張英，鐘躍蘭，翟長(zhǎng)輝

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261061)

我國(guó)山區(qū)多，行駛在山區(qū)的汽車經(jīng)常要下大長(zhǎng)坡，為了行車安全，需要持續(xù)制動(dòng)；另外，行駛在人口密集的地區(qū)，紅綠燈多、路況復(fù)雜，為防交通事故，需要頻繁制動(dòng)；隨著道路條件改善和發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛性能的提升，車輛速度也不斷提升，提高了對(duì)制動(dòng)性能的要求?；谶@些情況，車輛增加了制動(dòng)片的使用頻率和時(shí)長(zhǎng)，摩擦片受熱加快磨損，摩擦制動(dòng)性能因而降低，需要頻繁更換摩擦片，成本增加，維護(hù)成本高[1]。

重載車除必要的行車制動(dòng)外，還需增設(shè)緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置。輔助制動(dòng)裝置的引入，在提高制動(dòng)性能的同時(shí)，減少了制動(dòng)片的使用頻次和時(shí)長(zhǎng)，從而提高了行車制動(dòng)的安全性，顯著降低車輛維護(hù)成本。目前應(yīng)用于重型商用車的輔助制動(dòng)裝置有三種：液力緩速器、電渦流緩速器和發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)，這三種制動(dòng)方式各有特點(diǎn)。

液力緩速器是利用液體阻尼產(chǎn)生緩速作用的裝置，將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成液體的壓力，產(chǎn)生的制動(dòng)力矩大，可以允許車輛以較高的速度下坡行駛，但在制動(dòng)過(guò)程中，會(huì)在液體與定子間產(chǎn)生摩擦熱，所以需要從發(fā)動(dòng)機(jī)引入冷卻液對(duì)阻尼液體進(jìn)行冷卻。其缺點(diǎn)很明顯，體積大、可靠性低、成本高、響應(yīng)慢等問(wèn)題，是液力緩速器并未在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)普及的重要原因[2-7]。

電渦流緩速器是利用電磁感應(yīng)原理，在定子和隨車輛傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)車輛起到緩速的作用，將車輛行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子內(nèi)的電阻發(fā)熱散發(fā)掉。電渦流緩速器同樣可以產(chǎn)生很高的制動(dòng)力矩，電流控制，響應(yīng)快是其顯著優(yōu)點(diǎn)；但體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作難度大也成為了電渦流緩速器普及的主要阻礙[3-4]。

發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)裝置是一種用于柴油機(jī)的緩速器，它有助于車輛的減速和控制。發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)應(yīng)用歷史悠久，從排氣蝶閥制動(dòng)到泄氣式制動(dòng)，再到如今發(fā)展為普遍應(yīng)用的壓縮釋放制動(dòng)[4-6]。隨著結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能在逐步地提高。因其體積小，無(wú)需車輛改動(dòng)，且隨著國(guó)家對(duì)重載車輛的載重限制和處罰度的加大，發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)尤其是壓縮釋放制動(dòng)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，成為了牽引車等細(xì)分市場(chǎng)的標(biāo)配。市場(chǎng)對(duì)壓縮釋放制動(dòng)的選擇反向促進(jìn)了壓縮釋放制動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和提升，如可變截面增壓器配合壓縮釋放制動(dòng)，專用凸輪制動(dòng)，兩沖程制動(dòng)等新技術(shù)的發(fā)展，使得制動(dòng)功率更高、體積更小、可靠性更高[8]。

基于市場(chǎng)需求和法規(guī)要求，本研究開(kāi)發(fā)了某款應(yīng)用于10 L/12 L柴油機(jī)的壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)。

1 壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)配備的是WEVB(濰柴排氣門制動(dòng)裝置，weichai exhaust valve brake)，屬于泄氣式制動(dòng)；隨著技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)根據(jù)市場(chǎng)需求，為了進(jìn)一步滿足客戶對(duì)高制動(dòng)功率的需求，開(kāi)發(fā)了壓縮釋放式輔助制動(dòng)系統(tǒng)。

壓縮釋放式制動(dòng)的原理見(jiàn)圖1。在壓縮沖程中，當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，排氣門打開(kāi)，將發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)儲(chǔ)存的壓縮氣體的能量釋放到排氣系統(tǒng)中，因此，膨脹沖程中便沒(méi)有能量回壓活塞[8-12]。

壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是在已有機(jī)型上進(jìn)行的，為了確保配有制動(dòng)器的發(fā)動(dòng)機(jī)仍能滿足所有主機(jī)廠的要求，結(jié)構(gòu)改動(dòng)時(shí)不改變?cè)邪l(fā)動(dòng)機(jī)邊界，即保持發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)寬高尺寸不變。主要設(shè)計(jì)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)分為三部分：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)油路和電控部分。

1.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)輔助制動(dòng)器開(kāi)發(fā)的核心部分，也是實(shí)現(xiàn)輔助制動(dòng)最重要的部分，主要改動(dòng)的零部件有凸輪軸、排氣門橋、排氣搖臂、EVB支架、活塞、排氣推桿等。

1) 凸輪軸

凸輪軸是配氣機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源，凸輪軸的型線直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)功率。該系統(tǒng)的排氣凸輪型線見(jiàn)圖2。排氣凸輪增加一個(gè)制動(dòng)用小桃尖，其作用是在制動(dòng)功能啟動(dòng)后，將壓縮氣體在壓縮上止點(diǎn)前釋放掉。為不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正功，凸輪軸的排氣沖程不作任何改動(dòng)，小桃尖的最大外徑不超出改進(jìn)前的凸輪基圓外徑，同時(shí)，為保證制動(dòng)時(shí)的小桃尖升程，新的制動(dòng)凸輪的基圓直徑減小。如圖2所示，制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，氣門升程為淺色曲線；正功狀態(tài)時(shí)，理論上為深色曲線，但為了使凸輪到氣門的整條鏈?zhǔn)冀K保持接觸狀態(tài)，在排氣搖臂上增加了可壓縮的彈簧結(jié)構(gòu)補(bǔ)償負(fù)行程，將負(fù)行程變?yōu)榭招谐蘙13-17]。

圖2 排氣凸輪型線

2) 排氣門橋

排氣門橋直接與氣門接觸，凸輪軸的行程通過(guò)搖臂和氣門橋傳遞給氣門，三者聯(lián)動(dòng)，控制氣門的開(kāi)關(guān)。排氣門橋見(jiàn)圖3，其核心件是兩個(gè)活塞，與搖臂接觸的是主活塞，與氣門接觸的是副活塞。

圖3 排氣門橋

3) 搖臂軸

搖臂軸見(jiàn)圖4，主要增加了兩個(gè)功能：

(1) 增加制動(dòng)油通道；

(2) 配合凸輪軸，在制動(dòng)和正功兩種狀態(tài)下均能正常工作。

圖4 搖臂軸

排氣搖臂的推桿側(cè)設(shè)有彈簧機(jī)構(gòu)和滑銷結(jié)構(gòu)，滑銷結(jié)構(gòu)在排氣搖臂中上下移動(dòng)，將彈簧壓縮，配合氣門橋，將凸輪軸的小桃尖行程傳遞或者不傳遞到氣門橋。

以上三個(gè)核心零部件在正功狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)的聯(lián)合工作過(guò)程如下：

正功時(shí)，制動(dòng)油路中沒(méi)有油，氣門橋的主活塞和副活塞中未充油，排氣搖臂的彈簧機(jī)構(gòu)和滑銷結(jié)構(gòu)可上下移動(dòng)，在凸輪軸至氣門的整條結(jié)構(gòu)鏈上，在彈簧結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償作用下，凸輪軸的小桃尖無(wú)法產(chǎn)生氣門升程，直至排氣沖程開(kāi)始。

制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)油路中充滿低壓油，制動(dòng)油經(jīng)排氣搖臂進(jìn)入排氣門橋，在低壓油的作用下，主活塞克服排氣搖臂推桿側(cè)的彈簧力有了升起動(dòng)作，此時(shí)，彈簧的補(bǔ)充間隙為0，整條鏈變成了剛性鏈。當(dāng)排氣凸輪旋轉(zhuǎn)出基圓時(shí)，便產(chǎn)生了升程，將主活塞中的低壓油壓入副活塞，在兩活塞之間單向閥的作用下，低壓油變成了高壓油，與副活塞接觸的排氣門被打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)壓縮釋放制動(dòng)。此結(jié)構(gòu)中，排氣凸輪的小桃尖只驅(qū)動(dòng)一個(gè)排氣門動(dòng)作。

4) EVB支架

為不影響排氣沖程的氣門升程，設(shè)了EVB(排氣門制動(dòng)裝置)支架。排氣沖程時(shí)，排氣門橋在排氣凸輪的主升程作用下開(kāi)始整體下移，氣門橋與EVB支架脫開(kāi)，排氣門橋中的高壓油迅速釋放壓力，從副活塞頂部與EVB支架的小孔釋放掉(見(jiàn)圖5)。

圖5 EVB支架工作過(guò)程

5) 活塞

活塞的改進(jìn)設(shè)計(jì)，是在制動(dòng)氣門的對(duì)應(yīng)位置增加了避閥坑，這是由壓縮釋放制動(dòng)的原理所決定的。在壓縮上止點(diǎn)前，制動(dòng)排氣門需要打開(kāi)并釋放壓縮氣體，而此時(shí)活塞上移至最高位置，為避免兩者相碰，在活塞上增加避閥坑(見(jiàn)圖6)。

圖6 活塞避閥坑

6) 排氣推桿

為保證配氣正時(shí)準(zhǔn)確，在原有氣門推桿基礎(chǔ)上增加彈簧座盤、彈簧以及彈簧支架，保證挺柱始終與凸輪面接觸，保證推桿的定位(見(jiàn)圖7)。同時(shí)壓比有所改變，主要是防止運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣門橋過(guò)度傾斜。排氣推桿的增加不會(huì)對(duì)氣門升程造成任何改變。

圖7 推桿

1.2 制動(dòng)油路

制動(dòng)油路的作用是為排氣門橋及時(shí)提供制動(dòng)油，分布的主要部件有氣缸蓋、油管、EVB支架、搖臂軸、搖臂座、電磁閥等(見(jiàn)圖8)。

該發(fā)動(dòng)機(jī)為直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，共采用了2個(gè)電磁閥，布置在2缸和5缸，每3個(gè)缸共用1個(gè)電磁閥，油路從中間缸引入，進(jìn)入電磁閥，然后分配到所在缸和相鄰缸，用作制動(dòng)油。具體油路走向見(jiàn)圖8，制動(dòng)油從圖示淺色箭頭所示位置取油(即底部)，經(jīng)搖臂座進(jìn)入搖臂軸，然后進(jìn)入電磁閥。淺色油道為電磁閥前的油道，深色油道為電磁閥后的油道。電磁閥開(kāi)啟后，制動(dòng)油通過(guò)與搖臂軸相連接的制動(dòng)油管引出，經(jīng)EVB支架、缸蓋、分配油管，連接至相連兩缸。所在缸的制動(dòng)油則通過(guò)搖臂軸的油道直接進(jìn)入排氣搖臂的制動(dòng)油道，進(jìn)而進(jìn)入排氣門橋，驅(qū)動(dòng)排氣門開(kāi)啟壓縮釋放制動(dòng)。

圖8 制動(dòng)油路

1.3 電控部分

電控部分的功能是控制電磁閥開(kāi)閉，主要包括電磁閥、線束、氣缸蓋罩等。線束從氣缸蓋罩下罩引入，連接至電磁閥，通過(guò)ECU控制電磁閥的開(kāi)關(guān)。

2個(gè)電磁閥獨(dú)立控制，可以實(shí)現(xiàn)不同的制動(dòng)功率。該輔助制動(dòng)系統(tǒng)有兩個(gè)擋位，可以產(chǎn)生高、低兩擋制動(dòng)功率，滿足不同坡度和制動(dòng)距離使用。低擋位時(shí)1個(gè)電磁閥作用，3個(gè)缸起制動(dòng)作用，滿足低制動(dòng)功率需求；高擋位時(shí)2個(gè)電磁閥同時(shí)作用，6個(gè)缸均制動(dòng)，滿足高制動(dòng)功率需求。

2 裝配與試驗(yàn)分析

2.1 氣門間隙調(diào)整

增加壓縮式輔助制動(dòng)系統(tǒng)后，排氣凸輪的型線發(fā)生變化，主要是基圓的角度變化很大，而氣門間隙的調(diào)整需要在基圓位置完成。為確保間隙調(diào)整準(zhǔn)確，避免氣門撞活塞的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中，氣門間隙調(diào)整需遵循以下流程(見(jiàn)圖9)。

第一步，確認(rèn)氣門間隙調(diào)整時(shí)刻：轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸到一缸上止點(diǎn)處，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至凸輪軸的基圓位置，松開(kāi)大象腳螺栓(E-foot screw)，此時(shí)調(diào)整支架螺栓(Post screw)距離氣門橋的間隙。

第二步，設(shè)置氣門橋間隙：將排氣搖臂壓到推桿側(cè)，確保搖臂的球銷(ball pin)壓在推桿凹坑內(nèi)，用塞規(guī)(feeler)測(cè)量大象腳和排氣制動(dòng)橋的主活塞處的間隙，旋轉(zhuǎn)大象腳螺栓，使其與塞規(guī)接觸，輕輕移動(dòng)塞規(guī)，當(dāng)感覺(jué)到塞規(guī)有滯留感覺(jué)時(shí)將大象腳螺栓鎖緊(旋轉(zhuǎn)大象腳螺栓時(shí)不要用太大的力，避免壓到氣門彈簧，致使排氣門打開(kāi))，此時(shí)保持塞規(guī)移在原處，接下來(lái)還要調(diào)整支架螺栓(Post screw)間隙。

第三步，支架螺栓(Post screw)間隙調(diào)整：在支架螺栓(Post screw)和氣門橋之間插入塞規(guī)，旋轉(zhuǎn)支架螺栓(Post screw)，使其與塞規(guī)接觸，輕輕移動(dòng)塞規(guī)，當(dāng)感覺(jué)到塞規(guī)有滯留感覺(jué)時(shí)將支架螺栓(Post screw)鎖緊，并移走兩個(gè)塞規(guī)。

第四步，重復(fù)1—2—3步，旋轉(zhuǎn)曲軸轉(zhuǎn)角至基圓位置，遵循1—5—3—6—2—4次序調(diào)整其他缸的氣門間隙。

圖9 氣門間隙調(diào)整示意

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

在試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)柴油機(jī)常規(guī)參數(shù)及制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。圖10為動(dòng)機(jī)氣門升程傳感器裝配示意，圖11為傳感器布置示意，該傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量氣門升程。測(cè)試中用到的試驗(yàn)設(shè)備有電力測(cè)功機(jī)、燃燒分析儀、氣門升程測(cè)量傳感器、示波器，以及發(fā)動(dòng)機(jī)用冷卻液、燃油、新鮮空氣的供給控制系統(tǒng)。

圖10 氣門升程傳感器裝配示意

圖11 傳感器布置示意

1) 氣門升程試驗(yàn)

圖12示出氣門升程試驗(yàn)結(jié)果。由圖12可以看出，氣門跟隨性很好。2 100 r/min氣門升程與缸內(nèi)壓力的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖13，可見(jiàn)氣門升程與設(shè)計(jì)的凸輪軸型線吻合度很好，缸壓不超限，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 氣門與氣門橋跟隨試驗(yàn)

圖13 缸內(nèi)壓力與氣門升程試驗(yàn)結(jié)果

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率試驗(yàn)

圖14示出該發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。由圖14可見(jiàn)，在相同轉(zhuǎn)速下，采用壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)后，2 100 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率為247 kW，在產(chǎn)品泄氣式制動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，制動(dòng)功率提升了30%。圖15示出發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的試驗(yàn)結(jié)果分析。由圖15可以看出，2 300 r/min以下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)狀態(tài)下排氣溫度低于300 ℃。制動(dòng)狀態(tài)下，排氣并不會(huì)進(jìn)入氣缸內(nèi)，同時(shí)氣缸每循環(huán)都吸入新鮮空氣進(jìn)行冷卻，因此在制動(dòng)狀態(tài)下，排氣及缸內(nèi)溫度并不高，能夠保證噴油器油頭的可靠性。

圖14 制動(dòng)功率

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度測(cè)試分析

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某重型柴油機(jī)設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮釋放輔助制動(dòng)系統(tǒng)。方案設(shè)計(jì)階段立足于發(fā)動(dòng)機(jī)本體改動(dòng)最小，對(duì)車輛無(wú)影響，在此基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)油路和電控部分進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、零部件改動(dòng)小、可靠性高、可維護(hù)性好；試驗(yàn)過(guò)程階段，對(duì)裝配和試驗(yàn)各項(xiàng)性能和關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了充分驗(yàn)證，氣門間隙調(diào)整方法準(zhǔn)確，測(cè)試了缸壓、氣門升程、推桿力、排氣溫度、制動(dòng)功率等關(guān)鍵參數(shù)，充分評(píng)估該方案的制動(dòng)性能和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明：缸壓、推桿力滿足要求，整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的摩擦副應(yīng)力滿足材料限值；氣門升程與設(shè)計(jì)凸輪型線吻合性很好，氣門跟隨性好，各接觸副能良好貼合，達(dá)到制動(dòng)功率的同時(shí)，系統(tǒng)可靠性高；排氣溫度低，壓縮釋放制動(dòng)不存在排氣背壓高的問(wèn)題，氣流順暢，在制動(dòng)時(shí)缸內(nèi)能維持很低的溫度，對(duì)噴油器、冷卻系統(tǒng)乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)零部件都沒(méi)有負(fù)面影響；制動(dòng)功率高，該系統(tǒng)能夠平衡協(xié)調(diào)各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，摩擦副應(yīng)力滿足要求、系統(tǒng)無(wú)飛脫風(fēng)險(xiǎn)。