發動機泄氣式輔助制動性能仿真研究*

龔金科，顏 勝，余明果，李 靖，左青松，王 紅

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

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2015113

發動機泄氣式輔助制動性能仿真研究*

龔金科，顏 勝，余明果，李 靖，左青松，王 紅

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

通過對發動機泄氣式輔助制動工作過程的分析，建立了發動機泄氣式輔助制動計算模型，根據輔助制動相關參數(包括排氣門開度、發動機轉速和排氣背壓等)，對發動機輔助制動進行了單因素和多因素條件下的仿真研究。結果表明：當發動機轉速一定時，有一個與最大制動轉矩對應的最佳排氣門開度值，它隨轉速的升高而加大; 缸內最大壓力隨著發動機轉速的升高和排氣門開度的減小而增高；制動轉矩隨著轉速的上升和排氣背壓的增高而增大。

發動機；泄氣制動；制動轉矩；排氣背壓

前言

發動機泄氣式輔助制動是發動機輔助制動的一種，它具有噪聲低，對發動機危害小，設計簡單，適應性強等優點。目前，國外對發動機泄氣式輔助制動的研究已經比較成熟，產品已經系列化，而國內對泄氣式輔助制動的研究、生產和應用還處于起步階段[1-2]。

國內外對泄氣式輔助制動的研究主要是通過數學軟件進行模擬計算，但多以單因素條件下的仿真分析為主，本文中同時考慮了發動機轉速、排氣門開度和排氣背壓下的發動機制動性能，且使用了一種新的發動機性能仿真軟件對泄氣式輔助制動工作過程進行仿真分析，并利用臺架試驗數據驗證了模型的準確性，對今后發動機泄氣式輔助制動技術的研究和應用提供參考依據[3-5]。

1 發動機泄氣式輔助制動工作過程

發動機的正常工作過程由4個沖程組成：吸氣、壓縮、膨脹和排氣沖程。4個沖程中，只有膨脹沖程對外做功，輸出功率。如圖1所示，在泄氣式輔助制動整個過程中，排氣門始終保持一定的開度，在吸氣和膨脹沖程，氣體從排氣管吸入到氣缸內，在壓縮和排氣沖程，氣體又從氣缸排出到排氣管內，這樣既減少了缸內氣體在膨脹沖程時對活塞作功，也增加了節流損失，從而增加了發動機的制動轉矩[6-7]。

2 發動機泄氣式輔助制動性能數學模型

首先建立發動機泄氣式輔助制動工作過程的數學模型，取發動機氣缸為開放的熱力系統[8-10]，通過氣門和氣缸周壁與外界進行物質和能量的交換。當發動機使用輔助制動時，根據熱力學第一定律，有以下基本方程：

能量守恒方程為

(1)

式中：U為氣體內能，J；W為系統所作的有效功，J；Qi為通過系統邊界如氣缸壁面等交換的能量，J；h為比焓，J/kg；m為氣體質量，kg；hjdmj為質量dmj進入或帶出系統的能量，J；i為通過系統邊界如氣缸壁面等交換的能量的數量；j為進入或帶出系統的能量的數量。

質量守恒方程為

(2)

氣體狀態方程為

pV=mRt

(3)

式中：p為缸內氣體的壓力，Pa；V為氣缸的容積，m3；R為氣體常數，J/(kg·K)；t為缸內氣體的溫度，K。

對發動機泄氣式輔助制動工作的各個過程，能量守恒可具體表示為

進氣和氣門疊開過程：

(4)

壓縮、膨脹、排氣過程：

(5)

式中：φ為發動機曲軸轉角，°CA；cv為工質定容比熱，J/(kg·K)；mE為流入系統的質量，kg；hA為流出系統的比焓，J/kg；mA為流出系統的質量，kg；mS為通過活塞環間隙流出氣缸的質量，kg；hE為進氣門前的比焓，J/kg；hs為活塞環間隙處工質的比焓，J/kg；u為缸內氣體的比內能，J/kg。

質量守恒方程可具體表示為

(6)

外部約束方程如下：

氣缸的瞬時容積為

(7)

氣缸的容積隨著曲軸轉角變化率為

(8)

式中：Vh為氣缸的工作容積，m3；ε為壓縮比；λ為曲柄連桿比。

單位曲軸轉角的換熱量可表示為

(9)

式中：ω為發動機角速度，ω=πn/30，n為發動機轉速；αg為瞬時平均換熱系數；A為換熱面積，m3；tw為壁面的平均溫度,K；k=1為氣缸蓋；k=2為活塞；k=3為氣缸套。

由以上基本方程和約束方程聯立，即可建立發動機泄氣式輔助制動工作的數學模型，由此可以求出氣缸內工質的溫度和壓力隨曲軸轉角的變化規律。發動機泄氣式輔助制動工作時單缸循環的指示功為

W=∮pdV

(10)

此時發動機的指示功率和制動轉矩為

(11)

(12)

式中：I為發動機氣缸數目；W為發動機泄氣制動時單缸每循環指示功，J。

3 發動機泄氣式輔助制動性能仿真分析

3.1 發動機泄氣式輔助制動性能計算流程

仿真計算模擬流程如圖2所示。對發動機輔助制動工作過程進行仿真分析時，首先建立發動機泄氣制動模型，然后設置模型參數和輸出參數，進行仿真，最后對仿真結果進行分析[8-13]，并將仿真結果與實驗數據進行對比，確定最優制動方案。具體研究方案為：(1)固定發動機轉速，分析不同排氣門開度情況下，發動機制動轉矩與排氣門開度的關系；(2)確定排氣門最佳開度后，予以固定，得出發動機制動轉矩與轉速的關系；(3)固定發動機轉速和排氣門開度，得到發動機制動轉矩與排氣背壓的關系。

3.2 發動機泄氣式輔助制動性能仿真結果分析

應用數值模擬的方法，對發動機泄氣制動工作過程進行模擬研究。定量分析相關結構參數和運行參數對發動機泄氣制動能力的影響，求取最佳值，實現工作參數的優化。

圖3為發動機2 100r/min時，在不同排氣門開度下，發動機缸內p-φ圖。可以看出，當排氣門的開度越大時，缸內最大壓力越小，發動機排氣門開度在1.2和0.6mm下，缸內最大壓力相差最高達到1.51MPa。由于排氣門開度不同，缸內空氣在壓縮過程中的泄漏速度不同，當排氣門開度為1.2mm時，壓縮過程中功率消耗較少，制動轉矩較??；當排氣門開度為0.6mm時，氣缸內最大壓力值增加，增加了在壓縮過程中的制動轉矩，但在膨脹沖程中，缸內氣體對活塞的做功也增加了，當氣門開度為0時，即極限狀態下，發動機倒拖，此時發動機的制動轉矩很小，因此，在發動機轉速一定的情況下，有一對應的最佳排氣門開度值。

圖4為發動機泄氣制動排氣門的開度為0.8mm時，不同轉速下缸內p-φ圖?？梢钥闯?，當泄氣制動時，隨著發動機轉速的升高，缸內壓力增大。發動機轉速在2 100和1 300r/min下，缸內最大壓力相差最高達到1.43MPa。缸內壓力最大值的時刻比壓縮上止點稍微早些。在排氣過程中，高轉速下的空氣節流較大，因此高轉速下的缸內空氣壓力高于低轉速下的壓力。在進氣過程中，由于排氣門始終開啟，因此在進氣過程中由于活塞下行，缸內壓力降低，空氣通過進氣管流入氣缸的同時，在排氣管處也有空氣倒流入氣缸，增加了進氣量，進氣過程缸內空氣壓力較高，且低轉速下的缸內壓力高于高轉速下的缸內壓力。

圖5為發動機排氣門開度不同時，不同轉速下發動機制動轉矩圖。可以看出，發動機轉速一定時，制動轉矩隨著排氣門開度的增加先增加后減小，當轉速為2 100r/min時，最佳排氣門開度約為0.8mm；當轉速為1 600r/min時，最佳排氣門開度約為0.7mm；當轉速為1 200r/min時，最佳排氣門開度約為0.5mm，當發動機轉速越高時，對應的最佳排氣門開度越大。圖6為不同排氣門開度發動機制動轉矩，從該圖也可以看出，在低轉速下，最大制動轉矩對應的氣門開度較??；在高轉速下，最大制動轉矩對應的氣門開度較大。

圖7為發動機排量分別為6.5、7.8和9.8L，排氣門開度為0.7mm時發動機制動轉矩圖，可以看出：發動機制動轉矩隨著轉速的升高和排量的加大而增大，且發動機排量越大，制動轉矩隨著轉速的升高而增加得越快。

圖8為不同排氣門開度下排氣背壓隨轉速而變化的曲線；而圖9則是不同轉速下排氣背壓隨排氣門開度而變化的曲線。由圖可見，固定排氣門開度時，排氣背壓隨著發動機轉速的升高而增大；發動機轉速一定時，排氣背壓值隨著排氣門開度的加大而減小。

圖10為發動機不同排氣背壓下的制動轉矩圖。可以看出：發動機制動轉矩隨著排氣背壓的增大而增大。這是由于排氣背壓升高，增大了排氣過程的泵氣損失，從而增加發動機的制動轉矩。然而，當排氣背壓達到一定程度時，可能會出現排氣門反跳的情況，造成排氣門和排氣機構的損壞。

3.3 發動機泄氣式輔助制動性能仿真模型實驗驗證

實驗裝置示意圖見圖11。通過壓電式壓力傳感器將缸內壓力等非電量信號轉化為電量信號，通過信號放大器將電量信號放大，同時通過儀器采集到曲軸上止點的脈沖信號，將這些信號經過A/D轉換器，模擬信號轉化為數字信號，送入計算機進行數據的處理與輸出，實驗發動機的主要參數如表1所示。

表1 發動機主要參數

圖12為排氣門最佳開度的仿真(只有1 000～1 450r/min的數據)值與實驗值的對比?？梢钥闯觯喊l動機獲得最大制動轉矩時的排氣門最佳開度值隨發動機轉速的升高而增加；圖13為排氣門開度為0.7mm時，發動機制動轉矩仿真值與實驗值的對比。可以看出仿真結果與實驗數據基本相符；其相對誤差僅為3.8%，表明該泄氣式輔助制動模型具有較高的精度和準確性，為發動機泄氣式輔助制動的研究應用提供了參考依據。

4 結論

建立發動機泄氣輔助制動計算模型，根據泄氣制動相關參數(包括排氣門開度、發動機轉速和排氣背壓等)，對發動機泄氣制動性能進行仿真研究，結果表明：

(1) 發動機氣缸內壓力與發動機轉速和排氣門開度有關，排氣門的開度越大時，缸內最大壓力值越??；轉速越高時，缸內最大壓力值越大。在不同排氣門開度下或不同轉速時，缸內最大壓力相差最高可達十幾個大氣壓。

(2) 隨著發動機轉速的變化，最大制動轉矩有一對應的最佳排氣門開度，它隨轉速的升高而加大。對于本文中研究的發動機，在額定轉速2 100r/min時，對應的最佳排氣門開度為0.8mm。

(3) 制動轉矩隨轉速的上升和排氣背壓的增高而增大。仿真結果與實驗數據較為接近，表明該仿真方法合理，計算結果可信。

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A Simulation Research on the Performance of Bleeding-type Engine-assisted Braking

Gong Jinke, Yan Sheng, Yu Mingguo, Li Jing, Zuo Qingsong & Wang Hong

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Through an analysis on the working process of bleeding-type engine-assisted braking, a calculation model for engine braking is set up, and based on related parameters of engine braking, including the opening of exhaust valve, engine speed and exhaust back pressure, numerical simulations are conducted on engine braking under both univariate and multivariate conditions. The results show that corresponding to maximum braking torque for a certain engine speed, there is a best opening of exhaust valve exhaust valve, which increases with the rise of engine speed. In-cylinder pressure peak rises with the increase of engine speed and the decrease of exhaust valve opening, and the braking torque increases with the rises of engine speed and exhaust back pressure.

engine; bleeding braking; braking torque; exhaust back pressure

*國家863項目子項(2008AA11A116)和汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主課題(61075002)資助。

原稿收到日期為2012年11月19日，修改稿收到日期為2013年3月1日。