【《发动机缸内制动国内外研究现状的文献综述》5600字】

发动机缸内制动国内外研究现状的文献综述发动机缸内制动是将发动机改变成消耗能量的压气机，通过做负功的方式从而消耗车辆动能[20]。发动机拖动（MotoringBrake）是最基本的制动方式，不需要增加其他的制动装置，只需要在制动时松开油门踏板和离合器踏板，发动机停止喷油，车辆传动系统在惯性作用下倒拖发动机转动，发动机不着火且由于本身质量大、存在泵气损失和机械损失[21]等原因不断消耗传动系统动能，使车辆减速。随着对制动效能的需求越来越高，研究人员开始通过各种方式改变发动机的倒拖过程，进而产生更好的制动效果。缸内制动技术在发动机拖动的基础上又发展了排气蝶阀制动、泄气式制动、压缩释放式制动、二冲程制动等多种技术更加先进、性能更加优越的缸内制动技术[22]。1.1排气蝶阀制动排气蝶阀制动是在排气过程中关闭排气管路中的蝶阀，增大排气阻力，进而提高泵气损失[23]。排气蝶阀制动（ExhaustButterflyValveBrake）的原理如图1-3所示，进气冲程，进气门开启，活塞下行，缸压降低，进气道的新鲜气体由于压差进入到缸内；压缩冲程，进气门关闭，缸内气体由于活塞上行而被压缩，活塞的运动速度减慢；膨胀冲程，进排气门都不开启，活塞下行，缸内高压气体推动活塞下行，将压缩冲程消耗的能量几乎又返回到活塞上；在排气冲程，排气门打开，活塞上行，但由于蝶阀将排气管封闭，排气道压力增大，缸内压力随之增大，阻碍活塞上行，达到增加泵气损失的效果[24]。排气蝶阀制动需要执行机构来驱动蝶阀转动，其组成及结构如图1-4所示，通常布置在排气管上[25]。需要排气蝶阀制动功能时，开启制动开关并使离合器踏板和油门踏板处于松开状态，此时工作指示灯显示车辆正在使用辅助制动功能，然后断油机构将供油油路切断；同时，执行机构控制蝶阀转动，将排气管路封闭，使排气阻力增大，从而起到缸内制动的作用。当排气蝶阀制动开关处于开启状态、离合器踏板处于松开状态、油门踏板处于松开状态三个条件不同时满足时，排气蝶阀制动功能会自动关闭，蝶阀及执行机构在弹簧的作用下恢复到原来的位置[26]。图1-3ExhaustButterflyValveBrake工作原理图1-4蝶阀执行机构排气蝶阀制动已经应用了较长时间，技术相对较为成熟，现阶段研究主要集中在对蝶阀及排气背压的控制[27]。VivekSrivastava等人ADDINNE.Ref.{B890D17D-7B86-49D1-AC5B-FC6D44B8986D}[28]在5.7L重型柴油机上应用了电控单元控制的恒压排气制动阀，采用一维热力学模拟计算对排气蝶阀制动器的性能进行了预测，与传统的固定孔式排气蝶阀制动系统进行了比较，并在此基础上，研究设计了一套控制模块，有效地增大了制动功率。SandipRajput等人[29]将恒压式排气制动控制机构应用于重型柴油机，并对蝶阀的临界背压和排气蝶阀制动的扭矩进行了计算，显著提高了制动效果。P.M.KhanADDINNE.Ref.{D1BB3DB1-B1F7-49DF-BFB2-E6C0B744B3E5}[30]等人在重型柴油机排气制动系统的控制缸上应用恒压排气制动控制机构，可以满足发动机转速变化时，背压恒定的要求，从而产生更好的排气制动性能，并通过CAE结构分析进行了验证。邓阳庆等人ADDINNE.Ref.{71AA70B0-95F7-4B8B-B2D1-72659A3335FD}[31]在排气蝶阀制动器上加装了一个限压阀，通过对部件中弹簧预紧力的设置，有效控制了排气蝶阀制动时的排气背压，提高了排气蝶阀制动系统的可靠性和低速时的制动性能。北京理工大学的林秀霞等人ADDINNE.Ref.{24E42C5E-3112-469F-9BB8-F31E66C21CC3}[32]设计开发了基于CAN总线的排气蝶阀制动控制系统，采用步进电机驱动蝶阀并通过试验研究了蝶阀转动角度对于排气背压的影响。李文辉ADDINNE.Ref.{00CCE633-AE76-46B5-834C-369C6764B4A8}[33]通过研究发现排气蝶阀制动会影响汽车状态，前驱汽车采用前轮制动的方式时，汽车是趋于稳定的，但会丧失转向能力；后驱汽车制动时，会使汽车处于不稳定的状态。1.2泄气式制动泄气式制动（BleedingBrake）是在传动系统倒拖发动机转动的过程中，让排气门除在排气冲程开启将气体排出气缸外，在其他三个冲程也有一个小幅度的开启，从而影响反拖过程，提高制动效果，其工作原理如图1-5所示。进气冲程，进气门开启，排气门开启一个小升程，活塞下行，缸内压力降低，进气道和排气道内的气体由于压差进入到缸内；压缩冲程，进气门关闭，排气门小升程不变，缸内气体由于活塞上行而被压缩，活塞的运动速度减慢，消耗曲轴动能，同时，由于排气门有一定的开度，被压缩的缸内高压气体有一部分通过排气门排入到排气道中；膨胀冲程，排气门保持原来的小升程，由于部分高压气体在压缩冲程被排到气缸外，加上活塞下行的影响，缸内压力显著降低，进一步消耗曲轴的动能；排气冲程，排气门正常开启，活塞上行，将气体排到缸外[34]。图1-5BleedingBrake工作原理目前市场上应用的泄气式制动系统主要有两种[35]：一种是如图1-6所示的被动式泄气制动系统，需要与布置在排气管路中的排气蝶阀联合作用。车辆处于制动工况时，蝶阀关闭，排气道压力升高，在压差的作用下会将处于进气冲程末期气缸的排气门打开，然后通过补偿机构补偿摇臂与制动活塞之间的间隙，使排气门在压缩及膨胀冲程仍然能够保持小升程开启；在排气冲程，排气门在凸轮的作用下开启，间隙中的液压油通过泄油孔排出，制动活塞回位，完成一个制动循环。另一种是如图1-7所示的主动式泄气制动系统，不需要安装蝶阀，通过液压系统推动气门开启，通过电磁阀控制油路通断进而控制气门的开启和关闭。图1-6被动式泄气制动系统实物图图1-7主动式泄气制动系统实物图泄气式制动虽然不如压缩释放式制动的制动效率高，但是由于其结构相对简单、制动过程中噪声小等优点，在这方面的研究也越来越多[36]。NikhilSaggam等人ADDINNE.Ref.{76F7F54B-490A-4EBE-967C-7A40C363739A}[37]通过搭建4缸柴油机GT-Power仿真模型，对比了主动泄气式、被动式泄气式以及压缩释放式三种制动方式的制动功率，如图1-8所示。罗福强等人ADDINNE.Ref.{7471513F-6707-4EF2-AB8C-76BBDED14A59}[38]对泄气式制动时的缸压和流场分布情况进行了研究，发现制动功率主要与排气门小升程有关，转速一定，排气门小升程越大，制动过程中的缸压越低，所能达到的制动功率越小。潘海杰ADDINNE.Ref.{E7DC0F35-BCF7-4AEA-BF85-6A114C4CAE1D}[39]建立了六缸增压中冷柴油机泄气式制动的三维模型，对制动的过程进行了三维模拟，并以计算结果为基础，对泄气式制动器的关键零部件进行了受力分析和制动能力试验验证。为优化泄气式制动的性能，龚金科等人ADDINNE.Ref.{6607FA3F-FAF7-4B4E-9F73-DCED7AA4BE7D}[40]研究了排气道压力、排气门升程等因素对主动泄气式制动的影响，为今后泄气式制动器的开发提供了参考数据。图1-8主动泄气式、被动泄气式、压缩释放式制动的制动功率1.3压缩释放式制动压缩释放式缸内制动技术由于制动效率高、制动效果稳定等优点[41]，是目前研究的热点，其工作原理如图1-9所示。进气冲程，进气门开启，活塞下行，缸压降低，进气道的新鲜气体由于压差进入到缸内；压缩冲程前期，进气门关闭，缸内气体由于活塞上行而被压缩，活塞的运动速度减慢，消耗曲轴的动能；压缩冲程后期，活塞运动到压缩上止点附近时，排气门开启一段小升程，缸内部分高压气体被排到气缸外；膨胀冲程，气门处于关闭状态，活塞下行，由于缸内部分高压气体在压缩冲程后期被排到排气道，使得膨胀冲程缸内气体量较少，缸内压力急剧下降，活塞运动速度进一步减慢；排气冲程，排气门正常开启，活塞上行，将气体排到缸外[42]。压缩释放式制动器需要将排气门在压缩上止点附近打开一段小升程，开启时的缸压较高，所需要的力较大，因此一般通过主从动活塞式液压机构[43]来实现。主动活塞可以有一个或多个，建立起高压，然后通过高压油推动从动活塞，从动活塞推动气门或者气门桥，从而使排气门开启[44,45]。另外，压缩释放式制动器还需要考虑安装、油道加工、线束布置等问题[46]。图1-9CompressionReleaseBrake工作原理国外对压缩释放式制动的研究已经比较深入，皆可博公司的DavidFerreira等人ADDINNE.Ref.{C70B8DAA-3E27-4174-83B2-334A0B184A76}[47]开发了一种集成有气门间隙调节机构的缸内制动系统，解决了压缩释放式制动过程中的噪音和气门冲击问题，显著改善了发动机的NVH特性。SUCIUCornel和MIHAIIoanADDINNE.Ref.{4E2CE055-098E-4D87-816B-3876753B3A85}[48]在四冲程单缸柴油机试验台上，对使用压缩释放式制动系统期间的压力和温度变化进行了测量，并绘制了制动时的P-V图和p-α图，研究了排气门在压缩上止点前不同开启时刻对缸内压力的影响。ICManolache-RusuADDINNE.Ref.{DCEF2C92-4658-4B20-AF2B-66A183BBC374}[49]建立了压缩释放式制动和排气蝶阀制动联合作用的单缸柴油机仿真模型，发现当两种缸内制动系统联合作用时，柴油机的平均制动阻力矩显著增加，制动效率明显提高，产生的最大制动功率高于发动机的额定功率。国内对压缩释放式缸内制动（CompressionReleaseBrake）的研究仍处于开发阶段，中国第一汽车股份有限公司的邓金金等人ADDINNE.Ref.{CBEBC4E3-7A73-4F99-89C5-E3B2E0419A31}[50]在CA6DM3柴油机上开发了一套具有专用制动凸轮的压缩释放式缸内制动系统，利用AVL软件进行了配气系统的动力学计算，1900r/min时的实测制动功率达到了265.3kW，并通过了制动耐久试验。王志新等人[51]以内燃机运动学和热力学理论为基础，建立了柴油机压缩释放式制动过程的数学模型，发现每个转速下都有一个减压排气门开启的最佳时间和减压排气门最佳的最大升程值，并且最大制动功率点对应的最优气门开启提前角和最优升程随转速的升高而增大。张英等人[52]在原机配备的WEVB（WeichaiExhaustValveBrake）制动器的基础上，开发了压缩释放式缸内制动系统，对配气机构、制动油路和电控系统进行了优化，并在活塞上设置了如图1-10所示的避阀坑，可以防止活塞运动到压缩上止点时与仍处在开启状态的排气门发生干涉。刘新华等人[53]对某型涡轮增压柴油机排气蝶阀制动并匹配压缩释放式制动的联合制动性能进行了研究，发现联合制动时压缩释放式制动和排气蝶阀制动二者会互相影响；提高蝶阀的开启压力虽然会提高联合制动的制动功率，但效果并不明显，低转速工况时还容易出现排气温度过高的问题，实车使用时应该通过提高转速的方式来获得较高的制动效率。国内不少发动机厂商也通过技术合作的方式在产品上配置了如图1-11所示的皆可博压缩释放式制动器，但由于受到技术保密、国内电磁阀生产技术水平等因素的限制，制动器的主要控制部件电磁阀由皆可博公司直接提供。另外，电磁阀在使用过程中也存在可靠性差，频率响应慢等问题[54]。图1-10设计有避阀坑的活塞图1-11皆可博制动器实物图1.4二冲程制动二冲程制动是在压缩释放式制动的基础上发展起来的一种制动性能更好的缸内制动技术，目前还处在研究及试验阶段[55]。二冲程制动对进排气门的开启次数以及开启相位都有严格的要求[56]，需要通过设计灵活的可变配气机构来实现。NeilFuchs等人ADDINNE.Ref.{189659E7-A9C4-48CB-B7B4-9426A2B11BE8}[57]开发了一种如图1-12所示的HPD（HighPowerDensity）二冲程制动系统，可以显著提高车辆的减速能力，平均制动功率比传统的压缩释放式器制动提高104%，特别是在转速较低时，制动功率能够达到传统压缩释放式制动器的两倍以上。Pacbrake公司的DevinBatcheller和KodyTaylor[58]设计开发了一种新型的缸内制动系统，该制动系统与排气摇臂集成在一起，并且复位机构可以减少因制动力不平衡造成的气门磨损和气门损坏。图1-12HPD制动系统WangYang等人[59]通过如图1-13所示的VMVA（VariableModeValveActuation）系统，实现了二冲程制动，显著提高了低转速时的制动性能。王鑫ADDINNE.Ref.{F73CAEAE-F09C-4C2C-8F7A-F1063DA2B48E}[60]研究了气门运动规律、涡轮增压器效率等因素对二冲程制动性能的影响，对进排气门的开启相位和气门升程进行了优化；通过仿真结果发现，二冲程制动的制动功率要明显高于其他缸内制动技术，而且还可以与排气蝶阀制动配合使用，从而达到更优的制动性能。刘国宪等人ADDINNE.Ref.{9AFF7919-AC04-4416-BA74-92058D1F5A63}[61]通过GT-Power一维仿真计算软件搭建了柴油机仿真模型，对二冲程制动的制动性能进行了研究，通过仿真计算发现：发动机转速变化时，最大制动功率点所对应的排气门开启时刻也会发生改变。图1-13VMVA系统结构示意图此外，在追求柴油机缸内制动效率的同时，还需要考虑缸内制动系统与整车的匹配性能[62,63]。StevenChristoffersen等人ADDINNE.Ref.{EC732877-29B1-4A0F-9C0E-AFEF54461477}[64]在半挂牵引车上进行了整车减速试验，通过滚动阻力测量，得到了大量可用重型卡车减速数据，并根据制造商提供的制动性能曲线，完成了实测减速数据与计算值的比较。AnnaPernestal等人ADDINNE.Ref.{1D2F6B05-EF98-470A-9299-A49F7DA8FF35}[65]基于现代卡车缸内制动系统的控制策略，开发了一个用于处理外部干预的故障排除系统，重点关注了故障诊断建模中的实际问题，并提出了一种有效的概率计算方法。RıfatKohenYanarocak等人ADDINNE.Ref.{F4DB629C-1FF0-4305-BC94-047E9F00CE04}[66]通过涡轮增压器的控制来减弱发动机制动器关闭时系统的瞬态响应，通过优化设计和试验验证，降低了配气系统和相关发动机部件发生灾难性故障的风险。MariaDruzhinina等人ADDINNE.Ref.{68AC936E-601B-4C7F-8317-C3EE353A4112}[67]设计了一种自适应控制器，可以保证在大载荷和路面坡度变化情况下，控制系统具有良好的车速跟踪性能，考虑了制动器的动态特性，重点研究了当车辆质量以及道路坡度不确定性较大时的速度跟踪问题。综上，国内对发动机缸内制动技术的研究和应用与国外还有一定的差距，且核心技术和专利大多被国外所掌握。因此，我们需要在学习和吸收国外发动机缸内制动先进经验的基础之上，对缸内制动技术的结构及原理进行进一步地研究，开发出性能更优且具有自主知识产权的先进缸内制动技术。参考文献李书远.重型商用汽车长下坡安全保障技术研究[D].长安大学,2018.JiaP.AnApproachforHeavy-DutyVehicle-LevelEngineBrakePerformanceEvaluation[J].SAEInternationalJournalofCommercialVehicles,2019,12(1):57-66.李玉霞.基于可变气门的中型柴油机缸内制动技术研究[D].湖南大学,2014.NarayanaReddyJ,RamkumarDV,YogeshGBolar,etal.TheoreticalandExperimentalEvaluationofEngineBrakePerformanceofHeavyDutyDieselEngine[J].SAETechnicalPaper,2013-01-2844,2013.靳恩勇,杜博英.长大下坡货车制动器温度模型[J].公路交通科技,2011,28(02):133-136.DanielL,GAchimas,ZeleaIT.HydrodynamicRetardedforCommercialVehicles[J].ActaTechnicaNapocensis,2016,59(3):319-324.张驰,胡涛,林宣财,等.高速公路连续长下坡路段大型货车专用缓速车道研究[J].华南理工大学学报(自然科学版),2020,48(04):104-113.中国国家标准化管理委员会.机动车运行安全技术条件[S].GB7258-2017,2017.中国国家标准化管理委员会.商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法[S].GB12676-2014,2014.ZhengH,LeiY,SongP.DesigningtheMainControllerofAuxiliaryBrakingSystemsforHeavy-DutyVehiclesinNonemergencyBrakingConditions[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartC:JournalofMechanicalEngineeringScience,2018,232(9):1605-1615.杜博英,方守恩,迟爽.货车制动在公路长大下坡安全研究中的应用[J].哈尔滨工业大学学报,2010,42(04):656-659.李琪,石永军,孙瑞,等.可辅助制动永磁变速器的设计与研究[J].机械设计,2018,35(12):36-40.YeL,LiuY,LiD.PerformanceAnalysisandOptimizationofLiquid-CooledandFlywheel-TypeEddyCurrentRetarder[J].IEEETransactionsonMagnetics,2019,55(6):1-5.董颖,赵迎生.发动机缓速器制动功率连续可调的方法及性能研究[J].机械设计与制造,2017(04):47-49.赵胤.车辆液力缓速器对整车制动稳定性影响分析[J].机械设计与制造,2016(08):145-149.邹乃威,方泳龙,王庆年,等.辅助制动对前驱车辆制动性能的影响[J].吉林大学学报(工学版),2009,39(02):291-295.卢晶.商用车辅助制动系统研究[D].吉林大学,2016.赵凯辉