发动机配气相位与发动机辅助制动研究

史楠 哈菲 雷晓斌

摘要： 针对对发动机配气相位与发动机压缩辅助制动研究，通过仿真模拟检测发动机压缩制动时配气相位图变化与发动机缸内压力变化规律;保证车辆不但有良好的燃油经济性及排放性;同时还有良好的行车制动性以保障车辆行车安全;使车辆使用更加安全可靠，减少并避免因制动器制动力失效而引起的交通事故，保证行车的安全。

Abstract： Aiming at the study of engine valve phase and engine compression auxiliary brake， through simulation detection， to find the change of valve phase diagram during compression braking of engine and the variation law of pressure in engine cylinder. Ensure the vehicle has good fuel economy and emission. At the same time， making sure it have good driving control to ensure vehicle safety. Makeing the use of vehicles more safety and reliable， reduce and avoid traffic accidents caused by the brake force failure， to ensure the safety of driving.

关键词： 发动机;配气相位;辅助制动;研究

Key words： engine;valve phase;auxiliary braking;research

中图分类号：U263.14                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0152-03

1  概述

配气相位对发动机而言，决定了汽车燃油的经济性、动力性、排放等;所以在全球范围内，乘用车轿车几乎都在不断的优化配气相位;满足人们对汽车使用性能的要求;如国产比亚迪采用的VVL、五菱宏光采用的DVVT，合资品牌丰田采用的CVVT-i、本田采用的i-VTEC、奥迪采用AVS、菲亚特采用的电子气门等;都是将传统的配气相位图改进优化形成了可变配气相位即改变了进气门、排气门开闭的时刻如丰田的CVVT-i及开启时刻和开启所持续的时间如本田的i-VTEC、奥迪AVS，从而满足了汽车发动机在不同工况的动力性、燃油经济性、尾气的排放的要求。对于商用车而言和轿车一样也是改变配气相位，只是改进的方式和轿车有所不同;不但改变了进气冲程、排气冲程的相位图，而且改进了压缩冲程、做功冲程的相位图，利用这一特性实现发动机压缩辅助制动，从而保证商用车长时间行车制动制动器制动力失效而引起的交通事故，是车辆使用行车制动更加安全、可靠。

全世界每年发生的交通事故几乎3/4是制动系统失效造成的，而因商用车制动失效酿成的交通事故往往最严重，几乎都是群死群伤，这充分说明商用车行车制动的重要性;为了规避商用车因长时间制动制动效能的热衰减酿成重大交通事故，通过优化发动机的配气相位实现商用车发动机辅助制动可以产生发动机功率的2/5的制动力;从而防止制动失效，减少交通事故的发生;保证行车安全。

发动机辅助制动是重型商用车普遍采用的一种辅助制动技术，它也能够防止因汽车在下长坡时频繁使用刹车，而导致的过热与损坏或者失灵。目前，尽管国外对发动机辅助制动技术的研发已相当完善，且产品也开始系列化，但由于政府对自身科技资源和潜在市场的保护，国外仍极少披露辅助制动技术的先进科技资料，而国内对辅助制动技术的研发、制造与使用也还相当少。研究人员在对国内发动机辅助制动技术深入研究的基础上，对发动机压缩制动、减压制动以及一些常用的发动机辅助制动的工作流程与工作原理，进行了较深层次的剖析与探究;并采用了数值模拟仿真和实测试验相结合的方式，对发动机可变配气相位、以及发动机辅助制动系统的制动原理图等进行了分析研究，对比发动机可变配气相位与发动机压缩制动动的异同;发动机可变配气相位应用在中等排量发动机的轿车上，发动机辅助制动装置应用在大众型客车、货车上;对发动机可变配气相位及发动机辅助制动技术进一步研究，对车辆使用既能达到节能减排又能保证车辆制动安全的双重作用，达到具有自主知识产权的发动机控制设备，增强产品的竞争力，对国民经济建设具有十分重要的意义。

常见的发动机辅助制动系统大致可分为：排气蝶阀制动，泄气式制动还有压缩式制动三大类型。

压缩式制动的原理，通过改变发动机排气门的配气相位，在压缩冲程上止点前，开启排气门，发动机压缩缸内空气所做的功被释放到排气系统。在膨胀做功的行程开始，排气门关闭，汽缸内接近真空状态，活塞下行类似抽真空，产生负功，为了防止抽真空过大对机油的消耗在膨胀做功的行程后期排气门打开进行压力在平衡，这样在压缩和做功两个冲程发动机都负载消耗车辆动能。

2  发动机可变配气相位

可变配气相位就是根据发动机工况的变化改变发动机配气相位图的方法。

根据可变配气相位技术及各种可变因素的特点，在应用时有以下几种基本组合形式：①气门升程和持续期不变，改变气门开启的时刻;②气门开启时刻不变，改变气门开启和关闭的持续转角;③气门开启角度和开启时刻不变，改变气门升程型线;④对配气相位及气门升程进行全面控制。

2.1 气门升程和持续期不变，改变气门开启的时刻（图1）

发动机各工况配气相位图仿真模拟分析：

①部分负荷→适当的气门重叠，排气逆流EGR效果;减少泵气损失;降低最大动力;降低NOx排放

②全负荷→没有重叠，通过防止排气逆流来提高体积效率;全负荷工况不需要减少泵气损失;

③怠速→没有重叠，晚点打开，为了使进气逆流，防止排气逆流来提高燃烧稳定性;可以降低怠速转速;发动机各工况配气相位模拟变化如图2所示。

2.2 可变配气相位对发动机性能影响

改变配气相位的目的是利用气流的脉动和惯性，改善发动机的换气过程，提高发动机的动力性、燃油经济性及排放。

一般来说，发动机性能的提高取决于燃烧室内吸入多少空气。另外进气门的打开正时与进气效率的提高有着紧密的关系。进气门打开正时，对于大多数发动机，如果在活塞TDC前排气门在打开位置期间进气门打开，可利用废气的排放力吸入气体，因而在活塞运动至TDC前打开进气门。但是，过快打开，进气气体可能通过排气门排放。因此，应找出最优的气门重叠。另外，低速条件下，进气气体流动慢，如果进气门打开过快，排气和进气气体之间的冲击将阻碍空气的进入。因此，应限制增加气门重叠正时。进气门关闭正时即使活塞在越过下止点后开始向上运动，惯性力作用下依然吸入气体。在压力随活塞的向上运动而增加，在两种力相互抵消时（不在吸进气体时），关闭进气门是最好的方法。在进气气体惯性力随速度的增加而增大时，应尽可能延迟进气门的关闭正时。

与排气的关系。NOx：气门重叠量增加基础上，EGR内循环，降低燃烧温度可抑制NOx，HC：EGR内循环，使燃料充分完全燃烧降低HC。然而气门重叠量的改变会使燃烧过程变的不确定。因而，可能会增加HC量。要减少HC量，需找出每个驱动条件下的最优气门重叠量。

在不同转速条件下分别对配气相位进行优化，进行了全负荷工况下配气相位对发动机性能的影响研究。利用发动机数值仿真软件GT-Power建立了该发动机仿真模型，仿真全负荷的转矩、功率、比油耗对比图以及优化后的相位图。从图中可以看出，随着进排气相位重叠角的滞后，發动机的比油耗有较大的提高，而转矩及功率在中速时有一定提高，其它转速下不明显（图2）。

通过仿真模拟分析不同的可变配气相位在结构原理上的一些优缺点，并对当前中小排量发动机可变配气相位进行分析，希望对今后的研发方向起到一定的参考价值。

3  发动机压缩辅助制动

汽车的发动机辅助制动装置主要用于汽车减速，其发展历史悠久，从排气蝶阀制动发展到泄气式制动，直至到目前应用最为广泛的压缩释放制动。发动机制动性能在结构创新与技术发展形势下也在不断的优化。由于它体积比较小，不需要改动车辆整体结构，并且我国对重型载重车辆载重的限制和处罚力度一直在加大，发动机辅助制动特别是压缩释放制动的优势在激烈的市场竞争中崭露头角，成为了汽车标配。

3.1 汽车发动机压缩辅助制动工作原理分析

四冲程发动机工作过程包括了进气、压缩、做功、排气四个过程，发动机压缩制动是指活塞即将到压缩上止点时，排气门打开，气缸内的高温高压气体排出，然后将排气门快速关闭，在做功冲程活塞向下运动过程中，气缸内产生一定负压，同时会消耗掉一部分机械能，为防止负压过大，在做功冲程活塞到达下止点之前用打开排气门的方式进行压力平衡，以防止机油消耗过大。发动机压缩释放装置最早发明于康明斯公司。

3.2 汽车发动机压缩辅助制动性能模拟仿真实验

利用发动机数值仿真软件GT-Power建立该柴油机的仿真模型。

输入相关参数如表1所示，进行仿真模拟分析，发动机压缩辅助制动配气机构相位。

针对汽车发动机压缩辅助制动工作过程分析，基于辅助制动参数，即发动机转速与排气门开度等运行计算，以得出结果。

汽车发动机压缩制动时不同曲轴转角下的气缸压力具体如表2所示。

由表中统计数据可知，发动机转速的变化与气缸内的压力呈函数递增，气流惯性和脉动作用转速越高，气缸压力峰值越接近压缩TDC。压缩BTDC，排气门启动，气缸内高压气体快速排出，气缸压力快速下降;因为流通运动特点，发动机转速越高，单位时间内排出的空气量就越少，在排气门开度越大时，缸压就越小，因为排气门开度越大，压缩上止点周围穿过排气门所排出的空气量就越多，可压缩的空气量则会对应减少。

汽车发动机压缩制动时不同转速下的制动扭矩具体如表3所示。

由表中统计数据可知，在车辆下坡车速升高时反拖发动机转速增加时，发动机做功的频率增加，发动机制动扭矩增加，协助制动系统，使车速在安全车速范围内行驶，不同转速对应不同的最佳排气门开度，转速与最佳气门开度呈函数递增。

综述，利用汽车发动机压缩辅助制动，在转速增大时，气缸压力变大，压力峰值接近压缩上止点。随着转速增大，制动扭矩随之变大，压缩辅助制动时制动扭矩最大化。在发动机转速不变时，压缩辅助制动具备相应的最佳排气门开度值，且转速越大，排气门开度最佳值越高，制动扭矩越高。

该项目的研究配气相位与发动机辅助制动匹配的规律，在整个过程中能对发动机可变配气配气相位图与发动机辅助制动相位图进行匹配，使车辆既能满足节能减排又保障了行车制动安全;特别是商用车长时间在不同载荷、坡度、坡长行车制动的可靠性即频繁使用制动器而造成其过热与磨损甚至失效，使车辆使用更加安全可靠，减少并避免因制动器制动力失效而引起的交通事故，保证行车的安全，提升了人们的安全感和幸福感。

总之，随着新的排放法规和车辆使用安全要求，发动机可变配气相位及发动机压缩辅助制动会应用更加广泛，同时对于汽车后市场技术人员而言，解决可变配气相位及发动机压缩辅助制动故障时就要注意，如更换传统与可变配气相位正时皮带机凸轮轴时不能按照传统的维修手段维修思路进行，要根据相位图选择最佳的配件，这样才不会发生解决不了旧问题而引起新问题;调整发动机压缩辅助制动气门间隙不能按照双排不进的思路进行。

参考文献：

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