鄔錢涌

（克諾爾制動(dòng)系統(tǒng)（大連）有限公司，遼寧大連 116620）

1 引言

商用車按照載重量不同可以分為輕型、中型、重型。按照車輛用途可以分為客車、卡車、非道路車輛。按照動(dòng)力源不同可以分為燃油車、天然氣車、新能源車與純電動(dòng)車。目前全球占比最大的車輛為燃油車，同時(shí)燃油車對(duì)于環(huán)境的破壞以及溫室氣體的貢獻(xiàn)也是最大的。

針對(duì)目前全球嚴(yán)峻的溫室效應(yīng)問題，紛紛提出了節(jié)能減排的措施和規(guī)劃。中國提出了藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)、青山綠水、頒布國六排放標(biāo)準(zhǔn)等一系列的環(huán)保政策。并且加大力度全面推進(jìn)新能源和純電動(dòng)車輛的使用。但是在未來相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，燃油機(jī)將仍然被大量的使用。因此還需要在燃油機(jī)降能耗方面持續(xù)投入研發(fā)新的技術(shù)。

空壓機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)附加部件，消耗了發(fā)動(dòng)機(jī)一定比例的輸出功率。國六排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在全國范圍內(nèi)實(shí)施推廣，傳統(tǒng)ESS節(jié)能系統(tǒng)已經(jīng)在國六階段進(jìn)行了大面積的應(yīng)用，包括進(jìn)氣卸荷ESS和連接墻ESS，并獲得了良好的效果反饋。前瞻性的考慮國六二階段排放以及后期環(huán)保政策的進(jìn)一步收緊，針對(duì)空壓機(jī)降功耗方面的研究，仍在持續(xù)進(jìn)行。

2 傳統(tǒng)ESS節(jié)能系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)ESS節(jié)能系統(tǒng)分為兩種形式：進(jìn)氣卸荷ESS和連接墻ESS。

ESS是節(jié)能系統(tǒng)（Energysaving system）的英文縮寫。在空壓機(jī)上，ESS就是代表ESS閥組件，由ESS閥座，彈簧和ESS活塞組成。空壓機(jī)就是通過ESS閥組件的動(dòng)作來控制空壓機(jī)卸荷時(shí)候的工作環(huán)境。ESS閥座的動(dòng)作依靠高壓氣體推動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，而高壓氣體則是來源于空氣處理單元，通過空氣處理單元與空壓機(jī)上ESS控制口之間的管路來傳遞高壓氣體。當(dāng)ESS需要?jiǎng)幼鲿r(shí)高壓氣體從空氣處理單元輸送至ESS閥座處，使ESS閥座開啟；當(dāng)ESS不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，高壓氣體則從空氣處理單元的排氣口直接排至大氣，使ESS閥座回位。

進(jìn)氣卸荷ESS結(jié)構(gòu)針對(duì)的是單缸空壓機(jī)，如圖1所示，當(dāng)空壓機(jī)卸荷時(shí)，通過空氣處理單元輸出的高壓氣體打開ESS閥座，使空壓機(jī)的壓縮腔與空壓機(jī)的進(jìn)氣腔相聯(lián)通?？諌簷C(jī)壓縮并排氣時(shí)不僅向排氣腔輸送壓縮氣體同時(shí)也向進(jìn)氣腔輸送壓縮氣體，使空壓機(jī)實(shí)際所承受的背壓降低，從而降低扭矩和功率。

圖1 進(jìn)氣卸荷ESS結(jié)構(gòu)

連接墻ESS結(jié)構(gòu)針對(duì)的是雙缸空壓機(jī)，如圖2所示，當(dāng)空壓機(jī)卸荷時(shí)，也是通過空氣處理單元輸出的高壓氣體打開ESS閥座，使空壓機(jī)前后兩個(gè)壓縮腔相聯(lián)通?？諌簷C(jī)壓縮并排氣時(shí)，一個(gè)壓縮腔內(nèi)的壓縮氣體將通過ESS通道直接流入另一個(gè)壓縮腔內(nèi)，而此另一個(gè)壓縮腔正處于吸氣階段，因此可以減少外部空氣的吸入，同時(shí)降低空壓機(jī)承受的背壓，從而降低空壓機(jī)的扭矩和功率。

圖2 連接墻ESS結(jié)構(gòu)

采用進(jìn)氣卸荷ESS和連接墻ESS結(jié)構(gòu)的空壓機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)空壓機(jī)卸荷狀態(tài)下30%～40%的功率節(jié)省。

3 封閉氣室ESS節(jié)能系統(tǒng)

封閉氣室ESS的執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成方面同進(jìn)氣卸荷ESS和連接墻ESS相同，仍是通過ESS閥組件動(dòng)作并開啟相關(guān)通道的方式來實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)卸荷狀態(tài)下內(nèi)部環(huán)境的改變。

如圖3所示，空壓機(jī)由缸蓋、閥板、缸體、活塞、連桿、曲軸組成。缸蓋上布置有進(jìn)氣接口、排氣接口、冷卻水接口、ESS控制口，同時(shí)安裝有ESS閥組件，單缸空壓機(jī)使用一套ESS閥，雙缸空壓機(jī)采用兩套ESS閥。缸蓋內(nèi)分隔成進(jìn)氣腔、排氣腔、冷卻水腔和ESS封閉腔。單缸空壓機(jī)只有1個(gè)ESS封閉腔室，雙缸空壓機(jī)則有2個(gè)獨(dú)立的ESS封閉腔室。所有腔室相互獨(dú)立互不聯(lián)通。ESS閥組安裝在封閉腔室內(nèi)，由一個(gè)ESS活塞、ESS閥座和彈簧組成，ESS閥座與缸蓋ESS孔之間均布置有O型圈密封。閥板上布置有進(jìn)氣孔和排氣孔，并安裝了單向進(jìn)氣閥片和單向排氣閥片。同時(shí)閥板上加工有ESS孔，ESS閥座與ESS孔頂面采用端面形式密封。

圖3 封閉氣室ESS結(jié)構(gòu)

配備有ESS節(jié)能系統(tǒng)的空壓機(jī)，需要在空氣處理單元和空壓機(jī)缸蓋ESS控制口之間連接一根軟管，用于控制ESS組件動(dòng)作，該管路稱為ESS控制管。

空壓機(jī)正常打氣時(shí)，ESS閥座坐落在閥板ESS孔上，空壓機(jī)從缸蓋進(jìn)氣腔自然吸氣進(jìn)入壓縮腔；空壓機(jī)壓縮時(shí)，通過排氣腔將壓縮空氣輸送至排氣管路以及后面的空氣處理單元。

當(dāng)儲(chǔ)氣筒壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，空氣處理單元通過ESS控制管將高壓氣體輸送至缸蓋ESS控制口。高壓氣體推動(dòng)ESS閥組打開，從而使空壓機(jī)的壓縮腔與缸蓋內(nèi)的ESS封閉腔相通，相當(dāng)于擴(kuò)大了空壓機(jī)的壓縮腔。

配備ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)的空壓機(jī)既可以應(yīng)用于排氣管路開放模式也可以應(yīng)用于排氣管路封閉模式。

所謂排氣管路開放模式，即空壓機(jī)在卸荷時(shí)，排氣管路通過空氣處理單元的卸荷口直接通向大氣，空壓機(jī)所排出的氣體將通過排氣管，最終從空氣處理單元的卸荷口直接排入大氣。此種應(yīng)用狀態(tài)下，當(dāng)ESS動(dòng)作時(shí)，由于封閉氣室與壓縮腔相聯(lián)通，所以空壓機(jī)內(nèi)部的壓縮腔被增大了，壓縮比減少，因此排氣量下降，但是仍然有部分被壓縮的氣體被排入大氣，造成部分浪費(fèi)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但是無法達(dá)到最佳效果。

所謂排氣管路封閉模式，即空壓機(jī)在卸荷時(shí)，空氣處理單元卸荷閥不打開，排氣管路內(nèi)保持有高壓氣體。此種應(yīng)用狀態(tài)下，當(dāng)ESS動(dòng)作，空壓機(jī)的壓縮腔被擴(kuò)大，壓縮比下降，內(nèi)部壓縮的空氣僅僅可以達(dá)到3～4 bar的壓力，因此無法打開空壓機(jī)排氣閥片，所以空壓機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了壓縮-膨脹的自平衡狀態(tài)，既不從外界吸入空氣，也不向外界排出空氣，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)循環(huán)過程最小能量消耗，可以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

4 封閉氣室ESS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

空壓機(jī)具有專業(yè)的測(cè)試臺(tái)架，可用于空壓機(jī)排溫、扭矩、排量、功率、效率等參數(shù)的測(cè)定。臺(tái)架上空壓機(jī)由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，采用扭矩傳感器采集扭矩信息，采用溫度傳感器和壓力傳感器采集溫度和壓力信息，采用流量計(jì)采集排氣量信息。

分別對(duì)配備封閉氣室ESS結(jié)構(gòu)的單缸和雙缸空壓機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，并對(duì)比配備傳統(tǒng)ESS結(jié)構(gòu)形式的空壓機(jī)卸荷狀態(tài)下性能參數(shù)，以說明節(jié)能效果。

ESS封閉氣室模式1，表示空壓機(jī)采用了ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)，但是卸荷時(shí)不打開ESS，同時(shí)排氣管路是通大氣的。

ESS封閉氣室模式2，表示空壓機(jī)采用了ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)，卸荷時(shí)打開ESS，同時(shí)排氣管路是通大氣的。

ESS封閉氣室模式3，表示空壓機(jī)采用了ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)，卸荷時(shí)打開ESS，同時(shí)排氣管路是封閉的。

傳統(tǒng)ESS模式，表示單缸空壓機(jī)采用了進(jìn)氣卸荷ESS結(jié)構(gòu)，雙缸空壓機(jī)采用了連接墻ESS結(jié)構(gòu)，卸荷時(shí)打開ESS，同時(shí)排氣管路是通大氣的。

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和功率曲線趨勢(shì)可以見：

ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)配合排氣管路開放的應(yīng)用狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)卸荷狀態(tài)下的功率節(jié)省。單缸節(jié)省比率可達(dá)30%～40%，雙缸節(jié)省比率可達(dá)40%～50%。

ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)配合排氣管路封閉的應(yīng)用狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)卸荷狀態(tài)下的最佳功率節(jié)省。單缸節(jié)省比率可達(dá)40%～50%，雙缸節(jié)省比率可達(dá)50%～60%。

在小于1300 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間，傳統(tǒng)ESS節(jié)能效果優(yōu)于ESS封閉氣室配合排氣管路開放的應(yīng)用狀態(tài)。但是在轉(zhuǎn)速高于1300 r/min時(shí)，ESS封閉氣室的節(jié)能效果會(huì)優(yōu)于傳統(tǒng)ESS結(jié)構(gòu)形式。

ESS封閉氣室配合排氣管路封閉相對(duì)于排氣管路開放實(shí)現(xiàn)了10%～20%的節(jié)能增幅。

通過數(shù)據(jù)分析可知，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，ESS節(jié)能效果相對(duì)較少，而隨著轉(zhuǎn)速的提升，ESS節(jié)能效果逐步增加。在常規(guī)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速1500～2000r/min下，ESS封閉氣室節(jié)能系統(tǒng)配合排氣管路封閉相對(duì)于傳統(tǒng)ESS結(jié)構(gòu)形式能夠帶來20%～40%的功率節(jié)省增幅。

表1 單缸空壓機(jī)性能參數(shù)

圖4 單缸空壓機(jī)功率曲線

通過綜合考慮整車的形式路況，以高速路況作為典型路況進(jìn)行模擬分析計(jì)算，結(jié)合多年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)，設(shè)定空壓機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)間為15%，空壓機(jī)平均轉(zhuǎn)速1500 r/min，現(xiàn)階段整車的燃油率可達(dá)198 g/kW·h，柴油密度為0.84 kg/L，車輛平均時(shí)速60 km/h，則配備ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)空壓機(jī)并結(jié)合排氣管路封閉的應(yīng)用狀態(tài)，相對(duì)于不使用ESS節(jié)能系統(tǒng)的車輛的節(jié)油能力計(jì)算如下

表2 雙缸空壓機(jī)性能參數(shù)

圖5 雙缸空壓機(jī)功率曲線

單缸空壓機(jī)

[1.34×（100%-15%）-0.77×（100%-15%）]×198÷1000÷0.84÷60×100=0.19 L/100 km

雙缸空壓機(jī)

[2.09×（100%-15%）-0.8×（100%-15%）]×198÷1000÷0.84÷60×100=0.43 L/100 km

5 結(jié)論

為了應(yīng)對(duì)國家后期進(jìn)一步收緊的環(huán)保政策和節(jié)能減排政策，提出了ESS封閉氣室匹配排氣管路封閉的新型節(jié)能模式和概念。

通過對(duì)缸蓋進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)ESS節(jié)能結(jié)構(gòu)向ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得，采用ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)ESS結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)更多的節(jié)能效果。采用ESS封閉氣室結(jié)構(gòu)匹配排氣管路封閉的應(yīng)用狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能效果。在高速路況下，可以實(shí)現(xiàn)單缸百公里約0.2 L，雙缸百公里約0.4 L的節(jié)油效果。并且相對(duì)于傳統(tǒng)ESS結(jié)構(gòu)形式，卸荷時(shí)可以帶來20%～40%的功率節(jié)省增幅。

為商用車行業(yè)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)燃油節(jié)省提供了一種新型的節(jié)能方案。