商用車電控空氣干燥器系統仿真分析及應用

呂征 李淼 張煉 馬明武 李法兵

（1.東風商用車技術中心，武漢 430056；2.一汽解放汽車有限公司，長春 130011）

1 前言

空氣干燥器是商用車氣壓制動系統的關鍵總成，可利用內部分子篩去除壓縮空氣中的水分，確保制動系統獲得潔凈的壓縮空氣，并能對制動系統進行氣壓調節，保證車輛行駛過程中制動系統獲得足夠的安全制動氣壓。

干燥器類型主要包括機械干燥器和電控干燥器。機械干燥器成本相對較低且便于維修保養。2001 年以來，國際主流商用車制造商開始應用電控干燥器。目前，國內電控干燥器僅在客車、新能源車領域及部分載貨汽車上小批量應用，仍處于技術探索儲備階段，電控干燥器與機械干燥器的性能和功能差異尚待深入研究。

本文以再生氣耗比作為干燥效能的評價指標，建立電控干燥器仿真分析模型，探索電控干燥器性能優勢，最后闡述電控干燥器在節省燃油、預見性維修及故障診斷等方面的功能特點。

2 電控干燥器原理及效能評價指標

2.1 電控干燥器閥體基本構成

機械干燥器和電控干燥器基本外形類似，如圖1、圖2所示。

圖2 電控干燥器

機械干燥器主要由氣閥殼體、干燥筒（內有分子篩吸附劑）、調壓閥、再生閥組成，如圖3所示。空氣壓縮機輸出的壓縮空氣經干燥器進氣口進入干燥器，流經干燥筒內部分子篩吸附劑，分子篩吸附壓縮空氣中的水分子后，壓縮空氣經干燥器出氣口進入制動系統貯氣筒。貯氣筒氣壓達到卸荷壓力時，調壓閥氣路打開，卸荷閥工作，此時卸荷氣壓下降，再生閥開啟，貯氣筒內壓縮空氣流經再生閥再生節流孔對干燥筒內的干燥劑進行反吹，再生壓縮空氣經卸荷閥排出。

圖3 機械干燥器結構示意

電控干燥器與機械干燥器的區別是其卸荷和再生過程實現電子控制，以簡易式電控干燥器為例，如圖4所示，主要在機械干燥器基礎上將調壓閥和再生閥替換為2 個兩位三通電磁閥，利用控制器控制電磁閥。

圖4 簡易式電控干燥器結構示意

機械式干燥器的卸荷壓力和再生空氣量固定（例如卸荷壓力為1.2 MPa，根據貯氣筒容積，其再生空氣量為30～60 L），且隨內部機械螺旋彈簧的老化發生衰減。電控干燥器取消了機械調壓閥和再生閥的彈簧，采用電磁閥控制，能夠根據需要調整卸荷壓力和再生空氣量，耐久性更強。

2.2 系統構成及控制功能實現

電控干燥器需要與車輛其他零件總成進行連接和通信，從而實現控制功能，如圖5 所示，其中空氣壓縮機、貯氣筒等與機械式干燥器相同。電控干燥器由底盤模塊（Chassis Input/Output Module，CIOM）控制，CIOM利用氣壓傳感器獲取制動系統氣壓，通過控制器局域網（Controller Area Network，CAN）總線獲取車速、發動機轉速等狀態，實現不同工況干燥器卸荷和再生的智能化控制。多種工作狀態的轉換如圖6所示。車輛狀態包含正常行駛控制模式（Normal 行駛狀態）、下坡及滑行控制模式（OverRun 行駛狀態）、加速行駛控制模式（OverTake行駛狀態）、高耗氣控制模式（HighCon 行駛狀態），其他狀態均為車輛靜止時的狀態。無論電控干燥器處于何種工作模式，應確保貯氣筒在足夠制動氣壓下能夠卸荷，通過再生為制動系統提供干燥潔凈的壓縮空氣。

圖5 電控干燥器與整車的連接及通信

圖6 電控干燥器不同工作狀態及功能轉化

2.3 干燥效能評價

干燥器內部的分子篩吸附劑的再生是吸附的逆過程，需消耗部分壓縮空氣并滿足完全再生原則。完全再生的目的是將吸附劑的表面活化能恢復到吸附前的水平，確保分子篩再次具備干燥效能。水分吸附量一定時，再生能耗存在下限，分子篩吸附劑的實際再生能耗不能低于下限，否則會出現再生不全的情況，影響干燥效能。

分子篩完全再生，最低再生氣耗vmin為[1]：

式中，V為單位時間流入干燥器的壓縮空氣流量；d0為進氣狀態壓縮空氣的絕對含水量；d為再生氣排氣狀態下的絕對含水量；T為工作半周期。

根據最小氣耗原則，在能夠克服吸附劑阻力的情況下，再生氣壓力應盡可能接近大氣壓，使相同溫度下空氣飽和含水量更多，最小再生氣耗比Ψmin為：

式中，dout為卸荷狀態飽和壓縮空氣的絕對含水量；dreg為再生狀態飽和空氣排氣狀態下的絕對含水量。

不同氣壓條件下飽和空氣含水量如表1所示（以22 ℃室溫為例）。考慮車輛分子篩使用過程中的吸附能力衰減，引入安全系數δ，則最小再生氣耗比Ψ′min=δΨmin，得出不同卸荷壓力（一般取相對壓力）下分子篩的最小再生氣耗比Ψ′min，如圖7 所示[2]。為使分子篩足夠的再生能力，需確保再生氣耗比Ψ≥Ψ′min。

表1 不同氣壓條件下飽和空氣含水量（22 ℃）

圖7 不同卸荷壓力下的分子篩最小再生氣耗比

針對同一干燥分子篩，以再生氣耗比Ψ作為干燥效能評價指標，Ψ越大，分子篩吸附能力越強，即干燥效能越強。

3 電控干燥器控制仿真模型建立

3.1 干燥器工作過程簡化分析

車輛行駛過程中，空氣壓縮機泵氣的同時隨整車制動過程不斷耗氣，干燥器調壓閥處于切斷和切入交替工作狀態，貯氣筒壓力在切斷壓力Pout和切入壓力Pin間循環，為簡化分析，取工作周期T′分析，如圖8所示。

圖8 干燥器工作周期

貯氣筒壓力由Pin提高到Pout過程中，設Tpump為泵氣時間、QC為空氣壓縮機泵氣體積流量，流經干燥器的空氣體積Vpump為：

達到卸荷壓力Pout后，干燥器進行再生反吹，直至再生終止，貯氣筒壓力達到Preg,end。假定再生空氣體積為Vreg，得到干燥器空氣再生氣耗比Ψ為：

3.2 再生節流孔模型

干燥器再生控制的關鍵在于用于反吹再生的空氣量，再生空氣量主要由再生節流孔流量及再生時間決定。

干燥器內部再生節流孔可以視為氣壓傳動動力學中的容器噴嘴流動模型，如圖9所示，容器可以視為貯氣筒，噴嘴處空氣流動可以視為干燥器再生節流孔的流量特性。

圖9 容器噴嘴模型[3]

噴嘴空氣流量模型存在以下關系：

式中，ωe、ω0分別為容器節流孔處和容器內空氣的流速；pe、p0分別為容器節流孔處和容器內的氣壓；Te、T0分別為容器節流孔處和容器內空氣的溫度；ρe、ρ0分別為容器節流孔處和容器內壓縮空氣的密度；R為理想氣體熱力學常數；k為理想氣體比熱容比。

容器內的截面積遠大于節流口處的截面積，流速ω0視為0，故有[4]：

節流口氣體質量流量Qm為：

式中，Ae為再生節流孔面積。

考慮到：

故節流口氣體質量流量Qm為：

式中，μ為流量系數（μ＜1，由試驗確定）。

對壓強比求導，令導數為0，可得最大體積流量Qvmax為[4]：

節流口氣體體積流量Qv為：

因此，再生空氣體積Vreg為：

3.3 電控干燥器系統控制仿真分析模型

根據車輛空氣壓縮機排量、貯氣筒容積、電控干燥器及整車耗氣量建立電控干燥器系統仿真模型，如圖10所示。

圖10 電控干燥器系統仿真模型

基于式（3）和式（4）建立電控干燥器調壓電磁閥和再生電磁閥仿真模型，基于式（7）和式（11）建立電控干燥器內部再生節流孔空氣流量和再生空氣體積仿真模型。該模型針對空氣壓縮機泵氣和干燥器再生狀態下流經干燥器空氣量的累計計算分析，結合多種工作模式轉換，實現干燥器電控再生功能的智能穩態控制。

通過修改參數設置，該模型可適用于機械式干燥器系統仿真分析。

4 電控干燥器仿真分析及實際應用

4.1 電控干燥器效能分析

受車輛行駛路況的影響，整車各總成用氣頻次不同，導致耗氣量存在差別（如涉及制動、離合器操縱、后處理等），根據實際行駛過程的耗氣量統計結果，高速工況下耗氣量一般小于60 L/min，普通國道、山區工況下耗氣量為60～160 L/min，特殊國道、山區工況下耗氣量大于160 L/min。對機械式干燥器和電控式干燥器進行仿真分析（發動機轉速為1 300 r/min），直至系統達到平衡狀態。

不同耗氣量條件下的再生氣耗比如圖11 所示，機械干燥器的干燥效能在低耗氣量條件下較為突出，隨著耗氣量的增大，機械干燥器的再生氣耗比不斷減小，耗氣量超過160 L/min 時無法滿足最小再生氣耗比12%的要求，即分子篩已經不能完全再生，干燥筒存在失去干燥作用的風險。而電控式干燥器的再生氣耗比恒定為12%（不低于最小臨界值），干燥罐不存在失去干燥作用的風險。

圖11 平衡狀態下2種干燥器再生氣耗比

不同耗氣量下的再生空氣量如圖12所示，機械干燥器在低耗氣量條件下的再生空氣量大于電控干燥器的再生空氣量，耗氣量增加到160 L/min 時，機械干燥器的再生空氣量達到上限，但電控干燥器再生空氣量仍可繼續增加。

圖12 平衡狀態下2種干燥器再生空氣量

上述結果表明，電控干燥器的干燥效能穩定，再生空氣量可隨整車耗氣量的增加進行自適應調整，確保再生氣耗比恒定。

4.2 模擬實際道路的電控干燥器模式仿真

考慮到山區道路行駛路況條件苛刻，以實際道路車輛行駛狀態作為仿真輸入，包括制動頻次、發動機轉速、發動機扭矩，如圖13所示。

圖13 某山區海拔路況實際信號采集

從貯氣筒氣壓為0 時開始泵氣，直到干燥器卸荷，然后車輛開始行駛，如圖14 所示。隨貯氣筒氣壓變化，電控干燥器控制模式自動切換，如圖15 所示，開始時處于HighCon 模式，隨后根據需求先后進入Normal 模式、OverRun 模式及OverTake 模式，由于初始階段空氣壓縮機泵氣流經干燥器的空氣較多，為保證分子篩恢復足夠的再生能力，電控干燥器的再生空氣量明顯高于機械干燥器，如圖16所示。

圖14 貯氣筒氣壓變化

圖15 電控干燥器控制模式狀態變化

圖16 不同干燥器再生空氣量差異比較

貯氣筒氣壓為990 kPa 時開始泵氣，達到干燥器卸荷，然后車輛開始行駛，如圖17 所示。初始階段沒有大量壓縮空氣流經干燥器，因此，電控干燥器全過程并未進入HighCon 模式，僅在Normal 模式、OverRun模式及OverTake模式間切換，如圖18所示。電控干燥器并不需要較大的再生空氣量進行分子篩再生，再生空氣量明顯低于機械干燥器，如圖19 所示。

圖17 貯氣筒氣壓變化

圖18 電控干燥器控制模式狀態變化

圖19 不同干燥器再生空氣量差異比較

5 電控干燥器優勢

5.1 避免制動管路結冰

由于機械式干燥器干燥劑再生不充分容易導致貯氣筒產生積水，積水進入制動閥和輪邊制動氣室，冬季時管路容易結冰造成制動失效。電控干燥器憑借穩定的干燥效能，可有效避免制動系統積水結冰，實際測量結果如圖20 所示，與機械干燥器相比，電控干燥器對應的貯氣筒露點降更大（即貯氣筒濕度更低），且露點降相對機械干燥器更為穩定（即干燥效能相對穩定），與仿真結果相吻合。

圖20 電控干燥器與機械干燥器的貯氣筒露點降對比

在北方寒冷地區，匹配機械干燥器的車輛熄火后經常存在空氣壓縮機排氣鋼管內部儲存高濕度壓縮空氣的情況，車輛再次起動時因鋼管內部結冰導致空氣壓縮機泵氣受阻，進而使車輛無法起步，如圖21 所示。電控干燥器控制器在車輛熄火之后仍可對干燥器進行強制卸荷和再生，排盡空氣鋼管內部潮濕的壓縮空氣，防止空氣鋼管結冰堵塞。

圖21 北方用戶冬季空氣壓縮機排氣鋼管內部結冰

5.2 降低油耗

電控干燥器的節能功能表現在2 個方面：一是其根據干燥劑的飽和狀態，僅在必要條件下進行再生，相比傳統干燥器每次卸荷時均進行反吹，減小了再生次數，即減少車輛耗氣量，減少了空氣壓縮機泵氣功率損耗；二是發動機扭矩為零或負值時（例如下坡、平路滑行和制動等工況條件下），如圖22 所示，電控干燥器提高切斷壓力和切入壓力，將車輛勢能和動能轉化為空氣壓縮機泵氣的功率消耗，百公里燃油消耗量可降低約0.35 L[5]。

圖22 空壓機優先泵氣階段示意

5.3 預見性維修及保養

電控干燥器能夠記錄流經干燥罐的空氣量和更換日期，即需要更換干燥罐時，能夠自動檢測并在組合儀表上顯示，確保制動安全性。

5.4 診斷及故障描述

電控干燥器具有故障自診斷和顯示功能，報警系統監控電子、機械系統失效情況，通過罩殼上的指示報警燈顯示，通過安全保護系統防止電子、機械系統失效所帶來的損失[6]。

6 結束語

本文介紹了電控干燥器的工作原理，提出基于再生氣耗比的干燥效能評價方法。通過建立仿真模型，證明了電控干燥器相對機械干燥器干燥效能更穩定，貯氣筒濕度的實車測試結果表明，電控干燥器的干燥性能優于機械干燥器，最后，闡述了電控干燥器在制動安全性、燃油經濟性、維修保養方面的優勢。后續可結合硬件在環仿真試驗臺架進行參數優化和故障模式開發，縮短電控干燥器參數標定及驗證周期。