發動機輔助制動模擬研究

王志強

摘 要：文章首先研究了分析了發動機輔助制動技術和工作原理，然后又根據實際情況列出了模擬的發動機制動仿真設計。在單因素和多因素參數的基礎上分析了發動機輔助制動模型，主要是選擇排氣門開度、發動機轉速和排氣背壓幾個方面展開的模型分析。分析結果表明，這些因素都會受到發動機轉速的變化而變化，發動機轉速在增加的時候就會加大氣缸內的壓力，從而使峰值接近最大值;同時發動機轉速也會影響制動力，在發動機轉速增加的時候也會增加制動力，同時制動力減少會降低制動力矩;發動機轉速在恒定的情況下，制動力矩會受制動力矩的影響而變化。制動力矩和減速制動會受到排氣門開度值的增加而變大。排氣門開度值在增加的時候會增加排氣背壓，會引起制動力矩變大。

關鍵詞：發動機;輔助制動;排氣

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-109-06

Research on Engine Auxiliary Braking Simulation

Wang Zhiqiang^1，2

（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，?Ltd.，?Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Powertrain Co.， Ltd.，?Zhejiang Ningbo 315800?）

Abstract：?This paper first studied and analyzed the engine auxiliary braking technology and working principle， and then listed the simulated engine braking simulation design according to the actual situation. On the basis of single factor and multi-factor parameters， the engine auxiliary braking model is analyzed， which mainly includes the selection of exhaust valve opening， engine speed and exhaust back pressure. Analysis results show that these factors are subject to changes in engine speed， engine speed will increase the pressure in the cylinder， so that the peak value is close to the maximum; At the same time， the engine speed will also affect the braking force. When the engine speed increases， the braking force will also be increased. At the same time， the braking torque will be reduced when the braking force decreases. Braking torque and braking deceleration will be increased by the increase of exhaust valve opening value. When the exhaust valve opening value increases， the exhaust back pressure will be increased， which will cause greater braking torque.

Keywords：?Engine; Auxiliary brake; Exhaust

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-109-06

1 發動機輔助制動技術及工作原理

發動機制動裝置的工作是在行車過程中產生制動的作用或者在停車的時候發揮制動作用，制動是發動機向后的功率變化產生的，可以起到降低行車速度的作用，還能保證車輛行駛速度的穩定，有效的提高形車安全，從而提高制動系統的使用周期。但是，隨著發動機制動產生的制動扭矩變小，事實上有非常多的方法能夠降低發動機的驅動。正常情況下發動機制動技術都包括發動機制動、發動機排氣、發動機泄漏、發動機減壓制動等幾個方面，下面就對這幾項技術做如下簡述。

1.1?發動機制動

發動機制動的工作原理是車行駛慣性的影響而變化的，如果發動機停止工作就會產生向后拖動的力量從而產生制動。這個時候發動機的動力源就轉化成消耗汽車動能產生的空氣壓縮機，可以有效的降低汽車的速度，還能起到減速的作用^[1]。反向，發動機消耗的動能通常都是由機械摩擦或泵氣損失或壓縮機氣體不可逆產生的耗能，比如產生傳動和動力所需要的油泵、風扇、發電機和空氣壓縮機等部位。就發動機而言，發動機工作需要非常多的動能，但是發動機技術的進步和提升也會使機械摩擦的損失降低，同時對制動產生一定的影響。

氣缸在發動機中屬于非常關鍵的部件，因此，裝有發動機減速器制動裝置的氣缸蓋和氣門機構不同于普通發動機。一般情況下，氣缸蓋的高度超過正常發動機高度，但是其他部位的尺寸都沒有變化^[2]。

當發動機停止供油時，離合器接合，變速器不在空檔位置，高速車輛反向拖動發動機，將作為動力源的發動機轉變成消耗車輛動能并起減速作用的空氣壓縮機。行車的過程中如果松開加速器或離合器都會降低發動機的能耗。

1.2?發動機排氣輔助制動器

排氣輔助制動器作為汽車上的輔助制動系統，具有機構簡單、成本低廉、運行可靠、操作方便、降低發動機熱疲勞、延長發動機使用壽命、配合油門操作節油效果顯著、使用壽命長等優點。發動機排氣緩速器的作用就是用蝶形閥或者類似有阻力的部件給發動機帶來阻力，能夠起到提高發動機制動阻力。制動力一般情況下都在發動機固定功率的80%以內，可以有效的降低制動利用率20%，最高可以提升制動摩擦片使用壽命的4倍。事實上，對于具有相同額定功率的發動機，自然吸氣汽油發動機的比率通常在上限或超過上限，而配備渦流增壓器的發動機的比率通常在下限，顯示出制動功率不足的趨勢^[3]。由于渦輪增壓器給發動機提供驅動力，因此不但可以提高發動機的充電效果，還提高了發動機的驅動率。排氣制動器的工作是受到排氣制動閥的影響而使排氣管功能發揮制動作用，也就是使渦輪增壓器不發揮其作用，從而產生制動阻力。

1.2.1?排氣輔助制動器的結構

發動機排氣輔助制動器中有氣缸、搖臂、蝶閥、排氣管、控制電路及控制元件多種結構組成，氣缸中的活塞桿在受到空氣進和出的驅動以后進行直線運動，蝶閥的開關和閉合是受活塞桿和搖臂結構的影響而變化的。蝶閥和排氣管相互工作能夠有效的發揮搖臂的旋轉作用，實現對排氣管開關的控制。在發動機上安裝排氣輔助制動排氣裝置并與排氣管連接到一起，更好的發揮支撐作用，詳細見下圖1。

含氣缸蓋、活塞、氣缸體、活塞桿、內彈簧、外彈簧等。排氣制動缸裝置位于進氣管上，在連桿控制排氣的作用下控制制定蝶閥的打開和關閉^[4]。在壓縮空氣的作用下使電磁閥通過儲氣罐直接給排氣制動缸提供壓力，活塞受到壓縮空氣的推力，同時活塞桿及活塞都會受到外彈簧和內彈簧的阻力，從而使驅動活塞受到缸軸的壓力向內移動。在活塞桿的作用下，搖臂會持續旋轉，使蝶閥的開關處于打開和閉合的狀態。在這種情況下，蝶閥和排氣管的角度是垂直的，從而影響發動機排氣管正常工作，間接的影響排氣輔助制動器工作。如果排氣輔助制動器停止工作，氣缸中的壓縮器電源就會自動斷開，活塞桿及活塞受到內外彈簧的壓力使其回到最初的位置。如果活塞回到最初位置，蝶閥平行面就與排氣管軸線呈平行狀態。

1.2.2?排氣輔助制動器的工作原理

發動機的排氣輔助制動器是基于發動機制動原理上進行工作的，一般蝶閥或功能相似的部件都位于排氣管和消聲器之間。如果閥板是打開的狀態，排氣輔助制動器就不能正常工作，詳細下圖3（a），不會影響到發動機的正常工作。如果發動機排氣輔助制動器是打開的，排氣制動蝶閥就會控制排氣管的關閉，詳細如圖3（b），發動機就強制停止對發動機供油。使排氣管壓力達到294～392KPa。發動機活塞在排氣的阻力下會影響發動機的制動。排氣沖程會影響發動機曲軸的正常工作。在排氣的過程中氣缸會因為空氣阻力而增加活塞和曲軸的承受阻力，進而使發動機不能正常制動^[5]。驅動輪就會發出較強的減速效果，從而有效的降低車速。

1.3?發動機泄漏輔助制動器

發動機泄漏制動產生于發動機壓縮和膨脹的過程內，通過排氣閥來控制開口，受到壓縮沖程和膨脹沖程的影響，氣體沖量就會從排氣閥中流出，有效的降低膨脹沖程過程中產生的缸內壓力，提高發動機的制動功率。一般情況下漏洞制動器與排氣制動器都是一起工作的。

圖4的輔助制動器是某公司發明的新設備，通過改進排氣輔助制動器，并增加搖臂內的潤滑油裝置。這時候如果活塞處于排氣沖程的下止位置，就會降低缸內的壓力，同時排氣門的兩側也會有很大的壓力，從而使排氣門在二次開口的時候開口較小^[6]。如果潤滑油的過油通道被支柱或閥門堵住就會影響活塞和搖臂的正常潤滑，從而使排氣閥的張開口始終都位于壓縮和膨脹狀態。

2?發動機輔助制動數學模型及性能仿真分析

2.1?發動機輔助制動數學模型

發動機在制動的過程中，氣缸如果缺少燃油，發動機就會停止工作。氣缸受制動壓力的影響其工作介質也不斷改變，如果氣缸是開放的熱力系統，氣缸中的各個組織都會受外界物質的影響而改變其能量，在此基礎上建立發動機復制制動模型。如果發動機在輔助制動的過程中，受熱力學第一定律的影響得出下面的方程式：

U代表了氣缸的內能;w是系統完成的軸功;Qi起到交換活塞和氣缸周圍能量的作用;h是比焓;m是氣體質量;?h_idm_j代表系統中能量的進與出;φ是發動機的曲柄角;p代表氣缸中工作產生壓力的介質;v是圓柱體中的體積;r是氣體常數;t代表工作中介質的溫度;對于發動機制動和排氣制動工作過程，能量守恒可具體表示如下：

（1）壓縮和膨脹沖程

（2）進氣沖程

（3）排氣沖程

（4）氣門疊開過程

CV代表氣缸工作介質的體積熱能;HE代表介質進氣門之前的溫度系數;HS代表介質在進入活塞環的溫度函數;?u代表氣缸內的特定熱能。

由此可知，上述公式（2）與質量守恒方程是一樣的，公式（3）與理想氣體狀態是一樣的。

在操作發動機制動泄漏的過程中，能量守恒的描述如下：進氣沖程與氣門重疊過程的公式（7）是一樣的，與壓縮膨脹沖程一樣的方程式是排氣沖程式（6），上述公式（2）與質量守恒方程是一樣的，上述公式（3）與理想氣體狀態方程是一樣的。

減壓過程能量方程為：

其中MR是通過減壓閥流出氣缸的質量;HR代表減壓閥中工作介質的熱能量。

外部約束方程如下：

氣缸的瞬時容積為：

氣缸容積隨曲軸轉角變化率為：

Vh代表氣缸的工作容積;ε是壓縮比;λ是曲柄連桿比率。單位曲柄角的熱交換是：

其中：ω是發動機的角速度，ω=6n;n是轉速;αg是瞬時平均傳熱系數;A是熱交換區;TW代表汽缸壁的平均溫度。

發動機輔助制動時的制動扭矩為：

式中，P_N為發動機制動功率。

2.2?發動機輔助制動性能仿真分析

2.2.1?發動機輔助制動性能仿真流程

下圖5是模擬計算流程圖，詳細的分析了發動機輔助制動工作的仿真過程，第一，構建發動機輔助制動仿真;第二，構建模型數據，有排氣背壓、發動機轉速、排氣門開度;第三，分析仿真結果。把所有的仿真數據和試驗結構做比較，得出結果。

2.2.2?發動機輔助制動性能仿真分析

圖6至9分別是發動機制動、排氣制動、泄漏制動、減壓制動，可知氣缸壓力p受發動機轉速的影響而產生變化，如果發動機轉速高就會增加氣缸壓力的峰值，轉速越高就越接近壓縮最高值。

從圖6和7能夠看出，排氣制動和發動機制動會受到缸內壓力的變化而變化，氣缸壓力增加的時候影響進氣沖程的壓縮和膨脹，當時氣缸壓力和排氣沖程是有差別得到。排氣背壓在增加的時候，如果排氣門是打開的狀態，氣缸中的壓力就比排氣背壓低，空氣就會受到阻力回到氣缸中，會使氣缸壓力大^[7]。從圖8b可知，泄漏制動中的排氣門開口在不斷變化的時候，會使缸內壓力的差值變大，排氣門開口在增加的時候缸內壓力的位置也會變化，會離壓縮最高點越來越遠。如果排氣門開度S不斷增大，在壓縮的時候缸內的工作介質的泄漏速度也會增加，但是會使缸內的最大壓力降低。由此可見，發動機轉速在增加的同時，曲柄角的通過時間就會速斷，泄漏的空氣量就會降低，從而增加氣缸內的壓力，如果在排氣的時候，如果行車速度較快就會對控制造成較大的限制，所以說高速比低速產生的缸內壓力大。從圖9可以看出，在壓縮上止點前排氣閥打開后，缸內壓力大大降低。出現這種情況是由于排氣門在打開以后會使氣缸中的空氣加速排出。發動機轉速在增加的時候，會使排氣閥排除的空氣量在一定時間內降低。由此可知，速度高的時候就會產生較大的缸內壓力，越高就越接近壓縮最高點的峰值。排氣閥的開度處于最大狀態的時候，缸內壓力的最大值就會降低。基于此，排氣門開度值在增加的時候會排出更多的空氣，這樣就會使氣缸內的壓縮空氣減少，也就更加接近壓縮最高峰值。

圖10至12分別是發動機制動、排氣制動、泄漏制動、減壓制動。由此可見，在發動機進行輔助制動的時候，發動機在一定時間內的工作頻數會受到轉速的影響而變化，轉速越快就會使制動扭矩增加，在發動機制動時產生的制動扭矩最小，這是由于發動機是通過反向牽引產生的機械耗能進行制動的，沒有其他任何方法提高制動扭矩。

從圖10可知，這是因為在排氣制動過程中，排氣蝶閥關閉，在排氣管中建立更高的壓力，從而增加了活塞在排氣過程中對工作介質所做的功，增加了總制動功和單位時間的制動功，即制動力增加。從圖11可知，發動機在低速轉動的時候，制定扭矩會受到排氣門開度的增加而降低扭矩，但是在發動機高速運轉的時候，排氣門開度的增加也會使靜制動扭矩增大。出現這種情況是由于排氣門開度在增加的時候，氣缸會泄漏空氣，從而導致氣缸中的壓力減少，會更加接近排氣背壓的壓縮最高值，所以說在壓縮過程中如果耗能最低，產生的制動扭矩也會減小。如果排氣門開度較小，氣缸中的壓力就會越接近壓縮最高點的值，就會增加壓縮沖程中的效果功率，隨之膨脹沖程氣缸中的空氣也會對活塞產生較大的而影響。所以，如果發動機在高速運轉時，排氣開口也會受到制定扭矩的影響變大;如果發動機低速轉動，排氣開口會受到最大制動扭矩的影響變小。在減壓制動的過程中，在打開壓縮上止點之前排氣閥會受到缸內的壓力排出介質，缸內壓力會越來越低，降低缸內膨脹壓力，從而使制度和扭矩減小。從圖12可知，發動機在不同速度下會受到排氣門開度的變化而變化，發動機轉速的增加也會使排氣門開度變大。出現這種情況是由于發動機轉速越高，在一定時間內由排氣閥漏出的氣缸空氣會減少。排氣閥開度在增加的時候會受氣流橫截面積的影響而變化。由此可見，發動機轉動在增加的時候排氣門的最大開度也會變大。

發動機排氣背壓在增加的時候給排氣沖程帶來更大的額定阻力，影響活塞的正常功率，阻力越大就會使制動扭矩變大。發動機很多時候都采用單一的制動方式，這樣會影響發動機的制動效果，因此在正常工作的時候盡量選擇多種方法聯合的制動模式會更加安全。聯合泄漏制動和排氣制動不但能夠增加排氣背壓，還會使缸內壓力變大，同時使活塞和曲軸受到壓縮和排氣的影響而產生排氣壓力，有助于增加發動機的制動扭矩，因為排氣門一直都是打開的狀態，所以排氣門兩側的物質都是相互流動的，這就使排氣門兩側的壓力差距一直都在固定的范圍內，減少二次開啟排氣門的情況^[8]。圖13是描述的輔助制動扭矩受排氣背壓的影響而變化。

3?發動機輔助制動性能仿真模型試驗驗證

3.1?發動機制動仿真結果分析

測試裝置示意圖見圖14。缸內壓力受非信號電壓的影響經過傳感器變成電信號，再經過放大器使電信號變大，曲軸上最大點的脈沖信號由儀器采集，模擬信號由模數轉換器轉換成數字信號，數字信號送至計算機進行數據處理和數據輸出。檢驗并測試發動機的關鍵參數，如表1所示。

通過圖14輔助制動扭矩仿真值與試驗值對比可知，當發動機轉速n=1600r/min，排氣門開度的時候，對比輔助制動產生的氣缸壓力的實驗值和模擬值可知，兩組值的結果是一樣的，缸內壓力變化和最大壓力值是一樣的。又如圖15，如果n=1600r/min和s=0.6mm，比較制動扭矩測試紙和模擬值的結果可知，兩組數據的差異只有3.7%，也就說明輔助制動模型的精準度是較高的，這就為發動機輔助制動提供了更加準確的參考數據。

3.2 發動機輔助制動實驗驗證

從圖16可知，發動機轉速如果是每分鐘1000轉、1800轉或2600轉的時候，缸內壓力就會受到曲軸轉角的變化而變化。從本文的模擬結果和試驗結果的對比壓力值可以看出，效果非常好，壓力變化趨勢和位置都是非常恰當的。從這一點可以看出，此次構建的發動機模型的實用性較強，而且準確度也很好。通過此模型可以更加準確的分析和預測發動機的制動效果。

圖17是發動機制動轉矩測試值和模擬值的對比分析，從中能夠發現仿真結構和試驗結果的變化趨勢都是一樣的，發動機轉速會對制動力矩產生相應的影響，發動機轉速越快會帶動制動力矩。轉速不斷的增加也會影響發動機的工作頻率;同時，發動機轉速的增加會影響制動扭矩。

4?結論

通過分析發動機輔助制動裝置的模型可知，發動機制動系統會受到排氣門開度和發動機轉速及排氣背壓的影響，基于此分析了發動機輔助制動系統的性能，分析結果表明：

第一，發動機在工作的時候會受輔助制動裝置的影響，發動機轉速在增加的時候氣缸內產生較大的壓力，發動機轉速越快就使壓力峰值越高;發動機轉速會不同程度的影響制動力矩，轉速在增加的同時相應的制動力矩也會變大。制動扭矩減小的同時會導致發動機制動效果減弱。

第二，發動機轉速在保持不變的情況下，各種制動都會產生不同的排氣門開度值，如果發動機轉速增加就會使排氣門開度值增大，那么相應的排氣背壓也會增加，從而使制動力矩變大。

第三，通過測試數據和仿真數據的結果對比可知，兩種實驗值都具有一致性，也就說明本文構建的仿真模型和計算結果具有較強的可行性，可信度較高。

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