劉新華 ， 劉逢春， 張磊 ， 魏鵬程 ， 李政建 ， 楊貴春

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 2. 東風(fēng)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司， 湖北 襄陽(yáng) 441004)

柴油機(jī)減壓-排氣復(fù)合緩速匹配試驗(yàn)研究

劉新華1， 劉逢春1， 張磊2， 魏鵬程1， 李政建2， 楊貴春1

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 2. 東風(fēng)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司， 湖北 襄陽(yáng) 441004)

通過對(duì)柴油機(jī)獨(dú)立減壓緩速、排氣緩速性能進(jìn)行研究，獲取了二者在循環(huán)工作過程中的作用區(qū)域和性能提升的影響因素，并以此為基礎(chǔ)，組合二者最優(yōu)方案形成了復(fù)合緩速系統(tǒng)，進(jìn)一步分析獨(dú)立緩速性能改進(jìn)方法在復(fù)合緩速中的適用性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)策略的有效性。研究結(jié)果表明，復(fù)合緩速是一種有效的輔助緩速裝置，合理匹配后可在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得與柴油機(jī)標(biāo)定功率相等的制動(dòng)功率，同時(shí)柴油機(jī)排溫仍然可控制在限值范圍內(nèi)。

柴油機(jī)； 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)； 減壓緩速； 排氣緩速； 復(fù)合緩速； 制動(dòng)功率

發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器主要用來彌補(bǔ)車輛在高速行駛和長(zhǎng)坡道下坡行駛時(shí)，長(zhǎng)期采用車輛行車制動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)器過熱使車輛行駛不可靠的嚴(yán)重安全問題[1-3]。世界上許多國(guó)家的交通法規(guī)已將輔助制動(dòng)系統(tǒng)列為商用車輛的必備系統(tǒng)。我國(guó)交通部也在2012年頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)12 t以上重型車輛裝備緩速器作了明確規(guī)定[4]。董穎等從使用上介紹了排氣緩速、泄氣緩速、減壓緩速等典型發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器的結(jié)構(gòu)特征、工作原理和性能特點(diǎn)，并通過對(duì)緩速器工作過程分析，比較了幾種典型緩速方式的特點(diǎn)，指出國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)緩速研究應(yīng)集中在排氣緩速與減壓緩速聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)輔助緩速方式上進(jìn)行[5]。夏基勝基于臺(tái)架試驗(yàn)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器的性能，研究發(fā)現(xiàn)減壓制動(dòng)器功率最大，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦制動(dòng)功率最小，所有緩速器的制動(dòng)功率均隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的升高而增大，但泄氣緩速方式隨轉(zhuǎn)速升高增幅趨于緩慢[6]。由以上可見，為了進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)輔助緩速裝置的制動(dòng)功率，同時(shí)兼有排氣緩速裝置的廉價(jià)性，可以考慮采用減壓與排氣復(fù)合緩速方式。

本研究對(duì)某型四沖程渦輪增壓柴油機(jī)分別匹配獨(dú)立排氣緩速、獨(dú)立減壓緩速和復(fù)合緩速裝置進(jìn)行分析，獲取獨(dú)立緩速系統(tǒng)各制動(dòng)作用區(qū)域和影響因素以及在復(fù)合緩速中二者各自貢獻(xiàn)占比，進(jìn)一步明確提升復(fù)合制動(dòng)功率受限因素，提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施。通過臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)所提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)樣機(jī)為某增壓中冷柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

對(duì)應(yīng)匹配的減壓緩速器為集成搖臂式，排氣凸輪更換為專用的制動(dòng)凸輪，推挺機(jī)構(gòu)由平面挺柱改為滾柱挺柱，搖臂增加排氣門驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)行程1.8 mm，加強(qiáng)了排氣閥彈簧。壓縮釋放緩速使用時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU接通位于搖臂油路上的電磁閥，機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)活塞消除排氣門間隙，使排氣凸輪上的制動(dòng)凸臺(tái)能在合適的行程驅(qū)動(dòng)排氣門動(dòng)作[7]。

對(duì)應(yīng)匹配的排氣制動(dòng)緩速器采取排氣口安裝的蝶閥形式，蝶閥轉(zhuǎn)動(dòng)將排氣管堵死，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)形成可控的背壓力，增加排氣行程的功率消耗。背壓控制通過調(diào)整閥的驅(qū)動(dòng)氣缸壓力進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

采用電力測(cè)功機(jī)倒拖被試柴油機(jī)，測(cè)試各緩速器方案的制動(dòng)功率。測(cè)功機(jī)扭矩檢測(cè)精度±0.2%，轉(zhuǎn)速檢測(cè)精度±1 r/min。同步采集了柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制參數(shù)和柴油機(jī)1缸的缸壓曲線。

制動(dòng)試驗(yàn)前，首先進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定點(diǎn)工況熱機(jī)，待機(jī)油溫度高于95 ℃并趨于穩(wěn)定后，再進(jìn)行各緩速方案的制動(dòng)功率測(cè)試,避免發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油黏度變化引起柴油機(jī)摩擦副的摩擦系數(shù)變化[8]，致使制動(dòng)性能評(píng)價(jià)結(jié)果不一致。

1.3 試驗(yàn)方案

為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的復(fù)合緩速系統(tǒng)匹配，試驗(yàn)首先開展被試柴油機(jī)獨(dú)立排氣緩速和獨(dú)立壓縮釋放緩速性能研究。在二者最優(yōu)組合形成復(fù)合緩速基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步提升復(fù)合制動(dòng)性能。方案見表2。

表2 柴油機(jī)緩速試驗(yàn)方案

試驗(yàn)工況轉(zhuǎn)速為1 000～2 300 r/min，工況分割間隔為100 r/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與影響因素分析

2.1 獨(dú)立排氣緩速制動(dòng)

由于排氣緩速采用排氣管節(jié)流關(guān)閉來增大柴油機(jī)推出功，通過增大節(jié)流蝶閥的驅(qū)動(dòng)氣缸壓縮空氣壓力可提高排氣管的密封性，從而增大排氣制動(dòng)功率。隨著驅(qū)動(dòng)氣缸的壓縮空氣壓力提升，因蝶閥密封作用直接減少了柴油機(jī)空氣消耗量。圖1示出排氣緩速裝置不同氣缸驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)空氣消耗量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。為了直觀對(duì)比驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)柴油機(jī)空氣節(jié)流的影響，圖1中對(duì)各趨勢(shì)線進(jìn)行了線性回歸擬合。從圖中可以看出驅(qū)動(dòng)氣缸的壓縮空氣壓力越大，節(jié)流效果越明顯。

圖1 排氣制動(dòng)對(duì)柴油機(jī)空氣的節(jié)流作用

圖2示出排氣緩速裝置不同驅(qū)動(dòng)氣缸壓力對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)排氣背壓隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。由圖2可知，隨著氣缸驅(qū)動(dòng)壓力增大，低轉(zhuǎn)速制動(dòng)工況的排氣背壓提升也增大。這是由于低轉(zhuǎn)速工況缸內(nèi)推出空氣相對(duì)較少，在氣門彈簧的作用下，排氣門二次開啟平衡力低[9]，氣體EGR率低，相應(yīng)地背壓提升余量也越大。

圖2 排氣背壓隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)

為了進(jìn)一步探索驅(qū)動(dòng)閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流極限，進(jìn)行了1 MPa驅(qū)動(dòng)氣缸壓力性能測(cè)試。圖2中1 MPa氣缸驅(qū)動(dòng)壓力下排氣背壓隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)與其他驅(qū)動(dòng)壓力不同，以1 400 r/min轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之上，排氣背壓增加趨勢(shì)與其他保持一致，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之下排氣背壓增長(zhǎng)不明顯。這是由于提升蝶閥密封性的同時(shí)提升了排氣背壓，當(dāng)達(dá)到一定的滯流邊界，蝶閥驅(qū)動(dòng)缸的平衡被氣流強(qiáng)力沖破形成持續(xù)的氣體泄漏。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下低轉(zhuǎn)速工況蝶閥驅(qū)動(dòng)逐漸恢復(fù)，排氣背壓也得到了恢復(fù)，同時(shí)提升了低速工況的背壓。由此可見排氣背壓的提升還受限于驅(qū)動(dòng)氣缸的品質(zhì)。

2.2 獨(dú)立減壓緩速制動(dòng)

減壓緩速裝置是利用在柴油機(jī)上止點(diǎn)區(qū)釋放缸內(nèi)高壓氣體，降低做功過程氣缸氣體反作用力來增大制動(dòng)功。因此，增大上止點(diǎn)附近排氣門開啟時(shí)間面積，盡可能快地排出氣缸內(nèi)的壓縮空氣是實(shí)現(xiàn)減壓緩速主要方法。由此可見，減壓緩速的空氣消耗量與制動(dòng)功率成正比。

本研究中減壓緩速裝置制動(dòng)驅(qū)動(dòng)凸輪設(shè)計(jì)采用文獻(xiàn)[10]的方法，相應(yīng)地排氣門最大行程受柴油機(jī)氣缸余隙限制，制動(dòng)正時(shí)為上止點(diǎn)前60°[11]。其余特征與1.1節(jié)描述相同。

圖3示出柴油機(jī)制動(dòng)工況和機(jī)械摩擦工況(不供油)下空氣消耗量隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)對(duì)比。由圖可知，雖然柴油機(jī)排空情況一致，但高速制動(dòng)工況的空氣消耗量升高速率明顯增大。這是因?yàn)橹苿?dòng)過程高壓氣體進(jìn)入排氣歧管，在增壓器渦輪前后形成了高的壓差，推動(dòng)壓氣機(jī)運(yùn)行，相應(yīng)地柴油機(jī)制動(dòng)工況的空氣消耗量增加。由此可見，柴油機(jī)的增壓器對(duì)減壓制動(dòng)性能會(huì)產(chǎn)生影響。

圖3 減壓制動(dòng)空氣消耗量隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)

圖4示出柴油機(jī)有無增壓器時(shí)的減壓制動(dòng)扭矩和最大缸壓(pmax)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。由圖可知，拆除增壓器后pmax在高速工況下降明顯，但制動(dòng)扭矩下降較少。這是由于一方面增壓器增加了泵入氣缸的氣體，增大了壓縮阻力，提升了減壓制動(dòng)功；另一方面增壓器在高速工況的低壓工作過程起到正功作用，抵消了部分增大的制動(dòng)功，因此有增壓器時(shí)制動(dòng)功略顯提升。由此可見，增壓器的存在仍然有助于提升減壓制動(dòng)功率。

圖4 增壓器對(duì)減壓制動(dòng)性能的影響

2.3 復(fù)合緩速制動(dòng)

圖5示出單排氣緩速、單減壓緩速以及二者較優(yōu)方案的組合(復(fù)合)緩速的制動(dòng)功率對(duì)比。由圖可知，復(fù)合緩速在柴油機(jī)匹配轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得了與正功(燃燒狀態(tài))相當(dāng)?shù)闹苿?dòng)功率(313kW)。表明要進(jìn)一步提升柴油機(jī)制動(dòng)功，采用復(fù)合緩速方式是一種有效途徑。

雖然排氣緩速區(qū)和減壓緩速工作區(qū)相互獨(dú)立，但圖5示出的復(fù)合制動(dòng)功率卻沒有達(dá)到二者制動(dòng)功的疊加(剔除機(jī)械摩擦功的疊加)。這是由于復(fù)合制動(dòng)功率是二者制動(dòng)的綜合結(jié)果，排氣制動(dòng)會(huì)引起背壓提升，減少減壓制動(dòng)排出的空氣量；減壓制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致pmax隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而升高率降低，降低排氣的推出功。由此可見，在復(fù)合制動(dòng)中，單獨(dú)提升排氣或減壓制動(dòng)性能都會(huì)引起另一方的性能下降，同時(shí)影響柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

圖5 3種制動(dòng)策略下制動(dòng)扭矩隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)

在復(fù)合緩速工況下，柴油機(jī)工作過程中高壓循環(huán)的平均指示壓力(NMEP)表征了減壓緩速產(chǎn)生的制動(dòng)功率，低壓循環(huán)的平均指示壓力(PMEP)表征了排氣緩速產(chǎn)生的制動(dòng)功率。利用NMEP和PMEP比總有效指示壓力(IMEP=NMEP+PMEP)便可得減壓緩速和排氣緩速在復(fù)合制動(dòng)中的貢獻(xiàn)比(見圖6)。由圖可見，中間轉(zhuǎn)速工況(1 300～2 000r/min)減壓制動(dòng)貢獻(xiàn)略低，其他轉(zhuǎn)速工況排氣制動(dòng)貢獻(xiàn)略低。圖中還示出，在高速工況減壓制動(dòng)貢獻(xiàn)逐漸減小到50%時(shí)，柴油機(jī)排溫快速升高趨勢(shì)較中間轉(zhuǎn)速工況明顯。

圖6 復(fù)合制動(dòng)貢獻(xiàn)占比與渦前排溫隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)

研究發(fā)現(xiàn)，在中間轉(zhuǎn)速工況區(qū)域，優(yōu)化制動(dòng)功率無法采用提升減壓制動(dòng)功的措施。這是由于此時(shí)增壓器處于阻塞狀態(tài)，無法提升壓縮功，另一方面排氣制動(dòng)提升背壓，減少了減壓空氣排出量。而直接提升復(fù)合制動(dòng)中低壓循環(huán)貢獻(xiàn)的方法雖然可行，但其獲得的制動(dòng)貢獻(xiàn)主要來自于氣體重復(fù)壓縮后體積膨脹增加的壓縮功，不僅制動(dòng)效率偏低，在低轉(zhuǎn)速工況也易引起排溫超限。因此，在原匹配方案下，復(fù)合緩速裝置制動(dòng)功率的提升需要通過高的運(yùn)行轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。

從圖6可以看出，在2 300r/min高轉(zhuǎn)速工況采用復(fù)合制動(dòng)，排溫接近730 ℃限值。繼續(xù)提高制動(dòng)工況運(yùn)行轉(zhuǎn)速，必然導(dǎo)致排溫超限，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)和復(fù)合緩速裝置安全可靠運(yùn)行。為此，在進(jìn)一步提升復(fù)合制動(dòng)功率的同時(shí)，為防止排氣制動(dòng)蝶閥發(fā)生故障，本研究最終改進(jìn)了氣門彈簧二次驅(qū)動(dòng)力，使其在蝶閥可控臨界氣缸驅(qū)動(dòng)力范圍內(nèi)，將與正功相當(dāng)?shù)闹苿?dòng)轉(zhuǎn)速降低至2 200r/min，同時(shí)排溫仍然在可控范圍內(nèi)(見圖7)。可見，復(fù)合緩速系統(tǒng)制動(dòng)性能的改進(jìn)主要依賴于排氣緩速的改進(jìn)。

圖7 復(fù)合緩速優(yōu)化前后制動(dòng)性能對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明采用減壓、排氣復(fù)合方式是一種有效可行的柴油機(jī)緩速方式，在合理匹配后可獲得與正功相當(dāng)?shù)闹苿?dòng)功率。

復(fù)合緩速中的減壓制動(dòng)和排氣制動(dòng)二者存在綜合性影響，單獨(dú)提升任意一方的性能都會(huì)引起另一方的性能下降，同時(shí)影響柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

提升排氣管控制壓力雖然是進(jìn)一步提升復(fù)合制動(dòng)功率有效的方法，但其制動(dòng)效率偏低，在低速工況制動(dòng)時(shí)排溫易超限。實(shí)車使用時(shí)還需要通過高的運(yùn)行轉(zhuǎn)速來獲得高制動(dòng)功率。

加強(qiáng)氣門彈簧的作用力有利于減弱排氣制動(dòng)中的氣體重壓率，這一方法在復(fù)合制動(dòng)中同樣有效，可以明顯降低制動(dòng)工況運(yùn)行轉(zhuǎn)速，滿足實(shí)車環(huán)境下高擋位狀態(tài)輔助緩速應(yīng)用需求。

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[編輯: 李建新]

Experimental Study on Dropping Pressure and Exhaust Compound Braking Matching of Diesel Engine

LIU Xinhua1, LIU Fengchun1, ZHANG Lei2, WEI Pengcheng1, LI Zhengjian2, YANG Guichun1

(1. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China; 2. Donfeng Cummins Engine Co., Ltd., Xiangyang 441004, China)

The influencing factors of action area and performance promotion for dropping pressure and exhaust braking during the working process were acquired, the compound braking system was then formed, the applicability of independent retarding performance in compound braking was further researched, and the effectiveness of improvement strategy was finally verified. The results show that compound braking is an effective braking method. The reasonable matching can help diesel engine to get the same brake power as rated power in the operating range and the exhaust temperature is still lower than the limit.

diesel engine； engine braking； dropping pressure braking； exhaust braking； compound braking； brake power

2016-10-20;

2017-04-26

劉新華(1969—)，男，研究員，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的研究；lxhbfs@163.com。

劉逢春(1984—)，男，助理研究員，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)；15835382882@139.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.015

TK427

B

1001-2222(2017)02-0083-04