柴油機減壓-排氣復合緩速匹配試驗研究

劉新華 ， 劉逢春， 張磊 ， 魏鵬程 ， 李政建 ， 楊貴春

(1. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 東風康明斯發動機有限公司， 湖北 襄陽 441004)

柴油機減壓-排氣復合緩速匹配試驗研究

劉新華1， 劉逢春1， 張磊2， 魏鵬程1， 李政建2， 楊貴春1

(1. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 東風康明斯發動機有限公司， 湖北 襄陽 441004)

通過對柴油機獨立減壓緩速、排氣緩速性能進行研究，獲取了二者在循環工作過程中的作用區域和性能提升的影響因素，并以此為基礎，組合二者最優方案形成了復合緩速系統，進一步分析獨立緩速性能改進方法在復合緩速中的適用性，通過試驗驗證了改進策略的有效性。研究結果表明，復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運轉轉速范圍內獲得與柴油機標定功率相等的制動功率，同時柴油機排溫仍然可控制在限值范圍內。

柴油機； 發動機制動； 減壓緩速； 排氣緩速； 復合緩速； 制動功率

發動機緩速器主要用來彌補車輛在高速行駛和長坡道下坡行駛時，長期采用車輛行車制動導致制動器過熱使車輛行駛不可靠的嚴重安全問題[1-3]。世界上許多國家的交通法規已將輔助制動系統列為商用車輛的必備系統。我國交通部也在2012年頒布的行業標準中對12 t以上重型車輛裝備緩速器作了明確規定[4]。董穎等從使用上介紹了排氣緩速、泄氣緩速、減壓緩速等典型發動機緩速器的結構特征、工作原理和性能特點，并通過對緩速器工作過程分析，比較了幾種典型緩速方式的特點，指出國內發動機緩速研究應集中在排氣緩速與減壓緩速聯合發動機輔助緩速方式上進行[5]。夏基勝基于臺架試驗研究了發動機緩速器的性能，研究發現減壓制動器功率最大，發動機摩擦制動功率最小，所有緩速器的制動功率均隨發動機運行轉速的升高而增大，但泄氣緩速方式隨轉速升高增幅趨于緩慢[6]。由以上可見，為了進一步提升發動機輔助緩速裝置的制動功率，同時兼有排氣緩速裝置的廉價性，可以考慮采用減壓與排氣復合緩速方式。

本研究對某型四沖程渦輪增壓柴油機分別匹配獨立排氣緩速、獨立減壓緩速和復合緩速裝置進行分析，獲取獨立緩速系統各制動作用區域和影響因素以及在復合緩速中二者各自貢獻占比，進一步明確提升復合制動功率受限因素，提出對應的改進措施。通過臺架試驗，對所提出的方法進行了驗證。

1 試驗條件及試驗方法

1.1 試驗條件

試驗樣機為某增壓中冷柴油機，其主要技術參數見表1。

表1 柴油機技術參數

對應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凸輪，推挺機構由平面挺柱改為滾柱挺柱，搖臂增加排氣門驅動裝置，驅動行程1.8 mm，加強了排氣閥彈簧。壓縮釋放緩速使用時由發動機ECU接通位于搖臂油路上的電磁閥，機油壓力驅動制動活塞消除排氣門間隙，使排氣凸輪上的制動凸臺能在合適的行程驅動排氣門動作[7]。

對應匹配的排氣制動緩速器采取排氣口安裝的蝶閥形式，蝶閥轉動將排氣管堵死，在發動機氣缸內形成可控的背壓力，增加排氣行程的功率消耗。背壓控制通過調整閥的驅動氣缸壓力進行。

1.2 試驗方法

采用電力測功機倒拖被試柴油機，測試各緩速器方案的制動功率。測功機扭矩檢測精度±0.2%，轉速檢測精度±1 r/min。同步采集了柴油機運行狀態控制參數和柴油機1缸的缸壓曲線。

制動試驗前，首先進入發動機標定點工況熱機，待機油溫度高于95 ℃并趨于穩定后，再進行各緩速方案的制動功率測試,避免發動機機油黏度變化引起柴油機摩擦副的摩擦系數變化[8]，致使制動性能評價結果不一致。

1.3 試驗方案

為了實現最優的復合緩速系統匹配，試驗首先開展被試柴油機獨立排氣緩速和獨立壓縮釋放緩速性能研究。在二者最優組合形成復合緩速基礎上，再進一步提升復合制動性能。方案見表2。

表2 柴油機緩速試驗方案

試驗工況轉速為1 000～2 300 r/min，工況分割間隔為100 r/min。

2 試驗結果與影響因素分析

2.1 獨立排氣緩速制動

由于排氣緩速采用排氣管節流關閉來增大柴油機推出功，通過增大節流蝶閥的驅動氣缸壓縮空氣壓力可提高排氣管的密封性，從而增大排氣制動功率。隨著驅動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空氣消耗量。圖1示出排氣緩速裝置不同氣缸驅動壓力對應的柴油機空氣消耗量隨轉速的變化規律。為了直觀對比驅動壓力對柴油機空氣節流的影響，圖1中對各趨勢線進行了線性回歸擬合。從圖中可以看出驅動氣缸的壓縮空氣壓力越大，節流效果越明顯。

圖1 排氣制動對柴油機空氣的節流作用

圖2示出排氣緩速裝置不同驅動氣缸壓力對應的柴油機排氣背壓隨轉速的變化規律。由圖2可知，隨著氣缸驅動壓力增大，低轉速制動工況的排氣背壓提升也增大。這是由于低轉速工況缸內推出空氣相對較少，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，相應地背壓提升余量也越大。

圖2 排氣背壓隨轉速變化趨勢

為了進一步探索驅動閥對發動機的節流極限，進行了1 MPa驅動氣缸壓力性能測試。圖2中1 MPa氣缸驅動壓力下排氣背壓隨轉速變化趨勢與其他驅動壓力不同，以1 400 r/min轉速為轉折點，轉折點之上，排氣背壓增加趨勢與其他保持一致，轉折點之下排氣背壓增長不明顯。這是由于提升蝶閥密封性的同時提升了排氣背壓，當達到一定的滯流邊界，蝶閥驅動缸的平衡被氣流強力沖破形成持續的氣體泄漏。在轉折點以下低轉速工況蝶閥驅動逐漸恢復，排氣背壓也得到了恢復，同時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動氣缸的品質。

2.2 獨立減壓緩速制動

減壓緩速裝置是利用在柴油機上止點區釋放缸內高壓氣體，降低做功過程氣缸氣體反作用力來增大制動功。因此，增大上止點附近排氣門開啟時間面積，盡可能快地排出氣缸內的壓縮空氣是實現減壓緩速主要方法。由此可見，減壓緩速的空氣消耗量與制動功率成正比。

本研究中減壓緩速裝置制動驅動凸輪設計采用文獻[10]的方法，相應地排氣門最大行程受柴油機氣缸余隙限制，制動正時為上止點前60°[11]。其余特征與1.1節描述相同。

圖3示出柴油機制動工況和機械摩擦工況(不供油)下空氣消耗量隨轉速變化趨勢對比。由圖可知，雖然柴油機排空情況一致，但高速制動工況的空氣消耗量升高速率明顯增大。這是因為制動過程高壓氣體進入排氣歧管，在增壓器渦輪前后形成了高的壓差，推動壓氣機運行，相應地柴油機制動工況的空氣消耗量增加。由此可見，柴油機的增壓器對減壓制動性能會產生影響。

圖3 減壓制動空氣消耗量隨轉速變化趨勢

圖4示出柴油機有無增壓器時的減壓制動扭矩和最大缸壓(pmax)隨轉速的變化趨勢。由圖可知，拆除增壓器后pmax在高速工況下降明顯，但制動扭矩下降較少。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功，因此有增壓器時制動功略顯提升。由此可見，增壓器的存在仍然有助于提升減壓制動功率。

圖4 增壓器對減壓制動性能的影響

2.3 復合緩速制動

圖5示出單排氣緩速、單減壓緩速以及二者較優方案的組合(復合)緩速的制動功率對比。由圖可知，復合緩速在柴油機匹配轉速范圍內獲得了與正功(燃燒狀態)相當的制動功率(313kW)。表明要進一步提升柴油機制動功，采用復合緩速方式是一種有效途徑。

雖然排氣緩速區和減壓緩速工作區相互獨立，但圖5示出的復合制動功率卻沒有達到二者制動功的疊加(剔除機械摩擦功的疊加)。這是由于復合制動功率是二者制動的綜合結果，排氣制動會引起背壓提升，減少減壓制動排出的空氣量；減壓制動會導致pmax隨柴油機轉速的增大而升高率降低，降低排氣的推出功。由此可見，在復合制動中，單獨提升排氣或減壓制動性能都會引起另一方的性能下降，同時影響柴油機運行參數。

圖5 3種制動策略下制動扭矩隨轉速變化趨勢

在復合緩速工況下，柴油機工作過程中高壓循環的平均指示壓力(NMEP)表征了減壓緩速產生的制動功率，低壓循環的平均指示壓力(PMEP)表征了排氣緩速產生的制動功率。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合制動中的貢獻比(見圖6)。由圖可見，中間轉速工況(1 300～2 000r/min)減壓制動貢獻略低，其他轉速工況排氣制動貢獻略低。圖中還示出，在高速工況減壓制動貢獻逐漸減小到50%時，柴油機排溫快速升高趨勢較中間轉速工況明顯。

圖6 復合制動貢獻占比與渦前排溫隨轉速變化趨勢

研究發現，在中間轉速工況區域，優化制動功率無法采用提升減壓制動功的措施。這是由于此時增壓器處于阻塞狀態，無法提升壓縮功，另一方面排氣制動提升背壓，減少了減壓空氣排出量。而直接提升復合制動中低壓循環貢獻的方法雖然可行，但其獲得的制動貢獻主要來自于氣體重復壓縮后體積膨脹增加的壓縮功，不僅制動效率偏低，在低轉速工況也易引起排溫超限。因此，在原匹配方案下，復合緩速裝置制動功率的提升需要通過高的運行轉速來實現。

從圖6可以看出，在2 300r/min高轉速工況采用復合制動，排溫接近730 ℃限值。繼續提高制動工況運行轉速，必然導致排溫超限，不利于發動機和復合緩速裝置安全可靠運行。為此，在進一步提升復合制動功率的同時，為防止排氣制動蝶閥發生故障，本研究最終改進了氣門彈簧二次驅動力，使其在蝶閥可控臨界氣缸驅動力范圍內，將與正功相當的制動轉速降低至2 200r/min，同時排溫仍然在可控范圍內(見圖7)。可見，復合緩速系統制動性能的改進主要依賴于排氣緩速的改進。

圖7 復合緩速優化前后制動性能對比

3 結束語

試驗結果表明采用減壓、排氣復合方式是一種有效可行的柴油機緩速方式，在合理匹配后可獲得與正功相當的制動功率。

復合緩速中的減壓制動和排氣制動二者存在綜合性影響，單獨提升任意一方的性能都會引起另一方的性能下降，同時影響柴油機運行參數。

提升排氣管控制壓力雖然是進一步提升復合制動功率有效的方法，但其制動效率偏低，在低速工況制動時排溫易超限。實車使用時還需要通過高的運行轉速來獲得高制動功率。

加強氣門彈簧的作用力有利于減弱排氣制動中的氣體重壓率，這一方法在復合制動中同樣有效，可以明顯降低制動工況運行轉速，滿足實車環境下高擋位狀態輔助緩速應用需求。

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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，主要從事發動機試驗的研究；lxhbfs@163.com。

劉逢春(1984—)，男，助理研究員，研究方向為柴油機試驗與測試技術；15835382882@139.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.015

TK427

B

1001-2222(2017)02-0083-04