（动力机械及工程专业论文）发动机辅助制动模拟研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文在前人研究的基础上，对发动机辅助制动、排气辅助制动、 减压制动等几种常见的发动机辅助制动的工作原理及工作过程进行 了深入的研究和分析。通过试验与模拟计算相结合的研究方式对以上 几种辅助制动的制动能力进行了研究，讨论了在不影响发动机正常工 作的前提下提高制动功率的主要手段。 研究中选用一台单缸柴油机作为研究对象，试验以电力测功机倒 拖发动机并用高速数据采集系统记录发动机在发动机制动、排气制动 及减压制动工作过程中不同转速下气缸内压力随曲轴转角变化。根据 前人研究中提出的“平均制动压力 、“制动比 、和“制动系数 等 参数来评价发动机辅助制动的制动效能。 根据发动机辅助制动器工作时缸内的特点，结合相关资料建立数 学模型，并应用m a t l a b 软件编程计算，求解得到气缸压力随曲轴 转角变化的p v 图。将模拟结果与试验结果比较，二者的变化趋势基 本相同。 以上几种发动机辅助制动的气缸压力都随转速的升高而增大，且 峰值越靠近上止点。发动机制动的制动功主要来源于发动机的摩擦损 失、泵气损失以及散热损失等不可逆损失，因此制动功率较小，制动 功的增加主要依赖于发动机转速的提高。 排气制动是在发动机制动的基础上通过增大排气背压进而提高 了制动能力，制动能力主要受到发动机转速和排气背压的影响，发动 江苏大学硕士学位论文 机转速越高，排气背压越大，排气制动的制动功率越大。另外，本文 在前人研究的基础上，对排气门的二次开启作了进一步的研究。 减压制动通过对发动机正常工作过程的影响，在压缩上止点前打 开减压气门，排出气缸内的高温高压气体，这样膨胀冲程开始时气缸 内的压力较低，对外做功很少，提高了发动机的制动能力。减压制动 的制动功率主要受到发动机转速和减压气门运行参数( 包括减压气门 的最大开度和减压气门的开启提前角) 的影响，不同转速下均对应一 个减压气门开启提前角使减压制动的制动功率达到最大。研究表明， 减压制动是制动效果最好的发动机辅助制动。 关键词：辅助制动，发动机制动，排气制动，减压制动，气缸压力 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e w o r k i n gp r i n c i p l e sa n dp r o g r e s s e so fe n g i n eb r a k e ，e x h a u s tb r a k e a n db l e e d i n gb r a k ea r ea n a l y z e da n ds t u d i e d t h ep o w e ro ft h e s ea u x i l i a r y b r a k e si se v a l u a t e dt h r o u g hb o t he x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nm e t h o d st o d i s c u s st h ef a c t o r sw h i c hc a ni m p r o v et h eb r a k ep o w e rw i t h o u td i s t u r b i n g n o r m a lw o r k i n gp r o g r e s so ft h ee n g i n e a s i n g l ee n g i n e i sc h o s e na st h e r e s e a r c h i n ga n de x p e r i m e n t a l o b j e c t u s i n ge l e c t r o n i cd y n a m o m e t e rt od r i v et h ee n g i n ea n dh i g hs p e e d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt or e c o r dt h e c y l i n d e rp r e s s u r eo ft h ee n g i n e w o r k i n gu n d e rt h ea u x i l i a r yb r a k ec o n d i t i o n t h ep e r f o r m a n c e so ft h e e n g i n ea u x i l i a r yb r a k ea r ee v a l u a t e dt h r o u g ht h ep a r a m e t e r s ，g i v e nb yt h e p r e v i o u s ，s u c ha s “m e a na v e r a g eb r a k ep r e s s u r e ”， b r a k er a t i o a n d “b r a k ec o e f f i c i e n t m a t h e m a t i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e d ，o nt h eb a s eo f r e f e r e n c em a t e r i a l s ，a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r o g r e s so ft h e e n g i n e w o r k i n ga ta u x i l i a r yc o n d i t i o n s ，b y d i a g r a m sa td i f f e r e n ts p e e d sa r eg o t t h em a t l a b s o f t w a r e t h e nt h ep - v t h ec y l i n d e rp r e s s u r e so fa l lt h e s ea u x i l i a r yi n c r e a s ew i t hs p e e da n d t h ep e a kp r e s s u r ep h a s ei sm o r en e a rt h et d cu n d e rt h e h i g hs p e e d c o n d i t i o n s t h eb r a k ep o w e ri sm a d eo fl o s s e ss u c ha sh e a tr e l e a s e ，p u m p l o s s ，f r i c t i o nl o s s s ot h eb r a k ep o w e ro ft h e s eb r a k e si sl o wa n dp r i m a r i l y d e p e n d s o nt h ee n g i n es p e e d 江苏大学硕士学位论文 t h ep o w e ro fe x h a u s tb r a k ei s i m p r o v e dt h r o u g ht h e i n c r e a s e d e x h a u s tp r e s s u r e t h eb r a k ep o w e rd e p e n d so nb o t he n g i n es p e e da n d e x h a u s tp r e s s u r e t h eh i g h e rt h es p e e da n dt h ee x h a u s tp r e s s u r ei s ，t h e m o r et h eb r a k ep o w e ri s t h es e c o n d a r yo p e n i n go ft h ee x h a u s tv a l v ei s s t u d i e db a s e do nt h ep r e v i o u sr e s u l t s t h ed e c o m p r e s s u r eb r a k eo p e n st h eb l e e d i n gv a l v eb e f o r et d ca t t h e c o m p r e s s i o ns t r o k e t h eh i g ht e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r eg a s i s e x h a u s t e ds ot h ec y l i n d e rp r e s s u r ei sl o wa tt h eb e g i n n i n go ft h ep o w e r s t r o k e t h e r ei sl e s sp o w e rr e t u r n e dt ot h ep i s t o na tt h ep o w e rs t r o k es ot h e b r a k ea b i l i t yi si m p r o v e d t h ep o w e ro fd e - c o m p r e s s u r eb r a k ed e p e n d so n b o t he n g i n es p e e da n dp a r a m e t e r so fb l e e d i n gv a l v e ( i n c l u d i n gt h e m a x i m u m b l e e d i n gv a l v eo p e n i n ga n dt h eb l e e d i n gv a l v ea n g l e ) t h e r ei s o n eo p t i c a lb l e e d i n gv a l v ea n g l ew i t ht h es p e e dw h i c hh a st h em a x i m u m b r a k ep o w e r k e y w o r d s ：e n g i n ea u x i l i a r yb r a k e ，e n g i n eb r a k e e x h a u s t b r a k e ，d e c o m p r e s s u r eb r a k e ，c y l i n d e rp r e s s u r e i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密区7 学位论文作者签名： 触7 年 | 膨 卜炉 日 孥 月 铱多 签 年 i v r， 狮7 导指 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 ； 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：如m 垆钿 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着汽车技术的发展和道路条件的改善，现代汽车的车速越来越高，功率越 来越大，汽车的载重能力即汽车质量也有了很大的增加，而汽车运行时的阻力以 及车辆内部的摩擦损失越来越小，这就意味着车辆自身的减速能力降低。另一方 面，随着汽车持有量的急剧增加，道路行车密度日益增大，导致交通事故不断发 生，已引起了公众对道路交通安全的密切关注。这些因素对汽车制动装置提出了 更加苛刻的要求。对整车质量较大的商用汽车而言，虽然a b s 、e b s 等先进技 术的采用大大提高了制动系统的可靠性，但制动器的温度过高和制动片的磨损仍 然是困扰其制动系统的两大问题【1 ，前者严重影响了制动效能，同时加速了制 动器磨损，后者带来了使用成本的增加。尤其是频繁制动的城市公交大客车和长 年行驶在山区的载货汽车、长途大型客车，普遍存在制动器摩擦片使用寿命短， 由于车轮轮毂发烫产生的热衰退致使制动性能下降，以及轮胎易分层造成早期爆 裂的弊病，严重者有时甚至危及乘客和财产的安全【3 】。因此，为了保证现代高速 重载大功率车辆的制动安全性能，在大型商用车上增加辅助制动装置已是不可或 缺并成为一种发展趋势。 重型汽车的制动系一般由行车制动、驻车制动、辅助制动以及挂车制动等构 成，以适应多变的道路条件和满足不同的制动性能要求。行车制动不是为连续不 断的制动而设计的。实际行车经验表明，在大坡度，长路段上高频度使用行车制 动，会使车轮制动器过载而制动效能衰退，如果不及时采取应急措施( 停车冷却) ， 甚至会导致完全制动失效而发生危险车况。因此，针对特殊的道路条件采用无衰 退性的辅助制动装置十分必要。汽车持续制动系统是主制动系统和驻车制动系统 之外的一个重要制动系统，它的作用是其他制动系统不可替代的。特别是在山区 道路上行驶时，汽车制动系统的热负荷非常大，而制动系统的容量与整车质量相 比比较小，无法及时将汽车动能转化成热能释放给周围环境，使制动毂和制动蹄 片的温度大幅度升高，当温度过高时，制动器将失去或部分失去制动效能，结果 使得在连续下长坡道路上交通事故发生的频率高于其他道路。这个问题在国外已 经得到充分重视。在国内，长期以来靠驾驶员经常给轮毂浇水，实施强行冷却来 满足汽车连续下坡时的制动要求，这种方法一方面可靠性不高，另一方面降低运 江苏大学硕士学位论文 输效率，同时在冬季行驶时也直接影响到后续车辆的安全性。为改善运输条件， 在汽车上应加装持续制动装置。 辅助制动装置的作用就是使汽车在不使用或少使用行车制动器的情况下，使汽 车速度降低或保持某一速度，但不能将车辆紧急迫停，这种作用称为缓速作用，辅 助制动装置中用以产生制动力矩对车辆起缓速作用的部件称为缓速器f 2 】。缓速器作 为车辆的辅助制动部件( 又称第三制动系统) ，通过作用于原车的传动系统而减轻 原车系统的负荷，使车辆均匀减速，以提高车辆制动系统的可靠性，延长制动系统 的使用寿命，并能因此大幅降低车辆使用成本。 1 1 车用缓速器的种类和作用概述 缓速器是一种辅助制动器，不同于a b s ，a b s 本身不参与制动而只是一个 控制系统，而缓速器则是一个辅助制动器，在不使用行车制动器的情况下，能使 车辆行驶速度平稳的降下来。汽车上装上缓速器后能明显降低制动毂温度，提高 制动蹄片寿命，并始终使蹄片的摩擦系数处于较大值状态，避免了热衰退现象， 使行车的安全性和车辆的可控制性得以提高，这一点可以从图1 2 中装与未装缓 速器的部分性能对比中得到清楚的反映。 图1 2 装与未装缓速器的部分制动性能比较【1 1 f i 9 1 1t h eb r a k ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fw i t ha n dw i t h o u tt h er e t a r d e r 由于缓速器的安装特点，它始终与驱动轮结合，预防车辆超速，能让驾驶员 2 i 4 3 2 j 。； 乱 便 n o 江苏大学硕士学位论文 更从容的控制车速，缓速器更能有效地在持续减速过程中发挥持续效力。并能在 万一主制动器失灵的情况下也能有效、可靠的保证车辆的减速。在正常行驶情况 下，由于大部分是以减缓速度为目的，所以缓速器能代替8 5 的制动动作，从而 使蹄片的寿命延长4 8 倍( 城市车辆尤为明显) 1 3 】。 鉴于上优点，国外汽车已普遍使用缓速器。有些国家如法国，在二十世纪 7 0 年代，就以立法形式要求重量超过8 t 的车辆、经常在路况较差的道路上行驶 的车辆、装载易燃易爆物品的车辆等都必须安装缓速器f 4 ，5 l 。十世纪8 0 年代，欧 共体也出台相关法规，对缓速器的使用作了明确规定。目前国际上使用较多的缓 速器有：法国的泰尔马、德国的克罗夫特及其在世界各地的分厂的产品。国内目 前也由深圳特尔佳运输科技有限公司等厂家自主开发了缓速器产品。应用缓速器 后，以下情况得到改善【6 ，。7 】装缓速器后轮毂温度大有改善，原先轮胎高温皲裂， 爆胎现象几乎一去不复返；制动毂磨损大大降低，摩擦片更换次数明显减少；轮 胎使用寿命得到延长。 与行车制动相比，作用于传动系的电磁缓速器、液力缓速器以及作用于发动 机的排气缓速器、减压缓速器等虽然在短时间内吸收的制动功率比较小，但它可 以在很长时间内将这一制动功率保持不变。缓速器的这种特性满足车辆持续下坡 时以及市内公共汽车频繁停车进行不同强度制动等情况下的持续制动需求。在这 些情况下，虽然需要的制动功率与紧急制动相比较小，但是在整个过程中都需要 这样大的持续制动功率。 目i j ，技术上成熟，常用于车辆上的辅助制动系统f 8 9 , 1 0 l 主要有发动机辅助制动、 液压缓速、电涡流缓速、空气动力缓速、牵引电机缓速等。其中前三种用得较多。 发动机制动主要包括排气制动( e x h a u s tb r a k e ) 、泄漏制动( b l e e d e rc y c l eb r a k e ) 和发动机联合缓速制动( c o m p r e s s r e l e a s eb r a k e ) ，前两者主要用在小型发动机上， 而发动机缓速器制动则主要用在大排量发动机上。从安装位置以及作用方式来看， 电涡流、液力缓速器都是通过对中间传动系统施加反方向的制动力矩来达到减速制 动的效果。这种缓速器虽然可以产生较大的制动功率，性能较好，但是成本高，尺 寸较大，特别是在短轴距的车辆上安装易产生安装问题，目前主要装备在豪华客车 上。发动机制动利用自身的机械摩擦等功率损失，使得当发动机被拖动运转时具有 一定的制动能力，但是制动效果很不明显。发动机排气缓速器通过在排气管中安装 制动阀，增加发动机的排气背压，从而增加了制动扭矩的大小，并由于结构简单、 安装方便、价格低廉等优点得到广泛应用。发动机减压缓速器通过调整发动机工作 3 江苏大学硕士学位论丈 过剃使输劬山的发动机，叟成消耗功率的i 剞j 、绑机，从m j j 步增强了制功效 粜。使| j 发动机减脏缓述 ： 州，“r 以 到比发动机输 j l 甜更人的制劬能力，这利； 缓逑器l r d - i f ，j i ：l 越来越多的i f 场份额。山r 再持续制动皱胃单独作j j 时存和定的 缺陷，所以采川发作动帆制动、扑气制功1o 缓行器联合作州的持续删础打，足比较 合理的方案。 发动机辅助制动系统( 1 划12 ) 具打质量轻、结构紧凑、成本低锋系列优 。利用发动机参与汽4 二的制础i ：作可咀存汽车制动时保持发_ ! ；| j 机温度较高，从 而避免了发动机过玲，使发动机的冷态年热态变化减小，从而减小了热心力。 方面发动机辅助制动器工作时，发动机的温度降低较小，即涧卅汕温度、粘 度等变化较小，从而消| 5 ：r 山r 冷态叫润滑油的润滑效果较差j “m 的j f 损。 图1 2 发动机辅助制动器外形图 f i g l1 t h e w h o ) es h a p e o f e n g i n ea u x i l i a r yb r a k e 常_ | = i j 缓速器的特j 囊足韦恸时间k 、频术高，制动性能稳定，安伞- t 韶，明显 减少了行1 制动器的他用次数，- 口提高乘员舒适感。 i _ i 足这砦常j j 的缓速器订制 动时均 止乍辆的功能，盘成热能消耗掉，这部分能镶小yl , i l 收。带有制动能景一生 系统的缓谜器n ：车辆制动或减速时”r 以将1 ：辆的动能储存起束，用j 。帮助乍辆冉 次启动或加速。 我田公路大部分为3 q 级一hf 行多为竹车道，道路r t , l , i i 头曲线比较多，、 径 比较小。通过调研及分桥得到汽乍存t l l 区道路上连续f 坡行驶的午速基奉存3 0 - - 4 0 k 蛐之n i ，在汽牟卜心用辅助制动技术的理论和打浊，以提高汽车的制动t e 能 江苏大学硕士学位论文 和安全行驶性能，改善制动效果，是提高汽车平均行驶车速的重要安全保证。 随着国内客车技术的发展和道路条件的改善，客车行驶速度不断提高，要求客 车的比功率不断增加，而它对发动机制动和排气制动的应用起到了积极的作用。但 是，发动机制动的制动功率有限，且随变速器档位的增加制动扭矩大幅度减小【1 2 1 ， 难于满足车辆在上述速度范围内连续下坡行驶时的持续制动要求。因此，在国外辅 助制动系统作为与主制动系统相互独立的制动系统已经得到充分的重视，并以法律 法规的形式严格要求。近年来，随着汽车工业技术的进步，汽车发动机功率逐年增 加，国内商用汽车重型化、高档化的趋势越来越明显，各种缓速器的应用在国内汽 车行业也日益受到重视，1 9 9 7 年公布执行的a 厂r 1 6 2 2 0 0 2 城市客车分等级技术要 求与配置也规定超二级、超一级、高级的市区和城郊城市客车规定必须装备缓速 器【1 0 l 。2 0 0 2 年6 月1 年交通部颁布实施的交通行业标准营运客车类型划分及等 级评定，其中规定中型客车中高二级和大型客车中高一级、高二级、高三级客车 都必须安装缓速器1 4 5 1 。随着国内外对汽车行驶安全性的重视，辅助制动装置将在 我国的大、中型客车、货车上得到广泛应用，有着广阔的产业化前景。对发动机的 制动技术进行研究，有助于对发动机制动能力的进一步利用，开发具有自主知识产 权的发动机辅助制动器，增强产品竞争力，对国民经济建设也具有十分重要的意义。 1 2 汽车缓速器的发展历程 1 8 5 5 年，法国物理学家l e o n f o u c a u i t 先生发现了电涡流现象。1 9 0 3 年， 法国工程师s t e c k e l 先生申报了世界上第一个电涡流缓速器专利。从2 0 世纪3 0 年代开始，欧洲一些厂商对山区和事故多发地区行驶的商用车使用缓速器的必要 性已比较重视。但直到1 9 3 6 年，法国j o u r d a i nm o n n e r e t 公司才根据法 国工程师r a o u ls a r a z i n 的另一项电涡流缓速器专利生产了世界上第一台电涡流 缓速器。由于第二次世界大战的原因，缓速器的研发和应用被迫停止。战后，法 国t e l m a 公司正式购买了r a o u ls a r a z i n 的电涡流缓速器专利并开始大批量生产 电涡流缓速器。并且先后推出了装在传动轴上的a 系列缓速器和装在变速箱和 后桥上的f 系列缓速器，使缓速器不仅通过对汽车行驶的安全可靠性，也通过减 少汽车刹车蹄块和轮毂的磨损及维修费用的降低所展示的经济性，从而得到汽车 厂家和汽车用户的接受、认可和欢迎。而j o u r d a i nm o n n e r e t 公司因专利 侵权行为受到司法判决于1 9 5 1 年停止生产缓速器。与此同时，在欧美国家，其 5 江苏大学硕士学位论文 他形式的汽车辅助制动装置如发动机缓速器和液力缓速器也相继问世并得到发 展和应用。 汽车发动机制动和排气缓速器的研究历史比较长。发动机作为动力输出设 备，运转时要克服自身内部的机械摩擦损失等，当停止发动机供油时，依靠车辆 的运动带动发动机运转，此时发动机消耗车辆的动力，对车辆起到减速作用。但 是这种发动机的制动能力非常有限，因此人们不断通过对发动机被拖动工作过程 的研究，采用多种方法影响或改变发动机这一工作过程以提高发动机作为制动器 工作时的效率。 发动机排气缓速器最早出现在第一次世界大战的阿尔卑斯山区，当发动机在 被拖动过程中将排气门始终打开某一较小开度时，也可以使制动能力得到一定提 高，称为发动机泄漏缓速器。1 9 世纪5 0 年代，康明斯公司创始人c l e s s i e l c u m m i n s 等人对发动机工作过程进行调整，发明了发动机减压缓速器。 1 9 5 9 年8 月，第一批装备了发动机减压缓速器的汽车出现在市场上，随后 陆续丌发了各种型号的发动机减压缓速器以批配不同品牌的发动机。经过4 0 余 年不断开发以及在各种品牌发动机和车辆上的使用，大量的实际使用结果表明发 动机减压缓速器在技术上是可行的，并且完全能够满足车辆辅助制动的要求，既 保证了车辆制动的安全性能，提高了平均行驶速度，也实现了较好的运输经济效 益。 发动机排气缓速器最初出现在美国，目前己在北美占据市场主导地位，近年 来逐渐进入亚洲和欧中市场，并由于其结构简单、紧凑、安装方便和成本低廉等 一系列优点得到广泛的应用，目前几乎所有的重型载货汽车和大型客车上都装有 或可以选装发动机排气缓速器。 发动机减压缓速器主要由美国皆可博( j a c o b ) 公司生产，其产品已经形成 多个系列与不同品牌和型号的发动机相匹配。十九世纪八、九十年代，德围的曼 ( m a n ) 公司和梅塞德斯一奔驰( m e r c e d e s b e n z ) 公司、日本的( n i s s a n ) 公 司也开发了自己发动机的辅助制动系统。 国内对于发动机排气缓速器的研究始于八十年代，目前发动机排气缓速器在 国内的应用也已经相当普遍，各种国产的重型载货汽车或大中型客车都装配或可 以选装发动机排气缓速器。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 课题的意义及主要内容 1 3 1 课题的意义 现代汽车技术的发展，车速越来越高，质量越来越大，仅依靠对原有车辆制 动系统的改进远远不能满足汽车安全行驶的要求。为了提高交通道路安全，目前 许多国家都以立法形式将辅助制动装置作为载重货车和大中型客车的必备系统。 随着国内对汽车行驶安全性的重视，辅助制动装置在我国的大中型客车和载重货 车上开始广泛的应用。发动机辅助制动器以其成本低廉和工作稳定等优势一直在 辅助器市场上占有较大的市场份额，而国内对于发动机制动技术的应用还停留在 制动能力较低的发动机排气缓速器水平，对于发动机减压缓速器等高性能的发动 机缓速器的研制、生产和应用还处于起步阶段。尤其是对于具体辅助制动的过程 建模，国外虽然早有此方面的研究，但是这些研究多半对我国实施技术保密，而 国内对模型虽有一定研究，但是多停留在排气制动方面，对于减压制动的研究比 较少。另外，对于排气制动过程中出现的排气门二次开启现象也没有具体深入地 研究。 本文的研究目的就是在国内外相关资料的基础上，采用试验和模拟分析相结 合的方法，分析了几种常用的发动机辅助制动器的工作过程及其制动功率的影响 因素。对发动机制动进行更为深入的理论研究，根据发动机缓速器对于车辆制动 性能的影响，分析并总结出在不影响发动机正常工作过程的基础上提高发动机制 动效能的方法和措施。为今后发动机缓速器的研究工作提供理论参考依据，并为 今后国内开发出具有自主知识产权，性能优良，可靠性高的发动机缓速器提供一 定的理论指导作用。 1 3 2 课题的主要内容： 介绍发动机辅助制动在车辆行驶过程中所起的作用，详细阐述了发动机制 动、发动机减压制动、发动机排气制动和泄漏制动的工作原理； 通过试验的方法，测量试验用发动机在不同制动工作过程的工作压力、制动 功率和转矩，作为发动机辅助制动研究的试验基础； 根据试验用单缸机在发动机制动、发动机排气制动及发动机减压制动的工作 情况的具体工作过程建立数学模型，选用m a t l a b 软件对数学模型编程求解， 7 江苏大学硕士学位论文 计算出不同工况下的缸内压力、制动功率、制动扭矩等相关参数； 将模拟数值与试验数据进行比较，分析影响发动机辅助制动能力的各种主要 因素，在不影响发动机正常工况下使得发动机辅助制动器达到最大的制动功率。 1 4 本章小结 本章介绍了在行车系统中采用辅助制动设备的必要性，辅助制动系统的分类 及国内外的研究发展状况，对发动机辅助制动设备的种类和优点进行了主要的介 绍，指出发动机辅助制动设备的良好应用前景和市场潜力。对于本文的工作内容、 研究目的和意义作了简要的介绍。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章发动机辅助制动技术及工作原理 发动机辅助制动装置的作用是在不使用或少使用行车制动器的情况下，利用发 动机被倒拖运转时的功率损失作为制动功率，使车辆行驶速度下降或保持稳定，减缓 车辆行驶速度，增强车辆的行驶安全性，有延长制动系统寿命的功效。但由于发动 机制动产生的制动力矩较小，因此人们通过各种方法影响发动机的拖动工作过程， 以使得在不影响发动机正常工作的情况下增加发动机的制动效能。本章将介绍几种 常用发动机辅助制动技术，包括发动机制动、发动机排气制动、发动机泄漏制动和 发动机减压制动，研究它们的结构形式以及工作原理。 2 1 发动机制动 发动机制动是一种最简单的制动形式，它是利用发动机断油后，由汽车高速行 驶的惯性来倒拖发动机，这时作为动力源的发动机变成了消耗汽车动能的空气压缩 机，使得车速逐渐降低起到缓速的作用【1 3 1 。倒拖发动机消耗的汽车动能主要用于发 动机本身的机械摩擦损失，泵气损失，压缩气体不可逆损失，传动损失，以及驱动 发动机附属机构的功率损失【1 4 1 ( 如：喷油泵，风扇，发电机，空气压缩机等) 。发 动机在正常工作的过程中，这些损失越小越好，所以随着发动机技术不断的发展， 机械摩擦损失逐渐减少，因此发动机制动能力也逐渐降低。 发动机缓速器通过在发动机缸盖上安装一套特殊的机构，因此，安装发动机 缓速制动装置的缸盖和配气机构较正常发动机有所不同，一般缸盖比正常发动机 高一些，其他外形尺寸不变。 当发动机停止供油，离合器接合，变速器不在空档位置时，由高速行驶的汽 车来倒拖发动机，使本是动力源的发动机变成消耗汽车动能而起减速作用的空气 压缩机。在行驶过程中只需松开油门踏板和离合器踏板，即可进行发动机制动， 消耗车辆动能。 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 发动机排气辅助制动器 排气辅助制动器作为汽车上的辅助制动系统，它具有机构简单、成本低、工 作可靠、操纵方便、减轻发动机热疲劳从而延长发动机使用寿命、与油门联动操 纵节油效能显著、使用寿命长等优点。发动机排气缓速器通过在排气管上增设蝶 形阀或类似机构增大发动机的排气阻力，从而提高发动机的制动功率。其制动功 率通常可以达到发动机额定功率的7 0 8 0 r 1 5 , 1 6 , 1 7 1 ，行车制动使用率减少2 0 左 右，制动摩擦片的寿命可以提高卜4 倍【1 8 , 1 9 ，实际上对额定功率相同的发动机而 言，自然吸气柴油机的这一比值往往处在上限或超出上限，而装有涡流增压器的 发动机这一比值又往往处在下限，表现出制动功率不足的趋向。这是涡流增压器 在发动机起驱动作用时，可以提高发动机的充气效率，有助于发动机的驱动功率 的提高。而排气制动作用时，排气制动阀堵住了排气管，涡流增压器几乎不起作 用了。 美国j a k e 柴油发动机缓速器公司生产的j a k eb r a k e 发动机排气缓速器是 一种技术上先进和性能上可靠的发动机排气制动器。排气制动过程由一套电控液 压装置柬实施，由电能促动，并通过液压装置完成。制动装置可以安装在气缸盖 上，也可以内置在一个摇臂系统中。在离合器结合时，只要松开油门踏板，发动 机辅助制动装置就会立即启动。使用行车制动器时，发动机辅助制动装置将同样 保持其制动效果，这样在辅助制动装置和行车制动装置的组合作用下，车辆取得 最佳的制动效能。j a k eb r a k e 辅助制动装置提供的制动力矩可以满足车辆总制 动需求的8 5 ，可以明显减少行车制动器的磨损和过热，不仅大幅度提高车辆的 安全性，还可以节省行车制动器的保养次数和维修成本，并且减少了因此导致的 停运时间；帮助驾驶员安全地提高平均车速，从而节省旅途时间，并且可与车辆 的所有其它功能相匹配；成本低廉，维修简便( 通常在发动机维修时调试即可) 。 j a k eb r a k e 辅助制动装置的成本大约为1 0 0 0 美元，不算很高。 2 2 1 排气辅助制动器的结构 发动机排气辅助制动器通常包括气缸、摇臂机构、蝶形阀、排气管以及相应的 控制电路、控制元件等，如图2 2 所示。气缸是通过压缩空气的流入和流出驱动活 1 0 江苏大学硕士学位论五 班剌1 1 l 线运动，从而通过活球朴摇臂机构榨制蝶膨阀的j i | | 转 平芙例：蝶形 r q j | 立过 i 绕摇忖轴线的旋转i _ 排。l 锶：削价实现对排。l 管路的丌船和天；排气辅 助m 6 助器的排气管。j 发动机 ：必转排气辅助制动器处的排气管扪连接配价，时起 芷，取作川，i _ 幽2 1 所示。 图21 排气辅助制动嚣甚成| f i 鲒1t h ea s s e m b l yo f e x h a u s tb r a k o 1 气缸2 活塞推轩3 妊臂4 蝶彤闽5 排气管 排气辅助制功器的7l 缸内部结构如h2 2 所，j 、。它j 。坚7l 缸盖l 、活球2 、。l 缸3 、活塞荆4 、内弹簧5 、外弹簧6 等组成。排，c f 削动缸女装扯进2l 竹+ j 。，它通i = ： 儿连接剃柬拧制排7 滞0 动蛾彤心的丌天。当j l 、缩宅。从储气倚通过l u 磁闽 i 给到排 ，潞0 动缸j 再活摩2 被u ：缩窄气推动，活摩打4 4 活塞2起克服外掸簧6 、内弹 赞5 的m 【力带功 强4起沿气缸轴向运动，扣鲁再褒十：的推动作j i jr ，摇臂 1 1 绕摇 僻轴旋转，一特动蝶彤阀旋转刮关闭位置，此时蝶形蒯的、1 1o 排气管的轴线艰m 发d j 机的= | = 7l 竹蹄被康，排7 洲i 助制动 i 处r 竹状态。”1 排气辅助制动器停l f ： l ：作川，4 t 缸内址缔空。l 的。c 游被训断，活枣牛t 和 维n 外弹货6 和山弹簧5 f j 作 川f ，活塞2 和活摩朴4 恢复4 坛米的f 讧置。“1 活褒川到起始化开时蝶形阀的、f 而t 计i 管的轴线、r 行。 江苏大学硕士学位论文 图2 2 排气制动气缸结构图1 1 8 】 f 逸2 2t h ec o n f i g u r a t i o no fe x h a u s tm a s t e rc y l i n d e r 1 气缸盖2 活塞3 气缸体4 活塞杆5 内弹簧6 外弹簧 2 2 2 排气辅助制动器的工作原理 发动机排气辅助制动器是在发动机制动的基础上发展起来的，通常是在排气歧 管与消卢器之间增设一个蝶形阀或类似机构，当阀片处在张丌位置时排气辅助制动 器不起作用如图2 3 ( a ) 所示，并不影响发动机正常工作；当发动机排气辅助制动器 起作用时，排气制动蝶形阀门将发动机排气管关闭如图2 3 ( b ) 所示，同时断油机 构强制性切断发动机的供油，排气管中压力可升高至2 9 4 3 9 2 k p a ，由于发动机活塞 在排气行程中必须克服此压力，因而大大增加了发动机的制动功1 2 l 】。排气行程时， 发动机曲轴强制进行旋转运动，在压缩和排气行程时，空气在气缸内进行压缩，增 加活塞、曲轴承受的排气阻力，从而提高发动机的制动功率，并通过传动系将减速 作用传到驱动轮上，以达到使汽车降低车速的目的【2 1 一，排气制动的制动效能与发 动机产生的制动力、排量和转速成正比瞄l 。 ( a ) ( b ) 图2 3 发动机排气辅助制动蝶形阀f 2 2 1 f i 9 2 3t h eb o wv a l v eo fe n g i n ee x h a u s tb r a k e 江苏大学硕士学位论文 排气制动一般分为电控气动式和真空式两种形式。现阶段一般以电控气动式排 气制动为常见。目前国内外最常见的电控气动式排气辅助制动器工作原理如图2 4 所示，它包括控制机构，执行机构和断油机构。其中蓄电池电源1 、排气辅助制动 器制动开关2 、油门踏板丌关3 和离合器踏板开关4 控制电磁阀1 6 的通断，组成控 制机构；而排气辅助制动器的气缸1 2 、蝶形阀9 等则为执行机构；另外为了保证燃 油供给的彻底中断，还设有断油机构。电磁阀1 6 是一个电控制动气开关，平时在 ! 阀门弹簧作用下，进气口关闭，排气口开启i 使得电磁阀的制动操纵气室与大气相 通而与储气罐隔绝。通电时电流通过励磁线圈而产生磁场，相当于衔铁的阀f i l l l 被 吸开，从而关闭排气口，打开进气口，压缩空气进入操纵气室，进而流入排气制动 缸，使排气辅助制动器的蝶形阀关闭。电磁阀断电时，阀门在回位弹簧作用下回位， 关闭进气口，排气制动缸内的压缩空气通过排气口排入大气。 图2 4 排气辅助制动器工作原理示意图【1 8 1 f i 9 2 4t h es k e t c hm a po f e x h a u s tb r a k e 1 电源2 排气制动开关3 油门开关4 离合器开关5 指示灯6 油门踏板 7 璃合器踏板8 排气管9 蝶形阀1 0 消声器1 1 、1 5 摇臂1 2 排气制动缸 1 3 三通阀1 4 停油缸1 6 电磁阀1 7 储气罐 电磁阀的励磁电路受到3 个串联的开关控制，即排气制动开关、油门开关和离 合器开关，离合器开关只在离合器接合时方可闭合，不踩油门踏板，油门开关始终 闭合，在踩下油门踏板过程中，踏板自由行程尚未结束时，油门开关即应切断。只 有在这3 个开关均闭合时，电磁阀方可通电工作，排气辅助制动器起作用。 需要使用排气辅助制动器时，松开油门踏板( 油门开关闭合) ，松丌离合器踏 江苏大学硕士学位论文 板( 离合器开关闭合) ，踩下( 打开) 排气制动踏钮( 开关) ，此时排气制动指示 灯亮，电磁阀的控制电路接通，电磁阀通电丌启，储气罐中的高压空气通过电磁阀 进入排气制动缸，驱动活塞、推杆摇臂机构等，旋转蝶形阀至关闭位置，在排气管 中形成较高的排气阻力，对汽车产生制动作用。同时，高压气体进入断油机构，使 喷油泵停止向发动机供油。要解除排气辅助制动器的工作时，关闭排气制动开关或 者踩下油门踏板，断开油门开关，或者踩下离合器踏板，断开离合器开关，都可以 实现排气辅助制动器工作的停止，此时各部件在回位弹簧的作用下，回复初始状态， 工作缸内的压缩空气则经过电磁阀的排气口排入大气。 这种型式的排气制动系统独立于行车制动系。有些车的排气制动与行车制动是 联动的，即排气制动在行车制动踏板刚开始踩下时，就自动的发挥作用；而当放松 行车制动踏板，或当发动机转速降低到接近最低转速时，便解除排气制动。 从本质上讲，辅助制动装置是一种车辆减速装置，并非停车设备，要完全停 下来，仍需踩下制动踏板。使用辅助制动装置唯一的目的是在不踩制动踏板的情 况下，最大限度的控制车速，让行车制动保持冷却，在遇到意外情况时能使车速 较迅速地停下来。另外需要指出的是，有些时候不适合使用发动机辅助制动装置， 比如牵引车不带挂车运行和雨雪等低附着系数路面情况，使用发动机辅助制动可 能造成驱动轮抱死带来危险。针对这些情况，j a k eb r a k e 发动机辅助制动装置 设有质动力调整装置，可根据载荷、路面和控制车速等因素设定制动力大小。当 然，这需要一定的使用经验。 发动机排气制动使用中也有一定的注意事项： 1 紧急制动时，发动机不仅无助于产生制动效果，反而需要消耗一部分制动 力去克服发动机旋转质量的惯性力，因此紧急制动时不能使用排气制动。 2 使用发动机排气制动时，客车必须挂入某一前进档，挂入的档位越低，制 动效果越明显。 3 为保护发动机不受损坏，一般不得在发动机的标定转速下使用排气制动， 也不得过多长时间使用排气制动。 4 排气制动与喷油泵的供油装置有联动机构，排气制动时必须停止发动机的 供油。因此，联动机构必须调整适当，即当排气制动操纵机构的行程大约在3 4 时，发动机应立即停止供油，排气制动解除时，又不能妨碍燃油的正常供给。 排气制动的常见故障及排除： 1 4 江苏犬学硕士学位论之 l 咀路故障 常为排气制动，1 ：天、离含器j f ：关和力述器丌天损坏导敛接触小良，电磁蚓磁 j j 线| 毪| 断路或觚蹄，此外还有i 乜路保舱系统熔断或接触不良等。 2 。l 蹄艘障 j k 力贮气筒和l 力：# 动系统柑连，l h 从气压表j ：观察j l 、力 | ! 足什足够，u 磁 | 4l 瑚排7 t 扎足堵摩，7l 缸机戈蹄址行堵旭或黼7l 。 ： 机械战障 离合器或加速蹄板联动装置失调，咆磁阀阔芯卡滞，私啾等污物使制动删 z 幽作小刮位，限位档刨火州，气动浙寒磨损或何弹簧折断锋。 2 3 发动机泄漏辅助制动器 曲25 m a n 世q 的新型发动札辅助制动器- _ 一 f 1 9 25n e wt y d cc n g i n ca u x i l i a r yb r a k ci nm a n c n m p a n y l 润滑油道2 支柱3 调节螺钉4 单向阀5 活塞 发动机汕漏制功足利川发功i u h ( j r 缩年| | 膨胀过鼎 排7l j 女终 们 定的” 膛气体充艟扫二爪缩冲l + 。嗣i 膨胀冲籼卜j 从排气fj 外泄，减少缸山允 ! 仵膨胀冲辊时 时衍寒做功，从卅埔肌f 发动机竹$ 4 动功率。地常7 卅测制功。i 排，l 制动联台使川。 如剧2 5 为德m a n 公司新辅助制动器。这种! f | i i 助制动器魁墟过埘排l 辅助 制动器的改进，n 。摇恃系统q - 内竹润卅n i 道，”竹洲m 制z 山器的蝶形阀咒洲m 排7l 竹内产小较i 的排。l 背j f 、，此叫“1 衍靡化j 进7l j “f 。川0 ，拍内j l 、山较低， 江苏大学硕士学位论文 排气门两侧产生较大的压差，产生开度较小的排气fj - - 次开启。由于润滑油通过油 道进入活塞和摇臂之间的空隙，并被支柱和单向阀密封，使得排气门的这一开度在 接下来的压缩和膨胀行程中始终保持。 2 4 发动机减压辅助制动器 发动机减压辅助制动器在美国产的发动机上最常使用，它是目前为止制动性能 最好的发动机辅助制动器。当发动机处