浅析商用车分子筛干燥及再生匹配方法

吕征,杨冠华,刘兆英,马明武,李法兵

(中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林长春 130011 )

浅析商用车分子筛干燥及再生匹配方法

吕征,杨冠华,刘兆英,马明武,李法兵

(中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林长春 130011 )

国内商用车贮气筒普遍存在积水问题，结合分子筛吸附原理推导不同气压条件下的最小再生率，根据干燥罐调压阀工作特性，提出将空气再生气耗比作为分子筛干燥主要参数并兼顾空压机负荷率的匹配方法。经实际验证，该方法可用来解决贮气筒积水问题，为制动系统压缩空气的分子筛干燥及再生控制提供参考。

分子筛；再生气耗比；空压机负荷率

0 引言

国内外商用车普遍采用压缩空气实施车辆制动，如压缩空气不够干燥，容易导致贮气筒积水或管路结冰，影响制动阀体的正常工作，车辆行驶存在安全隐患。目前压缩空气干燥系统主要采用干燥罐，某些工况由于空压机负荷率、干燥剂再生气耗比或维修保养不及时等客观原因，空气干燥器性能下降，甚至不起任何干燥的作用，此时单纯由干燥器排水不能确保将气体中的水及时排出[1]，司机一般只能短期更换干燥罐确保行车安全，没有根本解决积水问题。作者根据干燥罐分子筛吸附水分原理推导出不同卸荷压力条件下的空气再生气耗比，结合贮气筒容积、整车耗气量等参数并考虑空压机负荷率，提出合理匹配方法，解决贮气筒积水问题，为商用车产品开发过程的分子筛干燥再生控制技术提供参考。

1 压缩空气干燥技术

1.1 分子筛干燥

一般空气干燥剂有吸附式和分子筛式两种。吸附式干燥剂直接将水分吸附到干燥剂当中，干燥剂不能重复使用。分子筛式干燥剂结构中有规律而均匀的孔道，特点为将水吸附在其孔径从而对通过的空气进行干燥，一定条件下水分可重新析出并恢复干燥能力，因而在汽车行业得到广泛应用。车用分子筛如图1所示。分子筛主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，并含有电价较低而离子半径较大的金属离子，骨架结构形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔连接，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔径直径小的分子吸附到孔穴的内部，而把孔穴大的分子排斥在外，即具有“筛分”分子的作用，所以称为分子筛。

图1 车用分子筛

按照硅铝比的不同，分子筛分为A型、X型和Y型等，根据分子筛有效孔径，如0.3、0.4、0.5、0.8 nm等，一般分子筛常用前缀数码按晶体结构不同进行分类(如表1所示)。目前汽车行业普遍采用3A分子筛(其结构如图2所示)，由于它只吸附裂解气中的水分子，不吸收较大的烃类分子(如C2H6、C2H4、C3H6等，如表2所示)，因而可避免空气压缩机窜油产生的烯烃化合物在分子筛孔道内部结焦，从而影响分子筛的寿命。分子筛吸附水分属于物理过程，当吸附水分达到饱和，应解吸再生，恢复分子筛的吸附能力。吸附效果的优劣常常取决于分子筛再生是否完全。

表1 分子筛类型划分

图2 3A分子筛结构

表2 不同分子临界直径

商用车使用的分子筛一般采用变压吸附等温再生控制方法。其一般原理为：大气环境下的自由空气被空压机压缩为高压空气，水蒸气分压力得到提高，而分子筛表面水蒸气分压力相对较低，在高压空气流经干燥剂时，水分从高压空气转向分子筛，分子筛表面的分压力逐渐增加并达到平衡，这就是吸附过程，即干燥过程；当干燥空气向大气喷射降压，水蒸气分压力相应降低，遇到水蒸气分压力高的吸附表面时，水分便会从分子筛转向再生空气，分子筛表面水蒸气的分压力逐渐降低并达到平衡，使吸附剂得到干燥，这就是脱附(再生)过程[2]。

1.2 空气干燥器

空气干燥器采用与卸荷调压阀一体式结构，目前较简单的为再生筒式空气干燥器，它利用调压阀卸荷排气的动作过程，使再生贮气筒(附加装置)中的干燥压缩空气反向通过干燥剂，将干燥剂表面吸收的水分带走并排入大气，实现分子筛的再生活化[3]。

干燥过程：如图3所示，空压机泵气时空气经1口进入A腔，向上流经滤网g、环道h，到达干燥筒上部，然后向下流经干燥剂分子筛，水分被吸附在粒状分子筛表面及颗粒之间。干燥后的空气经单向阀c和21口抵达贮气筒，同时经节流口和22口到达再生筒。

干燥罐压力调压控制：压缩空气经通孔I到达D腔并作用膜片m，达到切断压力时克服弹簧力并打开阀口n进入B腔，作用于活塞d并向下移动打开排气口e，于是A腔空气直接排入大气，确保21口和22口压力不再升高。随着车辆制动过程的空气消耗，21口气压下降达到切入压力，这时无法克服弹簧力导致阀口n关闭，B腔压力下降，排气阀口e关闭，A腔空气重新经环道h流经干燥剂进行干燥。

再生控制：如图4所示,由于调压阀压力调节作用，达到切断压力时，A腔内空气经通道C排入大气，G腔内压力跟着下降，单向阀c关闭。22口再生筒压力为切断压力，高压空气由22口经节流口流入进入G腔，向上流经干燥剂b，将干燥剂水分经环道h最终向下由排气口e排入大气。

图3 干燥过程 图4 再生过程

2 分子筛完全再生

干燥器卸荷及再生过程中，分子筛温度变化相对较小，这里视为恒温状态。

完全再生时，无热再生干燥器最低再生气耗Vmin可用下式求得[4]

(1)

由于分子筛的吸附及再生均属于物理过程，吸附过程中当分子筛边界压缩空气达到饱和时不再吸附水分，再生过程中分子筛边界排气空气达到饱和状态时也不再析出水分。为保证分子筛足够吸附能力和再生能力，考虑分子筛极限即饱和状态进行分析。

饱和状态下流经干燥罐的空气量为

Vflow=v·T

(2)

因此可得理论最小再生气耗比

(3)

根据绝对气压饱和空气含水量(以22 ℃室温为例，见表3)，得到不同卸荷压力(一般取相对压力)干燥罐分子筛最小再生气耗比(见图5)，数值随压力增大而减小。

表3 不同气压条件下饱和空气含水量(22 ℃)

图5 不同卸荷压力下的分子筛最小再生率

3 空气干燥系统分析及评价

3.1 分析及简化

车辆正常行驶过程中，空压机泵气同时伴随整车制动过程不断耗气，干燥罐调压阀不断处于切断和切入工作状态，因此贮气筒压力在切断压力pout和切入压力pin之间进行循环，并且每次达到切断压力时系统都会再生直至压力preg,end。为了简化分析和计算，取一个工作周期T′，如图6所示。

图6 干燥器工作周期

空气压缩机排气流量为

QC=VC·n·i·η·0.001

(4)

式中：VC为单次压缩容积；n为发动机转速；i为齿轮速比；η为容积效率。

贮气筒压力由pin达到pout，干燥罐内置单向阀背压为pback，那么泵气时间为

(5)

式中：Vsys为贮气筒容积；Vdry为干燥罐及管路容积；Quse为整车平均耗气量；Qleak为整车平均泄漏气量。

对应空压机泵气量为

Vpump=Tpump·QC

(6)

假定再生空气量为Vreg，完全再生耗尽Vreg的时间为Treg,total，得再生结束时的贮气筒压力

(7)

考虑平均再生流量Qreg，那么再生时间为

(8)

剩余等待时间为

(9)

3.2 计算结果评价

压缩空气到卸荷压力之后，贮气筒部分空气反向流经干燥罐进行再生反吹，得到空气再生气耗比

(10)

车辆空气处理系统由干燥器和空压机两部分组成，在考虑分子筛再生时，将空压机负荷率考虑在内

(11)

目前空压机多匹配ESS节能机构，即达到干燥罐切断压力时实现内部卸荷并不再泵气，一方面可以降低功率能耗，另一方面有效防止负荷率过高导致窜油量增加。一般要求空压机负荷率λ≤35%[5]。

4 应用实例

某6×4牵引车用户反馈贮气筒经常出现积水(如图7)，该车辆从事石子砂粒运输，路段主要为城镇乡村道路，弯道行驶较多,刹车使用相对频繁。采集车辆该行驶路段贮气筒及空压机出气管路气压信号(如图8)，经分析计算，干燥罐再生空气量为40 L，行驶路段平均耗气量Vuse为112 L/min，耗气量相对较大(高速公路耗气量一般不超过60 L/min)。

图7 贮气筒积水

图8 贮气筒及空压机出气管路气压实测数值

根据该样车整车相关参数(如表4所示)，计算该卸荷压力条件下的再生气耗比和空压机负荷率(如图9和图10所示)，随耗气量增加，再生气耗比降低，空压机负荷率增加。针对该样车此路段行驶条件，40 L再生空气量对应的气耗比为13.9%，稍低于最小分子筛再生率14.6%要求，导致干燥剂再生不足，贮气筒出现积水。

表4 整车相关参数

图9 不同再生空气量的再生气耗比

图10 不同再生空气量的空压机负荷率

增大再生空气量可保证分子筛足够再生，但同时会增加空压机负荷率(如表5所示，再生空气量56 L对应空压机负荷率35%)。将再生气量增大至48 L，分子筛既能恢复干燥能力(再生气耗比为16.8%)，同时空压机负荷率不超35%(负荷率为33.8%)。改进之后，经用户验证贮气筒积水问题不再出现。

表5 再生空气量改进前后的数据对比

5 结束语

在干燥罐分子筛及调压阀原理基础上，提出商用车空气干燥器的干燥及再生匹配评价方法，结合用户贮气筒积水问题解决实例进行验证。该方法便于针对特殊工况条件选择制动系统零部件总成关键参数(例如空压机排气容积、贮气筒容积、干燥罐卸荷及再生压力等)。

[1]马少民,蔡晓娟.城市客车制动管路结冰问题的研究[J].汽车工程师，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]王鲜艳.车用空气干燥器分子筛及其再生的探讨[J].科学与财富，2014(6)：35-36.

[3]张峰.重型汽车用空气干燥器[J].重型汽车，1996(6)：39-41.

[4]苏勇.陕汽压缩空气系统节能技术研究[D].西安：西安石油大学，2014.

[5]王小飞.重卡制动空气处理系统研究[J].汽车实用技术，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

吕征，男，硕士，专业方向为车辆工程。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