汽車空氣壓縮機釋放熱量轉(zhuǎn)換利用裝置研究

于秩祥

(江蘇建筑職業(yè)技術學院 實驗實訓與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州 221116)

汽車空氣壓縮機釋放熱量轉(zhuǎn)換利用裝置研究

于秩祥

(江蘇建筑職業(yè)技術學院 實驗實訓與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州 221116)

針對汽車空氣壓縮機系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，結合汽車結構特點和使用燃料性質(zhì)，設計一套能量轉(zhuǎn)換裝置，將這部分釋放掉的熱量進行轉(zhuǎn)換回收利用，以便汽車在低溫和嚴寒環(huán)境下工作時，將空氣壓縮機系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換給燃油供給系統(tǒng)，改善汽車在特殊環(huán)境下的使用可靠性，同時能促進燃油在發(fā)動機內(nèi)部充分燃燒，降低廢氣物排放，提高汽車動力性和燃油經(jīng)濟性，達到節(jié)能減排的效果.

汽車；空氣壓縮機；柴油；能量轉(zhuǎn)換；加熱裝置

0 引言

帶有空氣壓縮機系統(tǒng)的汽車(大型卡車、大型客車和特種車輛)，空氣壓縮機由柴油機驅(qū)動產(chǎn)生的壓縮空氣用來控制制動系統(tǒng)和其他氣動系統(tǒng).空氣壓縮機將空氣壓縮后會產(chǎn)生大量熱量，一部分是由壓縮機內(nèi)活塞與汽缸壁摩擦產(chǎn)生的摩擦熱量，另一部分是壓縮空氣后空氣體積變小分子之間摩擦產(chǎn)生的熱量.活塞與汽缸壁產(chǎn)生的熱量由柴油機冷卻系統(tǒng)帶走或空氣冷卻帶走；壓縮空氣產(chǎn)生的熱量就直接釋放到外界環(huán)境中[1]181-211.這樣產(chǎn)生的大量熱能就全部浪費掉了，同時還給冷卻系統(tǒng)增加負擔.根據(jù)空氣壓縮機系統(tǒng)的這一特點，結合汽車結構和燃油特性，設計一套在低溫或嚴寒下使用的裝置，將這部分熱量進行回收轉(zhuǎn)換利用，促進汽車在特殊環(huán)境下的使用安全可靠性.

1 壓縮缸體產(chǎn)生熱量利用裝置設計

大排量高功率的汽車柴油機空氣壓縮機都采用水冷卻，利用柴油機冷卻系統(tǒng)的冷卻液對壓縮機汽缸套進行冷卻降溫.在汽車行駛的某些工況下，會給柴油機冷卻系統(tǒng)帶來負擔，影響散熱器散熱；另外，還會增加水泵負載，增大柴油機機械損失，降低柴油機有效功率.

根據(jù)這一特點設計一套獨立的冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)將熱量帶到燃油供給系統(tǒng)，對燃油系統(tǒng)進行加熱，提高柴油溫度和流動性，避免柴油在特殊環(huán)境(低溫或嚴寒)下凝固.圖1為壓縮汽缸體產(chǎn)生熱量的利用結構原理圖.將柴油機燃油供給系統(tǒng)的回油管路與空氣壓縮機的汽缸冷卻水道連接，利用燃油系統(tǒng)的剩余柴油對壓縮機汽缸體進行冷卻.柴油將空氣壓縮機產(chǎn)生的熱量帶走，通過散熱器適當散發(fā)熱量，將帶有一定的熱量的柴油返回到油箱，反復循環(huán)油箱內(nèi)柴油最終被加熱，避免柴油在油箱內(nèi)凝固[2].

圖1 壓縮機汽缸體產(chǎn)生熱量利用圖

2 壓縮空氣產(chǎn)生熱量利用裝置設計

在汽車空氣壓縮系統(tǒng)中，空氣被壓縮，體積縮小壓力增大，空氣分子之間會產(chǎn)生相互摩擦對外釋放熱量，這部分熱量就直接釋放到外部環(huán)境中浪費掉了.根據(jù)這一情況，在空氣壓縮機出氣口處設計一套熱量利用轉(zhuǎn)換裝置，將這部分熱量進行有效利用，把熱量傳遞給燃油系統(tǒng)，對柴油進行加熱，可提高柴油的流動性.如圖2所示，在汽車空氣壓縮機排氣管處設置一個柴油加熱罐，高壓空氣管穿過柴油加熱罐，在罐內(nèi)設計成“S”形.在汽車柴油箱上引出一根進油管與柴油加熱罐相連接，在進油管上設置電動油泵，用來驅(qū)動柴油在管路內(nèi)循環(huán)流動；在柴油加熱罐上引出一根回油管與柴油箱連接，在回油管上安裝油水分離器和散熱器，用來控制加熱后柴油的質(zhì)量和溫度.整個裝置以柴油箱和柴油加熱罐構成一套油氣熱交換循環(huán)回路，壓縮機把空氣不斷壓縮送進壓縮儲氣瓶，產(chǎn)生的熱量在柴油加熱罐被柴油吸收，柴油的流動性得到了提高，壓縮空氣被冷卻后提升了儲氣瓶存氣量，滿足了汽車在特殊環(huán)境(低溫和嚴寒)下的使用安全性和可靠性[3].

圖2 壓縮空氣熱量利用原理與結構圖

3 安全性和可靠性試驗分析

3.1 試驗方法及項目

以國產(chǎn)某品牌牽引卡車為測試對象，技術參數(shù)見表1所示.采用試驗對比及數(shù)理統(tǒng)計方法，實施信息反饋，在低溫和嚴寒環(huán)境下驗證牽引卡車使用油箱加熱裝置，分析動力性、燃油經(jīng)濟性、安全性和可靠性[4]269-310.試驗標準采用GB/T27840—2011《重型商用車燃料消耗測量方法》.車輛技術狀況良好，平均使用12個月60 000 km.測試車輛使用柴油凝點標號為-35號.試驗環(huán)境，氣溫-18 ℃～-32 ℃，晴，微風.道路類型為城市公路和高速公路，路面為柏油瀝青和混凝土路面，地面滾動阻力系數(shù)為0.010～0.018[5]283-290.

表1 技術參數(shù)

試驗項目采用C-WTVC循環(huán)，是以世界統(tǒng)一的商用車輛瞬態(tài)車輛循環(huán)(WTVC，World Transient Vehicle Cycle)為基礎，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán).C-WTVC循環(huán)由市區(qū)、公路和高速工況3部分組成，如圖3所示.

圖3 商用車C-WTVC循環(huán)曲線

針對半掛牽引卡車在市區(qū)、公路和高速工況的里程分布進行調(diào)查，并據(jù)此相應調(diào)整市區(qū)、公路和高速工況運行比例，使其與我國道路條件和車輛的技術特點相適應，加權計算各類車輛的燃料消耗量.試驗標準中規(guī)定了其在C-WTVC循環(huán)中市區(qū)、公路和高速部分的特征里程分配比例，如表2所示.

表2 特征里程分配比例

3.2 綜合燃料量計算

參照標準，根據(jù)實際測試得到的市區(qū)、公路和高速工況的燃料消耗量，對照表2確定該車型市區(qū)、公路和高速部分的特征里程分配比例，按公式(1)可以加權計算該車型的綜合燃料消耗量.

式中：FC綜合為一個完整的C-WTVC循環(huán)的綜合燃料消耗量，L/100 km；FC市區(qū)：市區(qū)燃料消耗量，L/100 km；FC公路：公路燃料消耗量，L/100 km；FC高速：高速公路燃料消耗量，L/100 km；D市區(qū):市區(qū)里程分配比例系數(shù)，%；D公路：公路里程分配比例系數(shù)，%；D高速：高速公路里程分配比例系數(shù)，%.

3.3 試驗數(shù)據(jù)對比分析

按照國家標準和實際道路測試數(shù)據(jù)進行分析，由于駕駛習慣、道路狀況、氣候條件和柴油品質(zhì)等因素的影響，實際燃油消耗量可能與廠家標示的燃油消耗量有所不同.測試半掛牽引卡車型號相同，技術狀況接近.測試車輛牽引半掛車行駛，牽引質(zhì)量為30 000 kg. 1號車輛油箱為原廠配置未采用任何加熱裝置，2號車輛油箱采用壓縮機汽缸體產(chǎn)生熱量加熱裝置，3號車輛油箱采用壓縮空氣產(chǎn)生熱量加熱裝置.根據(jù)環(huán)境氣溫，柴油選擇凝點標號為-35號.3輛測試車輛總里程在1 000 km左右，測試次數(shù)10次.3輛車道路狀況一致，行駛里程基本一致.試驗過程中，車輛實際運行狀態(tài)應盡量與C-WTVC循環(huán)一致.當試驗車輛不能達到C-WTVC循環(huán)要求的加速度或試驗車速時，應將加速踏板完全踩到底；當試驗車輛不能達到C-WTVC循環(huán)規(guī)定的減速度時，應完全作用制動踏板直至車輛運行狀態(tài)再次回到C-WTVC循環(huán)規(guī)定的偏差范圍內(nèi).行駛道路按照表2所示分配，依據(jù)公式⑴進行綜合油耗計算，油耗取平均值.對比數(shù)據(jù)見表3所示.

表3 綜合油耗對比

由表3可以看出，采用油箱加熱技術的車輛行駛油耗都低于未加裝車輛.根據(jù)試驗對比數(shù)據(jù)可知汽車采用油箱加熱技術在嚴寒環(huán)境下具有一定的節(jié)油性.在1 000 km測試過程中，加裝油箱加熱裝置的車輛未發(fā)現(xiàn)任何問題，車輛運轉(zhuǎn)安全可靠.通過駕駛員在實際駕駛過程中反饋，加裝油箱加熱裝置的車輛，在起步、爬坡、中等負荷加速和全負荷加速等工況下動力略有提升，同時車輛尾氣排放污染物有所下降，在爬坡和中等以上負荷加速時，通過觀察，尾氣黑煙量降低.車輛在高速行駛時，車速控制在80～90 km/h左右，外界環(huán)境溫度在-26 ℃，由于高速冷風作用，油箱周圍的環(huán)境溫度應在-30 ℃左右，在這種環(huán)境下對油箱進行加熱能提高柴油的流動性，具有一定黏度和溫度的柴油能減少高壓燃油系統(tǒng)內(nèi)部精密器件的磨損，提高噴油器霧化質(zhì)量，促進柴油機燃燒.

4 結語

根據(jù)汽車空氣壓縮機的結構特點和產(chǎn)生的熱量進行分析，在不改變車輛基本結構的前提下設計一套熱量轉(zhuǎn)換裝置，將廢棄熱量進行轉(zhuǎn)化利用，優(yōu)化了車輛結構，改善了汽車使用的安全可靠性.通過試驗比較分析，裝有該套裝置的汽車在特殊環(huán)境下使用時，車輛的動力性、燃油經(jīng)濟性、排放性、安全性和可靠性都得到了不同改善，尤其在車輛使用上能降低車輛維護和使用成本，提高運輸經(jīng)濟性，目前2套裝置已獲得國家發(fā)明專利授權.

[1] 張為正，劉金祥.內(nèi)燃機失效分析與評估[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2] 于秩祥.利用空氣壓縮機的車輛油路防凍裝置與方法：ZL201310021170.3[P].2015-03-26.

[3] 于秩祥.對汽車空壓機排出熱量有效利用的裝置和方法：ZL201410144879.5[P].2017-06-19.

[4] Erich Hoepke.載貨汽車技術[M].朱思洪,繆小紅，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 安相璧.汽車試驗工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

ResearchonHeatTransferandUtilizationDeviceforAutomobileAairCompressorRelease

YU Zhixiang

(ExperimentalandOccupationalSkillsManagementCenter,JiangsuInstituteofArchitecturalTechnology,Xuzhou221116,China)

The article analyzes the heat generated by the automobile air compressor system. Combined with the automobile structure characteristics and the use of fuel properties, an energy conversion device is designed which will release the heat conversion of recycling, so that the car can work at low temperature and cold environment to transfer the heat produced by the air compressor system to fuel supply system. In this way the reliability of the vehicle in the special environment is improved. At the same time, it can promote the full combustion of fuel in the engine, reduce the emission of exhaust gas, improve the vehicle power and fuel economy, and finally achieve the effect of energy saving and emission reduction.

automobile; air compressor; diesel; energy conversion; heating device

U464.141

A

1671-8127(2017)06-0093-04

2017-06-14

2016年度江蘇建筑職業(yè)技術學院校級課題“工程機械車輛在低溫條件下運行的可靠性技術研究”(JYQZ16-09)

于秩祥(1983- )，男，山東臨沂人，江蘇建筑職業(yè)技術學院實驗師，主要從事汽車結構優(yōu)化設計、動力與電氣系統(tǒng)檢測研究。

[責任編輯梧桐雨]