基于加法式的高制動功率排氣凸輪的應(yīng)用研究

陳峙良 王曉輝 肖 剛

（廣西玉柴機器股份有限公司 廣西 南寧 530000）

引言

安全已然是汽車用戶極為關(guān)心的問題，隨著國家標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善和用戶用車的理念轉(zhuǎn)變，越來越多的柴油載貨汽車安裝輔助制動系統(tǒng)來提高安全性。我國交通部在1997 年就頒布了JT/T325《營運客車類型劃分及等級評定》標(biāo)準(zhǔn)，自21 世紀(jì)初開始，在德國、法國、瑞士等國家的交通法規(guī)中，輔助制動系統(tǒng)已成為重載商用車的標(biāo)配[1]。

目前，常見的發(fā)動機制動類型有排氣蝶閥制動、泄氣制動、壓縮釋放制動、高功率制動(HPD)等。相比于排氣蝶閥制動和泄氣制動，壓縮釋放制動因能提供更大的制動功率，在大功率柴油機中應(yīng)用更多[2-4]。市場對壓縮釋放制動的選擇，極大地促進了壓縮釋放制動技術(shù)的進一步發(fā)展和提升。2016 年，鄧金金等以中國一汽某款柴油機為研究對象，除了進排氣凸輪以外，增加了一個制動凸輪，顯著提升了發(fā)動機的制動性能。缺點是：與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，應(yīng)用專用凸輪軸后，除進氣搖臂和排氣搖臂外，每缸還需要增加一個制動搖臂，不僅增加了空間布置需求，還要考慮制動搖臂的偏載磨損[5]。

2018 年，張英等基于某款10L/12L 發(fā)動機配備WEVB 泄氣式制動裝置。為了滿足客戶對高制動功率的需求，本著改動最小、對車輛無影響的原則，對運動機構(gòu)、制動油路和電控部分進行了改進設(shè)計，成功設(shè)計了一套制動功率更高的壓縮釋放系統(tǒng)。缺點是：為了保證制動時的小桃尖升程，新的制動凸輪基圓直徑減少了[6]。

鑒于此，本文在某款柴油發(fā)動機上配備壓縮釋放鋪助系統(tǒng)，制動油路和電控部分與張英等所述的原理大致相同，僅對運動機構(gòu)的核心部件排氣凸輪進行優(yōu)化改進。此款發(fā)動機原結(jié)構(gòu)是在排氣凸輪主升程的外基圓上做“減法”，得到制動型線。整個凸輪變“瘦”，即基圓的直徑變小，這對配氣機構(gòu)的彈簧裕度、接觸應(yīng)力、躍度jerk 值的可靠性帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前，與壓縮釋放制動功率相關(guān)的研究主要集中在專用制動凸輪軸[5]和制動系統(tǒng)開發(fā)[6-8]，尚沒有排氣凸輪配氣相位對高制動功率影響研究等方面的公開報道。

內(nèi)部廢氣再循環(huán)（internal Exhaust Gas Recirculation，iEGR）以往僅僅應(yīng)用于降低油耗和排放，本文將其拓展應(yīng)用到提升制動功率的范疇。為此，本文采用AVL-BOOST 軟件預(yù)測發(fā)動機制動性能，將排氣管UG 三維模型導(dǎo)入到Hypermesh 進行處理，然后再導(dǎo)回到BOOST 進行處理，獲得真實的排氣管模型。就某六缸柴油發(fā)動機，利用數(shù)值模擬與試驗驗證相結(jié)合的方法[9-10]，對發(fā)動機的工作過程進行計算。通過凸輪型線優(yōu)化設(shè)計，以便在缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力限制等條件下，獲得最大的制動功率。

1 壓縮釋放制動原理

基于排氣凸輪失動（Lost-Motion）的壓縮釋放制動如圖1 所示。

圖1 壓縮釋放制動示意圖

在內(nèi)基圓上做“加法”，設(shè)計出制動所需的增壓凸起（BGR 段）型線、過渡型線和放氣凸起（壓縮-釋放段）型線部分以及被間隙控制裝置隱藏集成到排氣搖臂的機構(gòu)[7]，可降低可靠性風(fēng)險，克服制動凸輪基圓直徑減小的缺陷。

2 制動性能預(yù)測模型建立及驗證

在某六缸柴油機上開展發(fā)動機工作過程計算和性能參數(shù)優(yōu)化工作，發(fā)動機參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗發(fā)動機參數(shù)

本文旨在設(shè)計被間隙控制裝置所隱藏的新型集成搖臂式壓縮釋放排氣凸輪。壓縮釋放制動包含2個緩速機理：壓縮釋放制動機理和通過制動氣再循環(huán)（BGR）機理。壓縮釋放制動機理是在壓縮行程結(jié)束時排氣門開啟，使缸內(nèi)壓縮空氣快速釋放到排氣歧管中，減少膨脹行程產(chǎn)生的正功；而通過制動氣再循環(huán)（BGR）機理則是利用來自排氣歧管的再循環(huán)廢氣來增加缸內(nèi)充量，使壓縮行程所做的負功變大。因此，本文熱力學(xué)計算的主要目的是研究不同轉(zhuǎn)速下排氣凸輪（壓縮-釋放段）第1 次開啟的角度及爆發(fā)壓力對制動功率的影響、排氣凸輪（BGR 段）第2 次開啟的最大預(yù)升程及關(guān)閉角度對缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力及制動功率的影響趨勢，找出滿足爆發(fā)壓力限制等約束下的凸輪軸試驗方案。發(fā)動機計算模型圖2 所示。

圖2 發(fā)動機計算模型

計算過程中，詳細考慮了進排氣系統(tǒng)的流動特性，將排氣管UG 三維模型導(dǎo)入到Hypermesh 進行處理，如圖3 所示。然后再導(dǎo)回到BOOST 進行處理。

圖3 排氣管網(wǎng)格劃分三維計算模型

圖4 為計算結(jié)果與試驗倒拖功對比。

圖4 顯示，計算結(jié)果與試驗的倒拖功擬合比較好，可以用于后續(xù)研究。

圖4 計算結(jié)果與試驗倒拖功對比

3 制動性能仿真計算結(jié)果

3.1 排氣凸輪（壓縮-釋放段）的影響趨勢

排氣凸輪（壓縮-釋放段）的影響趨勢指的是不同轉(zhuǎn)速下，排氣凸輪（壓縮-釋放段）第1 次開啟的角度及爆發(fā)壓力對制動功率的影響趨勢。

壓縮-釋放段的最大預(yù)升程受活塞與氣門最小的動態(tài)間隙限制，在仿真計算中，進行多組排氣凸輪（壓縮-釋放段）第1 次開啟的角度位置case 計算，如圖5、圖6 所示。

圖5 中間轉(zhuǎn)速下開啟角及爆發(fā)壓力對制動功率的影響趨勢結(jié)果

圖6 標(biāo)定轉(zhuǎn)速下開啟角及爆發(fā)壓力對制動功率的影響趨勢結(jié)果

計算顯示，該發(fā)動機為了能有更大轉(zhuǎn)速區(qū)域的同時獲得更高的制動功率，在壓縮-釋放段，開啟角必須在665～675°CA 取值。

3.2 排氣凸輪（BGR 段）的影響趨勢

排氣凸輪（BGR 段）的影響趨勢指的是排氣凸輪（BGR 段）第2 次開啟的最大預(yù)升程及關(guān)閉角對缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力及制動功率的影響趨勢。

排氣凸輪（BGR 段）開啟段與進氣側(cè)即將關(guān)閉段有重疊。排氣凸輪（BGR 段）第2 次開啟的最大預(yù)升程及關(guān)閉角2 因素對缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力及制動功率的影響趨勢如圖7 及圖8 所示。

圖7 2 因素對缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力的影響趨勢結(jié)果

圖8 2 因素對制動功率的影響趨勢結(jié)果

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，相同關(guān)閉時刻，盡管最大預(yù)升程越大，爆發(fā)壓力越高，但制動功率越小。主要原因是發(fā)動機轉(zhuǎn)速低，如果最大預(yù)升程越大，缸內(nèi)再循環(huán)廢氣反而越少。因此，在BGR 段，排氣凸輪第2 次開啟的最大預(yù)升程對制動功率的影響敏感度大于關(guān)閉時刻。

3.3 配氣機構(gòu)CAE 分析

制動模式下，采用AVL-EXCITE TD 搭建配氣機構(gòu)的單閥系分析模型如圖9 所示。

圖9 配氣機構(gòu)的單閥系分析模型

將由AVL-boost 軟件計算的整個工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力和排氣道壓力之間壓力差的邊界條件耦合加載在氣門座上，進行運動學(xué)和動力學(xué)分析。

圖10 為配氣機構(gòu)排氣側(cè)氣門升程及彈簧裕度。

圖10 配氣機構(gòu)排氣側(cè)氣門升程及彈簧裕度

圖10 中，主升程最小裕度為1.72，BGR 段最小裕度為2.38，壓縮-釋放段最小裕度為2.64，均滿足AVL 經(jīng)驗推薦值不小于1.2 的要求。

圖11 為配氣機構(gòu)排氣凸輪與滾輪接觸應(yīng)力。

圖11 配氣機構(gòu)排氣凸輪與滾輪接觸應(yīng)力

圖11 中，BGR 段最大接觸應(yīng)力為455 MPa，壓縮-釋放段最大接觸應(yīng)力為452 MPa，滿足凸輪和滾輪接觸應(yīng)力小于1 250 MPa 的強度設(shè)計要求。

圖12 為配氣機構(gòu)排氣凸輪躍度。

圖12 配氣機構(gòu)排氣凸輪躍度

躍度jerk 為凸輪型線加速度的導(dǎo)數(shù)，是振動沖擊強度的標(biāo)志。計算結(jié)果顯示，設(shè)計的排氣凸輪最大躍度小于1 000 mm/rad3的AVL 推薦值。

圖13 為配氣機構(gòu)排氣門落座速度。

圖13 排氣門落座速度

圖13 中，最大排氣門落座速度為0.46 m/s，小于0.5 m/s 的AVL 推薦值，滿足要求。

4 結(jié)論

1）對運動機構(gòu)的核心部件排氣凸輪進行了優(yōu)化改進，在外基圓不變的情況下，通過在內(nèi)基圓上對凸輪進行“加法”，可降低可靠性風(fēng)險。

2）針對這款柴油發(fā)動機，為了能有更大轉(zhuǎn)速區(qū)域的同時獲得更高的制動功率，在壓縮-釋放段，開啟角需在665～675°CA 取值。

3）這款柴油發(fā)動機排氣升程在BGR 段，排氣凸輪第二次開啟時，盡管最大預(yù)升程越大，爆發(fā)壓力越高，但制動功率越小。因此，排氣凸輪第2 次開啟的最大預(yù)升程對制動功率的影響敏感度大于關(guān)閉時刻。

4）后續(xù)可探索在排氣側(cè)的活塞端面增加讓位坑，挖掘排氣凸輪（壓縮-釋放段）第1 次開啟的最大預(yù)升程對制動功率及爆發(fā)壓力的影響潛力。