柴油機用空壓泵的性能改善

王儀林，楊俊武

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

柴油機用空壓泵的性能改善

王儀林，楊俊武

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

介紹了中型以上貨車或客車用空壓泵現狀、存在的常見問題及其原因分析；通過我司的一個實例和相關的試驗和測試方法分別研究了提高壓縮比、增大排氣量對柴油機用空壓泵性能的改善情況：縮短充氣時間，控制排氣溫度，減少竄油量的影響和作用，并通過試驗數據對比了兩種方案；同時為整車用戶提出了一些應對建議；最后闡述了結論。

柴油機空壓泵竄油壓縮比排量

1 前言

空壓泵是柴油機的重要附件，其性能的好壞直接關系到商用車的使用性能、工作可靠性和行車安全[1]。泵氣速度慢，竄油量大一直受到各大客貨車企及用戶的詬病。隨著車輛自動化、采用空氣懸掛式駕駛室、載重量增大，制動性能要求提高，車輛用氣量大幅提升[2]。這就要求空壓泵排量大、充氣時間短，竄油量小，排溫適度，以保證車輛的安全制動和運轉。

2 現狀介紹及分析

2.1 打氣速度慢

泵氣速度慢甚至不充氣，首先要排除空壓泵及車輛制動系統的質量問題，如空壓泵環、活塞、缸蓋、進、排氣閥等質量問題，進氣管堵塞，氣路上控制閥，車輛氣管路，儲氣罐安全閥漏氣等，參照國標GB 12676“汽車制動系統結構、性能和試驗方法”進行怠速與額定工況點空壓機泵氣能力試驗，以此可評價空壓泵充氣速度是否達標。

空壓泵的選擇主要依據氣動系統的工作壓力和流量。氣源的工作壓力應比氣動系統中的最高工作壓力高20%左右，因為要考慮供氣管道沿程和局部損失。最大壓力1.2 MPa的空壓泵目前已在整車系統中使用。根據空壓泵設計理論，其泵氣速度與缸徑、行程、氣缸數、轉速及充氣效率成正比，與整車儲氣罐大小成反比[3]。調整空壓泵傳動比以改變其運行轉速，按滿足空壓泵最高轉速限制的設計，減小空壓泵齒數可使泵氣速度迅速加快。但受發動機齒輪系設計和齒輪室結構限制，通過改變傳動比來提高空壓泵充氣速度往往很難實行。當傳動比一定時，空壓泵的充氣時間主要取決于其排量大

小和效率。提高排量最有效的方法主要是增大缸徑、行程。100 mm缸徑的空壓泵已在耗氣量大的公交車上使用，單缸工作容積最大可達400 mL，雙缸更大。但發動機自身結構緊湊，布置設計時受到了諸多限制；而市場上供選配的可靠的柴油機空壓泵品牌并不多，主要有國外的KNORR和WABCO，國內的亞新科。通過選用大缸徑和行程的空壓泵方案有時也行不通。對于空壓泵的效率，通過提高壓縮比可進行改善。

來稿日期：2013-02-01

2.2 排氣溫度高

排氣溫度的高低反映缸內熱負荷的大小，其與轉速和排氣壓力相關。排溫過高會造成進排氣閥片積碳嚴重，使空壓泵不充氣；潤滑油在金屬的催化下出現熱分解，生成對工作有害的游離碳、酸類物和水分，導致輸氣系數降低和功率消耗增加，潤滑油粘度降低，加劇潤滑油上竄，使軸承產生異常摩擦損耗等。因此，必須加以監測。

2.3 竄油量大

采用空氣制動的汽車，為確保可靠有效的制動，必須嚴格控制壓縮空氣中的含油量。油量過大會造成制動系統的污染，使制動失靈而引起行車事故。空壓泵竄油的危害包括：使制動閥門里的橡膠密封件膨脹松弛，造成制動控制工作失靈；使制動軟管、皮碗早期腐蝕損壞，影響行車安全；使空壓泵缸蓋上的排氣閥及閥門彈簧膠結，影響泵正常工作，甚至不工作；使機油消耗增加，影響發動機潤滑，增加車輛運輸成本；使排放超標，環境污染等。

壓縮空氣中含油，主要是因為空壓泵曲軸箱中的潤滑油上竄。主要原因有：活塞環與環槽之間的裝配間隙控制不良；活塞環材料選用不當、活塞與缸壁的間隙配合不當；油環槽底部回油截面小；機油選用不規范；泵的機油回油管堵塞；空氣過濾器濾芯堵塞等。

3 性能改善及樣車測試驗證

表1是我司配套的某型空壓泵規格。有些客戶反映其充氣慢，竄油量偏大。為此，我們采取提高壓縮比和增大排氣量，并分別進行試驗。

表1 空壓泵主要技術參數

4 提高壓縮比

4.1 出口溫度對比

為保持產品的延續性、互換性、裝配性，縮短開發周期，在缸徑、行程不變的情況下，只變更活塞提高壓縮比來增大排氣量，縮短充氣時間，降低工作率，減少竄油量。為了對比，在同一輛車上進行了實際測試。將氣壓表連接在儲氣筒上（見圖1）。將儲氣罐內的氣體排空，氣壓為零。發動機轉速保持在1 500 r/min，測量空壓泵充氣時間，即氣壓從零氣壓升至0.9 MPa的耗時。

圖1 氣壓表連接在儲氣筒上

在同一輛車上，分別采用2種壓縮比的空壓泵進行充氣時間的試驗；試驗重復進行3次，測試結果見表2。可見，空壓泵的壓縮比從13增加到18，空壓泵的充氣時間縮短近10%。

表2 2種壓縮比空壓泵的充氣時間

出口溫度是空壓泵運行時的一個重要參數。其高低反映氣缸內熱負荷的大小；出口溫度過高會造成進出口閥片積碳嚴重，使空壓泵失效。圖2為2種壓縮比空壓泵在發動機臺架上進行的排氣溫度測試。

臺架測試結果表明，提高壓縮比，空壓泵出口溫度升高。這就要求空壓泵出氣管要有足夠的長度，以利散熱。同時與空壓泵出氣管終端相連的整車管路須采用耐溫高的鋼絲管（＞160℃），以確保管道的可靠性和耐久性。

4.2 機油耗量對比試驗

空壓泵竄油過多會使柴油機機油消耗增加，還會引起閥板和缸蓋排氣腔積碳，導致充氣緩慢甚至

不充氣，必須重視。相對而言，竄油量的測試是比較難的，需要較長的實車路試耐久考核才準確。我們進行了整車原地起動發動機的竄油量測試。測量前，先確認空壓泵竄油量是否處于測試設備的適用范圍。拆除空壓泵出氣管，運轉發動機到正常工作溫度，在空壓泵出口前約5 cm處放一張白紙，讓空壓泵在2 000（±200）r/min運轉1 min，檢查紙上油跡直徑是否超過4 cm，以此判定可以進行后續測試，見圖3。

圖2 2種空壓泵在發動機上的出口溫度測試

圖3 空壓泵出口油跡直徑檢查

空壓泵機油耗量簡易測試后，進行空壓泵機油耗量的定量測試。過程如下（參見圖4）：熱交換器內注滿冷卻水，額定轉速下發動機運轉20 min，調整背壓到額定值0.9 MPa，運轉3 min后連接取樣軟管至控制單元，檢查吸氣泵無泄漏后將計數器置為0；折斷試管兩端，將試管插入吸氣泵氣流箭頭指向的一端，另一端插入取樣軟管，用手捏25次吸氣，每次捏緊并等吸氣泵指示器變白才松開；取出試管，在兩個黑點區把試管折斷，輕搖拍打小藥瓶，讓反應液流入白色指示劑；把指示劑的變色程度和隨試管一起提供的圖樣進行對比，如圖5所示。表3是運行里程1.3萬公里攪拌車搭載2種空壓泵的竄油量測試數據，可見提高壓縮比后，空壓泵竄油改善明顯。

圖4 空壓機出氣口排油量測試設備連接

圖5 空壓泵出氣口排油量測試

表3 行駛1.3萬公里后空壓泵竄油量對比

為確保竄油量測試的準確性，我們還對搭載10臺高壓縮比空壓泵的車輛進行了2萬公里耐久考核。結果表明，壓縮比提高后的空壓泵竄油量改善明顯，用戶反映很好。

5 增大排氣量

為了產品的升級換代，滿足今后車輛用氣量日益增大的需要，在保持空壓泵與發動機和整車廠裝配、接口尺寸不變的前提下，將空壓泵缸徑從85 mm增大至95 mm。臺架試驗測得的大排量空壓泵額定轉速下排氣量提高39%，充氣時間縮短25%。

為得到較準確的數據，我們還模擬攪拌車典型路況的運行狀況進行測試以驗證其性能改善情況。選擇一段全長約1.6 km，有平緩坡度的路面，從0速提高檔位→加速到40 km/h→穩態行走30 s減速到20 km/h→加速到40 km/h→穩態行走30 s→減速到0→怠速停60 s。以上操作2次為一循環，如此循環運行約5 h。通過傳感器（圖6）和ECU記錄的車輛轉速、車速實時圖譜，原用空壓泵工作率、排氣溫度實時圖譜以及高壓縮比空壓泵工作率、排氣溫度實時圖譜，見圖7～圖9。試驗結果表明，由于排氣量提高，工作率降低，排油量減少；整車空壓泵出口溫度從137℃上升到155℃，升溫較大。

同時，2臺安裝在整車廠試驗車上的大排量泵進行2萬公里實車耐久路試后的回收樣件拆解顯示：空壓泵閥片未見變形或斷裂，缸蓋與閥板無異物或明顯積碳（圖10），缸蓋螺栓無松動或缸蓋墊片沖壞而漏氣，管路無破裂或接頭漏水、漏油、漏氣等現象；與空壓泵廠單體泵500 h臺架耐久考核結論相吻合。

圖6 傳感器連接

圖7 發動機轉速、車速實時圖譜

圖8 原用空壓泵工作率、排氣溫度實時圖譜

圖9 高壓縮比空壓泵工作率、排氣溫度實時圖譜

為減少竄油量，還從空壓泵活塞與缸套可能存在的運動干涉導致上油量不良進行了分析和改善。當活塞向上運動存在微小傾斜時導致頂環和缸套干涉→活塞頂部的沖擊力增大→缸套滑動面上的縱向拉傷大→活塞環摩損→環的油膜變厚→上油量惡化。為避免可能發生這種情況，我們減小了大排量泵活塞頂部ΦA尺寸（圖11），從Φ94.75～Φ94.78改

為Φ94.70～Φ94.73。并進行了原用、高壓縮比和大排量3種空壓泵的竄油臺架對比試驗（見圖12）。空壓泵設定在常用轉速，在無負荷狀況下連續運轉2 h后將濾紙取下，干燥后稱重，記錄濾紙前后質量差ΔG（g）。對比表4數據可以發現，改進后的大排量泵上油量最小。

針對吸氣不暢使活塞頂部產生較大的負壓，吸入機油，增加竄油，我公司的空壓泵進氣接頭內徑尺寸現都增大為φ25 mm，保證軟管通順流暢以減少阻力、增加足夠強度以耐壓[4]，減小進氣真空度及竄油量。

圖10 500 h耐久試驗后拆檢情況

圖11 空壓泵活塞頂部

圖12 空壓泵竄油試驗臺架

表4 3種空壓泵竄油量測試數據

同時，我們建議整車廠采取以下措施，進一步改善空壓泵性能：

（1）對匹配大容量、大壓力泵的載重客貨車建議增配有油氣分離功能的冷凝器來減少竄油量。

（2）定期清洗或更換空氣濾清器，保證進氣潔凈，避免泵磨損和減少竄油[5]。

（3）在500 h耐久考核中發現匹配大容量干燥器時系統排出油量少。因此，我們建議盡可能采用大容量干燥器。

6 結論

試驗測試表明，采取提高壓縮比和增大排氣量的方案都改善了空壓泵性能，增大排氣量比提高壓縮比效果更明顯，尤其是充氣時間。由于單次泵送量增大，充氣自然加快。改善后的大排量泵上油量明顯降低，一方面與排量增大后的工作率降低有關，另一方面跟空壓泵活塞頂部ΦA尺寸的優化有直接關系。但增大排量泵的缺點是排氣溫度提高較多，需強化泵體、缸蓋和相關連接管路的冷卻性能。

對客戶要求不是很強烈，同時又受自身發動機結構限制無法采用大排量空壓泵的柴油機廠來說，提高壓縮比就是一個不錯的選擇。但從長遠來看，未雨綢繆，盡早設計匹配大排量泵對配套商用車的柴油機廠來說是必須的。

1劉桂華.車用空氣壓縮機品質改進的研究[D].吉林大學，2008．

2郝永明.空壓機的故障分析及檢測[J].汽車與配件，2007（52）．

3孫邦江，劉建祥，趙文仲.空壓機泵氣速度慢的原因分析與改進[J]．汽車制造業，2012（18）．

4邢磊，蔡敏.空氣壓縮機竄油質量問題的試驗研究及其設計改進[J].柴油機設計與制造，2011（1）.

5錢慧石，丁樂俊，李海峰.空壓機常見故障及排除方法[J]．物探裝備，2008（04）.

Improvement of Diesel Engine Air Compressor Performance

Wang Yilin,Yang Junwu
（Shanghai Hino Engine Co.,Shanghai 201401,China）

The statur of air compressors for medium-duty vehicles and buses,as well as the common problems and causes of air compressors are presented.Two ways of improving air compressor performance e. g.increasing the compression ration and the displacement of air compressor are analyzed,tested,verified and compared in terms of shorting of air charging time,reducing of exhaust temperature and oil carry-over. Based on the analysis and test results,suggestions on how to choose a proper air compressor are put forward for users.

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王儀林（1978-），男，本科，主要研究方向為發動機應用與開發。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.006