中国发展新能源汽车,强调“纯电驱动”,但是电池的比能量与汽油(柴油)相比,相差几十倍,而用户对一次持续里程期望是不会降低了。解决这个矛盾,一是提高动力电池的比能量,二是提高充电环境便利性,三是降低汽车自身的无效功耗。下面对汽车总成件耗能比较大的车载
空压机的基本工作原理及有关技术换代予以介绍,供同行参考。
一、商业车(运营客车)对空压机的技术提出更高的要求
2017年3月7日,交通运输部发布“关于贯彻落实交通运输行业标准《营运客车安全技术条件》(JT/T 1094-2016)(简称JT/T 1094标准)的通知”,明确了该标准将于今年4月1日起正式实施。
JT/T 1094标准在制动系方面,提出车长大于9米的营运客车,所有车轮应安装盘式制动器,采用气压制动系统的营运客车,行车制动管路内工作气压应大于等于1000kPa,即为10公斤。
JT/T 1094标准对行车制动管路内工作气压值的提升,是为了保证营运车辆的安全,同时要求空压机提高工作效率,导致消耗更多的能量。工作气压源于空压机,这就导致一个矛盾:一方面要求工作压力提高,另一方面,空压机自己在压缩空气时,要更加节能。
二、车载空压机的工作原理及分类
空气压缩机(air compressor)是气源装置中的主体。将原动机(通常是电动机)的机械能转换成气体压力能,是压缩空气的气压发生装置。车载空压机进去的气体是自然状态,出来的是有一定密度的压缩空气,再送到储气罐里,形成高于10公斤以上压力的高压空气,供车辆部件做功。
空压机在汽车上主要分为三类应用:刹车系统、门泵和离合器分泵、空气悬架。基于车载用途的特殊需要,客户对车载空压机有以下需求:安全可靠、空气品质高、维护低成本、节能高效、重量轻、体积小、噪音低。
目前,车载空压机分为:活塞空压机、螺杆空压机、滑片式空压机和涡旋空压机等。
(1)活塞式空压机的工作原理
活塞的往复运动是由电动机带动的曲柄旋转,再转化为活塞滑动的往复运动。
①压缩过程:在气缸内作往复运动的活塞向右移动时,气缸内活塞左腔的压力低于大气压力Pa,吸气阀开启,外界空气吸入缸内。
②排气过程:当缸内压力高于输出空气管道内压力P后,排气阀打开,压缩空气送至输气管内。
按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。按压缩级数可分为单级式、双级式和多级式三种。按设置方式可分为移动式和固定式两种。按控制方式可分为卸荷式和压力开关式两种。车用活塞式空压机见图2。
(2)双螺杆式单级压缩空压机工作原理
一台根据双螺杆(也称阴阳转子)转动使气体产生容积变化的工作原理设计的机器,它能把自然空气吸入再经过内部几道过程完成工作,最终排出满足压力要求的压缩空气,此机器谓螺杆式空气压缩机。见图3。
(3)滑片空压机的工作原理
滑片安装在转子的槽中,旋转的转子相对于气缸呈偏心式运转,通过离心力将滑片推至气缸壁,在缸壁反作用力下,滑片又原至初始位置。转子运动起来后,滑片与气缸之间容积不断减少,完成空气的压缩过程。工作原理见图4。
车用滑片式压缩机外形见图5,主要由转子和定子组成,其中转子上开有纵向的滑槽,滑片在其中自由滑动;定子为一个气缸,转子在定子中偏心放置。当转子旋转时,滑片在离心力作用下甩出并与定子通过油膜紧密接触,相邻两个滑片与定子内壁间形成一个封闭的空气腔-压缩腔。转子转动时,压缩腔的体积随着滑片滑出量的大小而变化。在吸气过程中,空气经由过滤器被吸入压缩腔,并与喷入主机内的润滑油混合。在压缩过程中,压缩腔的体积逐渐缩小,压力逐渐升高,之后油气混合物通过排气口排出。
(4)涡旋式空气压缩机及其工作原理
涡旋式压缩机由两个双函数方程型线的动、静涡盘相互咬合而成。在吸气、压缩、排气的工作过程中,静盘固定在机架上,动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约,围绕静盘基圆中心,作很小半径的平面转动。气体通过空气滤芯吸入静盘的外围,随着偏心轴的旋转,气体在动静盘噬合所组成的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩,然后由静盘中心部件的轴向孔连续排出。
三、各型式压缩机车载应用优缺点对比
四、新能源商业车的需求
通过上面的介绍和分析,可见新能源商业车对车载空压机的主要需求是经久耐用,寿命长;维护成本低、运行噪音低;外围控制管路少、集成度高;外型尺寸小,重量轻。不同空压机有不同用途,车用空压机也有自己的特点,对比来看,目前滑片机与小型活塞机更适应新能源商业车。但由于受车载环境所限,不能过多设置压缩空气后处理设备,且会增加一次性投资成本和额外保养成本,故而,车载空压机向无油机方向发展是主流,也符合新能源绿色环保的总要求。
总之,新能源汽车发展,不仅要求大三电(电池、电机、电控)总成件,提高技术含量,同时要求像空压机这样的高能耗总成件,也要与时俱进。