輕卡排氣輔助制動連續可控系統研究(1例)

文_費孝濤 錢春貴

輕卡排氣輔助制動連續可控系統研究(1例)

文_費孝濤 錢春貴

國內常用的發動機排氣輔助制動裝置的排氣蝶閥控制位置只有全開、全閉2種狀態。針對蝶閥全閉狀態造成的發動機低速熄火和高速機件磨損加劇的缺點，現對傳統排氣輔助制動裝置進行優化，使排氣蝶閥的打開角度可以實現連續可控，在保證發動機正常運行的前提下，保持最大的制動效能。

表1 測試點布置位置及描述

商用車的載質量和整備質量都高于乘用車，長距離的運輸，尤其是山區地形的行駛，導致制動器磨損加劇，長距離下坡制動還會由于制動熱衰退性能造成制動效能下降。

采用輔助制動裝置是一個行之有效的解決方法。國內外輔助制動器制造廠商和權威機構對裝備輔助制動器的車輛進行了綜合性能優勢比較[1]。結果顯示，裝備有輔助制動的車輛換擋次數可以減少36%，行車制動器工作次數可減少75%左右，摩擦片壽命可提高10～50倍，車輛維修費用顯著減少。

發動機排氣輔助制動裝置具有結構簡單、操縱方便、安全可靠等優點。本文介紹一款用于超越C300型輕卡真空控制式排氣輔助制動裝置，從蝶閥全開、全閉2種狀態到實現蝶閥連續可控的優化改進。

基本原理

排氣制動是在發動機制動吸收能量的基礎上，在排氣管路中安裝一個制動閥，當排氣制動需要工作時，關閉閥門，阻止氣缸中的氣體通過排氣門向外流動，使排氣門后面的背壓升高，從而增大排氣阻力，從而使制動力矩增加。排氣輔助制動裝置主要包括氣缸、搖臂機構、蝶形閥、排氣管等。

當排氣輔助制動裝置工作時，接通電磁閥，電磁閥與真空源相接，從而控制蝶形閥旋轉的開啟和關閉；蝶形閥通過圍繞搖臂軸線的旋轉，與排氣管配合完成對排氣管路的開啟和關閉。

制動性能試驗

現選取裝配Sofim8140.43D3發動機的超越C300型輕卡進行排氣輔助制動性能試驗。測試方案為：在整車轉鼓上進行倒拖測試，分別進行不帶排氣輔助倒拖、帶排氣輔助倒拖的工況試驗，ECU控制排氣輔助相關參數，監控排氣輔助系統排氣背壓并記錄數據。

在測試時，選取排氣輔助工作狀態相關變量描述，包括渦前壓力、排氣輔助前壓力、排氣輔助后壓力、真空泵總管壓力、排氣輔助真空電磁閥輸出端壓力、油門開度、離合器狀態和排氣輔助請求開關狀態，測試過程中記錄數據。表1為測試點布置位置描述。

試驗過程中，發動機轉速由低到高增加。試驗得到了排氣蝶閥角度與發動機轉速、排氣背壓之間的關系曲線，如圖2所示。

試驗式結果表明：

(1)轉速低于1 500 r/min時，排氣輔助制動裝置工作時發動機容易熄火，無法進行試驗；從采集的數據中發現，當蝶形閥前壓力＜0.1 MPa時，發動機運轉正常，閥前壓力＞0.15 MPa時，發動機極易熄火。

(2)排氣輔助制動裝置工作時，對發動機運轉有抑制作用，車速和轉速均有所降低。

(3)隨發動機轉速的升高，擋位降低使得排氣輔助制動裝置工作時對發動機運轉的抑制作用增強。

通過分析試驗結果，發現各參數之間的變化規律，找到了傳統排氣輔助裝置的問題。為解決這些問題，排氣輔助連續可控系統的控制必須滿足以下要求：

(1)發動機轉速＜1 500 r/min時，控制蝶閥開度，使排氣背壓始終＜0.15 MPa。

(2)發動機轉速＞1 500 r/min時，控制蝶閥開度，使排氣背壓始終略＜0.52 MPa。

(3)在保證發動機不熄火，不被損壞的前提下，盡量保持最大的排氣背壓，就能獲得最大的制動功率，即保持最大的制動效能。

排氣輔助連續可控系統

1.系統軟硬件設計

排氣輔助連續可控系統包括軟、硬件設計2部分，排氣制動電控系統示意結構如圖3所示。整個系統的設計依托步進電機控制排氣蝶閥，從而控制其開度的連續性。

發動機綜合電控單元將采集到的發動機轉速、油門位置和車輛制動信號等通過CAN總線傳輸給排氣制動電控系統控制單元。排氣制動ECU接收到綜合電控系統主ECU通過CAN通信模塊傳過來的參數信號，當制動功能啟動時，立即驅動執行器，將排氣蝶閥控制到相應的角度。控制流程如圖4所示。

在系統復位后，需要對CAN總線控制器和蝶閥狀態進行初始化；在功能模塊中，首先對制動功能的啟動進行判斷，只有啟動了制動功能后，系統才開始計算蝶閥開度并驅動電機。排氣蝶閥關閉角度的根據所接收到的轉速和排氣背壓數據進行計算，采用MAP查詢與PI算法共同計算所得，使排氣制動系統既有大的制動力，又不會產生過大的排氣背壓，損壞排氣門。

2.排氣輔助連續可控試驗

經過調試，制動系統可靠無延時。通過反拖功率和減速測量的方法進行了制動試驗。改變排氣蝶閥制動角度，測量排氣背壓；然后對采集到的數據進行分析，可得到直觀的排氣制動效果。

圖5是在發動機轉速＜1 500 r/ min時的蝶閥開度與排氣背壓的關系擬合曲線，從圖中可以看出，當排氣背壓＜0.15 MPa時，蝶閥開度接近90°，幾乎是完全關閉的。當排氣背壓逐漸上升時，蝶閥的角度逐漸減小，即打開角度逐漸增大，這樣就使得排氣管中的部分氣體排出氣缸，壓力下降，達到所需數值，保證發動機正常運轉。

當蝶閥轉角接近45°時，不管排氣背壓如何升高，蝶閥轉角幾乎不再變化。這就說明，蝶閥轉角達到45°時，對排氣制動的影響較小，排氣管中的壓力不再升高。

當發動機轉速＞1 500 r/min時，蝶閥開度隨排氣背壓變化與圖5類似，只不過是在排氣背壓＞0.52 MPa時，蝶閥轉角隨壓力升高逐漸減小，也是逐步趨于穩定。

圖6是擬合得到的排氣背壓與發動機轉速之間的關系曲線，在發動機轉速＜1 500 r/min時，排氣背壓輸出值幾乎穩定在0.15 MPa左右，與試驗分析吻合，達到系統設計的目標。

發動機轉速＞1 500 r/min時，排氣背壓逐漸上升，最終基本穩定在0.52 MPa左右，這與前面的試驗分析也基本吻合，符合目標實現的條件。

將ECU采集到的發動機轉速和排氣背壓數據進行整理和分析，得到實際的排氣背壓與發動機轉速之間的關系曲線，如圖7所示。

結束語

圖7表明，排氣輔助制動連續可控系統工作時，輸出的發動機轉速與排氣背壓值與理論上的分析結果是比較吻合的，整體走勢大致相同，由于發動機工況復雜，影響其輸出值因素較多，其壓力波動在允許的誤差±5%范圍內，說明系統設計合理，其功能性符合目標。

(注：本文第一作者單位系淮安信息職業技術學院，第二作者單位系嘉興職業技術學院。)

[1]張炳榮.國內汽車緩速器行業標準現狀及發展[J].時代汽車，2007(11):101-103.