發動機配氣相位與發動機輔助制動研究

史楠 哈菲 雷曉斌

摘要： 針對對發動機配氣相位與發動機壓縮輔助制動研究，通過仿真模擬檢測發動機壓縮制動時配氣相位圖變化與發動機缸內壓力變化規律;保證車輛不但有良好的燃油經濟性及排放性;同時還有良好的行車制動性以保障車輛行車安全;使車輛使用更加安全可靠，減少并避免因制動器制動力失效而引起的交通事故，保證行車的安全。

Abstract： Aiming at the study of engine valve phase and engine compression auxiliary brake， through simulation detection， to find the change of valve phase diagram during compression braking of engine and the variation law of pressure in engine cylinder. Ensure the vehicle has good fuel economy and emission. At the same time， making sure it have good driving control to ensure vehicle safety. Makeing the use of vehicles more safety and reliable， reduce and avoid traffic accidents caused by the brake force failure， to ensure the safety of driving.

關鍵詞： 發動機;配氣相位;輔助制動;研究

Key words： engine;valve phase;auxiliary braking;research

中圖分類號：U263.14 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0152-03

1 ?概述

配氣相位對發動機而言，決定了汽車燃油的經濟性、動力性、排放等;所以在全球范圍內，乘用車轎車幾乎都在不斷的優化配氣相位;滿足人們對汽車使用性能的要求;如國產比亞迪采用的VVL、五菱宏光采用的DVVT，合資品牌豐田采用的CVVT-i、本田采用的i-VTEC、奧迪采用AVS、菲亞特采用的電子氣門等;都是將傳統的配氣相位圖改進優化形成了可變配氣相位即改變了進氣門、排氣門開閉的時刻如豐田的CVVT-i及開啟時刻和開啟所持續的時間如本田的i-VTEC、奧迪AVS，從而滿足了汽車發動機在不同工況的動力性、燃油經濟性、尾氣的排放的要求。對于商用車而言和轎車一樣也是改變配氣相位，只是改進的方式和轎車有所不同;不但改變了進氣沖程、排氣沖程的相位圖，而且改進了壓縮沖程、做功沖程的相位圖，利用這一特性實現發動機壓縮輔助制動，從而保證商用車長時間行車制動制動器制動力失效而引起的交通事故，是車輛使用行車制動更加安全、可靠。

全世界每年發生的交通事故幾乎3/4是制動系統失效造成的，而因商用車制動失效釀成的交通事故往往最嚴重，幾乎都是群死群傷，這充分說明商用車行車制動的重要性;為了規避商用車因長時間制動制動效能的熱衰減釀成重大交通事故，通過優化發動機的配氣相位實現商用車發動機輔助制動可以產生發動機功率的2/5的制動力;從而防止制動失效，減少交通事故的發生;保證行車安全。

發動機輔助制動是重型商用車普遍采用的一種輔助制動技術，它也能夠防止因汽車在下長坡時頻繁使用剎車，而導致的過熱與損壞或者失靈。目前，盡管國外對發動機輔助制動技術的研發已相當完善，且產品也開始系列化，但由于政府對自身科技資源和潛在市場的保護，國外仍極少披露輔助制動技術的先進科技資料，而國內對輔助制動技術的研發、制造與使用也還相當少。研究人員在對國內發動機輔助制動技術深入研究的基礎上，對發動機壓縮制動、減壓制動以及一些常用的發動機輔助制動的工作流程與工作原理，進行了較深層次的剖析與探究;并采用了數值模擬仿真和實測試驗相結合的方式，對發動機可變配氣相位、以及發動機輔助制動系統的制動原理圖等進行了分析研究，對比發動機可變配氣相位與發動機壓縮制動動的異同;發動機可變配氣相位應用在中等排量發動機的轎車上，發動機輔助制動裝置應用在大眾型客車、貨車上;對發動機可變配氣相位及發動機輔助制動技術進一步研究，對車輛使用既能達到節能減排又能保證車輛制動安全的雙重作用，達到具有自主知識產權的發動機控制設備，增強產品的競爭力，對國民經濟建設具有十分重要的意義。

常見的發動機輔助制動系統大致可分為：排氣蝶閥制動，泄氣式制動還有壓縮式制動三大類型。

壓縮式制動的原理，通過改變發動機排氣門的配氣相位，在壓縮沖程上止點前，開啟排氣門，發動機壓縮缸內空氣所做的功被釋放到排氣系統。在膨脹做功的行程開始，排氣門關閉，汽缸內接近真空狀態，活塞下行類似抽真空，產生負功，為了防止抽真空過大對機油的消耗在膨脹做功的行程后期排氣門打開進行壓力在平衡，這樣在壓縮和做功兩個沖程發動機都負載消耗車輛動能。

2 ?發動機可變配氣相位

可變配氣相位就是根據發動機工況的變化改變發動機配氣相位圖的方法。

根據可變配氣相位技術及各種可變因素的特點，在應用時有以下幾種基本組合形式：①氣門升程和持續期不變，改變氣門開啟的時刻;②氣門開啟時刻不變，改變氣門開啟和關閉的持續轉角;③氣門開啟角度和開啟時刻不變，改變氣門升程型線;④對配氣相位及氣門升程進行全面控制。

2.1 氣門升程和持續期不變，改變氣門開啟的時刻（圖1）

發動機各工況配氣相位圖仿真模擬分析：

①部分負荷→適當的氣門重疊，排氣逆流EGR效果;減少泵氣損失;降低最大動力;降低NOx排放

②全負荷→沒有重疊，通過防止排氣逆流來提高體積效率;全負荷工況不需要減少泵氣損失;

③怠速→沒有重疊，晚點打開，為了使進氣逆流，防止排氣逆流來提高燃燒穩定性;可以降低怠速轉速;發動機各工況配氣相位模擬變化如圖2所示。

2.2 可變配氣相位對發動機性能影響

改變配氣相位的目的是利用氣流的脈動和慣性，改善發動機的換氣過程，提高發動機的動力性、燃油經濟性及排放。

一般來說，發動機性能的提高取決于燃燒室內吸入多少空氣。另外進氣門的打開正時與進氣效率的提高有著緊密的關系。進氣門打開正時，對于大多數發動機，如果在活塞TDC前排氣門在打開位置期間進氣門打開，可利用廢氣的排放力吸入氣體，因而在活塞運動至TDC前打開進氣門。但是，過快打開，進氣氣體可能通過排氣門排放。因此，應找出最優的氣門重疊。另外，低速條件下，進氣氣體流動慢，如果進氣門打開過快，排氣和進氣氣體之間的沖擊將阻礙空氣的進入。因此，應限制增加氣門重疊正時。進氣門關閉正時即使活塞在越過下止點后開始向上運動，慣性力作用下依然吸入氣體。在壓力隨活塞的向上運動而增加，在兩種力相互抵消時（不在吸進氣體時），關閉進氣門是最好的方法。在進氣氣體慣性力隨速度的增加而增大時，應盡可能延遲進氣門的關閉正時。

與排氣的關系。NOx：氣門重疊量增加基礎上，EGR內循環，降低燃燒溫度可抑制NOx，HC：EGR內循環，使燃料充分完全燃燒降低HC。然而氣門重疊量的改變會使燃燒過程變的不確定。因而，可能會增加HC量。要減少HC量，需找出每個驅動條件下的最優氣門重疊量。

在不同轉速條件下分別對配氣相位進行優化，進行了全負荷工況下配氣相位對發動機性能的影響研究。利用發動機數值仿真軟件GT-Power建立了該發動機仿真模型，仿真全負荷的轉矩、功率、比油耗對比圖以及優化后的相位圖。從圖中可以看出，隨著進排氣相位重疊角的滯后，發動機的比油耗有較大的提高，而轉矩及功率在中速時有一定提高，其它轉速下不明顯（圖2）。

通過仿真模擬分析不同的可變配氣相位在結構原理上的一些優缺點，并對當前中小排量發動機可變配氣相位進行分析，希望對今后的研發方向起到一定的參考價值。

3 ?發動機壓縮輔助制動

汽車的發動機輔助制動裝置主要用于汽車減速，其發展歷史悠久，從排氣蝶閥制動發展到泄氣式制動，直至到目前應用最為廣泛的壓縮釋放制動。發動機制動性能在結構創新與技術發展形勢下也在不斷的優化。由于它體積比較小，不需要改動車輛整體結構，并且我國對重型載重車輛載重的限制和處罰力度一直在加大，發動機輔助制動特別是壓縮釋放制動的優勢在激烈的市場競爭中嶄露頭角，成為了汽車標配。

3.1 汽車發動機壓縮輔助制動工作原理分析

四沖程發動機工作過程包括了進氣、壓縮、做功、排氣四個過程，發動機壓縮制動是指活塞即將到壓縮上止點時，排氣門打開，氣缸內的高溫高壓氣體排出，然后將排氣門快速關閉，在做功沖程活塞向下運動過程中，氣缸內產生一定負壓，同時會消耗掉一部分機械能，為防止負壓過大，在做功沖程活塞到達下止點之前用打開排氣門的方式進行壓力平衡，以防止機油消耗過大。發動機壓縮釋放裝置最早發明于康明斯公司。

3.2 汽車發動機壓縮輔助制動性能模擬仿真實驗

利用發動機數值仿真軟件GT-Power建立該柴油機的仿真模型。

輸入相關參數如表1所示，進行仿真模擬分析，發動機壓縮輔助制動配氣機構相位。

針對汽車發動機壓縮輔助制動工作過程分析，基于輔助制動參數，即發動機轉速與排氣門開度等運行計算，以得出結果。

汽車發動機壓縮制動時不同曲軸轉角下的氣缸壓力具體如表2所示。

由表中統計數據可知，發動機轉速的變化與氣缸內的壓力呈函數遞增，氣流慣性和脈動作用轉速越高，氣缸壓力峰值越接近壓縮TDC。壓縮BTDC，排氣門啟動，氣缸內高壓氣體快速排出，氣缸壓力快速下降;因為流通運動特點，發動機轉速越高，單位時間內排出的空氣量就越少，在排氣門開度越大時，缸壓就越小，因為排氣門開度越大，壓縮上止點周圍穿過排氣門所排出的空氣量就越多，可壓縮的空氣量則會對應減少。

汽車發動機壓縮制動時不同轉速下的制動扭矩具體如表3所示。

由表中統計數據可知，在車輛下坡車速升高時反拖發動機轉速增加時，發動機做功的頻率增加，發動機制動扭矩增加，協助制動系統，使車速在安全車速范圍內行駛，不同轉速對應不同的最佳排氣門開度，轉速與最佳氣門開度呈函數遞增。

綜述，利用汽車發動機壓縮輔助制動，在轉速增大時，氣缸壓力變大，壓力峰值接近壓縮上止點。隨著轉速增大，制動扭矩隨之變大，壓縮輔助制動時制動扭矩最大化。在發動機轉速不變時，壓縮輔助制動具備相應的最佳排氣門開度值，且轉速越大，排氣門開度最佳值越高，制動扭矩越高。

該項目的研究配氣相位與發動機輔助制動匹配的規律，在整個過程中能對發動機可變配氣配氣相位圖與發動機輔助制動相位圖進行匹配，使車輛既能滿足節能減排又保障了行車制動安全;特別是商用車長時間在不同載荷、坡度、坡長行車制動的可靠性即頻繁使用制動器而造成其過熱與磨損甚至失效，使車輛使用更加安全可靠，減少并避免因制動器制動力失效而引起的交通事故，保證行車的安全，提升了人們的安全感和幸福感。

總之，隨著新的排放法規和車輛使用安全要求，發動機可變配氣相位及發動機壓縮輔助制動會應用更加廣泛，同時對于汽車后市場技術人員而言，解決可變配氣相位及發動機壓縮輔助制動故障時就要注意，如更換傳統與可變配氣相位正時皮帶機凸輪軸時不能按照傳統的維修手段維修思路進行，要根據相位圖選擇最佳的配件，這樣才不會發生解決不了舊問題而引起新問題;調整發動機壓縮輔助制動氣門間隙不能按照雙排不進的思路進行。

參考文獻：

[1]陳建華.一種新型發動機可變配氣相位與氣門升程機構的設計[J].制造業自動化，2012（05）（上）：0124-0125.

[2]燕穎.重型商用車排氣制動性能仿真與試驗研究[D.長安大學，2015.

[3]顏勝.發動機輔助制動性能仿真研究[D].湖南大學，2013（6）：637-641.

[4]張小慧.汽車真空輔助制動系統優化與輔[D].遼寧工業大學，2017-03-01.

[5]哈菲.汽車發動機壓縮輔助制動性能分析[J].內燃機與配件，2020-08-28.