减压气门运行参数对燃烧制动的性能影响＊

姚磊 朱昌吉 刘宇

（吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130000）

减压气门运行参数对燃烧制动的性能影响＊

姚磊 朱昌吉 刘宇

（吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130000）

利用GT-POWER软件建立某型号天然气发动机模型，研究减压气门的运行参数（减压气门相位、气门升程以及气门包角）在单因素和多因素条件下对发动机燃烧制动性能的影响。结果表明，点火时刻为上止点前130°时，在上止点前40°前燃烧基本结束；随着气门包角的增加，制动扭矩不断增加；减压气门升程越大，制动扭矩峰值越大，但是减压气门的最大升程受压缩间隙的限制。

1 前言

行车制动的稳定性是影响行车安全的重要因素[1～3]，在商用车上增加辅助制动装置已成为趋势，甚至成为硬性规定[4～6]。常见的辅助制动系统有发动机制动、排气制动、泄漏制动和减压制动等[7～9]，其制动原理是依靠工作循环中的泵气损失、摩擦损失、驱动部件损失和压缩空气及缸内气体流动损失来消耗汽车的动能[10]。

目前，国内外对发动机燃烧制动研究非常少，发动机燃烧制动对原发动机结构改动较小，且响应时间快，最重要的是输出的制动扭矩较大，可以使得车辆稳定在低速上安全行驶，避免制动系统因长时间制动而引起失效[11～12]，并解决其它辅助制动的制动能力不足的问题。

根据燃烧制动的过程和原理可知，燃烧废气在压缩上止点处从缸内排出过程的变化对发动机燃烧制动的性能影响很大[13～15]。因此，研究在压缩上止点附近减压气门开启时刻、气门开度以及气门包角等运行参数对缸内压力、排气质量流量和制动功率的影响的变化趋势[16]，对提升燃烧制动性能有着重大意义。

2 仿真平台的搭建

2.1 仿真模型

所研究发动机是基于某汽油机为基础自主开发的单一燃料CNG发动机。发动机的详细参数见表1。

系统由涡轮增压中冷系统、点火系统、喷油系统、进排气系统、曲轴机构、气缸等组成。由于燃烧制动的燃烧放热率未知，且此研究涉及点火时刻、转速等对燃烧的影响，故选用GT-Power软件中的预测燃烧模型下“EngCylCombSITurb”计算模型[17～18]建立整机模型。

表1 发动机参数

2.2 模型有效性验证

利用所建模型对原机进行仿真计算，并将计算结果与原机的试验参数进行对比分析。图1为发动机在当量比为1、点火提前角为上止点前30°时，发动机试验外特性功率曲线和仿真值的对比以及缸压的试验值和仿真值（转速2 300 r/min）对比图。可知，误差均在5%以内。此外，进气流量、涡前涡后排温、扭矩等均与试验值相吻合。由此可知，仿真与试验结果变化规律基本一致，仿真结果可靠。

图1 试验值和仿真值对比

3 燃烧制动工作过程及分析

3.1 工作工程

发动机燃烧制动的工作原理：将燃烧过程提前到压缩冲程，在压缩冲程时活塞上行，缸内燃烧产生的高温高压气体阻碍活塞向上运动，燃烧制动的压缩冲程所消耗的能量比正常工作时更大，同时在压缩冲程终了，为了避免高压气体在做功冲程对活塞做正功，在压缩冲程末端附近提前打开排气门（此处排气门开启速度较快，后文用减压气门代替），排出缸内高温高压气体，使得做功冲程开始时缸内的压力较低，对外不做正功，同时尽早关闭排气门，活塞下行时缸内形成负压，负压同时对活塞做负功。从而发动机的每个冲程都尽可能多的消耗能量，达到增加制动功率的效果[19]。其工作过程示意见图2。

图2 发动机燃烧制动工作过程示意

由图2可知，进气冲程为进气门打开，新鲜工质进入缸内。压缩冲程为由于进气门有一定的进气门迟闭角，所以只有进气门完全关闭才能开始点火，燃料燃烧产生大量的气体和热量，同时活塞上行压缩高温高压的燃烧废气。减压过程为当活塞靠近上止点时，减压装置开始工作，快速顶开减压气门至最大开度，排出缸内高温高压的燃烧废气，减压气门打开一段时间后迅速关闭。做功冲程中活塞下行，缸内的负压对活塞做负功。最后是排气冲程[19～20]。

因此，燃烧制动和发动机正常工作的主要区别在于压缩冲程和做功冲程。在压缩冲程中，尽早燃烧并释放高温高压的气体，压缩负功将会更大，同时希望在压缩上止点处缸内的废气可迅速排出。最理想的状态是进气门关闭后立刻点火，同时压缩冲程的高温高压气体在压缩上止点处瞬间排出，缸内压力瞬间降至最低。

由于废气无法瞬间完全排出，因此如何使得缸内高温高压废气在上止点附近迅速排出成为影响燃烧制动性能的主要问题。相关运行参数主要有减压气门开启的时刻、开启的包角、开启升程。由于随着转速的增加，燃烧放热率后移，压缩过程负功减少，因此转速也是一个重要的参数。

3.2 减压气门升程曲线

减压气门采用电磁式气门开启方式：减压气门接收到开启信号时，瞬间开启到最大开度，并保持在最大开度，当减压气门接收到关闭信号时，迅速关闭。仿真模型中设置的减压气门从开启到最大升程的时间为曲轴转过2°所经历的时间。减压气门升程曲线见图3。

图3 减压气门升程曲线

4 运行参数的影响

4.1 燃烧过程分析

从燃烧制动的工作过程分析可知，最理想的状态就是进气门关闭后迅速点火燃烧，产生高压气体阻碍压缩冲程活塞上移，使压缩负功增加。通过计算和理论分析都可以证明点火提前角越大，发动机燃烧制动产生的制动功率越大，由于原机的进气门迟闭角为48°，且必须在进气门关闭之后才能开始点火，因此选取的最大点火时刻为上止点前130°。

图4为当量比为1、节气门全开、点火时刻为上止点前130°、减压气门开启到关闭之间的包角为30°曲轴转角、减压气门开启时刻为上止点前7°、减压气门升程为4 mm条件下计算得到的不同转速下缸内燃烧放热率曲线和缸内压力变化曲线。

图4 不同转速下放热率和缸内压力曲线

可知，在上止点前130°处可以成功点火，且随着转速的增加，放热率曲线前移，且在压缩上止点前40°处燃烧基本结束。在减压气门开启之前缸内压力一直上升，且减压气门开启后，随着转速的减小，单位曲轴转角的压力下降越大。

所以最理想的状态就是在压缩上止点处缸内压力瞬间下降至最低，但缸内高压废气无法瞬间排出，因此如何使得缸内充量在压缩上止点附近迅速排出是发动机燃烧制动的主要问题，与此有关的参数主要为减压气门运行参数（气门包角、气门相位、气门升程）。其中气门包角为减压气门从开启到关闭所对应的曲轴转角。

4.2 气门包角对制动性能的影响

图5为减压气门开启时刻为上止点前角5°、气门开度为4 mm时，不同转速下气门包角对制动扭矩的影响。可知，随转速增加，各包角下产生的制动扭矩都会减小，这是因为130°的提前点火角，缸内压力较低、温度较低，燃烧的着火落后期较长，燃烧速度慢，同时随着转速增加燃料的燃烧放热率后移，所以压缩冲程的压缩负功减少。同时当气门包角较大时，随着转速的增加，制动扭矩减小的比较缓慢，当减压气门包角为40°时，制动扭矩曲线随着转速的增加下降的比较缓慢，最大制动扭矩和最小制动扭矩的差值接近60 N·m。当减压气门包角为15°时，制动扭矩随着转速的增加下降的比较迅速，最大制动扭矩与最小制动扭矩之间差值接近180 N·m。适当的增大减压气门包角有利于改善燃烧制动的性能，但并不是减压气门包角越大越好，当减压气门过大，则在做负功冲程的气体流动阻力系数减小，所以减压气门包角增大到一定程度后制动功率趋于稳定甚至减小。同时减压气门包角过大也容易造成排气回流。

图5 不同转速下减压气门包角对制动扭矩的影响

4.3 减压气门相位对制动性能的影响

当转速为1 800 r/min、减压气门升程为4 mm时，最佳的减压气门开启时刻为上止点前5°～8°（见图6），当减压气门开启时刻在该范围内时可以使得缸内燃烧废气在压缩上止点前更快、更充分的排出缸外，同时可以保证压缩冲程的压缩负功尽可能大。

不同减压气门开启相位角时缸内压力曲线如图7所示。可知，当减压气门开启时刻逐渐推迟时，缸内的压力峰值在逐渐增大，且最大峰值压力逐渐靠近压缩上止点，且在上止点前压力与曲轴转角包括的面积逐渐增大，但是在压缩上止点前缸内残余很多的燃烧废气，使得在做功冲程开始时缸内压力较大，对活塞做的正功增加，所以整体制动功率下降。但从图8可知，随着减压气门开启时刻提前，缸内气体在压缩上止点前排出较多，使得压缩冲程气体对活塞做功减少，制动功率下降。

图6 不同气门包角下气门相位对制动扭矩的影响（1 800 r/min）

图7 不同气门相位角时缸内压力曲线（1 800 r/min）

图8 不同气门相位角时排气质量流量（1 800 r/min）

减压气门开启时刻与最大减压气门升程也有一定关系，如图9所示。可知，当减压气门升程增大时，最佳气门开启时刻推迟。这是因为随着开度的增加，减压过程废气单位时间内流量增加，同时推迟气门开启时刻可以增大压缩负功。当转速和气门升程固定时有一最佳气门相位角，减压气门不能开启的太早，这样压缩冲程的压缩负功减小，但是也不能开启的太晚，以免废气不能及时排出，做功冲程开始时缸内压力过大，残余高压废气会对活塞做正功。由于减压气门是在压缩上止点附近打开，压缩余隙较小，且气门开启的速度较快，所以应尽量减小减压气门升程。

图9 不同气门升程时气门相位角对制动扭矩的影响

4.4 气门升程对制动性能的影响

图10是在转速为1 800 r/min、8°气门提前开启角时气门升程对燃烧制动的性能影响。可知，气门包角的增加可以提高燃烧制动的性能，相同气门包角下，当气门升程小于4 mm时，气门升程的改变对燃烧制动的性能影响较大，当升程大于4 mm时，气门升程的改变对燃烧制动扭矩的影响逐渐减小。当气门包角较小时，气门升程对燃烧制动扭矩的影响较大。当气门包角为40°时，气门开度在4 mm和5.2 mm时产生的制动扭矩近似相等，且气门开度为3 mm与5.2 mm时产生的制动扭矩相差不到60 N·m。而当气门包角为15°时，二者相差约160 N·m。

图10 不同气门包角下气门升程对制动扭矩的影响

从图11不同气门升程时排气质量流量曲线可知，当减压气门的包角、开启时刻一定时，随着气门升程的增大，缸内燃烧废气在压缩上止点前排出量就越大。但是气门开度也不能太大，以免造成废气回流。

从图12不同气门升程下缸内压力曲线可知，随着气门升程的变化，缸内的最高压力变化不大，但是压缩上止点后，曲轴转角从0°～150°时，随着减压气门开度的增加，缸内压力却逐渐减小，做功冲程的正功减小。同时当气门升程为4 mm时，燃烧废气在上止点附近排出比较彻底，当气门升程小于4 mm时，在压缩上止点处燃烧废气不能及时被排出，做功冲程缸内残余废气量较大。

图11 不同减压气门升程时排气质量流量

图12 不同减压气门升程下缸内压力曲线

5 结束语

a.减压气门开启时刻在上止点前5°～8°之间可以保证气体在压缩上止点前迅速彻底排出。且受气门开度和转速的影响，转速增加，最佳开启提前角增加，但是随着升程的增加，最佳开启时刻推迟。

b.由于减压气门开启装置开启速度迅速，且压缩上止点处缸内容积小、压力大等特点，最优减压气门包角为30°，当气门包角太小时，缸内气体在压缩上止点前排出的不够彻底，当包角太大时容易形成缸内气体倒流。

c.气门开度受到压缩余隙限制，同时为了保证缸内气体能及时彻底排出，最佳的气门升程为4 mm，当气门升程继续增大时制动扭矩提升不大，且容易造成废气回流现象。

1 何仁，董颖，牛润新.车用发动机缓速器工作循环的理论分析.农业机械学报，2007，38(12):36～40.

2 董颖，何仁.发动机制动技术的研究与展望.车用发动机，2006(3):1～5.

3 Price R B，Meistrick Z S.A New Breed Brake for the Cum⁃mins L10 Engine.SAE Paper，1983:831780.

4 王作函.Jake Brake发动机辅助制动装置.商用汽车,2002(12):48～49.

5 Druzhinina M,Moklegaard L,Stefanopoulou A.Adaptive continuously variable compression braking controlfor heavy-duty vehicles.Journal of Dynamic Systems Measure⁃ment and Control,2002,124(3):406～414.

6 GB7258—2012机动车运行安全技术条件.北京：中国标准出版社,2012.

7 龚金科，王云科，贾国海.发动机减压制动性能的仿真与实验研究.华南理工大学学报（自然科学版）,2014（9）：140～146.

8 董颖，何仁，罗福强.减压气门运行参数对发动机缓速器制动性能的影响.农业机械学报,2008,39（2）:11～14.

9 龚金科,颜胜,黄张伟,等.发动机辅助制动性能仿真研究.中国机械工程,2014（9）:1268～1272.

10 Price R B,Meistrick Z S.A New Breed Brake for the Cum⁃mins L10 Engine.SAE Paper,1983:831780.

11 崔晓娟.发动机制动技术在CA6DL柴油机上的应用开发：[学位论文].长春：吉林大学，2007.

12 王忠俊，吕林，喻方平，等.车用发动机在汽车排气制动时气门特性测试分析.武汉理工大学学报（交通科学喻工程版）,2004,28（3）：343～344.

13 Jia P,Xin Q H.Compression release engine brake model⁃ing and braking performance simulation.SAE,Internation⁃al Journal of Commercial Vehicles,2012,5(2):505～514.

14 Thomas N S，Klaus D H，Guenter F.The New Mercedes Benz Engine Brake with Pulsed Decompression Valve De⁃compression Valve Engine Brake(DVB).SAE Paper 942266.

15 秦静，谢辉，张岩，等.气门参数对汽油机可控自燃燃烧控制作用的数值模拟.天津大学学报,2007,40(10):1151～1158.

16 王海刚,刘石，等.不同湍流模型在内燃机缸内流动过程数值模拟中的应用和比较.燃烧科学与技术,2004,10(1):66～71.

17 李垂孝，朱昌吉，李君.基于GT-Power的EGR率对当量比燃烧的发动机性能影响研究.汽车技术,2015(12):25～28.

18 董颖.发动机制动的工作机理及性能分析研究：[学位论文].镇江：江苏大学，2007.

19 朱昌吉，邓琦慧，姚磊，等.发动机减压制动装置.中国专利，CN 205349455 U.2016-06-29.

20 王丹婷.发动机压气式辅助制动工作过程的模拟研究：[学位论文].大连：大连理工大学，2014.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2017年4月1日。

Influence of Release Valve Working Parameters on Braking Performance of Engine Combustion Brake

Yao lei,Zhu Changji,Liu Yu
（State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University,Changchun 130000）

The GT-power software was used to build a simulation model of a CNG engine,to study the effect of the operating parameters of release valve(valve lift,valve phase and valve wrap angle)on the braking performance of engine combustion brake with univariable and multivariable conditions.The results show that the combustion completes 40°BTDC when the ignition timing is 130°BTDC.The braking torque increases as the release valve wrap angle increases.The larger the release valve lift is,the higher the peak brake torque will be,however the maximum release valve lift is limited by compression clearances.

Engine combustion brake,Valve wrap angle,Valve phase,Valve lift

燃烧制动 气门包角 气门相位 气门升程

U464.11 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）08-0054-05

国家科技支撑计划项目（2015BAG05B01）。

朱昌吉，男，教授，E-mail:zhucj@jlu.edu.cn。