發動機制動技術運用分析

陳東照

（河南機電職業學院，河南 鄭州 451191）

發動機制動技術運用分析

陳東照

（河南機電職業學院，河南 鄭州 451191）

當今汽車逐漸向大功率、高速度等方向發展，對汽車制動性能提出了越來越高的要求。為了減少交通事故，保證行車安全，有效利用發動機輔助制動技術顯得尤為重要。本文通過分析發動機制動工作原理及其對汽車制動性能的影響,發動機緩速器和發動機排氣輔助制動裝置的結構特點、工作特性，提出了實施發動機制動的必要性和發動機制動技術運用要領。

汽車輔助制動技術；制動性能；發動機制動；發動機緩速器

CLC NO.:U461.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-04-04

引言

汽車減速以至停車的過程稱為制動，制動性能是汽車的主要性能之一，直接關系到人民生命和財產的安全，隨著我國道路運輸物流業的快速發展，汽車的車速和裝載能力大幅度提升，機械摩擦式車輪制動器已不能滿足車輛的制動要求，尤其在山區行駛的汽車因頻繁使用車輪制動器，使制動摩擦片磨損加劇、制動器溫度過高（常在300℃以上，甚至高達600～700℃），引起制動功能嚴重失效，各種交通事故頻繁發生。“發動機制動”是一種功能獨特、性能優良的汽車輔助制動裝置，有效地運用發動機制動技術能夠減輕車輪制動器的工作負荷、降低工作溫度、延長使用壽命，提高綜合制動效果，保證行駛安全[1]。

1、發動機制動工作原理

正常行駛的汽車需要減速或停車時，放松加速踏板，在發動機到驅動輪的動力傳遞路線沒有切斷的前提下（離合器接合、變速器處于某擋位），汽車的行駛慣性力將通過驅動輪和傳動系統帶動發動機曲軸繼續旋轉。此時，汽車在行駛慣性力作用下對發動機 “反拖”輸入的動能大部分耗損在發動機的進氣、壓縮和排氣過程，小部分消耗于對水泵、油泵、空氣壓縮機和發電機等附件的驅動。發動機及上述各附件所產生的阻礙曲軸旋轉的阻力矩，即是對驅動輪產生的制動力矩[2]。它將通過傳動系統放大后傳給驅動輪，迫使汽車減速。檔位越低對驅動輪產生的制動力矩越大，減速效果越明顯。

2、發動機輔助制動裝置工作分析

為了提高汽車的綜合制動效果，在商用汽車尤其是經常在山區行駛的大型貨車上裝備了輔助制動裝置。許多國家的交通法規已將輔助制動裝置作為商用汽車的必備系統。如德國的交通法規明文規定：總質量在5.5噸以上的客車和9噸以上的載重汽車，必須安裝輔助制動裝置。我國國家標準GB7258-2012《機動車安全運行技術條件》規定：“車長大于9m的客車（對專用校車為車長大于8m）、總質量大于等于12000kg的貨車和專項作業車、所有危險貨物運輸車，應裝備緩速器或其他輔助制動裝置”。緩速器可分為發動機緩速器、牽引電動機緩速器、空氣動力緩速器、電渦流緩速器等等。本文只介紹發動機緩速器[3]。

2.1 發動機緩速器

在發動機制動起作用時，作為車輛動力源的發動機變成了消耗汽車動能而對汽車運動起緩速作用的空氣壓縮機。被反拖的發動機仍然按照進氣、壓縮、做功和排氣四個行程工作，為了提高發動機制動的工作效果，在壓縮終了時緩速器強迫排氣門打開，改變排氣門的配氣相位，將壓縮后的高壓氣體排出，從而減少在做功行程對活塞所做的功，這樣將產生能量的柴油發動機變成了吸收能量的空氣壓縮機，如圖1所示。

在康明斯ISM11系列，東風dCi11系列，玉柴YC6K12、錫柴CA6DN系列等發動機上使用的皆可博（Jake Brake）發動機緩速器如圖2所示。由本體、電磁閥、控制閥、調節螺釘、從動活塞和主動活塞等主要零部件組成。

控制閥之前的油路稱為低壓回路，控制閥到主動活塞之間的油路為高壓回路。當駕駛員松開加速踏板且離合器處于接合狀態時，電控閥通電開啟，發動機機油經開啟的電控閥流入控制閥，壓迫控制閥的球形單向閥上移開啟，機油流入高壓回路。主動活塞在油壓作用下向下移動與搖臂接觸。凸輪軸旋轉驅動推桿上升時，通過搖臂推動主動活塞上移，高壓回路的容積減小，油壓升高，迫使控制閥內的球形單向閥落座關閉，形成密封的高壓容腔[4]。由于機油的不可壓縮性，隨著主動活塞的繼續上移，高壓容腔內進一步增高的油壓力克服從動活塞和排氣門的彈簧彈力，推動從動活塞下移，強迫排氣門開啟，使壓縮終了的高壓氣體釋放到排氣系統。當發動機的轉速為2100 r/min 時，排氣門每秒動作17次。在駕駛員踩下離合器或加速踏板時，電控閥斷電而關閉發動機機油的進油路，打開泄油道，高壓回路泄油，主、從動活塞復位，緩速器停止工作。

2.2 發動機排氣輔助制動裝置

2014年1月至2015年8月我院對68例復雜脛骨平臺粉碎性骨折合并三柱損傷患者進行了分析研究,我們將患者分成了對照組和觀察組,均有34例,兩組的一般性資料對比不存在統計學差異性,能夠進行對比分析。

發動機排氣輔助制動裝置安裝在排氣歧管上，制動時利用旋轉的碟形節流閥堵塞排氣通道并停止供油，使發動機氣缸內形成可控的背壓力，以增加發動機排氣行程的功率消耗，快速降低發動機的轉速，通過傳動系統吸收汽車的動能，從而產生制動作用，如圖3所示。汽車下長坡時，利用發動機排氣輔助制動所吸收的功率可以達到發動機有效功率的50%以上[5]。

電磁氣壓控制式排氣制動裝置的工作原理如圖4所示。放松加速踏板時，排氣制動開關7被接通，信號燈8點亮，電流經離合器開關10、電磁閥線圈15和加速開關11形成回路。電磁閥15產生的電磁吸力關閉排氣口，打開進氣道，壓縮空氣同時進入排氣制動閥、進氣消音閥和熄火操縱臂的三個氣缸，使柴油機停止供油，并關閉發動機的進、排氣通道，實現排氣制動。

3、發動機制動對汽車制動性能的影響

汽車在行駛過程中，強制地減速以致停車，且保證行駛方向穩定性和在下長坡時維持一定行駛速度的能力稱為汽車的制動性。汽車的制動性能通過制動效能、制動效能的恒定性和制動時的方向穩定性進行評價［1］。發動機制動將對汽車的制動性能產生以下影響。

3.1 對制動效能的影響

制動效能是指汽車迅速減速直至停車的能力。用汽車在良好路面以一定初速度制動到停車的制動距離或制動時汽車的減速度進行評定。制動減速度是制動時車速對時間的導數，與制動力及附著力有關。制動距離的理論計算公式為：

式中，S為制動距離（m）；t1為駕駛員剛踩著制動踏板到汽車開始產生制動力所經歷的時間（s）；t2為制動力由零增加到穩定值所經歷的時間（s），（t1＋t2）稱為制動器的作用時間；u0為開始制動時的車速（km/h）；jmax為汽車能達到的最大制動減速度（m/s2）。

由公式可知，決定汽車制動距離的主要因素是制動器的作用時間、最大制動減速度和開始制動時的車速。在汽車下坡或預見性制動時，為了利用發動機制動作用提高制動效能，應保持變速器掛上相應擋位，離合器處于接合狀態，松開加速踏板，降低轉速的發動機就會通過傳動系統克服汽車的行駛慣性力使車速降低。此時，根據需要再踩制動踏板，因發動機制動作用使車輪制動器開始起作用的制動初速度降低，制動減速度增大，制動距離減小，因而提高了制動效能。尤其是在附著系數特別小的冰雪路面上，有計算表明，利用發動機制動的輔助作用可使制動距離縮短20～30%。

發動機制動對汽車產生的制動力或制動功率與當時的行駛車速及發動機轉速有關。亞星客車集團特種車輛廠生產的JS6820中型客車在變速器處于Ⅲ擋和Ⅳ擋，發動機制動工作時的制動力與車速的關系曲線如圖5所示。由圖知，發動機制動和排氣制動所產生的制動力隨車速的升高而不同程度的增大，同等車速時變速器的擋位越低，傳動比越大，所產生的制動力越大。

3.2 對制動效能恒定性的影響

汽車高速行駛或下長坡連續制動時，制動效能保持穩定的程度稱為制動效能恒定性。連續制動時車輪制動器將汽車行駛的動能或勢能不斷地轉換為熱能，使自身的溫度大幅度升高、摩擦因數下降、磨損加劇，制動效能將部分或全部喪失，這種現象稱為制動器的熱衰退，制動效能恒定性主要是指其抗熱衰退的性能。制動器的抗熱衰退性能一般用連續制動時制動效能的保持程度來衡量，國家行業標準ZBT 24007—89要求：在制動踏板力相同的條件下，以一定車速連續制動15次，每次的制動減速度為3m/s2，最后的制動效能應不低于規定的冷試驗制動效能（5.8m/s2）的60%。

發動機制動對汽車制動效能恒定性的影響，主要體現在行車中發動機的制動作用可顯著地減少車輪制動器的使用次數，且能較長時間地發揮作用，使車輪制動器經常處于低溫而能產生最大制動效果的工作狀態，以備緊急制動時使用。有關文獻的研究結果顯示，汽車恒速下長坡，前后制動器與使用不同擋位發動機制動聯合作用時，隨著擋位的降低，發動機倒拖的制動功率增大，使前后車輪制動器所吸收的制動功率降低，制動器的最高溫度和溫升斜率均明顯下降，有效提高了制動效能恒定性。汽車恒速下長坡，后制動器與使用不同擋位發動機制動聯合作用時，制動器溫度與行程的關系曲線如圖6所示［3］。

3.3 對制動時方向穩定性的影響

制動時汽車不發生跑偏、側滑及失去轉向能力的性能稱為制動時汽車的方向穩定性。制動時汽車自動向左或向右偏

駛稱為“制動跑偏”，汽車某一軸或兩軸橫向移動稱為“側滑”，彎道制動時汽車沿切線方向駛出，或直線行駛制動時轉動方向盤后汽車仍按直線方向行駛的現象稱為“失去轉向能力”。利用發動機制動時，制動力矩通過傳動系統的差速器平均分配在左右驅動車輪上，有效地減少了汽車跑偏、側滑或失去轉向能力的可能性，尤其在泥濘、冰雪等滑溜路面的作用效果會更加明顯。但是，發動機制動工況下，改變了前、后輪制動器制動力的分配比例，有增加驅動輪抱死的趨勢，尤其是后輪驅動的汽車，制動系統設計時應考慮這個因素[6]。

4、發動機制動技術運用要領

4.1 利用發動機制動的必要條件

利用發動機制動時，必須保證發動機到驅動輪的動力傳遞路線處于接合狀態，發動機不能熄火，且完全放松加速踏板（油門）。因而，手動變速器汽車應處于非空擋位置，離合器處于接合狀態；自動變速器汽車的操縱手柄（選擋手柄）應放在L、S位置（或1、2位置），因“D”位工作時，靠單向離合器的作用實現動力傳遞，不能逆向傳遞動力，沒有發動機制動作用。

4.2 發動機輔助制動裝置的運用操作

應按照《發動機制動使用手冊》的操作要求將發動機輔助制動裝置的控制開關放在工作位置，CA6DN系列發動機的組合開關右手柄應處于二擋位置，如圖7示。當組合開關處于一擋位置時，發動機不供油，僅排氣制動工作；當組合開關處于二擋位置時，發動機不供油，發動機緩速器和排氣輔助制動裝置同時工作，儀表板上的輔助制動指示燈點亮。實踐表明，該系列發動機的轉速在1800～2200r/min范圍時，發動機制動效果最佳，因此應根據坡度或車速選擇相應的變速器擋位（一般情況下，選用上坡時的相應擋位。所選擋位越高，車速越快，作用在驅動輪上的發動機制動力矩越小）并間歇使用行車制動器，將發動機轉速控制在推薦范圍內，以發揮發動機制動的最大效能。當組合開關處于OFF或一擋位置、踩油門或離合器踏板、防抱死制動系統（ABS）起作用時，發動機制動自動解除。

4.3 發動機制動與行車制動器同時使用

在汽車高速行駛制動時，應同時利用行車制動和發動機制動。先踩制動踏板，當車速降低后再踩離合器踏板換低擋。這樣既可以提高制動效能，又能夠降低行車制動器的使用率，對行車安全非常重要。

在預見性滑行（如前方遇到紅燈時的減速滑行）或下長坡時，離合器仍處于接合狀態，間斷地踩下制動踏板，使發動機制動與行車制動器同時起作用而增大總的制動力矩，以便有效地控制車速，提高制動效果。

4.4 緊急制動操作

發動機制動是一種輔助制動裝置，不能替代行車制動器用于緊急制動，也不能用于駐車制動。在緊急制動時，發動機不僅無助于制動，反而會消耗一部分行車制動器的制動力去克服發動機旋轉的慣性力矩，降低緊急制動效果。因此，緊急制動時應同時分離離合器，脫開發動機與傳動機構的連接。

4.5 滑溜路面操作

在泥濘、冰雪等滑溜路面行駛時，應盡可能地利用發動機制動，靈活運用駐車制動器，盡量少用或間歇使用腳制動，以防車輛側滑。

5、結束語

發動機制動對汽車的制動性能有著顯著的影響。本文通過對發動機制動工作原理及其對汽車制動性能的影響，發動機輔助制動裝置發動機緩速器和發動機排氣輔助制動裝置的結構特點、工作特性進行分析，提出了發動機制動的必要性和發動機制動技術的運用要領。

[1] 余志生.汽車理論(第4版)[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2] 孫衛靜,唐金太.發動機制動技術解析及其間隙調整方法[J].內燃機,2009年8月,第4期,18-20.

[3] 趙凱輝,魏朗,余強,等.發動機制動工況下汽車制動器摩擦性能分析[J].汽車技術,2010年第1期.21-24.

[4] 何仁. 汽車輔助制動裝置[M] .北京.化學工業出版社,2005.

[5] 毛俊明. 重型汽車發動機排氣門輔助制動試驗分析[J].汽車實用技術，2012年第02期.

[6] 丁能根,朱建國.發動機制動對汽車制動性能的影響分析[J].汽車技術,2002年第6期,26-28.

[7] 惠鵬，顧永田等．載重貨車發動機制動和排氣制動檔位選擇研究[J]．北京汽車，2008,(1),29-31.

[8] 張全.發動機排氣制動新技術[J].物探裝備,2007年12月,第17卷第4期,269-271.

[9] 郭普戰. 如何使用排氣制動裝置[J].汽車運用，2011年第06期.

[10] 張興安,孫大許. Jake Brake發動機制動原理及使用維修[J].汽車維修，2010年第06期.

[11] 厲江，孔德星，梁文芝等. 發動機緩速器整車性能計算及試驗驗證[J]. 合肥學院學報（自然科學版），2012年22卷第03期.

The car engine braking technology application research

Chen Dongzhao
（Henan Mechanical and Electrical Vocational College, Henan Zhengzhou 451191）

The car of high power, high speed development, put forward higher request for the automobile braking performance. In order to reduce traffic accidents, ensure the safety of driving, the effective use of auxiliary engine brake technology is very important. In this paper, by analyzing the braking principle of engine and its effect on the automobile braking performance, structure characteristics, engine retarder and engine exhaust auxiliary braking device operating characteristics, put forward the necessity of engine brake and engine braking technology essentials.

Automobile auxiliary brake technology；Braking performance；Engine brake；Engine retarder

U461.3

A

1671-7988(2014)07-04-04

陳東照，高級講師，就職于河南機電職業學院汽車工程學院，主要從事汽車專業教學與科研工作。