張騰，劉寧，韓文濤*，許自順，鄭碧瑩，朱耀文，劉冠麟

1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.一汽解放青島汽車有限公司，山東 青島 266000；3.濰柴動(dòng)力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

重型卡車在連續(xù)下坡時(shí)，通常采用輔助制動(dòng)對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)減速，使車輛維持一定的速度下坡行駛，頻繁剎車極易使摩擦片過熱引起制動(dòng)效能急劇下降，甚至發(fā)生制動(dòng)失控等非常嚴(yán)重的后果[1-2]。文獻(xiàn)[3]規(guī)定重型牽引車輛應(yīng)安裝緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置。當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是重型卡車的主要?jiǎng)恿ρb置，因此有必要開發(fā)適用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助制動(dòng)系統(tǒng)以保證行車安全。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)形式

發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)通常有排氣蝶閥制動(dòng)、泄氣制動(dòng)和壓縮釋放制動(dòng)3種形式[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)增配輔助制動(dòng)裝置后，可以有效地為車輛提供制動(dòng)能量，控制車輛行駛速度，滿足在不同路況下行駛需求，保障車輛行駛安全。

排氣蝶閥制動(dòng)是當(dāng)前應(yīng)用較廣的輔助制動(dòng)形式，其結(jié)構(gòu)和控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，只需在排氣管上安裝制動(dòng)蝶閥，在輔助制動(dòng)開關(guān)打開后制動(dòng)蝶閥關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓升高，增加排氣沖程的消耗功，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩档蛙囁伲坏窃撝苿?dòng)形式制動(dòng)效率低，無(wú)法滿足整車制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。泄氣制動(dòng)一般通過液壓控制排氣門在制動(dòng)過程中保持一定升程，降低膨脹沖程氣體對(duì)活塞做功，同時(shí)充分利用壓縮與排氣沖程的泵氣損失降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。壓縮釋放制動(dòng)通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣相位，在壓縮沖程即將結(jié)束時(shí)將排氣門打開，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮空氣釋放到排氣系統(tǒng)；膨脹做功過程中，進(jìn)、排氣門關(guān)閉，活塞下行過程中發(fā)生倒吸抽真空對(duì)活塞做負(fù)功，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[6-7]。相較其他發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)形式，壓縮釋放制動(dòng)功率和效率較高。董穎等[8]、吳國(guó)偉[9]通過數(shù)值計(jì)算表明，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮釋放制動(dòng)能力利用系數(shù)可達(dá)到32%，排氣制動(dòng)能力利用系數(shù)隨著排氣背壓的升高而升高，當(dāng)排氣背壓為0.24 MPa時(shí)，制動(dòng)能力利用系數(shù)為15%～18%。姚磊等[10]研究了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒制動(dòng)形式，在即將到達(dá)壓縮沖程時(shí)將缸內(nèi)混合氣點(diǎn)燃，混合氣燃燒產(chǎn)生的高壓阻礙活塞上行，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功率增加，滿足車輛行駛對(duì)制動(dòng)的需求。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)整車布置影響較小，且制動(dòng)功率較高、價(jià)格低廉，因此壓縮釋放制動(dòng)成為主流車輛輔助制動(dòng)形式，成為重型牽引車等細(xì)分市場(chǎng)的標(biāo)配[11-12]。

本文中以裝有缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)的某款天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證缸內(nèi)壓縮制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 缸內(nèi)壓縮制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

隨著缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，采用缸內(nèi)壓縮制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行太大的改動(dòng)，僅需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，其他機(jī)構(gòu)可維持不變。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)的完整機(jī)構(gòu)如圖1[9]所示。設(shè)計(jì)專用壓縮釋放制動(dòng)專用凸輪軸，在凸輪軸排氣門側(cè)增加制動(dòng)氣體回流(braking gas recirculation，BGR)型線，用于在進(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，增加壓縮沖程中缸內(nèi)氣體質(zhì)量，從而增加制動(dòng)功率[13]。在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門橋增加2個(gè)主、副活塞，主活塞控制搖臂運(yùn)動(dòng)，副活塞與氣門接觸并控制氣門運(yùn)動(dòng)；在氣門橋上增加制動(dòng)油路，由2個(gè)電磁切斷閥控制油路的通、斷。當(dāng)電磁切斷閥接通后，制動(dòng)潤(rùn)滑油充滿制動(dòng)系統(tǒng)，強(qiáng)制副活塞工作將排氣門打開，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)推桿處于BGR處，釋放高壓氣體，增大制動(dòng)功率；當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)未工作時(shí)，電磁切斷閥關(guān)閉，切斷制動(dòng)系統(tǒng)油路，氣門恢復(fù)正常凸輪軸行程，與氣門桿搖臂之間存在正常間隙做正功。為了避讓排氣門強(qiáng)制打開時(shí)占用空間，在活塞上增加氣門坑設(shè)計(jì)。工作時(shí)，由于制動(dòng)油路氣門傳動(dòng)系統(tǒng)為剛性傳動(dòng)，氣門推桿容易發(fā)生錯(cuò)位，因此增加了氣門推桿定位裝置，主要由彈簧、底座及其支架構(gòu)成。

圖1 缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.2 缸內(nèi)制動(dòng)控制方式

缸內(nèi)制動(dòng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(electronic control unit，ECU)控制。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，通過控制制動(dòng)電磁閥通、斷來(lái)控制制動(dòng)功率。發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)制動(dòng)需求控制不同數(shù)量的電磁閥工作，滿足不同制動(dòng)功率的需要。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮釋放制動(dòng)試驗(yàn)

用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮制動(dòng)零部件試驗(yàn)設(shè)備包括電力測(cè)功機(jī)、高精度氣門升程測(cè)量傳感器、燃燒分析儀、示波器等，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮釋放可靠運(yùn)行，主要試驗(yàn)設(shè)備及型號(hào)如表1所示。

表1 主要試驗(yàn)設(shè)備及型號(hào)

3.1 氣門升程測(cè)試

氣門運(yùn)動(dòng)升程影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門在制動(dòng)工況下的升程曲線如圖2所示。

圖2 排氣門升程曲線

由圖2可知：發(fā)動(dòng)機(jī)在制動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)，凸輪軸型線運(yùn)動(dòng)與理論設(shè)計(jì)相吻合，符合設(shè)計(jì)要求；但排氣門在凸輪軸驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，與正功曲線相比，制動(dòng)升程曲線呈現(xiàn)出“瘦尖”狀態(tài)，且最大升程處的相位曲軸轉(zhuǎn)角較理論相位曲軸轉(zhuǎn)角延后15°。這主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)排氣門在制動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)油路存在一個(gè)釋放的運(yùn)動(dòng)過程，導(dǎo)致排氣門升程滯后。當(dāng)制動(dòng)油路釋放后，制動(dòng)系統(tǒng)不對(duì)排氣門起作用，此時(shí)排氣門進(jìn)入非制動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致排氣門運(yùn)動(dòng)升程出現(xiàn)“瘦尖”狀態(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，排氣門在凸輪軸型線的作用下處于強(qiáng)制工作狀態(tài)。排氣門升程越大，缸內(nèi)高壓氣體進(jìn)入排氣系統(tǒng)的流通面積越大，流出的高壓氣體越多，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到上止點(diǎn)前缸內(nèi)殘余高壓氣體越少，同時(shí)排氣門升程增大也有利于增加排氣門打開時(shí)間，有利于增加制動(dòng)時(shí)缸內(nèi)的最大壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)效率。但當(dāng)排氣門升程過大時(shí)，會(huì)引起排氣門無(wú)法及時(shí)關(guān)閉或排氣門落座速率加快，導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)缸壓下降，加快氣門磨損，降低制動(dòng)效率。因此，需要將排氣門升程控制在一定范圍內(nèi)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助制動(dòng)效率。

3.2 凸輪軸接觸應(yīng)力測(cè)試

凸輪軸接觸應(yīng)力對(duì)凸輪軸的壽命影響較大，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)在制動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)。凸輪軸在BGR處運(yùn)行時(shí)，凸輪軸與挺柱接觸面積較小，接觸應(yīng)力過大，影響凸輪軸使用壽命。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量最大工況下運(yùn)行時(shí)，凸輪軸與挺柱之間的應(yīng)力最大，因此本次試驗(yàn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在制動(dòng)工況下凸輪軸與挺柱的接觸應(yīng)力。由于凸輪和挺柱的接觸應(yīng)力無(wú)法直接測(cè)量，一般通過測(cè)量作用于推桿上的推力，計(jì)算出凸輪和挺柱的接觸應(yīng)力[14]。凸輪和挺柱的接觸應(yīng)力

式中:Em為綜合彈性模量，Em=2E1E2/(E1+E2),其中E1、E2分別為凸輪和挺柱的彈性模量，Pa；R為凸輪型線中的最小曲率半徑，mm；L為凸輪和挺柱的接觸線長(zhǎng)度，mm；F為凸輪與挺柱間的作用力，即推桿推力，N。

發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)工況下凸輪軸與挺柱接觸應(yīng)力變化曲線如圖3所示。

圖3 排氣凸輪軸與挺柱接觸應(yīng)力變化曲線

由圖3可知：發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸與挺柱的接觸應(yīng)力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大，轉(zhuǎn)速為2100 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門凸輪軸與挺柱的接觸應(yīng)力最大，為810 MPa，小于材料許用限值1000 MPa，滿足材料許用應(yīng)力要求。

凸輪軸與挺柱的接觸應(yīng)力與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，由于凸輪軸與挺柱的接觸面積時(shí)刻在變化，根據(jù)圖3，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2100 r/min時(shí)，凸輪軸與挺柱接觸應(yīng)力最大，因此測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000、2100 r/min不同曲軸轉(zhuǎn)角下凸輪軸和挺柱的接觸應(yīng)力，如圖4所示。由圖4可知，不同曲軸轉(zhuǎn)角下，凸輪軸和挺柱的最大接觸應(yīng)力為810 MPa，滿足材料許用要求。

圖4 排氣凸輪軸與挺柱接觸應(yīng)力變化曲線

3.3 增壓器放氣閥開度對(duì)制動(dòng)功率的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)由缸內(nèi)制動(dòng)氣體的體積流量決定[15]。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體體積流量減小，制動(dòng)工況下缸內(nèi)排出的氣體減少，引起制動(dòng)功率下降。由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩主要受進(jìn)氣量影響，進(jìn)氣過多會(huì)導(dǎo)致天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓過高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。因此試驗(yàn)中選取發(fā)動(dòng)機(jī)在1900、2000 r/min運(yùn)行時(shí)，測(cè)試增壓器放氣閥開度對(duì)制動(dòng)功率和缸壓的影響，如圖5所示。

圖5 制動(dòng)功率和缸壓變化曲線

由圖5可知：隨著增壓器放氣閥的開度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率和缸壓持續(xù)升高，發(fā)動(dòng)機(jī)在2000 r/min運(yùn)行時(shí)缸壓和制動(dòng)功率高于1900 r/min；雖然增壓器放氣閥的開度超過60%后制動(dòng)功率和缸壓變化較緩慢，但仍呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，同時(shí)制動(dòng)功率滿足整車需求，通常將發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)增壓器廢氣閥的開度控制在50%以內(nèi)。

3.4 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)制動(dòng)功率對(duì)比

將裝有缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)、相同排量的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行制動(dòng)功率測(cè)試，不同轉(zhuǎn)速下制動(dòng)功率對(duì)比如圖6所示。

圖6 某天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)制動(dòng)功率對(duì)比曲線

由圖6可知：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的制動(dòng)功率均滿足文獻(xiàn)[3]的要求，制動(dòng)功率均隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，但天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)功率比同排量的柴油機(jī)低9.3%。這主要是因?yàn)樘烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比通常為11.5，柴油機(jī)的壓縮比可高達(dá)17.5，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比較大時(shí)缸內(nèi)氣體產(chǎn)生的壓力較高，在排氣門打開時(shí)更容易將缸內(nèi)的氣體排出，泵氣損失增加，缸內(nèi)負(fù)壓運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)壓力增大，制動(dòng)功率增加，因此在相同排量下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)功率小于柴油機(jī)。

3.5 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車制動(dòng)測(cè)試

雖然帶有缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)需求，但還應(yīng)搭載整車測(cè)試長(zhǎng)下坡路段的車輛制動(dòng)效果。選擇一段長(zhǎng)約15 km、平均坡度約為3.5%的下坡路段進(jìn)行整車制動(dòng)測(cè)試，制動(dòng)方式分別為腳踏板制動(dòng)、腳踏板制動(dòng)-排氣蝶閥制動(dòng)、腳踏板制動(dòng)-缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)。不同制動(dòng)方式、相同配置的重型卡車在下坡路段運(yùn)行時(shí)的整車運(yùn)行時(shí)間、腳踏板制動(dòng)累計(jì)時(shí)間及次數(shù)如表2所示。

表2 不同制動(dòng)方式的車輛制動(dòng)結(jié)果

由表2可知：下坡時(shí)，腳踏板制動(dòng)-缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)車輛的腳踏板累計(jì)制動(dòng)時(shí)間最短，腳踏板的使用次數(shù)最少，腳踏板使用次數(shù)比單純腳踏板制動(dòng)減少了68%，比腳踏板制動(dòng)-排氣蝶閥制動(dòng)減少了58%。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝有缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)系統(tǒng)可以有效增加制動(dòng)功率，減少腳踏板制動(dòng)頻次，車輛在下坡過程中車速降低、可控，車輛行駛更安全。

4 結(jié)論

分析對(duì)比不同的發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)形式，設(shè)計(jì)了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行相關(guān)制動(dòng)試驗(yàn)。

1)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)過程中，凸輪軸接觸應(yīng)力在限值以內(nèi)；制動(dòng)功率隨增壓器廢氣閥開度增加而增大，但受發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓影響，高轉(zhuǎn)速時(shí)增壓器廢氣閥的開度通常應(yīng)控制在50%以內(nèi)。

2)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)滿足制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是受制于壓縮比限制，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率比同排量柴油機(jī)小9.3%，因此有必要在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能前提下盡可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比。

3)搭載整車進(jìn)行制動(dòng)測(cè)試，車輛下坡時(shí)，腳踏板制動(dòng)-缸內(nèi)壓縮釋放制動(dòng)可以有效增加制動(dòng)功率，縮短腳踏板制動(dòng)時(shí)間，車輛在下坡過程中實(shí)現(xiàn)車速可控，制動(dòng)更安全。