減壓氣門運行參數(shù)對燃燒制動的性能影響＊

姚磊 朱昌吉 劉宇

（吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130000）

減壓氣門運行參數(shù)對燃燒制動的性能影響＊

姚磊 朱昌吉 劉宇

（吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130000）

利用GT-POWER軟件建立某型號天然氣發(fā)動機(jī)模型，研究減壓氣門的運行參數(shù)（減壓氣門相位、氣門升程以及氣門包角）在單因素和多因素條件下對發(fā)動機(jī)燃燒制動性能的影響。結(jié)果表明，點火時刻為上止點前130°時，在上止點前40°前燃燒基本結(jié)束；隨著氣門包角的增加，制動扭矩不斷增加；減壓氣門升程越大，制動扭矩峰值越大，但是減壓氣門的最大升程受壓縮間隙的限制。

1 前言

行車制動的穩(wěn)定性是影響行車安全的重要因素[1～3]，在商用車上增加輔助制動裝置已成為趨勢，甚至成為硬性規(guī)定[4～6]。常見的輔助制動系統(tǒng)有發(fā)動機(jī)制動、排氣制動、泄漏制動和減壓制動等[7～9]，其制動原理是依靠工作循環(huán)中的泵氣損失、摩擦損失、驅(qū)動部件損失和壓縮空氣及缸內(nèi)氣體流動損失來消耗汽車的動能[10]。

目前，國內(nèi)外對發(fā)動機(jī)燃燒制動研究非常少，發(fā)動機(jī)燃燒制動對原發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)改動較小，且響應(yīng)時間快，最重要的是輸出的制動扭矩較大，可以使得車輛穩(wěn)定在低速上安全行駛，避免制動系統(tǒng)因長時間制動而引起失效[11～12]，并解決其它輔助制動的制動能力不足的問題。

根據(jù)燃燒制動的過程和原理可知，燃燒廢氣在壓縮上止點處從缸內(nèi)排出過程的變化對發(fā)動機(jī)燃燒制動的性能影響很大[13～15]。因此，研究在壓縮上止點附近減壓氣門開啟時刻、氣門開度以及氣門包角等運行參數(shù)對缸內(nèi)壓力、排氣質(zhì)量流量和制動功率的影響的變化趨勢[16]，對提升燃燒制動性能有著重大意義。

2 仿真平臺的搭建

2.1 仿真模型

所研究發(fā)動機(jī)是基于某汽油機(jī)為基礎(chǔ)自主開發(fā)的單一燃料CNG發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)的詳細(xì)參數(shù)見表1。

系統(tǒng)由渦輪增壓中冷系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、曲軸機(jī)構(gòu)、氣缸等組成。由于燃燒制動的燃燒放熱率未知，且此研究涉及點火時刻、轉(zhuǎn)速等對燃燒的影響，故選用GT-Power軟件中的預(yù)測燃燒模型下“EngCylCombSITurb”計算模型[17～18]建立整機(jī)模型。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

2.2 模型有效性驗證

利用所建模型對原機(jī)進(jìn)行仿真計算，并將計算結(jié)果與原機(jī)的試驗參數(shù)進(jìn)行對比分析。圖1為發(fā)動機(jī)在當(dāng)量比為1、點火提前角為上止點前30°時，發(fā)動機(jī)試驗外特性功率曲線和仿真值的對比以及缸壓的試驗值和仿真值（轉(zhuǎn)速2 300 r/min）對比圖?？芍`差均在5%以內(nèi)。此外，進(jìn)氣流量、渦前渦后排溫、扭矩等均與試驗值相吻合。由此可知，仿真與試驗結(jié)果變化規(guī)律基本一致，仿真結(jié)果可靠。

圖1 試驗值和仿真值對比

3 燃燒制動工作過程及分析

3.1 工作工程

發(fā)動機(jī)燃燒制動的工作原理：將燃燒過程提前到壓縮沖程，在壓縮沖程時活塞上行，缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體阻礙活塞向上運動，燃燒制動的壓縮沖程所消耗的能量比正常工作時更大，同時在壓縮沖程終了，為了避免高壓氣體在做功沖程對活塞做正功，在壓縮沖程末端附近提前打開排氣門（此處排氣門開啟速度較快，后文用減壓氣門代替），排出缸內(nèi)高溫高壓氣體，使得做功沖程開始時缸內(nèi)的壓力較低，對外不做正功，同時盡早關(guān)閉排氣門，活塞下行時缸內(nèi)形成負(fù)壓，負(fù)壓同時對活塞做負(fù)功。從而發(fā)動機(jī)的每個沖程都盡可能多的消耗能量，達(dá)到增加制動功率的效果[19]。其工作過程示意見圖2。

圖2 發(fā)動機(jī)燃燒制動工作過程示意

由圖2可知，進(jìn)氣沖程為進(jìn)氣門打開，新鮮工質(zhì)進(jìn)入缸內(nèi)。壓縮沖程為由于進(jìn)氣門有一定的進(jìn)氣門遲閉角，所以只有進(jìn)氣門完全關(guān)閉才能開始點火，燃料燃燒產(chǎn)生大量的氣體和熱量，同時活塞上行壓縮高溫高壓的燃燒廢氣。減壓過程為當(dāng)活塞靠近上止點時，減壓裝置開始工作，快速頂開減壓氣門至最大開度，排出缸內(nèi)高溫高壓的燃燒廢氣，減壓氣門打開一段時間后迅速關(guān)閉。做功沖程中活塞下行，缸內(nèi)的負(fù)壓對活塞做負(fù)功。最后是排氣沖程[19～20]。

因此，燃燒制動和發(fā)動機(jī)正常工作的主要區(qū)別在于壓縮沖程和做功沖程。在壓縮沖程中，盡早燃燒并釋放高溫高壓的氣體，壓縮負(fù)功將會更大，同時希望在壓縮上止點處缸內(nèi)的廢氣可迅速排出。最理想的狀態(tài)是進(jìn)氣門關(guān)閉后立刻點火，同時壓縮沖程的高溫高壓氣體在壓縮上止點處瞬間排出，缸內(nèi)壓力瞬間降至最低。

由于廢氣無法瞬間完全排出，因此如何使得缸內(nèi)高溫高壓廢氣在上止點附近迅速排出成為影響燃燒制動性能的主要問題。相關(guān)運行參數(shù)主要有減壓氣門開啟的時刻、開啟的包角、開啟升程。由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，燃燒放熱率后移，壓縮過程負(fù)功減少，因此轉(zhuǎn)速也是一個重要的參數(shù)。

3.2 減壓氣門升程曲線

減壓氣門采用電磁式氣門開啟方式：減壓氣門接收到開啟信號時，瞬間開啟到最大開度，并保持在最大開度，當(dāng)減壓氣門接收到關(guān)閉信號時，迅速關(guān)閉。仿真模型中設(shè)置的減壓氣門從開啟到最大升程的時間為曲軸轉(zhuǎn)過2°所經(jīng)歷的時間。減壓氣門升程曲線見圖3。

圖3 減壓氣門升程曲線

4 運行參數(shù)的影響

4.1 燃燒過程分析

從燃燒制動的工作過程分析可知，最理想的狀態(tài)就是進(jìn)氣門關(guān)閉后迅速點火燃燒，產(chǎn)生高壓氣體阻礙壓縮沖程活塞上移，使壓縮負(fù)功增加。通過計算和理論分析都可以證明點火提前角越大，發(fā)動機(jī)燃燒制動產(chǎn)生的制動功率越大，由于原機(jī)的進(jìn)氣門遲閉角為48°，且必須在進(jìn)氣門關(guān)閉之后才能開始點火，因此選取的最大點火時刻為上止點前130°。

圖4為當(dāng)量比為1、節(jié)氣門全開、點火時刻為上止點前130°、減壓氣門開啟到關(guān)閉之間的包角為30°曲軸轉(zhuǎn)角、減壓氣門開啟時刻為上止點前7°、減壓氣門升程為4 mm條件下計算得到的不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)燃燒放熱率曲線和缸內(nèi)壓力變化曲線。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下放熱率和缸內(nèi)壓力曲線

可知，在上止點前130°處可以成功點火，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，放熱率曲線前移，且在壓縮上止點前40°處燃燒基本結(jié)束。在減壓氣門開啟之前缸內(nèi)壓力一直上升，且減壓氣門開啟后，隨著轉(zhuǎn)速的減小，單位曲軸轉(zhuǎn)角的壓力下降越大。

所以最理想的狀態(tài)就是在壓縮上止點處缸內(nèi)壓力瞬間下降至最低，但缸內(nèi)高壓廢氣無法瞬間排出，因此如何使得缸內(nèi)充量在壓縮上止點附近迅速排出是發(fā)動機(jī)燃燒制動的主要問題，與此有關(guān)的參數(shù)主要為減壓氣門運行參數(shù)（氣門包角、氣門相位、氣門升程）。其中氣門包角為減壓氣門從開啟到關(guān)閉所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

4.2 氣門包角對制動性能的影響

圖5為減壓氣門開啟時刻為上止點前角5°、氣門開度為4 mm時，不同轉(zhuǎn)速下氣門包角對制動扭矩的影響?？芍S轉(zhuǎn)速增加，各包角下產(chǎn)生的制動扭矩都會減小，這是因為130°的提前點火角，缸內(nèi)壓力較低、溫度較低，燃燒的著火落后期較長，燃燒速度慢，同時隨著轉(zhuǎn)速增加燃料的燃燒放熱率后移，所以壓縮沖程的壓縮負(fù)功減少。同時當(dāng)氣門包角較大時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，制動扭矩減小的比較緩慢，當(dāng)減壓氣門包角為40°時，制動扭矩曲線隨著轉(zhuǎn)速的增加下降的比較緩慢，最大制動扭矩和最小制動扭矩的差值接近60 N·m。當(dāng)減壓氣門包角為15°時，制動扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加下降的比較迅速，最大制動扭矩與最小制動扭矩之間差值接近180 N·m。適當(dāng)?shù)脑龃鬁p壓氣門包角有利于改善燃燒制動的性能，但并不是減壓氣門包角越大越好，當(dāng)減壓氣門過大，則在做負(fù)功沖程的氣體流動阻力系數(shù)減小，所以減壓氣門包角增大到一定程度后制動功率趨于穩(wěn)定甚至減小。同時減壓氣門包角過大也容易造成排氣回流。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下減壓氣門包角對制動扭矩的影響

4.3 減壓氣門相位對制動性能的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、減壓氣門升程為4 mm時，最佳的減壓氣門開啟時刻為上止點前5°～8°（見圖6），當(dāng)減壓氣門開啟時刻在該范圍內(nèi)時可以使得缸內(nèi)燃燒廢氣在壓縮上止點前更快、更充分的排出缸外，同時可以保證壓縮沖程的壓縮負(fù)功盡可能大。

不同減壓氣門開啟相位角時缸內(nèi)壓力曲線如圖7所示?？芍?，當(dāng)減壓氣門開啟時刻逐漸推遲時，缸內(nèi)的壓力峰值在逐漸增大，且最大峰值壓力逐漸靠近壓縮上止點，且在上止點前壓力與曲軸轉(zhuǎn)角包括的面積逐漸增大，但是在壓縮上止點前缸內(nèi)殘余很多的燃燒廢氣，使得在做功沖程開始時缸內(nèi)壓力較大，對活塞做的正功增加，所以整體制動功率下降。但從圖8可知，隨著減壓氣門開啟時刻提前，缸內(nèi)氣體在壓縮上止點前排出較多，使得壓縮沖程氣體對活塞做功減少，制動功率下降。

圖6 不同氣門包角下氣門相位對制動扭矩的影響（1 800 r/min）

圖7 不同氣門相位角時缸內(nèi)壓力曲線（1 800 r/min）

圖8 不同氣門相位角時排氣質(zhì)量流量（1 800 r/min）

減壓氣門開啟時刻與最大減壓氣門升程也有一定關(guān)系，如圖9所示?？芍?dāng)減壓氣門升程增大時，最佳氣門開啟時刻推遲。這是因為隨著開度的增加，減壓過程廢氣單位時間內(nèi)流量增加，同時推遲氣門開啟時刻可以增大壓縮負(fù)功。當(dāng)轉(zhuǎn)速和氣門升程固定時有一最佳氣門相位角，減壓氣門不能開啟的太早，這樣壓縮沖程的壓縮負(fù)功減小，但是也不能開啟的太晚，以免廢氣不能及時排出，做功沖程開始時缸內(nèi)壓力過大，殘余高壓廢氣會對活塞做正功。由于減壓氣門是在壓縮上止點附近打開，壓縮余隙較小，且氣門開啟的速度較快，所以應(yīng)盡量減小減壓氣門升程。

圖9 不同氣門升程時氣門相位角對制動扭矩的影響

4.4 氣門升程對制動性能的影響

圖10是在轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、8°氣門提前開啟角時氣門升程對燃燒制動的性能影響。可知，氣門包角的增加可以提高燃燒制動的性能，相同氣門包角下，當(dāng)氣門升程小于4 mm時，氣門升程的改變對燃燒制動的性能影響較大，當(dāng)升程大于4 mm時，氣門升程的改變對燃燒制動扭矩的影響逐漸減小。當(dāng)氣門包角較小時，氣門升程對燃燒制動扭矩的影響較大。當(dāng)氣門包角為40°時，氣門開度在4 mm和5.2 mm時產(chǎn)生的制動扭矩近似相等，且氣門開度為3 mm與5.2 mm時產(chǎn)生的制動扭矩相差不到60 N·m。而當(dāng)氣門包角為15°時，二者相差約160 N·m。

圖10 不同氣門包角下氣門升程對制動扭矩的影響

從圖11不同氣門升程時排氣質(zhì)量流量曲線可知，當(dāng)減壓氣門的包角、開啟時刻一定時，隨著氣門升程的增大，缸內(nèi)燃燒廢氣在壓縮上止點前排出量就越大。但是氣門開度也不能太大，以免造成廢氣回流。

從圖12不同氣門升程下缸內(nèi)壓力曲線可知，隨著氣門升程的變化，缸內(nèi)的最高壓力變化不大，但是壓縮上止點后，曲軸轉(zhuǎn)角從0°～150°時，隨著減壓氣門開度的增加，缸內(nèi)壓力卻逐漸減小，做功沖程的正功減小。同時當(dāng)氣門升程為4 mm時，燃燒廢氣在上止點附近排出比較徹底，當(dāng)氣門升程小于4 mm時，在壓縮上止點處燃燒廢氣不能及時被排出，做功沖程缸內(nèi)殘余廢氣量較大。

圖11 不同減壓氣門升程時排氣質(zhì)量流量

圖12 不同減壓氣門升程下缸內(nèi)壓力曲線

5 結(jié)束語

a.減壓氣門開啟時刻在上止點前5°～8°之間可以保證氣體在壓縮上止點前迅速徹底排出。且受氣門開度和轉(zhuǎn)速的影響，轉(zhuǎn)速增加，最佳開啟提前角增加，但是隨著升程的增加，最佳開啟時刻推遲。

b.由于減壓氣門開啟裝置開啟速度迅速，且壓縮上止點處缸內(nèi)容積小、壓力大等特點，最優(yōu)減壓氣門包角為30°，當(dāng)氣門包角太小時，缸內(nèi)氣體在壓縮上止點前排出的不夠徹底，當(dāng)包角太大時容易形成缸內(nèi)氣體倒流。

c.氣門開度受到壓縮余隙限制，同時為了保證缸內(nèi)氣體能及時徹底排出，最佳的氣門升程為4 mm，當(dāng)氣門升程繼續(xù)增大時制動扭矩提升不大，且容易造成廢氣回流現(xiàn)象。

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（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為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

燃燒制動 氣門包角 氣門相位 氣門升程

U464.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）08-0054-05

國家科技支撐計劃項目（2015BAG05B01）。

朱昌吉，男，教授，E-mail:zhucj@jlu.edu.cn。