发动机泄气式辅助制动性能仿真研究*

龚金科，颜 胜，余明果，李 靖，左青松，王 红

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)



2015113

发动机泄气式辅助制动性能仿真研究*

龚金科，颜 胜，余明果，李 靖，左青松，王 红

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

通过对发动机泄气式辅助制动工作过程的分析，建立了发动机泄气式辅助制动计算模型，根据辅助制动相关参数(包括排气门开度、发动机转速和排气背压等)，对发动机辅助制动进行了单因素和多因素条件下的仿真研究。结果表明：当发动机转速一定时，有一个与最大制动转矩对应的最佳排气门开度值，它随转速的升高而加大; 缸内最大压力随着发动机转速的升高和排气门开度的减小而增高；制动转矩随着转速的上升和排气背压的增高而增大。

发动机；泄气制动；制动转矩；排气背压

前言

发动机泄气式辅助制动是发动机辅助制动的一种，它具有噪声低，对发动机危害小，设计简单，适应性强等优点。目前，国外对发动机泄气式辅助制动的研究已经比较成熟，产品已经系列化，而国内对泄气式辅助制动的研究、生产和应用还处于起步阶段[1-2]。

国内外对泄气式辅助制动的研究主要是通过数学软件进行模拟计算，但多以单因素条件下的仿真分析为主，本文中同时考虑了发动机转速、排气门开度和排气背压下的发动机制动性能，且使用了一种新的发动机性能仿真软件对泄气式辅助制动工作过程进行仿真分析，并利用台架试验数据验证了模型的准确性，对今后发动机泄气式辅助制动技术的研究和应用提供参考依据[3-5]。

1 发动机泄气式辅助制动工作过程

发动机的正常工作过程由4个冲程组成：吸气、压缩、膨胀和排气冲程。4个冲程中，只有膨胀冲程对外做功，输出功率。如图1所示，在泄气式辅助制动整个过程中，排气门始终保持一定的开度，在吸气和膨胀冲程，气体从排气管吸入到气缸内，在压缩和排气冲程，气体又从气缸排出到排气管内，这样既减少了缸内气体在膨胀冲程时对活塞作功，也增加了节流损失，从而增加了发动机的制动转矩[6-7]。

2 发动机泄气式辅助制动性能数学模型

首先建立发动机泄气式辅助制动工作过程的数学模型，取发动机气缸为开放的热力系统[8-10]，通过气门和气缸周壁与外界进行物质和能量的交换。当发动机使用辅助制动时，根据热力学第一定律，有以下基本方程：

能量守恒方程为

(1)

式中：U为气体内能，J；W为系统所作的有效功，J；Qi为通过系统边界如气缸壁面等交换的能量，J；h为比焓，J/kg；m为气体质量，kg；hjdmj为质量dmj进入或带出系统的能量，J；i为通过系统边界如气缸壁面等交换的能量的数量；j为进入或带出系统的能量的数量。

质量守恒方程为

(2)

气体状态方程为

pV=mRt

(3)

式中：p为缸内气体的压力，Pa；V为气缸的容积，m3；R为气体常数，J/(kg·K)；t为缸内气体的温度，K。

对发动机泄气式辅助制动工作的各个过程，能量守恒可具体表示为

进气和气门叠开过程：

(4)

压缩、膨胀、排气过程：

(5)

式中：φ为发动机曲轴转角，°CA；cv为工质定容比热，J/(kg·K)；mE为流入系统的质量，kg；hA为流出系统的比焓，J/kg；mA为流出系统的质量，kg；mS为通过活塞环间隙流出气缸的质量，kg；hE为进气门前的比焓，J/kg；hs为活塞环间隙处工质的比焓，J/kg；u为缸内气体的比内能，J/kg。

质量守恒方程可具体表示为

(6)

外部约束方程如下：

气缸的瞬时容积为

(7)

气缸的容积随着曲轴转角变化率为

(8)

式中：Vh为气缸的工作容积，m3；ε为压缩比；λ为曲柄连杆比。

单位曲轴转角的换热量可表示为

(9)

式中：ω为发动机角速度，ω=πn/30，n为发动机转速；αg为瞬时平均换热系数；A为换热面积，m3；tw为壁面的平均温度,K；k=1为气缸盖；k=2为活塞；k=3为气缸套。

由以上基本方程和约束方程联立，即可建立发动机泄气式辅助制动工作的数学模型，由此可以求出气缸内工质的温度和压力随曲轴转角的变化规律。发动机泄气式辅助制动工作时单缸循环的指示功为

W=∮pdV

(10)

此时发动机的指示功率和制动转矩为

(11)

(12)

式中：I为发动机气缸数目；W为发动机泄气制动时单缸每循环指示功，J。

3 发动机泄气式辅助制动性能仿真分析

3.1 发动机泄气式辅助制动性能计算流程

仿真计算模拟流程如图2所示。对发动机辅助制动工作过程进行仿真分析时，首先建立发动机泄气制动模型，然后设置模型参数和输出参数，进行仿真，最后对仿真结果进行分析[8-13]，并将仿真结果与实验数据进行对比，确定最优制动方案。具体研究方案为：(1)固定发动机转速，分析不同排气门开度情况下，发动机制动转矩与排气门开度的关系；(2)确定排气门最佳开度后，予以固定，得出发动机制动转矩与转速的关系；(3)固定发动机转速和排气门开度，得到发动机制动转矩与排气背压的关系。

3.2 发动机泄气式辅助制动性能仿真结果分析

应用数值模拟的方法，对发动机泄气制动工作过程进行模拟研究。定量分析相关结构参数和运行参数对发动机泄气制动能力的影响，求取最佳值，实现工作参数的优化。

图3为发动机2 100r/min时，在不同排气门开度下，发动机缸内p-φ图。可以看出，当排气门的开度越大时，缸内最大压力越小，发动机排气门开度在1.2和0.6mm下，缸内最大压力相差最高达到1.51MPa。由于排气门开度不同，缸内空气在压缩过程中的泄漏速度不同，当排气门开度为1.2mm时，压缩过程中功率消耗较少，制动转矩较小；当排气门开度为0.6mm时，气缸内最大压力值增加，增加了在压缩过程中的制动转矩，但在膨胀冲程中，缸内气体对活塞的做功也增加了，当气门开度为0时，即极限状态下，发动机倒拖，此时发动机的制动转矩很小，因此，在发动机转速一定的情况下，有一对应的最佳排气门开度值。

图4为发动机泄气制动排气门的开度为0.8mm时，不同转速下缸内p-φ图。可以看出，当泄气制动时，随着发动机转速的升高，缸内压力增大。发动机转速在2 100和1 300r/min下，缸内最大压力相差最高达到1.43MPa。缸内压力最大值的时刻比压缩上止点稍微早些。在排气过程中，高转速下的空气节流较大，因此高转速下的缸内空气压力高于低转速下的压力。在进气过程中，由于排气门始终开启，因此在进气过程中由于活塞下行，缸内压力降低，空气通过进气管流入气缸的同时，在排气管处也有空气倒流入气缸，增加了进气量，进气过程缸内空气压力较高，且低转速下的缸内压力高于高转速下的缸内压力。

图5为发动机排气门开度不同时，不同转速下发动机制动转矩图。可以看出，发动机转速一定时，制动转矩随着排气门开度的增加先增加后减小，当转速为2 100r/min时，最佳排气门开度约为0.8mm；当转速为1 600r/min时，最佳排气门开度约为0.7mm；当转速为1 200r/min时，最佳排气门开度约为0.5mm，当发动机转速越高时，对应的最佳排气门开度越大。图6为不同排气门开度发动机制动转矩，从该图也可以看出，在低转速下，最大制动转矩对应的气门开度较小；在高转速下，最大制动转矩对应的气门开度较大。

图7为发动机排量分别为6.5、7.8和9.8L，排气门开度为0.7mm时发动机制动转矩图，可以看出：发动机制动转矩随着转速的升高和排量的加大而增大，且发动机排量越大，制动转矩随着转速的升高而增加得越快。

图8为不同排气门开度下排气背压随转速而变化的曲线；而图9则是不同转速下排气背压随排气门开度而变化的曲线。由图可见，固定排气门开度时，排气背压随着发动机转速的升高而增大；发动机转速一定时，排气背压值随着排气门开度的加大而减小。

图10为发动机不同排气背压下的制动转矩图。可以看出：发动机制动转矩随着排气背压的增大而增大。这是由于排气背压升高，增大了排气过程的泵气损失，从而增加发动机的制动转矩。然而，当排气背压达到一定程度时，可能会出现排气门反跳的情况，造成排气门和排气机构的损坏。

3.3 发动机泄气式辅助制动性能仿真模型实验验证

实验装置示意图见图11。通过压电式压力传感器将缸内压力等非电量信号转化为电量信号，通过信号放大器将电量信号放大，同时通过仪器采集到曲轴上止点的脉冲信号，将这些信号经过A/D转换器，模拟信号转化为数字信号，送入计算机进行数据的处理与输出，实验发动机的主要参数如表1所示。

表1 发动机主要参数

图12为排气门最佳开度的仿真(只有1 000～1 450r/min的数据)值与实验值的对比。可以看出：发动机获得最大制动转矩时的排气门最佳开度值随发动机转速的升高而增加；图13为排气门开度为0.7mm时，发动机制动转矩仿真值与实验值的对比。可以看出仿真结果与实验数据基本相符；其相对误差仅为3.8%，表明该泄气式辅助制动模型具有较高的精度和准确性，为发动机泄气式辅助制动的研究应用提供了参考依据。

4 结论

建立发动机泄气辅助制动计算模型，根据泄气制动相关参数(包括排气门开度、发动机转速和排气背压等)，对发动机泄气制动性能进行仿真研究，结果表明：

(1) 发动机气缸内压力与发动机转速和排气门开度有关，排气门的开度越大时，缸内最大压力值越小；转速越高时，缸内最大压力值越大。在不同排气门开度下或不同转速时，缸内最大压力相差最高可达十几个大气压。

(2) 随着发动机转速的变化，最大制动转矩有一对应的最佳排气门开度，它随转速的升高而加大。对于本文中研究的发动机，在额定转速2 100r/min时，对应的最佳排气门开度为0.8mm。

(3) 制动转矩随转速的上升和排气背压的增高而增大。仿真结果与实验数据较为接近，表明该仿真方法合理，计算结果可信。

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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

*国家863项目子项(2008AA11A116)和汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题(61075002)资助。

原稿收到日期为2012年11月19日，修改稿收到日期为2013年3月1日。