某轻型柴油机辅助制动系统开发

周兆鹏，丁晓辉，王慧，李超，杨文钊,安学慧

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

随着交通运输业和汽车工业的发展，人们的交通安全意识不断增强，我国法规对汽车行驶安全性的要求越来越高，汽车制动性能及可靠性备受重视，越来越多的汽车配备了辅助制动技术。辅助制动的使用可减少行车制动的使用，减少刹车片的磨损，降低刹车片连续制动过热的行车安全风险。目前市场中辅助制动技术主要有排气制动、压缩释放式排气制动、缓速器制动、减压阀制动、液力缓速器等。文献[1-7]对目前国内普遍使用的发动机制动技术原理、结构及应用等进行了研究分析，重型汽车载荷大，普遍使用压缩释放式、液力缓速器等方式；文献[8]研究了排气制动对增压器轴向载荷的影响，与正常工况相比，增压器在制动工况的轴向载荷显著增大，且排气背压越高，增压器轴向载荷越大；文献[9]以某客车为例，采用减速度测定试验方法来测试样车的辅助制动性能，结果表明缓速器制动的制动效能优于发动机制动和发动机排气制动。

轻型柴油机主要配套轻型客车，制动功率不高，采用制动蝶阀即可达到制动功率需求。本文中采用仿真分析及试验研究相结合的方法，主要针对蝶阀排气制动系统的性能、可靠性等方面进行研究，对辅助制动系统开发过程中的各类问题提出改进建议，并对改进方案进行验证，为今后辅助制动技术开发提供参考依据。

1 辅助制动系统开发目标

1.1 技术标准

文献[10-11]对机动车制动系统的技术要求作了具体规定，文献[11]中进一步对机动车制动系统的试验方法进行了规定。

1)Ⅱ型试验：车辆在仅使用辅助制动的情况下，能够实现在坡度为6%的坡道上，以(30±5)km/h的稳定车速下坡行驶。若通过测量汽车减速度方式来确定发动机单独制动时的制动性能，要求测试的平均减速度≥0.5 mm/s2。

2)ⅡA型试验：车辆在仅使用辅助制动的情况下，能够实现在坡度为7%的坡道上，以(30±5)km/h的稳定车速下坡行驶。若通过测量汽车减速度方式来确定发动机单独制动时的制动性能，要求测试到的平均减速度≥0.6 mm/s2。

M3类长途客车和旅游客车及允许挂接O4类挂车的N3类车辆需进行ⅡA型试验。

1.2 开发目标

本文中所研究轻型柴油机制动功率需求不高，因此采用蝶阀排气辅助制动系统；柴油机的3种配套轻型客车均属于M3类车辆，发动机辅助制动系统需满足ⅡA型试验的性能要求，即需保证车辆在仅使用辅助制动的情况下，能够实现在坡度为7%的坡道上，以(30±5)km/h的稳定车速下坡行驶。

2 仿真分析

2.1 发动机制动功率仿真计算

图1 不同排气背压下发动机制动功率仿真曲线

对发动机制动功率进行仿真计算，预估缸压等边界条件，作为结构仿真计算的输入参数,确定不同排气背压下发动机制动功率随发动机转速的变化规律[12]，如图1所示。

2.2 整车需求制动功率仿真计算

根据文献[11]的要求，试验车速为(30±5) km/h，对应发动机常用挡位为3挡，发动机3挡转速较低，可能无法满足制动功率要求，需同时计算2挡需求制动功率。整车需求制动功率仿真计算的主要技术参数如表1所示。

表1 3种配套车型主要技术参数

车型1～3整车需求制动功率与发动机制动功率仿真对比如图2～4所示。

图2 车型1整车需求与发动机制动功率仿真对比 图3 车型2整车需求与发动机制动功率仿真对比

图4 车型3整车需求与发动机制动功率仿真对比

由图2～4可知:

1)3挡状态下，车型1～3的发动机转速较低，制动功率均小于整车需求制动功率，无法满足要求。

2)2挡状态下，车型1、2在排气背压分别大于190、260 kPa时，发动机制动功率可满足整车制动需求；排气背压190～480 kPa时，车型3发动机制动功率均可满足整车制动要求。

综合3种车型整车需求制动功率与发动机制动功率的对比分析，确定辅助制动系统所需发动机排气背压为260 kPa，并进行后续仿真及试验。

2.3 配气机构可靠性计算

对配气机构进行动力学计算，包括气门升程、凸轮-摇臂接触应力、凸轮-摇臂作用力等，计算结果如图5～10所示。

图5 进气门升程 图6 排气门升程

图7 排气凸轮与摇臂接触应力 图8 进气凸轮与摇臂接触应力

图9 排气凸轮与摇臂相互作用力 图10 排气凸轮与摇臂相互作用力

由图5～10可知，气门与活塞无碰撞，凸轮与摇臂间无飞脱现象，凸轮与摇臂间的最大接触应力满足要求(小于1300 MPa)，最大摇臂载荷小于限值(1935 N)，摇臂强度满足要求。

3 试验验证

3.1 制动性能试验

在台架上进行发动机制动功率摸底试验[13]。通过调整排气蝶阀开度，得到发动机在不同排气背压下的制动功率，综合整车制动需求及可靠性，确定排气背压，试验结果如图11所示。

图11 发动机制动功率与整车制动需求功率对比

由图11可知，200 kPa排气背压制动功率线与车型1和车型2的需求制动功率线相交，且交点在30 km/h车速点附近；200 kPa排气背压制动功率线高于车型3的需求制动功率线，说明发动机排气背压大于200 kPa时，制动功率能够满足所有车型的需求，且有一定裕量。选用排气背压200 kPa进行后续试验验证，排气背压低于仿真计算背压(260 kPa)时配气机构可靠性不需重新评估。

3.2 排气制动工况增压器轴向力评估

根据制动性能试验采集的数据，计算发动机在排气制动稳态工况下增压器受到的轴向力，评估止推轴承承载能力。搭建的计算模型如图12所示(图中:p1～p4为压气机、涡轮机进出口等不同部位的气体压力，F1,C～F4,C为叶轮不同部位受到的气体压力，F1,T～F4,T为涡轮不同部位受到的气体压力，FT,ax为轴向合力，FTW为涡轮轴向力，FCW为叶轮轴向力)。

图12 增压器受力分析模型

图13 增压器受力计算曲线

计算结果如图13所示。由图13可知，在排气制动稳态工况下，压气机所受的气体压力很小，最大约为6.0 N；涡轮机受到的气动力相对较大，最大约为53.0 N；转轴所受总的合力指向压端，最大约50.0 N，低于止推轴承使用限值130.0 N，无风险。

3.3 活塞顶隙的动态测量和评定试验

制作特制活塞，进行活塞顶隙的动态测量和评定试验，评估是否存在活塞碰撞气门的风险。经过试验，实际测量活塞与进气门最小间隙为0.78 mm，活塞与排气门最小间隙为2.35 mm，试验结果见表2。满足进气门最小间隙0.60 mm，排气门最小间隙2.20 mm设计要求，无碰撞风险。

表2 活塞顶隙动态测量试验结果mm

3.4 配套整车制动性能试验

将轻型发动机装配到配套的车辆上进行相关制动试验验证，通过测量整车减速度来确定发动机单独制动时的制动性能。试验实测整车减速度为0.8 mm/s2，大于文献[11]中ⅡA型试验所要求的0.6 mm/s2，发动机单独制动时的制动性能满足要求。

3.5 整车耐久试验

进行整车500 h制动可靠性考核，检验整车制动可靠性。试验结束后对发动机进行拆检，关键零部件拆检状况见图14。由图14可知，相关零部件未出现可靠性问题，整车顺利通过可靠性耐久考核。

a)活塞拆检情况 b)排气门拆检情况 图14 关键零部件拆检情况

4 结论

1)对国内外相关制动系统技术标准进行分析，轻型柴油发动机配备蝶阀排气制动系统可满足使用要求，辅助制动系统需满足文献[11]中ⅡA试验要求。

2)对发动机制动功率和整车需求的制动功率进行仿真分析，确定排气背压260 kPa可满足需求，以此为输入进行配气机构可靠性仿真评估，各项指标满足要求。

3)进行500 h耐久试验，验证整车制动可靠性，试验表明开发的辅助制动系统满足性能及可靠性使用要求。