鄧金金 趙天安 夏增海 董顏 張毅

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

某重型車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)

鄧金金 趙天安 夏增海 董顏 張毅

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

介紹了某重型車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)過程。搭建該發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，確定制動(dòng)凸輪型線；通過有限元分析方法保證零部件可靠性；使用軟件仿真預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能；專項(xiàng)功能試驗(yàn)表明排氣門動(dòng)態(tài)氣門升程滿足要求；制動(dòng)性能試驗(yàn)表明其滿足開發(fā)目標(biāo)要求；制動(dòng)耐久試驗(yàn)表明其在專用凸輪制動(dòng)工作過程中滿足可靠性需求；整車道路試驗(yàn)表明腳踩制動(dòng)踏板次數(shù)減少75%，比第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)減少15%。

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)是整車輔助制動(dòng)的一種，采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)后可以避免頻繁使用行車制動(dòng)系統(tǒng)，提升行駛安全性[1]，大幅降低交通事故，同時(shí)減少保養(yǎng)和更換剎車片的次數(shù)，降低整車運(yùn)營成本，提高能源利用率。

發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)在北美及歐洲的應(yīng)用非常普遍，已經(jīng)逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，目前在北美、歐洲市場上10～12 L發(fā)動(dòng)機(jī)約80%采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)裝置，12 L以上發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎都配有發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)裝置，例如Cummins ISM11、MAN D20等。

在我國，隨著車輛載重及車速的提高，對輔助制動(dòng)功率的需求也越來越高[3]，傳統(tǒng)的行車制動(dòng)已經(jīng)不能滿足用戶的使用需求，因此發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)裝置在國內(nèi)重型車輛上得到廣泛應(yīng)用，例如濰柴WP12、東風(fēng)dCi11、上柴P11C等。

中國一汽通過自主創(chuàng)新，在國內(nèi)率先推出專用制動(dòng)凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)，打破國外公司技術(shù)壟斷，目前該技術(shù)已經(jīng)在CA6DM3發(fā)動(dòng)機(jī)上投產(chǎn)，應(yīng)用在解放J6、JH6、J7等整車上。

2 第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)可分為泄氣式制動(dòng)和壓縮式制動(dòng)[4]，壓縮式制動(dòng)是目前發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的主要方向。壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)分為臨缸排氣凸輪、同缸噴油凸輪、排氣凸輪失動(dòng)（Lost-Motion）及專用制動(dòng)凸輪等方式。

應(yīng)用于重型車輛的中國一汽CA6DM3柴油機(jī)第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)采用壓縮制動(dòng)中的排氣凸輪Lost-Motion方式，通過將間隙控制裝置集成在排氣搖臂中實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。在排氣凸輪上除主升程外還有兩個(gè)額外的小升程，只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)起作用時(shí)排氣門升程曲線上才會產(chǎn)生兩個(gè)小的升程，而發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)升程曲線上則無反映。其制動(dòng)時(shí)的氣門升程曲線見圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率見圖2?？芍S著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，制動(dòng)功率增加，在確保發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的同時(shí)為獲得最佳制動(dòng)性能，第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)推薦使用轉(zhuǎn)速為1 800～2 200 r/min。該發(fā)動(dòng)機(jī)用于匹配49 t的車輛，根據(jù)GB 12676《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》法規(guī)要求，滿足Ⅱ型和ⅡA型兩種試驗(yàn)的制動(dòng)功率為大于198.7 kW、大于243.7 kW。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)排氣門升程

圖2 第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率

由圖2知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時(shí)，制動(dòng)功率為209 kW，滿足Ⅱ型試驗(yàn)要求。根據(jù)用戶駕駛習(xí)慣，對不同轉(zhuǎn)速區(qū)使用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖3。為滿足Ⅱ型試驗(yàn)要求同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的使用轉(zhuǎn)速為1 900～2 200 r/min，僅23%用戶在該轉(zhuǎn)速區(qū)間使用制動(dòng)系統(tǒng)。第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)不能滿足大多數(shù)用戶的需求，因引需開發(fā)新的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)。

圖3 不同轉(zhuǎn)速區(qū)使用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)用戶比例

3 專用制動(dòng)凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)開發(fā)

以中國一汽CA6DM3柴油機(jī)為研究對象，開發(fā)FCB（第2代）發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能。

專用制動(dòng)凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)是指凸輪軸上除了進(jìn)排氣凸輪外增加了一個(gè)制動(dòng)凸輪，結(jié)構(gòu)如圖4所示。專用制動(dòng)凸輪的制動(dòng)型線不需與排氣凸輪型線折中設(shè)計(jì)，型線最優(yōu)，因此專用制動(dòng)凸輪的制動(dòng)功率大于排氣凸輪Lost-Motion制動(dòng)功率。

圖4 專用制動(dòng)凸輪技術(shù)

在制動(dòng)凸輪上設(shè)計(jì)兩個(gè)小升程[5]，只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)起作用時(shí)，該兩個(gè)小升程才會影響排氣門工作，其制動(dòng)時(shí)的氣門升程曲線見圖5。第1個(gè)小升程曲線為制動(dòng)氣體回流曲線（Braking Gas Recirculation，BGR），其作用是在進(jìn)氣沖程接近下止點(diǎn)時(shí)將排氣門再次開啟，排氣道中的高壓氣體經(jīng)開啟的排氣門再次進(jìn)入氣缸內(nèi)，增加壓縮沖程中缸內(nèi)氣體質(zhì)量，從而增加了制動(dòng)功率。根據(jù)不同的BGR型線的設(shè)計(jì)，增加BGR功能后，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率大約提升10%。第2個(gè)小升程曲線為壓縮釋放曲線（Compression Release，CR），其作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)起作用時(shí)，在活塞壓縮沖程接近上止點(diǎn)時(shí)再次開啟排氣門，將缸內(nèi)的壓縮氣體快速排出，以避免高壓氣體在膨脹做功沖程再次對活塞做功而減小制動(dòng)功率。

圖6為專用制動(dòng)凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)裝置示意。該制動(dòng)裝置主要由進(jìn)氣搖臂、排氣搖臂、制動(dòng)搖臂、氣門橋、電磁閥等零部件組成，間隙控制裝置集成于制動(dòng)搖臂中，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，制動(dòng)搖臂上間隙控制裝置和氣門橋上滑銷之間存在一定的間隙，制動(dòng)凸輪小升程不起作用。當(dāng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作時(shí)，電磁閥開啟，機(jī)油進(jìn)入制動(dòng)搖臂，驅(qū)動(dòng)間隙控制裝置向下運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償間隙控制裝置和滑銷之間間隙，在制動(dòng)凸輪小升程的作用下，間隙控制裝置推動(dòng)滑銷，開啟排氣門，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。取消發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，電磁閥關(guān)閉，在回位彈簧的作用下，間隙控制裝置和滑銷之間恢復(fù)預(yù)留的間隙，制動(dòng)凸輪小升程不再起作用。

圖6 專用制動(dòng)凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)裝置示意

4 CAE分析

4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算

配氣機(jī)構(gòu)的計(jì)算包括確定凸輪型線的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算與配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算[6]。計(jì)算采用AVL的Excite Timing Drive軟件，搭建配氣機(jī)構(gòu)單閥系統(tǒng)模型。

圖7～圖10為配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。

圖7 進(jìn)氣門運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果

圖8 進(jìn)氣門動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

4.2 有限元分析

與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)用FCB后除進(jìn)氣搖臂和排氣搖臂外需要每缸增加一個(gè)制動(dòng)搖臂。為滿足布置空間需求，制動(dòng)搖臂相對氣門橋中心位置設(shè)計(jì)出一定的偏心，導(dǎo)致?lián)u臂工作偏載，存在偏磨風(fēng)險(xiǎn)。采用有限元計(jì)算搖臂與搖臂軸間接觸壓力，預(yù)測搖臂偏磨情況，計(jì)算結(jié)果見圖11。

圖9 排氣門運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果

圖10 排氣門動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

圖11 制動(dòng)搖臂與搖臂軸間接觸壓力

由圖11可知，雖然設(shè)計(jì)有一定偏心，但制動(dòng)搖臂受力均勻，偏載現(xiàn)象不明顯，不會對可靠性造成影響。

隨著專用凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，配氣機(jī)構(gòu)承載的負(fù)荷大幅度增加，需要進(jìn)行有限元分析以預(yù)測配氣機(jī)構(gòu)零部件的剛度及應(yīng)力。制動(dòng)搖臂的有限元計(jì)算結(jié)果見圖12?？芍?，制動(dòng)搖臂最小疲勞安全系數(shù)為2，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖12 制動(dòng)搖臂疲勞安全系數(shù)

4.3 制動(dòng)性能分析

發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能預(yù)測應(yīng)用GT-Power軟件[7]，GTPower可根據(jù)不同的制動(dòng)氣門升程曲線預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)氣缸內(nèi)的壓力以及排氣背壓等參數(shù)，同時(shí)可準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能，圖13為制動(dòng)性能預(yù)測值。可知，1 900 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率為263.22 kW，滿足法規(guī)要求。

圖13 制動(dòng)性能預(yù)測結(jié)果

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 功能試驗(yàn)

對該制動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行專項(xiàng)功能試驗(yàn)，主要驗(yàn)證專用凸輪形式的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)是否滿足配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。

5.1.1 靜態(tài)氣門升程測量結(jié)果

靜態(tài)氣門升程測量結(jié)果與設(shè)計(jì)升程的對比如圖14所示?？芍瑴y量升程與設(shè)計(jì)升程基本一致，靜態(tài)氣門升程合格。

圖14 靜態(tài)氣門升程測量結(jié)果與設(shè)計(jì)對比曲線

5.1.2 動(dòng)態(tài)氣門升程測量結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)凸輪通過制動(dòng)搖臂驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)排氣門來進(jìn)行制動(dòng)，試驗(yàn)中分別在制動(dòng)排氣門、非制動(dòng)排氣門各安裝一個(gè)電渦流傳感器來測量制動(dòng)過程中氣門的動(dòng)態(tài)升程。排氣門氣門升程動(dòng)態(tài)測量結(jié)果與靜態(tài)測量的對比曲線如圖15所示?？芍?，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，制動(dòng)排氣門、非制動(dòng)排氣門氣門升程與靜態(tài)測量值基本一致，氣門沒有發(fā)生反跳。

5.2 性能試驗(yàn)

對該制動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行制動(dòng)性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)制動(dòng)功率是否滿足開發(fā)目標(biāo)。圖16為制動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果與性能仿真模擬結(jié)果對比?？芍?，制動(dòng)性能仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，發(fā)動(dòng)機(jī)在1 900 r/min時(shí)制動(dòng)功率為265.3 kW，滿足開發(fā)目標(biāo)。

圖15 排氣門動(dòng)態(tài)氣門升程與靜態(tài)測量結(jié)果對比

圖16 制動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果與性能仿真模擬結(jié)果對比

圖17為第1代與第2代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率對比?？芍?，在制動(dòng)性能上第2代比第1代明顯提升，1 900 r/min時(shí)制動(dòng)功率提升26.8%。

圖17 第1代與第2代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率對比

5.3 耐久試驗(yàn)

對該制動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行1 200 h制動(dòng)耐久試驗(yàn)，考核發(fā)動(dòng)機(jī)在專用凸輪制動(dòng)工作過程中對配氣機(jī)構(gòu)的影響情況，評定其可靠性。制動(dòng)耐久試驗(yàn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率對比見圖18。試驗(yàn)前后，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率值基本一致，制動(dòng)器功能及結(jié)構(gòu)耐久性符合要求。

圖18 耐久前后制動(dòng)功率曲線對比

對制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)零件進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表2?？芍?，制動(dòng)耐久試驗(yàn)重點(diǎn)考核的幾個(gè)摩擦副磨損量輕微，在正常范圍內(nèi)。

表2 1 200h耐久試驗(yàn)后相關(guān)考核零件磨損值 mm

耐久試驗(yàn)后，進(jìn)排氣凸輪磨損正常，支撐軸頸基本無磨損；進(jìn)排氣搖臂接觸均勻，無異常磨損；搖臂軸肉眼可見輕微磨亮，無手感，測量磨損量正常；制動(dòng)搖臂制動(dòng)活塞球頭磨損無異常。對制動(dòng)搖臂內(nèi)部制動(dòng)機(jī)構(gòu)拆檢，內(nèi)部零件完整無破損、無變形，制動(dòng)搖臂內(nèi)部鉸鏈機(jī)構(gòu)各工作表面磨損正常，無拉傷、脫落等現(xiàn)象。

5.4 道路試驗(yàn)

在云南保山山區(qū)對兩臺樣車進(jìn)行道路試驗(yàn)，試驗(yàn)路段為保山境內(nèi)G312線西邑鄉(xiāng)至昌寧縣環(huán)城北路，試驗(yàn)路段經(jīng)過兩座山峰，第1座山峰落差780 m，平均坡度5%，第2座山峰落差990 m，平均坡度4.5%，全長55km。

試驗(yàn)工況分為僅使用行車制動(dòng)、使用第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)及使用第2代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)3種。使用第2代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)后腳踩制動(dòng)踏板次數(shù)減少75%，比使用第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減少15%（見圖19）。

圖19 腳踩行車制動(dòng)次數(shù)

6 結(jié)束語

以中國一汽CA6DM3柴油機(jī)為研究對象，開發(fā)第2代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)。搭建制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，確定凸輪型線；進(jìn)行有限元分析以保證零部件可靠性；使用GTPower軟件仿真模擬得到發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能結(jié)果。性能試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。制動(dòng)耐久試驗(yàn)期間各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，柴油機(jī)制動(dòng)功率值達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)束柴油機(jī)拆檢，零件狀態(tài)良好，運(yùn)動(dòng)件磨損輕微，通過制動(dòng)耐久試驗(yàn)考核。道路試驗(yàn)結(jié)果表明，使用第2代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)后腳踩制動(dòng)踏板次數(shù)減少75%，比使用第1代發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減少15%。

1 Gabriel Roberts.Safety,Total Cost of Ownership and Regu?lation are Driving the Adoption Engine Brakes on Medium and Heavy Duty Commercial Vehicles in India.SAE,2013-11-27.

2 趙天安，王鵬程，楊剛，等.中重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)開發(fā).見：中國汽車工程學(xué)會編.中國汽車工程學(xué)會年會論文集.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

3 李安，楊立慧.商用車輔助制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用介紹.商用汽車，2015（4）：50～52.

4 Peirong Jia,Qianfan(Harry)Xin.Compression-Release En?gine Brake Modeling and Braking Performance Simulation.SAE,2012-09-24.

5 Thomas Howell，Bruce Swanbon，Justin Baltrucki，et al.Ve?hicle Demonstration of 2 Stroke Engine Brake in a Heavy Duty Truck.SAE,2016-09-27.

6 李恒賓.柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析.現(xiàn)代制造工程，2014（1）：68～72.

7 Narayana Reddy J,Ramkumar D V,Yogesh G Bolar,et al.Theoretical and Experimental Evaluation of Engine Brake Performance of Heavy Duty Diesel Engine.SAE,2013-11-27.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年3月29日。

Development of Diesel Engine Braking System for A Heavy Duty Vehicle

Deng Jinjin,Zhao Tian′an,Xia Zenghai,Dong Yan,Zhang Yi
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

This paper introduces the development process of the diesel engine braking system for a heavy duty vehicle.Engine brake system simulation model is built,and braking cam profile is finalized;Reliability of key components is ensured through FEA;Software simulation is used to predict the engine braking performance;function-specific test indicates that dynamic exhaust valve lift meets requirement;Braking performance test indicates that it meets the requirements of the development objectives;Braking durability test verifies that the it meets the reliability requirements during dedicated cam braking;vehicle road test shows that,the use of the engine braking system reduces the number of service brake by 75%,15%less than the first generation of engine braking system.

Heavy duty vehicle,Diesel engine,Braking system,Development

重型車輛 柴油機(jī) 制動(dòng)系統(tǒng) 開發(fā)

U464.134+.3

A

1000-3703（2017）04-0011-05