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

(中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林長春 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

(中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林長春 130011 )

國內商用車貯氣筒普遍存在積水問題，結合分子篩吸附原理推導不同氣壓條件下的最小再生率，根據干燥罐調壓閥工作特性，提出將空氣再生氣耗比作為分子篩干燥主要參數并兼顧空壓機負荷率的匹配方法。經實際驗證，該方法可用來解決貯氣筒積水問題，為制動系統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；空壓機負荷率

0 引言

國內外商用車普遍采用壓縮空氣實施車輛制動，如壓縮空氣不夠干燥，容易導致貯氣筒積水或管路結冰，影響制動閥體的正常工作，車輛行駛存在安全隱患。目前壓縮空氣干燥系統主要采用干燥罐，某些工況由于空壓機負荷率、干燥劑再生氣耗比或維修保養不及時等客觀原因，空氣干燥器性能下降，甚至不起任何干燥的作用，此時單純由干燥器排水不能確保將氣體中的水及時排出[1]，司機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。作者根據干燥罐分子篩吸附水分原理推導出不同卸荷壓力條件下的空氣再生氣耗比，結合貯氣筒容積、整車耗氣量等參數并考慮空壓機負荷率，提出合理匹配方法，解決貯氣筒積水問題，為商用車產品開發過程的分子篩干燥再生控制技術提供參考。

1 壓縮空氣干燥技術

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中，干燥劑不能重復使用。分子篩式干燥劑結構中有規律而均勻的孔道，特點為將水吸附在其孔徑從而對通過的空氣進行干燥，一定條件下水分可重新析出并恢復干燥能力，因而在汽車行業得到廣泛應用。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構，并含有電價較低而離子半徑較大的金屬離子，骨架結構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碼按晶體結構不同進行分類(如表1所示)。目前汽車行業普遍采用3A分子篩(其結構如圖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竄油產生的烯烴化合物在分子篩孔道內部結焦，從而影響分子篩的壽命。分子篩吸附水分屬于物理過程，當吸附水分達到飽和，應解吸再生，恢復分子篩的吸附能力。吸附效果的優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分子篩結構

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：大氣環境下的自由空氣被空壓機壓縮為高壓空氣，水蒸氣分壓力得到提高，而分子篩表面水蒸氣分壓力相對較低，在高壓空氣流經干燥劑時，水分從高壓空氣轉向分子篩，分子篩表面的分壓力逐漸增加并達到平衡，這就是吸附過程，即干燥過程；當干燥空氣向大氣噴射降壓，水蒸氣分壓力相應降低，遇到水蒸氣分壓力高的吸附表面時，水分便會從分子篩轉向再生空氣，分子篩表面水蒸氣的分壓力逐漸降低并達到平衡，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壓閥一體式結構，目前較簡單的為再生筒式空氣干燥器，它利用調壓閥卸荷排氣的動作過程，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，實現分子篩的再生活化[3]。

干燥過程：如圖3所示，空壓機泵氣時空氣經1口進入A腔，向上流經濾網g、環道h，到達干燥筒上部，然后向下流經干燥劑分子篩，水分被吸附在粒狀分子篩表面及顆粒之間。干燥后的空氣經單向閥c和21口抵達貯氣筒，同時經節流口和22口到達再生筒。

干燥罐壓力調壓控制：壓縮空氣經通孔I到達D腔并作用膜片m，達到切斷壓力時克服彈簧力并打開閥口n進入B腔，作用于活塞d并向下移動打開排氣口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。隨著車輛制動過程的空氣消耗，21口氣壓下降達到切入壓力，這時無法克服彈簧力導致閥口n關閉，B腔壓力下降，排氣閥口e關閉，A腔空氣重新經環道h流經干燥劑進行干燥。

再生控制：如圖4所示,由于調壓閥壓力調節作用，達到切斷壓力時，A腔內空氣經通道C排入大氣，G腔內壓力跟著下降，單向閥c關閉。22口再生筒壓力為切斷壓力，高壓空氣由22口經節流口流入進入G腔，向上流經干燥劑b，將干燥劑水分經環道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較小，這里視為恒溫狀態。

完全再生時，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，吸附過程中當分子篩邊界壓縮空氣達到飽和時不再吸附水分，再生過程中分子篩邊界排氣空氣達到飽和狀態時也不再析出水分。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進行分析。

飽和狀態下流經干燥罐的空氣量為

Vflow=v·T

(2)

因此可得理論最小再生氣耗比

(3)

根據絕對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(一般取相對壓力)干燥罐分子篩最小再生氣耗比(見圖5)，數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 空氣干燥系統分析及評價

3.1 分析及簡化

車輛正常行駛過程中，空壓機泵氣同時伴隨整車制動過程不斷耗氣，干燥罐調壓閥不斷處于切斷和切入工作狀態，因此貯氣筒壓力在切斷壓力pout和切入壓力pin之間進行循環，并且每次達到切斷壓力時系統都會再生直至壓力preg,end。為了簡化分析和計算，取一個工作周期T′，如圖6所示。

圖6 干燥器工作周期

空氣壓縮機排氣流量為

QC=VC·n·i·η·0.001

(4)

式中：VC為單次壓縮容積；n為發動機轉速；i為齒輪速比；η為容積效率。

貯氣筒壓力由pin達到pout，干燥罐內置單向閥背壓為pback，那么泵氣時間為

(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。

對應空壓機泵氣量為

Vpump=Tpump·QC

(6)

假定再生空氣量為Vreg，完全再生耗盡Vreg的時間為Treg,total，得再生結束時的貯氣筒壓力

(7)

考慮平均再生流量Qreg，那么再生時間為

(8)

剩余等待時間為

(9)

3.2 計算結果評價

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

(10)

車輛空氣處理系統由干燥器和空壓機兩部分組成，在考慮分子篩再生時，將空壓機負荷率考慮在內

(11)

目前空壓機多匹配ESS節能機構，即達到干燥罐切斷壓力時實現內部卸荷并不再泵氣，一方面可以降低功率能耗，另一方面有效防止負荷率過高導致竄油量增加。一般要求空壓機負荷率λ≤35%[5]。

4 應用實例

某6×4牽引車用戶反饋貯氣筒經常出現積水(如圖7)，該車輛從事石子砂粒運輸，路段主要為城鎮鄉村道路，彎道行駛較多,剎車使用相對頻繁。采集車輛該行駛路段貯氣筒及空壓機出氣管路氣壓信號(如圖8)，經分析計算，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 貯氣筒及空壓機出氣管路氣壓實測數值

根據該樣車整車相關參數(如表4所示)，計算該卸荷壓力條件下的再生氣耗比和空壓機負荷率(如圖9和圖10所示)，隨耗氣量增加，再生氣耗比降低，空壓機負荷率增加。針對該樣車此路段行駛條件，40 L再生空氣量對應的氣耗比為13.9%，稍低于最小分子篩再生率14.6%要求，導致干燥劑再生不足，貯氣筒出現積水。

表4 整車相關參數

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負荷率

增大再生空氣量可保證分子篩足夠再生，但同時會增加空壓機負荷率(如表5所示，再生空氣量56 L對應空壓機負荷率35%)。將再生氣量增大至48 L，分子篩既能恢復干燥能力(再生氣耗比為16.8%)，同時空壓機負荷率不超35%(負荷率為33.8%)。改進之后，經用戶驗證貯氣筒積水問題不再出現。

表5 再生空氣量改進前后的數據對比

5 結束語

在干燥罐分子篩及調壓閥原理基礎上，提出商用車空氣干燥器的干燥及再生匹配評價方法，結合用戶貯氣筒積水問題解決實例進行驗證。該方法便于針對特殊工況條件選擇制動系統零部件總成關鍵參數(例如空壓機排氣容積、貯氣筒容積、干燥罐卸荷及再生壓力等)。

[1]馬少民,蔡曉娟.城市客車制動管路結冰問題的研究[J].汽車工程師，2010(8)：18-20.

MA S M,CAI X J.Research on Brake Pipeline Freezing Problems of City Bus[J].Auto Engineer,2010(8)：18-20.

[2]王鮮艷.車用空氣干燥器分子篩及其再生的探討[J].科學與財富，2014(6)：35-36.

[3]張峰.重型汽車用空氣干燥器[J].重型汽車，1996(6)：39-41.

[4]蘇勇.陜汽壓縮空氣系統節能技術研究[D].西安：西安石油大學，2014.

[5]王小飛.重卡制動空氣處理系統研究[J].汽車實用技術，2014(2):61-64.

WANG X F.Research on Air Handing System of the Heavy Truck Braking[J].Automobile Technology,2014(2):61-64.

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，專業方向為車輛工程。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