车用空压机窜油问题的试验研究

金钊，张文通，金强，魏志友，栗明（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261061）

车用空压机窜油问题的试验研究

金钊，张文通，金强，魏志友，栗明
（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261061）

现有车用空压机的窜油故障率较高，影响机油耗率和空压机的可靠性，用户反映强烈。经试验研究，优化制动系统进排气管路，并对空压机缸套进行设计改进，取得了良好效果。

空压机；窜油；进气管路；水冷；排气管路

在车辆气制动系统中，空压机是提供和保持具有一定压力的空气来操作气制动和辅助气制动系统的装置［1］。某商用车采用的空压机为活塞式往复压缩机［2-3］，车辆使用过程中易出现空压机窜油量过多的现象。通过对该课题进行攻关试验，找到了空压机窜油的主要原因；通过一系列的改进设计及系统匹配优化工作，有效控制了空压机窜油，提升了制动系统的可靠性。

1　空压机窜油的原因分析

空压机在气路系统中的连接如图1所示，其适当窜油是有益的，但窜油过多，会使发动机机油消耗量增加，还会引起阀板和缸盖排气腔积炭，导致上气缓慢甚至不打气。故障原因主要有进气阻力大、空压机顶部温度高等。空压机轴瓦改进［4］、摩擦副的优化设计［5-7］都可以改善空压机窜油。本文主要从匹配方面分析，不涉及内部改进。

1.1进气阻力的影响

设P为空压机外界的大气压力；P进气为进气过程中的空压机工作腔（这里指活塞上部、缸头、阀板之间的容积）的平均压力；P排气为排气过程中的空压机工作腔的平均压力；P曲轴箱为空压机活塞下部，即曲轴箱内的平均压力。该压力随进气、排气工作过程的变化而产生压力增大和下降的波动，但由于它与柴油机的容腔是连通的，因此，平均值要高于外界大气压力。

自然取气的空压机进气过程中空活塞下行，此时P进气小于P才能保证正常吸气，因此，P进气必定是个负压值。而此时由于活塞下行，P曲轴箱必定增大且大于P，因此，P曲轴箱必定大于P进气。由于这种压力差的存在，使曲轴箱内气体和机油上窜。当进气阻力增大时，空压机进气量和进气速率减小，随着空压机工作容积增大，P进气下降并小于P。此时P曲轴箱却在增大，因此，P进气与P曲轴箱之间的压力差增大，最终曲轴箱内气体和机油上窜的趋势就越来越严重。空压机的工作简图见图2。

1.2温度的影响

排气温度高，使零件受高热，容易变形、磨损快［8］。如在高温高压环境中运行，缸体磨损快、活塞热膨胀、活塞环磨损快，使空压机随气排油量增加。由于温度高，机油氧化快，形成积炭，造成阀片不密封，或堵塞管路等，容易出现不打气、打气慢、烧机油等故障［9］。

阀板、缸盖受温越高、压力越大，则变形越快，造成平面度差，就容易出现阀片、垫片不密封漏气、冲垫现象，从而影响排气量或造成不打气、上气慢等故障。

机油在温度越高的情况下，粘稠度越低，流动性越强，所以随气排油量也就越大。

2　进气管路的优化

空压机进气阻力主要受进气管路的影响，对于同一机型，空压机进气管长度是相当的，此时进气管内径越小、折弯处越多，进气阻力就越大。从图3可以看出，φ19进气阻力比φ22进气阻力大一倍以上，φ25进气管的阻力最小，只有φ19进气阻力的四分之一。

试验工况设定：空压机转速2 500 r/min、油温90℃、进水温85℃、油压0.35MPa，空负荷下测量1 h的空压机排油量数值如表1所示。可以看出，内径越大，空压机窜油量越小。行业标准规定［10］，空压机转速＞2 000 r/min时，随气排油量≤100mg/m3。φ25内径空压机窜油量仅有0.41mg/m3，远远低于φ19和φ22的窜油量。

表1　不同进气管内径的空压机窜油量

因此，空压机窜油量受进气阻力影响很大，在满足制动系统匹配的前提下，尽量加大进气管路内径、避免管路打折，能够有效地降低空压机进气阻力，从而减少窜油量。潍柴发动机已经将进气胶管更改为硬管，同时加大进气管内径，极大地减少进气阻力，有效减少空压机的窜油量。

同时，空压机取气口位置的选择对进气阻力也有重要影响。某牵引车空压机原取气口在空滤器进气管中间部位，气流方向垂直于发动机进气方向。更改后，新取气方向与发动机进气方向呈锐角，并且布置在空滤器进气管前端，远离增压器，避免较高转速下增压器“抢气”。图4是相同管径的进气管在不同取气位置的进气阻力曲线，可以得到，优化取气位置后，空压机进气阻力降低20%以上。

布置空压机取气位置时，尽量保证取气方向与发动机进气方向一致，如图5中序号1所示。若受外部布置影响无法实现，也可以采用序号2的布置方式，取气方向与发动机进气方向夹角要小于45°，同时远离增压器。

3　缸体冷却方式的优化

潍柴原车用空压机采用风冷结构，缸体周围分布翘片，用风吹翅片从而达到冷却的效果。因此，对空压机使用环境的要求比较高。如果外部环境恶劣，比如空间比较封闭空气流动性差，或是粉尘多冷却翅片容易堵塞，都会影响空压机冷却效果，造成空压机故障。

为了解决该问题，在现有空压机的基础上将散热片改成水腔［11］，增加冷却水的冷却面积，降低空压机的壁温和排气温度，有效地解决风冷空压机冷却能力不足的问题。气缸盖冷却水与外界连通，同时将输出气体冷却。

表2是水冷空压机和风冷空压机散热量对比情况。水冷空压机比普通空压机每分钟多带走的热量值约为43 kJ，散热量是普通空压机的1.5倍。上述试验是在试验室中进行的，空压机的外部环境良好。如果在实际工况下，水冷空压机的冷却效果会更好。同时，水冷空压机带走的热量只占发动机散热量的2%左右，空压机缸体增加冷却水道不会影响发动机的散热。经过1 000h的可靠性试验考核后，将空压机缸体解剖，没有出现穴蚀。

表2　水冷空压机和风冷空压机散热量对比（kJ/m in）

图6和图7分别是相同试验条件下（油温90℃、进水温85℃、油压0.35MPa），水冷空压机与风冷空压机排气温度、缸壁温度对比情况。水冷空压机排气温度比风冷空压机平均降低15℃左右，缸体壁温降低20℃。

水冷空压机在冷却气缸体的同时将曲轴箱冷却，确保曲轴箱的润滑效果和设备寿命。缸体和曲轴箱一体式设计，减小了原来缸体和曲轴箱连接的四个紧固螺栓的安装误差，提高了同轴度，从而有效提高了活塞环的耐磨性。输出的压缩空气经冷却后可以满足需要，防止温度过高造成后续制动系统零部件失效。阀座板冷却水腔体使得阀座板的温度得到有效控制，避免阀片、进气膜片的受热变形，保证阀片和进气膜片对整个气道的控制效果，延长空压机的使用寿命。空压机各零部件的良好运转，有效控制了压缩空气中的窜油量。

4　排气管路的优化

选取长度6m、内径尺寸分别为φ10、φ12和φ15的排气管（铜管），在出气筒背压0.8MPa下进行测试。排气阀片开启压力为0.15MPa，缸盖排气腔压力理想值为0.95MPa。图8是不同管径排气压力和排气温度对比情况，φ10、φ12和φ15的排气管排气腔压力比理想值分别高出21.1%、12.1%、7.2%，管径φ10的排气温度比φ12高11℃，比φ15高18℃。排气管内径越小，排气温度越高，排气腔背压越大，制动系统零部件失效概率就越高。

排气管路布置时，排气管要逐渐向下倾斜通往干燥器，防止排出的油污和杂质回流到空压机。同时空压机排气管到底盘间要有一段软管，缓冲发动机工作带来的振动，避免空压机损坏。

5　结束语

通过进排气管路优化以及水冷空压机的推广应用，使得制动系统零部件特别是空压机的可靠性大大提高。目前干燥器的保养周期为50 000 km或半年，优化管路、改为水冷空压机后，根据试验数据及验证效果，可将干燥器保养周期提升至80 000 km或1年，提高干燥器使用寿命。经过一年多的验证，空压机的故障率降低40%以上，减少了配件更换消耗，节约了社会原材料资源，产生了巨大的社会效益。

［1］陈家瑞.汽车构造［M］.北京：人民交通出版社，2006.6.

［2］郁永章.往复活塞压缩机［M］.西安：西安交通大学出版社，2009.

［3］陈永江.容积式压缩机原理与结构设计［M］.西安：西安交通大学出版社，1985.

［4］邹国庆.车用空压机轴瓦的设计和失效分析［J］.内燃机与配件，2013，（6）：32-36.

［5］乔善智.车用空压机的窜油问题［J］.压缩机技术，1993，（4）：29-34.

［6］刘立义.车用空压机窜油问题的分析［J］.铜业工程，2003，34（4）：55-56.

［7］刘峥，李德金，田庆福.DFn型机车V-2.419型空气压缩机活塞窜油故障分析［J］.铁道机车车辆工人，2004，18（3）：18-19.

［8］刘桂华.车用空气压缩机品质改进的研究［D］.长春：吉林大学，2008.

［9］刘利.车用空压机故障模式分析与改进［D］.长春：吉林大学，2006.

［10］QC/T 29078-1992，汽车用空气压缩机技术条件［S］.

［11］张文通，丛孟营，蔡乐，等.水冷空压机：中国，2013304 37946.0［P］.2014-04-02.

修改稿日期：2014-12-05

ExprimentalStudy on OilExpelling of Vehicle Air-com pressor

Jin Zhao，ZhangWentong，Jin Qiang，Wei Zhiyou，LiMing
（WeichaiPowerCo.，Ltd，Weifang261061，China）

The oilexpelling failure rate of the vehicle air compressor ishigh atpresent，thiswill affect themachine oil consumption rateand air compressor's reliability，theusers'reflection is intense.After the experimentalstudy，the authorsoptimize theair compressor's intakeand outtake tubes，and improve the cylinderbody structure.The effect is good.

air compressor；oilexpelling；intake tube；water-cooling；outtake tube

U464.141

B

1006-3331（2015）41-0050-03

金钊（1985-），男，主任工程师；应用工程部副部长；主要从事工程机械、农业机械、客车等行业的发动机应用研发工作。