天然氣發動機缸內壓縮釋放制動試驗研究

張騰，劉寧，韓文濤*，許自順，鄭碧瑩，朱耀文，劉冠麟

1.濰柴動力股份有限公司，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

重型卡車在連續下坡時，通常采用輔助制動對車輛進行制動減速，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效能急劇下降，甚至發生制動失控等非常嚴重的后果[1-2]。文獻[3]規定重型牽引車輛應安裝緩速器或其他輔助制動裝置。當前天然氣發動機是重型卡車的主要動力裝置，因此有必要開發適用天然氣發動機的輔助制動系統以保證行車安全。

1 發動機輔助制動形式

發動機輔助制動通常有排氣蝶閥制動、泄氣制動和壓縮釋放制動3種形式[4]。發動機增配輔助制動裝置后，可以有效地為車輛提供制動能量，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。

排氣蝶閥制動是當前應用較廣的輔助制動形式，其結構和控制方式相對簡單，只需在排氣管上安裝制動蝶閥，在輔助制動開關打開后制動蝶閥關閉，發動機排氣背壓升高，增加排氣沖程的消耗功，降低發動機轉速從而降低車速；但是該制動形式制動效率低，無法滿足整車制動標準要求[5]。泄氣制動一般通過液壓控制排氣門在制動過程中保持一定升程，降低膨脹沖程氣體對活塞做功，同時充分利用壓縮與排氣沖程的泵氣損失降低發動機轉速。壓縮釋放制動通過改變發動機進、排氣相位，在壓縮沖程即將結束時將排氣門打開，發動機缸內壓縮空氣釋放到排氣系統；膨脹做功過程中，進、排氣門關閉，活塞下行過程中發生倒吸抽真空對活塞做負功，從而降低發動機轉速[6-7]。相較其他發動機制動形式，壓縮釋放制動功率和效率較高。董穎等[8]、吳國偉[9]通過數值計算表明，發動機壓縮釋放制動能力利用系數可達到32%，排氣制動能力利用系數隨著排氣背壓的升高而升高，當排氣背壓為0.24 MPa時，制動能力利用系數為15%～18%。姚磊等[10]研究了發動機燃燒制動形式，在即將到達壓縮沖程時將缸內混合氣點燃，混合氣燃燒產生的高壓阻礙活塞上行，實現制動功率增加，滿足車輛行駛對制動的需求。發動機壓縮釋放制動系統對整車布置影響較小，且制動功率較高、價格低廉，因此壓縮釋放制動成為主流車輛輔助制動形式，成為重型牽引車等細分市場的標配[11-12]。

本文中以裝有缸內壓縮釋放制動系統的某款天然氣發動機為研究對象，分析發動機缸內壓縮釋放制動系統的結構并進行相關試驗測試，驗證缸內壓縮制動系統的制動性能。

2 發動機缸內壓縮制動系統

2.1 缸內壓縮制動系統構成

隨著缸內壓縮釋放制動技術的發展，采用缸內壓縮制動系統已經不需要對發動機結構進行太大的改動，僅需對發動機運動系統進行改進，其他機構可維持不變。天然氣發動機采用缸內壓縮釋放制動的完整機構如圖1[9]所示。設計專用壓縮釋放制動專用凸輪軸，在凸輪軸排氣門側增加制動氣體回流(braking gas recirculation，BGR)型線，用于在進氣沖程接近下止點時將排氣門再次開啟，排氣道中的高壓氣體經開啟的排氣門再次進入氣缸，增加壓縮沖程中缸內氣體質量，從而增加制動功率[13]。在發動機氣門橋增加2個主、副活塞，主活塞控制搖臂運動，副活塞與氣門接觸并控制氣門運動；在氣門橋上增加制動油路，由2個電磁切斷閥控制油路的通、斷。當電磁切斷閥接通后，制動潤滑油充滿制動系統，強制副活塞工作將排氣門打開，同時發動機推桿處于BGR處，釋放高壓氣體，增大制動功率；當制動系統未工作時，電磁切斷閥關閉，切斷制動系統油路，氣門恢復正常凸輪軸行程，與氣門桿搖臂之間存在正常間隙做正功。為了避讓排氣門強制打開時占用空間，在活塞上增加氣門坑設計。工作時，由于制動油路氣門傳動系統為剛性傳動，氣門推桿容易發生錯位，因此增加了氣門推桿定位裝置，主要由彈簧、底座及其支架構成。

圖1 缸內壓縮釋放制動結構

2.2 缸內制動控制方式

缸內制動主要是由發動機電子控制單元(electronic control unit，ECU)控制。ECU根據發動機工作狀態，通過控制制動電磁閥通、斷來控制制動功率。發動機根據制動需求控制不同數量的電磁閥工作，滿足不同制動功率的需要。

3 發動機壓縮釋放制動試驗

用于天然氣發動機壓縮制動零部件試驗設備包括電力測功機、高精度氣門升程測量傳感器、燃燒分析儀、示波器等，以確保發動機缸內壓縮釋放可靠運行，主要試驗設備及型號如表1所示。

表1 主要試驗設備及型號

3.1 氣門升程測試

氣門運動升程影響發動機排氣量，從而影響發動機制動性能，發動機排氣門在制動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：發動機在制動工況運行時，凸輪軸型線運動與理論設計相吻合，符合設計要求；但排氣門在凸輪軸驅動運行時，與正功曲線相比，制動升程曲線呈現出“瘦尖”狀態，且最大升程處的相位曲軸轉角較理論相位曲軸轉角延后15°。這主要是因為發動機排氣門在制動系統驅動運動時，制動油路存在一個釋放的運動過程，導致排氣門升程滯后。當制動油路釋放后，制動系統不對排氣門起作用，此時排氣門進入非制動狀態，導致排氣門運動升程出現“瘦尖”狀態。

發動機制動時，排氣門在凸輪軸型線的作用下處于強制工作狀態。排氣門升程越大，缸內高壓氣體進入排氣系統的流通面積越大，流出的高壓氣體越多，因此在發動機運行到上止點前缸內殘余高壓氣體越少，同時排氣門升程增大也有利于增加排氣門打開時間，有利于增加制動時缸內的最大壓力，提高發動機的制動效率。但當排氣門升程過大時，會引起排氣門無法及時關閉或排氣門落座速率加快，導致制動時缸壓下降，加快氣門磨損，降低制動效率。因此，需要將排氣門升程控制在一定范圍內，保證發動機的輔助制動效率。

3.2 凸輪軸接觸應力測試

凸輪軸接觸應力對凸輪軸的壽命影響較大，特別是發動機在制動工況運行時。凸輪軸在BGR處運行時，凸輪軸與挺柱接觸面積較小，接觸應力過大，影響凸輪軸使用壽命。根據發動機缸內壓縮釋放制動開發經驗，發動機在最高轉速、進氣量最大工況下運行時，凸輪軸與挺柱之間的應力最大，因此本次試驗研究發動機在外特性運行時，發動機在制動工況下凸輪軸與挺柱的接觸應力。由于凸輪和挺柱的接觸應力無法直接測量，一般通過測量作用于推桿上的推力，計算出凸輪和挺柱的接觸應力[14]。凸輪和挺柱的接觸應力

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度，mm；F為凸輪與挺柱間的作用力，即推桿推力，N。

發動機在外特性運行時，制動工況下凸輪軸與挺柱接觸應力變化曲線如圖3所示。

圖3 排氣凸輪軸與挺柱接觸應力變化曲線

由圖3可知：發動機凸輪軸與挺柱的接觸應力隨發動機轉速的升高而增大，轉速為2100 r/min時，發動機排氣門凸輪軸與挺柱的接觸應力最大，為810 MPa，小于材料許用限值1000 MPa，滿足材料許用應力要求。

凸輪軸與挺柱的接觸應力與轉速正相關，由于凸輪軸與挺柱的接觸面積時刻在變化，根據圖3，發動機轉速在2100 r/min時，凸輪軸與挺柱接觸應力最大，因此測量發動機轉速為2000、2100 r/min不同曲軸轉角下凸輪軸和挺柱的接觸應力，如圖4所示。由圖4可知，不同曲軸轉角下，凸輪軸和挺柱的最大接觸應力為810 MPa，滿足材料許用要求。

圖4 排氣凸輪軸與挺柱接觸應力變化曲線

3.3 增壓器放氣閥開度對制動功率的影響

發動機缸內壓縮釋放制動由缸內制動氣體的體積流量決定[15]。發動機缸內氣體體積流量減小，制動工況下缸內排出的氣體減少，引起制動功率下降。由于天然氣發動機的功率、轉矩主要受進氣量影響，進氣過多會導致天然氣發動機的缸壓過高，影響發動機可靠性。因此試驗中選取發動機在1900、2000 r/min運行時，測試增壓器放氣閥開度對制動功率和缸壓的影響，如圖5所示。

圖5 制動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，發動機制動功率和缸壓持續升高，發動機在2000 r/min運行時缸壓和制動功率高于1900 r/min；雖然增壓器放氣閥的開度超過60%后制動功率和缸壓變化較緩慢，但仍呈現出上升趨勢。為了保證發動機安全運行，同時制動功率滿足整車需求，通常將發動機高轉速時增壓器廢氣閥的開度控制在50%以內。

3.4 天然氣發動機與柴油機制動功率對比

將裝有缸內壓縮釋放制動系統、相同排量的天然氣發動機和柴油機在試驗臺架上進行制動功率測試，不同轉速下制動功率對比如圖6所示。

圖6 某天然氣發動機與柴油機制動功率對比曲線

由圖6可知：天然氣發動機和柴油機的制動功率均滿足文獻[3]的要求，制動功率均隨轉速的升高而增大，但天然氣發動機的制動功率比同排量的柴油機低9.3%。這主要是因為天然氣發動機的壓縮比通常為11.5，柴油機的壓縮比可高達17.5，當發動機壓縮比較大時缸內氣體產生的壓力較高，在排氣門打開時更容易將缸內的氣體排出，泵氣損失增加，缸內負壓運動時產生的制動壓力增大，制動功率增加，因此在相同排量下天然氣發動機的制動功率小于柴油機。

3.5 天然氣發動機搭載整車制動測試

雖然帶有缸內壓縮釋放制動系統的天然氣發動機滿足發動機制動需求，但還應搭載整車測試長下坡路段的車輛制動效果。選擇一段長約15 km、平均坡度約為3.5%的下坡路段進行整車制動測試，制動方式分別為腳踏板制動、腳踏板制動-排氣蝶閥制動、腳踏板制動-缸內壓縮釋放制動。不同制動方式、相同配置的重型卡車在下坡路段運行時的整車運行時間、腳踏板制動累計時間及次數如表2所示。

表2 不同制動方式的車輛制動結果

由表2可知：下坡時，腳踏板制動-缸內壓縮釋放制動車輛的腳踏板累計制動時間最短，腳踏板的使用次數最少，腳踏板使用次數比單純腳踏板制動減少了68%，比腳踏板制動-排氣蝶閥制動減少了58%。天然氣發動機裝有缸內壓縮釋放制動系統可以有效增加制動功率，減少腳踏板制動頻次，車輛在下坡過程中車速降低、可控，車輛行駛更安全。

4 結論

分析對比不同的發動機輔助制動形式，設計了天然氣發動機缸內壓縮釋放制動結構，并進行相關制動試驗。

1)天然氣發動機缸內壓縮釋放制動過程中，凸輪軸接觸應力在限值以內；制動功率隨增壓器廢氣閥開度增加而增大，但受發動機缸壓影響，高轉速時增壓器廢氣閥的開度通常應控制在50%以內。

2)天然氣發動機缸內壓縮釋放制動滿足制動標準要求，但是受制于壓縮比限制，天然氣發動機制動功率比同排量柴油機小9.3%，因此有必要在不影響發動機性能前提下盡可能提高發動機壓縮比。

3)搭載整車進行制動測試，車輛下坡時，腳踏板制動-缸內壓縮釋放制動可以有效增加制動功率，縮短腳踏板制動時間，車輛在下坡過程中實現車速可控，制動更安全。