩吸附水分原理推導(dǎo)出不同卸荷壓力條件下的空氣再生氣耗比，結(jié)合貯氣筒容積、整車耗氣量等參數(shù)并考慮空壓機(jī)負(fù)荷率，提出合理匹配方法，解決貯氣筒積水問題，為商用車產(chǎn)品開發(fā)過程的分子篩干燥再生控制技術(shù)提供參考。

1 壓縮空氣干燥技術(shù)

1.1 分子篩干燥

一般空氣干燥劑有吸附式和分子篩式兩種。吸附式干燥劑直接將水分吸附到干燥劑當(dāng)中，干燥劑不能重復(fù)使用。分子篩式干燥劑結(jié)構(gòu)中有規(guī)律而均勻的孔道，特點(diǎn)為將水吸附在其孔徑從而對(duì)通過的空氣進(jìn)行干燥，一定條件下水分可重新析出并恢復(fù)干燥能力，因而在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。車用分子篩如圖1所示。分子篩主要由硅鋁通過氧橋連接組成空曠的骨架結(jié)構(gòu)，并含有電價(jià)較低而離子半徑較大的金屬離子，骨架結(jié)構(gòu)形成了許多大小相同的空腔，空腔又有許多直徑相同的微孔連接，這些微小的孔穴直徑大小均勻，能把比孔徑直徑小的分子吸附到孔穴的內(nèi)部，而把孔穴大的分子排斥在外，即具有“篩分”分子的作用，所以稱為分子篩。

圖1 車用分子篩

按照硅鋁比的不同，分子篩分為A型、X型和Y型等，根據(jù)分子篩有效孔徑，如0.3、0.4、0.5、0.8 nm等，一般分子篩常用前綴數(shù)碼按晶體結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行分類(如表1所示)。目前汽車行業(yè)普遍采用3A分子篩(其結(jié)構(gòu)如圖2所示)，由于它只吸附裂解氣中的水分子，不吸收較大的烴類分子(如C2H6、C2H4、C3H6等，如表2所示)，因而可避免空氣壓縮機(jī)竄油產(chǎn)生的烯烴化合物在分子篩孔道內(nèi)部結(jié)焦，從而影響分子篩的壽命。分子篩吸附水分屬于物理過程，當(dāng)吸附水分達(dá)到飽和，應(yīng)解吸再生，恢復(fù)分子篩的吸附能力。吸附效果的優(yōu)劣常常取決于分子篩再生是否完全。

表1 分子篩類型劃分

圖2 3A分子篩結(jié)構(gòu)

表2 不同分子臨界直徑

商用車使用的分子篩一般采用變壓吸附等溫再生控制方法。其一般原理為：大氣環(huán)境下的自由空氣被空壓機(jī)壓縮為高壓空氣，水蒸氣分壓力得到提高，而分子篩表面水蒸氣分壓力相對(duì)較低，在高壓空氣流經(jīng)干燥劑時(shí)，水分從高壓空氣轉(zhuǎn)向分子篩，分子篩表面的分壓力逐漸增加并達(dá)到平衡，這就是吸附過程，即干燥過程；當(dāng)干燥空氣向大氣噴射降壓，水蒸氣分壓力相應(yīng)降低，遇到水蒸氣分壓力高的吸附表面時(shí)，水分便會(huì)從分子篩轉(zhuǎn)向再生空氣，分子篩表面水蒸氣的分壓力逐漸降低并達(dá)到平衡，使吸附劑得到干燥，這就是脫附(再生)過程[2]。

1.2 空氣干燥器

空氣干燥器采用與卸荷調(diào)壓閥一體式結(jié)構(gòu)，目前較簡(jiǎn)單的為再生筒式空氣干燥器，它利用調(diào)壓閥卸荷排氣的動(dòng)作過程，使再生貯氣筒(附加裝置)中的干燥壓縮空氣反向通過干燥劑，將干燥劑表面吸收的水分帶走并排入大氣，實(shí)現(xiàn)分子篩的再生活化[3]。

干燥過程：如圖3所示，空壓機(jī)泵氣時(shí)空氣經(jīng)1口進(jìn)入A腔，向上流經(jīng)濾網(wǎng)g、環(huán)道h，到達(dá)干燥筒上部，然后向下流經(jīng)干燥劑分子篩，水分被吸附在粒狀分子篩表面及顆粒之間。干燥后的空氣經(jīng)單向閥c和21口抵達(dá)貯氣筒，同時(shí)經(jīng)節(jié)流口和22口到達(dá)再生筒。

干燥罐壓力調(diào)壓控制：壓縮空氣經(jīng)通孔I到達(dá)D腔并作用膜片m，達(dá)到切斷壓力時(shí)克服彈簧力并打開閥口n進(jìn)入B腔，作用于活塞d并向下移動(dòng)打開排氣口e，于是A腔空氣直接排入大氣，確保21口和22口壓力不再升高。隨著車輛制動(dòng)過程的空氣消耗，21口氣壓下降達(dá)到切入壓力，這時(shí)無法克服彈簧力導(dǎo)致閥口n關(guān)閉，B腔壓力下降，排氣閥口e關(guān)閉，A腔空氣重新經(jīng)環(huán)道h流經(jīng)干燥劑進(jìn)行干燥。

再生控制：如圖4所示,由于調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)作用，達(dá)到切斷壓力時(shí)，A腔內(nèi)空氣經(jīng)通道C排入大氣，G腔內(nèi)壓力跟著下降，單向閥c關(guān)閉。22口再生筒壓力為切斷壓力，高壓空氣由22口經(jīng)節(jié)流口流入進(jìn)入G腔，向上流經(jīng)干燥劑b，將干燥劑水分經(jīng)環(huán)道h最終向下由排氣口e排入大氣。

圖3 干燥過程 圖4 再生過程

2 分子篩完全再生

干燥器卸荷及再生過程中，分子篩溫度變化相對(duì)較小，這里視為恒溫狀態(tài)。

完全再生時(shí)，無熱再生干燥器最低再生氣耗Vmin可用下式求得[4]

(1)

由于分子篩的吸附及再生均屬于物理過程，吸附過程中當(dāng)分子篩邊界壓縮空氣達(dá)到飽和時(shí)不再吸附水分，再生過程中分子篩邊界排氣空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)也不再析出水分。為保證分子篩足夠吸附能力和再生能力，考慮分子篩極限即飽和狀態(tài)進(jìn)行分析。

飽和狀態(tài)下流經(jīng)干燥罐的空氣量為

Vflow=v·T

(2)

因此可得理論最小再生氣耗比

(3)

根據(jù)絕對(duì)氣壓飽和空氣含水量(以22 ℃室溫為例，見表3)，得到不同卸荷壓力(一般取相對(duì)壓力)干燥罐分子篩最小再生氣耗比(見圖5)，數(shù)值隨壓力增大而減小。

表3 不同氣壓條件下飽和空氣含水量(22 ℃)

圖5 不同卸荷壓力下的分子篩最小再生率

3 空氣干燥系統(tǒng)分析及評(píng)價(jià)

3.1 分析及簡(jiǎn)化

車輛正常行駛過程中，空壓機(jī)泵氣同時(shí)伴隨整車制動(dòng)過程不斷耗氣，干燥罐調(diào)壓閥不斷處于切斷和切入工作狀態(tài)，因此貯氣筒壓力在切斷壓力pout和切入壓力pin之間進(jìn)行循環(huán)，并且每次達(dá)到切斷壓力時(shí)系統(tǒng)都會(huì)再生直至壓力preg,end。為了簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，取一個(gè)工作周期T′，如圖6所示。

圖6 干燥器工作周期

空氣壓縮機(jī)排氣流量為

QC=VC·n·i·η·0.001

(4)

式中：VC為單次壓縮容積；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；i為齒輪速比；η為容積效率。

貯氣筒壓力由pin達(dá)到pout，干燥罐內(nèi)置單向閥背壓為pback，那么泵氣時(shí)間為

(5)

式中：Vsys為貯氣筒容積；Vdry為干燥罐及管路容積；Quse為整車平均耗氣量；Qleak為整車平均泄漏氣量。

對(duì)應(yīng)空壓機(jī)泵氣量為

Vpump=Tpump·QC

(6)

假定再生空氣量為Vreg，完全再生耗盡Vreg的時(shí)間為Treg,total，得再生結(jié)束時(shí)的貯氣筒壓力

(7)

考慮平均再生流量Qreg，那么再生時(shí)間為

(8)

剩余等待時(shí)間為

(9)

3.2 計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)

壓縮空氣到卸荷壓力之后，貯氣筒部分空氣反向流經(jīng)干燥罐進(jìn)行再生反吹，得到空氣再生氣耗比

(10)

車輛空氣處理系統(tǒng)由干燥器和空壓機(jī)兩部分組成，在考慮分子篩再生時(shí)，將空壓機(jī)負(fù)荷率考慮在內(nèi)

(11)

目前空壓機(jī)多匹配ESS節(jié)能機(jī)構(gòu)，即達(dá)到干燥罐切斷壓力時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部卸荷并不再泵氣，一方面可以降低功率能耗，另一方面有效防止負(fù)荷率過高導(dǎo)致竄油量增加。一般要求空壓機(jī)負(fù)荷率λ≤35%[5]。

4 應(yīng)用實(shí)例

某6×4牽引車用戶反饋貯氣筒經(jīng)常出現(xiàn)積水(如圖7)，該車輛從事石子砂粒運(yùn)輸，路段主要為城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村道路，彎道行駛較多,剎車使用相對(duì)頻繁。采集車輛該行駛路段貯氣筒及空壓機(jī)出氣管路氣壓信號(hào)(如圖8)，經(jīng)分析計(jì)算，干燥罐再生空氣量為40 L，行駛路段平均耗氣量Vuse為112 L/min，耗氣量相對(duì)較大(高速公路耗氣量一般不超過60 L/min)。

圖7 貯氣筒積水

圖8 貯氣筒及空壓機(jī)出氣管路氣壓實(shí)測(cè)數(shù)值

根據(jù)該樣車整車相關(guān)參數(shù)(如表4所示)，計(jì)算該卸荷壓力條件下的再生氣耗比和空壓機(jī)負(fù)荷率(如圖9和圖10所示)，隨耗氣量增加，再生氣耗比降低，空壓機(jī)負(fù)荷率增加。針對(duì)該樣車此路段行駛條件，40 L再生空氣量對(duì)應(yīng)的氣耗比為13.9%，稍低于最小分子篩再生率14.6%要求，導(dǎo)致干燥劑再生不足，貯氣筒出現(xiàn)積水。

表4 整車相關(guān)參數(shù)

圖9 不同再生空氣量的再生氣耗比

圖10 不同再生空氣量的空壓機(jī)負(fù)荷率

增大再生空氣量可保證分子篩足夠再生，但同時(shí)會(huì)增加空壓機(jī)負(fù)荷率(如表5所示，再生空氣量56 L對(duì)應(yīng)空壓機(jī)負(fù)荷率35%)。將再生氣量增大至48 L，分子篩既能恢復(fù)干燥能力(再生氣耗比為16.8%)，同時(shí)空壓機(jī)負(fù)荷率不超35%(負(fù)荷率為33.8%)。改進(jìn)之后，經(jīng)用戶驗(yàn)證貯氣筒積水問題不再出現(xiàn)。

表5 再生空氣量改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語

在干燥罐分子篩及調(diào)壓閥原理基礎(chǔ)上，提出商用車空氣干燥器的干燥及再生匹配評(píng)價(jià)方法，結(jié)合用戶貯氣筒積水問題解決實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。該方法便于針對(duì)特殊工況條件選擇制動(dòng)系統(tǒng)零部件總成關(guān)鍵參數(shù)(例如空壓機(jī)排氣容積、貯氣筒容積、干燥罐卸荷及再生壓力等)。

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BriefAnalysisofMolecularSieveDryingandRegenerationMatchingMethodforCommercialVehicle

LYU Zheng, YANG Guanhua, LIU Zhaoying, MA Mingwu, LI Fabing

(Research & Development Center,China FAW Corporation Limited,Changchun Jilin 130011,China)

The water problem exists commonly in the domestic commercial vehicle air reservoirs. The minimum regeneration rates under different pressure conditions were deduced according to the principle of molecular sieve adsorption. According to the principle of dryer regulating valve, the matching method combined with air regeneration consumption ratio as the main parameters of molecular sieve drying and compressor duty cycle was established. Reservoir water problems were solved and verified properly in the application. This method provides some guidance for molecular sieve drying and regeneration control of compressed air in braking system.

Molecular sieve; Regeneration consumption ratio;Compressor duty cycle

2017-08-15

呂征，男，碩士，專業(yè)方向?yàn)檐囕v工程。E-mail：lvzheng@rdc.faw.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.001

U461.3

B

1674-1986(2017)12-001-05