10.16638/jki.1671-7988.2018.20.058
吕征1，李法兵2，陈首刚2
（1.东风商用车技术中心，湖北武汉430056；2.一汽解放汽车有限公司商用车开发院，吉林长春130011）
摘要：电控空气干燥器在国内商用车领域尚属初始推广应用，文章介绍电控干燥器工作原理，以空气再生气耗比参数为基础，对机械式和电控式干燥器的再生控制进行理论分析，结合整车贮气筒压缩空气的露点降实例验证电控干燥器的干燥效果优于传统机械干燥器，总结电控干燥器在燃油经济性、安全性等技术优势，为商用车空气处理系统干燥器的技术提升提供指导依据。
关键词：电控干燥器；再生气耗比；干燥效果；露点降
中图分类号：U463 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)20-159-04
Properties and application of electronic controlled air dryer for commercial vehicles
Lv Zheng1, Li Fabing2, Chen Shougang2
（1.Dongfeng Commercial Vehicle Technology Center, Hubei Wuhan 430056;
2.Commercial Vehicle Development Institute of FAW Jiefang Automobile Co., Ltd., Jilin Changchun 130011 )
Abstract: Electric controlled air dryer has just begun to be applied to domestic commercial vehicle.This paper introduces the principle of electric controlled air dryer. Based on the air regenerated consumption ratio, the regeneration control of mechanical and electric controlled air dryers is theoretically analyzed. Combined with dew point reduction of compressed air in vehicle storage tank, the drying effect of electric controlled dryer is better than mechanical dryer. The electric drier has advantages in terms of fuel economy and safety. It provides guidance for technology improvement of drier for commercial vehicle air handling system.
Keywords: electric controlled dryer; air regenerated consumption ratio; drying effect; dew point depression
CLC NO.: U463 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)20-159-04
前言
空气干燥器用于商用车压缩空气的干燥源于20世纪80年代，目前国内普遍采用的干燥器仍然是20世纪90年代中期引入的机械式干燥器，其成本相对低且维修保养方便，在国内一直得到广泛应用。自2001年以来，沃尔沃、奔驰、斯堪尼亚等主流商用车先后推广和应用电控式干燥器，引领制动系统发展和应用。进口商用车近年来在国内物流市场的不断涌入，系统总成的性能稳定性及可靠性已成为国内商用车发展的新方向，电控干燥器逐渐引起国内商用车的注意，目前仅在客车及新能源领域小批量投放市场，在卡车市场正在尝试推广和应用。
针对电控干燥器，目前国内零部件及整车厂主要处于摸索阶段，对于电控干燥器与传统干燥器的性能差异性，几乎均未进行深入研究。本文基于再生气耗比参数对干燥器分子筛的干燥及再生性能分析评价，通过对比分析贮气筒的湿度露点降，表明电控干燥器的干燥性能明显优于机械干燥器，同时介绍电控干燥器其他功能，为其今后在国内商用车市场推广应用提供指导。
作者简介：吕征，工作单位：东风商用车技术中心；学位：硕士研
究生；职称：工程师；研究方向：商用车制动系统匹配。
159
汽车实用技术
160
图1 机械干燥器图2 克诺尔电控干燥器EAC1.0
1 电控干燥器工作原理
1.1 电控干燥器结构原理
传统空气干燥器主要由气阀壳体、干燥筒、调压阀、再生阀等组件组成，调节气压靠机械式调压阀来实现（如图3所示），当贮气筒气压达到切断压力时调压阀打开保证干燥罐压力卸荷，同时再生阀打开，利用贮气筒内压缩空气，通过节流孔对干燥筒内的干燥剂进行反吹，使干燥剂恢复再生能力。
电控干燥器主要包括分体式和集成式两种，其对干燥罐控制原理基本相同（如图4和图5所示）。分体式电控干燥器主要在原有机械干燥器基础上将调压阀和再生阀换成两个电磁阀代替，由于分体式电控干燥器本身没有控制器，因此需要整车控制器VCU或ABS控制器等其他控制器实现对电磁阀的控制。对于复合式电控干燥器，除调压和再生两个电磁阀之外，集成有多个回路压力传感器和电控单元ECU，根据各回路的压力信号，ECU实现对两个电磁阀的控制，集成度相对较高。目前集成式电控干燥器主要在欧洲市场应用较广，分体式电控干燥器在北美市场得到应用。
图3 机械干燥器
图4 分体式电控干燥器
电控干燥器与传统干燥器的最大区别是卸荷和再生过程都实现了电子控制，内部包括调压和再生两个电磁阀，分别执行卸荷压力控制和再生控制。以分体式电控干燥器为例，默认状态来自空压机的高压空气流经单向阀然后再由21口流向贮气筒，达到系统切断压力时调压电磁阀（两位三通）接通，高压空气流经该电磁阀并且分成两支，分别用于4口控制空压机卸荷和控制卸荷阀打开。卸荷状态条件下，如需对干燥罐进行再生则对再生电磁阀（两位两通常开式控制）供电，这时贮气筒高压空气反向流经再生电磁阀、节流孔、干燥筒和卸荷阀，实现对干燥剂的反吹再生。
图5 集成式电控干燥器
1.2 整车通讯及协同控制
电控干燥罐对于自身干燥和再生过程表现为：空气压缩机、贮气筒、干燥器的原有机械管路连接部分保持不变（如图6所示），电控干燥罐控制器ECU根据贮气筒压力传感器信息，结合空压机工作状态和流经干燥器分子筛的空气量，对卸荷电磁阀和再生电磁阀采用PWM控制，从而实现不同工况条件下对应不同卸荷压力和再生空气量的智能控制。
图6 电控干燥器连接及通讯
图7 电控干燥器不同工作状态转化
如图6所示，电控干燥器ECU通过CAN网络通讯平台根据车辆当前发动机ECU、变速箱TCU等状态（车速、油门、空挡开关等），实现不同条件下工作状态的转化，包括启动辅助、停车怠速、快速充气等（如图7所示），协同空压机及发
吕征 等：商用车电控空气干燥器性能研究及应用
161
动机参与工作，保证干燥罐正常卸荷和再生的同时，降低发动机功率消耗、提升发动机动力等。
2 电控干燥器再生性能分析及评价
2.1 再生气耗比
对于干燥器内部的分子筛吸附剂而言，再生过程是吸附过程的逆过程，属于耗能过程，耗能形式表现为压缩能消耗，即需要消耗一部分压缩空气，并且需要满足完全再生原则。完全再生目的是为了将吸附剂表面活化能恢复到吸附前的水平。在水分吸附量一定时，再生能耗便存在一个底线。分子筛吸附剂的实际再生能耗只能接近而不能低于这个底线，不然就会出现再生不全现象, 使吸附剂表面活性恢复不到原来水平，影响被处理压缩空气的湿度。
分子筛完全再生，最小再生耗气量用下式求得
[1]
（1）
式中，V 为单位时间里流入干燥器的压缩空气流量，d 0为进气状态压缩空气的绝对含水量，d 为再生气排气状态下的绝对含水量，T 为工作半周期。
根据最小气耗原则， 再生气压力除克服吸附剂阻力外，越接近大气压越好，在相同温度下越接近大气压，空气饱和含水量越多，最小再生气耗比为[1]
：
东风商用车（2）
绝对气压饱和空气含水量参见表一（以22℃室温为例）。考虑车辆分子筛使用过程中的吸附能力衰减因素，引入安全系数k ，那么最小再生气耗比 ，得出不同卸荷压力
（一般取相对压力）分子筛最小再生气耗比
（如图8所
示）[2]
。
表1 不同气压条件下饱和空气含水量（22℃）
图8 不同卸荷压力下的分子筛最小再生气耗比
2.2 干燥器工作简化分析
车辆行驶过程中，空压机泵气同时伴随整车制动过程不断耗气，干燥器调压阀不断处于切断和切入交替工作状态，
贮气筒压力在切断压力P out 和切入压力P in 之间循环，为简化分析取工作周期T'分析如图9所示。
图9 干燥器工作周期
贮气筒压力由P in 达到P out ，泵气时间为T pump ，空压机来气流量为Q C ，那么流经干燥器的空气量为：
（3）
达到卸荷压力P out 之后，干燥器进行再生反吹，直至再生终止达到压力P reg,end 。假定再生空气量为V reg ，得到干燥器空气再生气耗比。
（4）
为使干燥器内部的分子筛恢复足够干燥能力，即保证足够再生能力，只需保证
即可。
2.3 电控干燥器及机械干燥器的再生性能评价
以0.95Mpa 卸荷压力的车辆为例（对应最小再生气耗
比=14.6%），对机械干燥器和电控干燥器的再生气耗比ψ进行计算和比较（如图10所示）。
机械干燥器的再生空气量V reg =40L 为恒定数值，其再生气耗比ψ随整车耗气量Q use 增大表现为线性递减，具体变现
为：当整车处于耗气量Q use 偏小的工况时（例如高速公路，
耗气量取40NL/min ），其再生气耗比ψ为25.3%（远大于14.6%），存在再生气量浪费的情况；当整车耗气量Q use 偏大的工况时（例如山区或市区，耗气量取200NL/min ），其再生气耗比ψ仅为12.5%（小于14.6%），再生空气量存在不足，分子筛无法恢复完全再生能力。因此机械干燥器没有恒定的再生气耗比，不能确保再次流经干燥剂的压缩空气足够干燥，即贮气筒存在出现积水的风险。
图10 电控干燥器与机械干燥器的再生气耗比
对于电控干燥器而言，可以根据耗气量的不同，适时调
整和改变再生空气量V reg （耗气量偏小时，适时减少再生空气量；耗气量偏大时，适时增加再生空气量），可以保持恒定再生气耗比ψ=16%，在避免耗气量Q use 偏小工况过度消耗再生空气量的同时，也确保耗气量Q use 偏大极限条件下的气耗比满足分子筛完全再生的性能要求。根据卸荷压力不同，电
汽车实用技术
162 控干燥器的再生气耗比可设定为不同的再生气耗比为控制目标值，从而避免出现干燥剂不能完全再生而导致的贮气筒积水问题。 2.4 应用实例
为了更直观的反应干燥器的干燥效果差异性，应用过程中一般测试车辆贮气筒的空气露点降来对干燥器性能进行评价，露点降数值越大说明空气湿度越低，即干燥效果越好。对比使用机械干燥器和电控干燥器的不同贮气筒内部压缩空气露点降（如图11所示）。使用机械干燥器的压缩空气湿度变化较大，开始过程由于耗气量较大（160L/min ）导致干燥器再生能力出现不足，压缩空气露点降迅速下降，由初始值25℃降低至17℃，后期在耗气量降低的条件下(10L/min 和60L/min)，贮气筒露点降逐渐恢复，但过程相对缓慢。而使用电控干燥器的贮气筒内部压缩空气湿度相对稳定，无论耗气量大小，露点降基本维持(25±2)℃，干燥及再生性能稳定。
图11 电控干燥器与机械干燥器的露点降比较
3 电控干燥器其他应用功能
3.1 不同平台系统压力
通过电控干燥器ECU 设定不同参数（卸荷压力、再生气耗比等），可满足不同平台车型的需求，例如切断压力可以从0.75Mpa 到1.25Mpa 范围任意选择，减少原有传统机械干燥器产品的品种类型，方便模块化布置和管理。 3.2 节省燃油
图12 空压机优先泵气阶段示意图
对于电控干燥器，一方面采用智能再生方式，ECU 实时监控流经干燥剂空气量，根据干燥剂饱和状态仅在必要条件下进行再生，区别于传统干燥器每次卸荷压力时均进行反吹，减小再生次数即减少车辆耗气量，等同减少空压机泵气功率损耗。另一方面在发动机扭矩为零或负值时（如图12所示，例如下坡、平路滑行和制动等工况条件下）电控干燥器ECU 提高切断压力和切入压力，将车辆势能和动能转化为空压机
泵气功率消耗。对空压机卸荷及空气干燥器干燥剂的再生实现了智能控制，从而节省了油耗(0.35L/100km)[3]。 3.3 降低冬季车辆起车供气钢管结冰风险
目前国内采用气制动系统的商用车，冬季起车时经常出现干燥器供气钢管结冰致使空压机泵气受阻进而车辆无法起步。一方面原因在于钢管走向不合理存在U 型低谷式布置形式，另一方面原因在于车辆熄火时其空压机经常处于泵气状态，供气钢管仍存在压缩空气，车辆熄火之后的长时间搁置导致钢管温度下降，内部潮湿空气析出液态水进而凝固成冰堵塞供气管路。对于电控干燥器而言，其控制器ECU 在车辆熄火之后可以进行强制卸荷，即排尽钢管内部压缩空气，避免结冰风险。
图13 空压机排气钢管管路连接
3.4 干燥罐更换预报
电控干燥器ECU 能够记录流经干燥罐的空气量和更换日期, 达到更换条件时ECU 能够自动检测并将更换提示显示在仪表板，保证提醒司机只在干燥筒需更换时才对其进行更换。
3.5 诊断及故障描述
电控干燥器还具有故障自诊断和显示功能，通过报警系统监控电子、机械系统失效情况通过罩壳上的指示报警灯显示出不同警报，通过安全保护系统防止电子、机械系统失效所带来的损失[4]
。
4 结论
本文在电控干燥器工作原理基础上，基于分子筛干燥及再生控制评价方法，通过空气再生气耗比参数进行分析，体现电控干燥器的技术优势并经实车测试验证，对电控干燥器在节油性、安全性等方面也进行介绍，随着国内商用车电控技术的不断发展和进步，电控干燥器必然会得到进一步的推广和应用。
参考文献
[1] 李申.吸附式干燥器系列讲座第四讲吸附式干燥器的再生能耗[J].
压缩机技术,2002(4):21-25.
[2] 吕征，杨冠华，刘兆英，马明武，李法兵.浅析商用车分子筛干燥及再
生匹配方法[J].汽车零部件,2017(12):1-5.
[3] 罗鹏.商用车新型电子控制空气处理系统[J].汽车与配件,2007(35):
46-47.
[4] 郭磊，吴耀斌，杨远渊.电控空气干燥器在纯电动轻卡上的应用[J].
汽车实用技术,2016(10)：6-7.
发布评论