張彥會,王君琦,李勇滔,吳 遷,楊 軍,孫小孟

(1.廣西科技大學機械與汽車工程學院,廣西 柳州 545616;2.東風柳州汽車有限公司,廣西 柳州 545616;3.中國科學院微電子研究所,北京 100029)

0 引言

空氣處理系統(tǒng)對中重型商用車輛的制動安全和制動性能有著至關重要的影響。該系統(tǒng)由空氣壓縮機、空氣處理單元(air processing unit,APU)和儲氣筒組成。其中,APU起到干燥和清潔壓縮空氣、調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的作用。

近年來,隨著公路運輸車輛平均載重量的不斷增加,商用車對壓縮空氣處理的要求越來越高。傳統(tǒng)的機械式APU空氣壓縮機負荷率高、連續(xù)工作時間長,導致APU干燥能力下降。這會危及行車安全。如何有效解決上述問題,仍是近年來的重要研究方向。文獻[1]、文獻[2]提出了優(yōu)化空氣處理系統(tǒng)零件的機械結構以實現(xiàn)優(yōu)化APU干燥性能的方法。文獻[3]將鍵合圖理論用于分析空氣處理系統(tǒng),以提升APU的響應性能。

在智能駕駛技術發(fā)展迅猛的趨勢下,高算力的控制器芯片和更智能的軟件算法為APU電控系統(tǒng)的高速計算和精確控制奠定了基礎。文獻[1]～文獻[3]主要根據(jù)空氣處理系統(tǒng)的機械結構對系統(tǒng)性能進行了優(yōu)化。智能化、電子化是商用車空氣處理系統(tǒng)的重點發(fā)展方向之一[4]。電控式APU在機械式APU的基礎上,將控制壓縮空氣流向的調(diào)壓閥更換為電磁閥,并引入了多個傳感器信號作為其控制依據(jù)。電控系統(tǒng)的引入使得APU的再生率問題有了更大的優(yōu)化空間。文獻[5]、文獻[6]提出了電控APU的方法,對APU再生階段消耗的成品氣量進行調(diào)節(jié),提高了APU的燃油經(jīng)濟性和安全性。然而,針對APU的露點降(dew point depress,DPD)進行再生率優(yōu)化的技術仍有待深入研究。在安全方面,監(jiān)測系統(tǒng)DPD可以有效預測APU干燥罐的干燥能力,防止系統(tǒng)含水量過高而導致管路結冰和儲氣筒積水。在能耗方面,調(diào)節(jié)系統(tǒng)DPD可以使系統(tǒng)DPD值穩(wěn)定在合理范圍內(nèi),從而減少再生過程消耗的成品氣。監(jiān)測和合理調(diào)節(jié)商用車空氣處理系統(tǒng)的DPD,對保障制動安全和降低系統(tǒng)使用成本具有十分重要的意義。

為實現(xiàn)DPD監(jiān)測功能和DPD調(diào)節(jié)功能,本文提出了一種適用于商用車APU電子控制系統(tǒng)的露點溫度估算方法。通過引入DPD,本文設計電控APU的DPD控制系統(tǒng),并經(jīng)測試驗證了其可行性。

1 控制系統(tǒng)總體框架

APU電子控制系統(tǒng)主要包括空氣處理部分、傳感器及其信號調(diào)理部分、執(zhí)行器部分和控制器部分。APU電子控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 APU電子控制系統(tǒng)總體框架

商用車空氣處理系統(tǒng)的儲氣筒可安裝溫濕度傳感器和壓力傳感器,以采集溫濕度和壓力數(shù)據(jù)。在電控APU上使用控制器驅動的電磁閥,以替代機械式APU由氣壓控制的調(diào)壓閥和再生閥?？刂破鞑杉盘柡?經(jīng)過數(shù)據(jù)計算獲得空氣處理系統(tǒng)的DPD信息?？刂破鲬脤榆浖M行數(shù)據(jù)處理后,計算電磁閥換向時機并驅動電磁閥進行換向。

APU電子控制系統(tǒng)的電磁閥控制功能可通過獨立控制器實現(xiàn),并集成信號采集和電磁閥控制功能?？紤]到汽車儀表的數(shù)據(jù)顯示需求,該控制系統(tǒng)也可由多個控制器實現(xiàn),如儀表控制器采集數(shù)據(jù)、底盤域控制器或整車控制器,以處理數(shù)據(jù)并控制電磁閥。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 APU硬件結構

電控APU空氣流向如圖2所示。

圖2 APU空氣流向示意圖

發(fā)動機帶動空氣壓縮機產(chǎn)生的高壓空氣,可泵入APU。泵氣過程空氣流向如圖2(a)所示。泵氣過程中,壓縮空氣經(jīng)過濾油和干燥后流向儲氣筒進氣管路。卸荷過程空氣流向如圖2(b)所示。卸荷過程中,未被干燥的高壓空氣經(jīng)排氣口流向大氣。排氣過程空氣流向如圖2(c)所示。當干燥罐經(jīng)過一段時間的使用,其過氣量達到預設值。成品氣從貯氣筒中對干燥罐實現(xiàn)反吹再生,經(jīng)沖洗口流向大氣。其中:泵氣和卸荷過程由切斷電磁閥控制;再生過程由再生電磁閥控制。

2.2 溫濕度傳感器

空氣處理系統(tǒng)內(nèi)部為高壓低濕環(huán)境。商用車空氣處理系統(tǒng)的測量環(huán)境與常規(guī)室內(nèi)或車載環(huán)境溫度傳感器的測量環(huán)境有所不同[7],在低相對濕度范圍內(nèi)的測量精度要求較高。因此,系統(tǒng)設計采用B-TH-RS30數(shù)字溫濕度探針。其測量溫度范圍為-40～+80 ℃、精度為±0.2 ℃;測量濕度范圍為0%～100%RH、精度為2%RH;供電電壓為5～24 V。以上參數(shù)均滿足商用車空氣處理系統(tǒng)的設計需求。溫濕度傳感器使用RS-485信號輸出。傳感器A、B端連接至RS-485信號收發(fā)器后,通過微控制器單元(microcontroller unit,MCU)讀取溫濕度信號。

溫濕度采集電路原理如圖3所示。

圖3 溫濕度采集電路原理圖

2.3 壓力傳感器

壓力傳感器安裝于商用車空氣處理系統(tǒng)的儲氣筒瓶身。根據(jù)瓶身接口要求,本文采用3682610-C0100壓力傳感器。該傳感器工作溫度為-40～+85 ℃、電源電壓為5 V、工作壓力范圍為0～1.6 MPa。其壓力測量范圍符合系統(tǒng)設計需求。該傳感器的壓力測量結果由車輛儀表控制器接收、處理并顯示。另外,車輛儀表還將實時向控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線發(fā)送壓力信號。在APU電控系統(tǒng)設計中,MCU通過接收該信號以獲得儲氣筒壓力數(shù)據(jù),并用于后續(xù)的處理和計算。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 再生體積控制方法

本文使用露點溫度估算方法計算得到儲氣筒中壓縮空氣的DPD,并根據(jù)DPD計算值與設定值的偏差對再生率進行實時調(diào)整。理論上,將DPD穩(wěn)定控制在干燥能力正常的范圍內(nèi),即可在保證制動性能的同時盡可能減少成品氣的消耗。通過降低用于反吹再生的成品氣體積Vreg,即可降低再生率。商用車APU干燥器屬于無熱再生干燥器,再生率R(%)為:

(1)

式中:Vgov為單次泵氣泵入的壓縮空氣體積,L。

Vgov=tgov×VC×η

(2)

式中:tgov為泵氣時間,min;VC為壓縮機泵氣速度,L/min;η為壓縮機泵氣容積效率,%。

已知空氣壓縮機轉速、儲氣筒壓力和空氣壓縮機性能曲線圖,通過泵氣時間、車輛轉速和儲氣筒壓力可以計算經(jīng)過干燥罐的壓縮空氣體積。因此,使用電子控制設定再生率即可對再生氣體積進行控制。

3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

閉環(huán)控制系統(tǒng)可以持續(xù)適應系統(tǒng)變化,根據(jù)狀態(tài)偏差值對系統(tǒng)變量進行控制,以實現(xiàn)比開環(huán)控制更好的控制效果[8]。DPD估算方法的引入使商用車空氣處理系統(tǒng)從機械式的開環(huán)控制轉變成閉環(huán)控制。再生率控制實現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 再生率控制實現(xiàn)方式示意圖

圖4中,T、H、P分別表示傳感器獲取的溫度、相對濕度和壓力信息。

在APU的工作循環(huán)中,APU控制器通過估算和監(jiān)測再生后的DPD確定下一再生階段的再生率,使空氣處理系統(tǒng)產(chǎn)生的壓縮空氣的DPD保持相對穩(wěn)定。APU工作循環(huán)如圖5所示。

圖5 APU工作循環(huán)示意圖

圖5中:Pci為切進壓力;Pco為切斷壓力;Pre為再生結束后的儲氣筒壓力。

3.3 DPD計算

商用車空氣處理系統(tǒng)干燥能力的主要評價方法是測量系統(tǒng)DPD。DPD測量通常需要拆卸干燥罐進行定期檢測、離線檢測,由測試臺架完成。這類測試臺架通過自身設備產(chǎn)生高壓、潮濕的空氣,裝置繁多、操作復雜。測試臺架直接使用露點儀測量DPD。露點傳感器成本高、抗惡劣環(huán)境能力較弱,并不適用于商用車空氣處理系統(tǒng)這類復雜環(huán)境條件。

高壓DPD估算原理如圖6所示。

圖6 高壓DPD估算原理示意圖

車載傳感器通常不僅要滿足易集成、低成本的要求,還要滿足車輛復雜運行環(huán)境的需求[9-10]。因此,本文在APU電控系統(tǒng)中考慮采用溫濕度傳感器和壓力傳感器,通過壓力、溫度、相對濕度估算露點溫度,從而實現(xiàn)對DPD的估算。

3.3.1 常壓露點計算

Vogel-Tamma-Fulcher(VTF)方程可用于表示露點溫度隨溫度和濕度變化的關系[11]。為簡化計算過程、降低硬件計算負擔和軟件設計難度,本文對VTF方程進行合理改進。改進后的常壓露點溫度通過式(3)計算。

(3)

式中:η為濕空氣的常壓露點溫度;a、b為擬合系數(shù);T為濕空氣的絕對溫度,K。

a=A1×HB1

(4)

式中:H為相對濕度,%;A1、B1為擬合系數(shù),其值分別為A1=6.14、B1=0.014 79。

b=A2×HB2

(5)

式中:A2、B2為擬合系數(shù),其值分別為A2=-194.8和B2=0.07 267。

3.3.2 常壓露點和壓力露點的轉換

不同壓力下的水蒸氣分壓存在如式(6)所示的關系。

(6)

式中:P1和P2分別為常壓和某高壓值,MPa;Pv1和Pv2分別為P1和P2壓力下的水蒸氣分壓,Pa。

因此,通過水蒸氣分壓計算方程可以實現(xiàn)不同壓力下的露點溫度轉換。

Hyland-Wexler方程是較為精確的水蒸氣分壓計算方程[12]?？諝馓幚硐到y(tǒng)泵氣階段只考慮液態(tài)水的飽和壓力。計算液態(tài)水的水蒸氣分壓的Hyland-Wexler方程為:

(7)

式中:C1=5.800 220 6×103;C2=1.391 499 3;C3=0.486 402 39×10-1;C4=0.417 647 68×10-4;C5=-0.144 520 93×10-7;C6=6.545 967 3;Td為露點溫度,K;Pv為物質(zhì)的飽和壓力,Pa。

4 試驗

4.1 試驗平臺搭建

為驗證DPD估算在APU電控系統(tǒng)中的有效性,本文使用兩個55 L儲氣筒,以分別模擬某型商用車前后軸制動系統(tǒng)所使用的儲氣筒。其包含壓力傳感器和露點傳感器接口。露點傳感器接口用于安裝露點儀,以測量空氣處理系統(tǒng)的DPD值,從而為DPD計算提供對比數(shù)據(jù)。在APU部分:電磁閥外部掛載微控制器;儲氣筒進氣管路安裝溫濕度傳感器;溫濕度傳感器用于采集系統(tǒng)的溫濕度信號,以計算系統(tǒng)的DPD值。電動空氣壓縮機用于模擬發(fā)動機向空氣處理系統(tǒng)泵入壓縮空氣,調(diào)整泄壓閥模擬車輛制動,從而消耗儲氣筒的壓縮空氣。

APU電控系統(tǒng)試驗平臺如圖7所示。

圖7 APU電控系統(tǒng)試驗平臺

4.2 系統(tǒng)性能參數(shù)分析

4.2.1 DPD

引入DPD信息后,APU控制器可實時監(jiān)測DPD并將DPD作為再生電磁閥單回路控制系統(tǒng)的控制依據(jù)。機械式APU和電控式APU的DPD對比如圖8所示。

圖8 機械式APU和電控式APU的DPD對比

對比結果表明,機械式APU的DPD數(shù)值較大,成品氣干燥程度更高;另外,機械式APU的DPD波動范圍較大,而針對DPD對APU進行控制可以使DPD穩(wěn)定在預設值25 ℃左右。

4.2.2 再生率和負荷率

為測試APU電子控制系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)控制方法的性能,試驗在相同工況下分別對機械式和電子控制式APU進行工況模擬測試。試驗平臺的切進壓力為(1.00±0.02)MPa、切斷壓力為(1.20±0.02)MPa、儲氣筒總容積為110 L。試驗平臺安裝的空氣干燥罐使用里程小于2 000 km,干燥性能良好。其中:機械式APU使用的再生閥由時間開關控制;電控式APU的再生閥根據(jù)DPD值進行控制。

通過對試驗平臺電動泵氣裝置的轉速控制,本文采用APU模擬中國重型商用車瞬態(tài)循環(huán)(China world transient vehicle cycle,C-WTVC)工況,分別進行三輪模擬試驗。APU性能測試結果如表1所示。

表1 APU性能測試結果

機械式APU再生閥通過時間開關控制。其每次再生過程用于反吹的成品氣體積幾乎恒定。R隨耗氣量增大而減小。電控APU的再生率基本與耗氣量保持正比例關系。試驗結果表明,對DPD進行控制的電控APU平均再生率約為11.8%,遠低于機械式APU的平均再生率15.9%。由于用于再生的成品氣消耗降低,空氣壓縮機負荷率降低約3%。

5 結論

本文針對商用車空氣處理系統(tǒng)的DPD監(jiān)測和控制問題,提出了一種高壓DPD的計算方法,并基于此方法設計了一種商用車APU電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)空氣處理系統(tǒng)DPD實時監(jiān)測。經(jīng)試驗驗證,該DPD計算方法精確度滿足系統(tǒng)設計和應用需求。該系統(tǒng)在保證APU干燥性能的前提下,使DPD穩(wěn)定在25 ℃左右,實現(xiàn)了對空氣處理系統(tǒng)DPD的有效控制。DPD控制使系統(tǒng)再生率降低約4%、空氣壓縮機的負荷率降低約3%。通過減少總泵氣量,減少了空氣壓縮機的功率消耗、提升了系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性、降低了APU干燥罐的工作強度、提高了系統(tǒng)零部件的耐久性。