排气制动对配气机构的影响

排气制动对配气机构的影响

朱玉龙

浙江和日摇臂有限公司，浙江省台州市318000

摘要：随着社会经济的发展，载货汽车的载质量越来越大，对载货汽车刹车系统的要求越来越严苛。为提高刹车系统的性能，载货汽车一般都配有排气制动系统。排气制动系统的工作原理是在车辆减速时，发动机停止喷油，通过关闭排气管内蝶阀，利用发动机泵气效应为车辆提供制动力，使车辆减速。由于发动机排气制动时排气总管背压及排气管压力急剧升高，对发动机配气机构，尤其是排气门机构会产生严重影响。配气机构的设计与排气制动系统的应用必须相互匹配，否则配气机构会发生故障，严重时可能造成配气机构损坏，导致发动机报废。

关键词：排气制动；配气机构；影响

引言

载货汽车排气制动时， 通过关闭发动机排气管内蝶阀， 提高排气管内压力来提高排气制动功率。汽车发动机配气机构从自然吸气技术发展为电控可变气门技术，此间经历了一个漫长的发展过程。早期的自然吸气依靠活塞运动实现气体交换，结构简单但效率低，后来发展出机械超压配气和凸轮轴配气机构，可以通过凸轮推动气门开启，增强对气门的控制能力。随着凸轮设计的优化，汽车发动机配气效率不断提升，采用双凸轮轴可以独立控制进排气门，灵活度更高，有利于多气门技术的应用。之后，电磁驱动技术的出现使得气门控制更加精确，开启了无凸轮高效配气的新阶段。汽车发动机配气机构的发展历程，体现了汽车制造业对高效、清洁、低排放的持续追求，推动了汽车动力技术的进步。因此，对汽车发动机配气机构进行优化，可以进一步提高发动机的输出功率、燃烧效率和排放性能。

1辅助制动系统对消防车行驶安全性的应用研究

排气制动就是将原本作为动力输出装置的发动机变为一台消耗动力的空气压缩机，排气背压增加导致发动机额外的泵气损失增加，从而消耗发动机的功，达到制动效果。排气制动一般用于装备柴油发动机的消防车。现在消防车基本装备四冲程柴油发动机，工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。脚踏方式操作方法：脚踏驾驶室底板上的排气制动按钮阀，按钮阀受力打开气体通道，压缩空气进入工作缸。工作缸活塞受压缩空气压力而移动，带动推杆，推杆带动排气制动蝶阀，蝶阀转动将排气管堵死。在按钮阀打开同时，压缩空气也进入停油气缸，停油气缸的活塞在压缩空气的作用下移动，推杆带动联动机构调速器柄，停止油料供应，实现排气制动。消防车由于满载质量较大，惯性动能较大，排气制动操作时需要根据发动机转速配合适当的挡位控制车速，以达到最高的制动效率。排气制动，一般不能用于有积雪、结冰的长下坡路面。排气制动是通过发动机作为负载，通过传动轴阻力来使车辆进行制动，在冰雪长下坡路面使用排气制动时，容易使轮胎滑动，因为此时常规制动器还未介入制动，ＡＢＳ不起作用，消防车车轮由滚动变为滑动，摩擦力降低，容易造成侧滑翻车危险。另外使用排气制动时，驾驶员一定注意发动机转速控制。在长下坡时，车辆惯性使车速逐渐增加，此时如果只使用排气制动，发动机转速也会逐渐增加，甚至超出发动机的额定转速区间，损害发动机。此时需要配合常规制动对车辆进行点刹，来稳定车速。

1.2缓速器制动

缓速器根据其工作原理的不同，可分为发动机缓速装置、液力缓速器、电涡轮缓速器、电机缓速装置和空气动力缓速装置等典型结构形式。消防车底盘因为结构设计紧凑，功能复杂，在制动效率相同的前提下，为了便于安装且降低成本，一般采用液力缓速器。

2汽车发动机配气机构基本原理

汽车发动机配气机构是引擎的重要组成部分，负责控制气门的开闭时间和顺序，以实现燃油混合物的进入和废气的排出。它的基本原理是通过凸轮轴来实现气门的开闭。凸轮轴是汽车发动机配气机构中的核心部件，由凸轮组成，并且凸轮的形状和排列方式是根据发动机设计要求来确定的。当凸轮轴随着发动机的运转而旋转时，凸轮的形状会直接影响气门的开闭过程。同时，在每个气门上，都有一个称为气门门架的部件，其通过凸轮轴上的凸轮与气门相连，当凸轮旋转时，上面的凸起将推动门架，使气门打开。一旦凸轮上的凸起离开门架，弹簧的作用力将使气门迅速关闭。为了确保气门的开闭时间和顺序与发动机的工作节奏相匹配，汽车发动机配气机构还包含凸轮轴传动装置，通常由曲轴和凸轮轴之间的齿轮传动组成，通过准确的齿轮比来保证凸轮轴与曲轴之间的同步运动。此外，汽车发动机配气机构还包括凸轮轴调节装置，如可变气门正时系统（VVT），它可以调整凸轮轴的相对位置，改变气门的开启和关闭时间，以适应不同工况下发动机的需求，提高燃烧效率和动力输出。汽车发动机配气机构通过凸轮轴和气门门架的相互作用，以及配套的传动装置，实现了对气门的精确控制，能确保燃油和废气的有效进出，为汽车发动机提供了正常运行所需的气流。同时，汽车发动机配气机构设计和调整对发动机性能和燃油经济性具有重要影响，有利于推动发动机技术的发展。

3故障诊断

3.1试验测试

由于怀疑排气制动系统为排气门“打顶”的主要原因，因此采用试验测试方法进行验证。排气门“打顶”是指排气制动系统开启时，凸轮摇臂飞脱，排气门落座不及时，与活塞发生干涉，因此决定对排气制动系统启动时的摇臂受力情况进行测试。发动机工作时，摇臂在气缸盖罩内且摇臂为运动件，采用测试摇臂应变的方法对摇臂受力进行测试分析。摇臂工作时，承受摇臂支撑力及排气门作用力，摇臂产生弯曲变形，变形最大位置为摇臂与凸轮轴接触的位置，因此在该位置布置应变贴片。摇臂弯曲变形时，摇臂轴位置近似于弯曲变形。为提高测试灵敏度，采用惠斯通全桥应变测试方法。根据惠斯通电桥电压关系，应变贴片布置原则为对边相加、邻边相减，同一侧应变贴片应变的大小相同、方向相反，应布置在相邻位置。

3.2试验结果

该测试对象为电压，通过换算将电压转化为摇臂受力。摇臂受力分为排气门有升程段及排气门无升程段（即凸轮基圆部分）２个部分。虽然摇臂应变测试的电压很小，但是在排气门无升程段，即摇臂不受力时，测试压力依然大于零，主要原因为测试时存在干扰电压。由于完全解决干扰电压比较困难，因此将排气门无升程段摇臂受力作为基准，若排气门有升程段的摇臂受力与排气门无升程段的摇臂受力接近，则认为此时摇臂受力为零，反之则认为摇臂受力不为零。

3.3辅助制动内部调用逻辑

在大致认识了如何将减速度分配给辅助制动和基础制动之后，制动系统内部评估辅助制动的允许制动扭矩后，辅助制动扭矩必须分配给不同的辅助制动，如发动机制动\排气制动\缓速器制动。首先，假如辅助制动系统可调用初级辅助制动（包括发动机制动和排气制动）和次级辅助制动（缓速器制动），因此此时一般情况下有两种调用方式可以选择：优先初级辅助制动，如果初级辅助制动提供的扭矩到最大值，则将请求次级辅助制动扭矩。优先调用次级辅助制动，如果次级辅助制动提供的扭矩到最大M次级辅助制动提供扭矩最大值，则将请求初级辅助制动扭矩。

3.4排气门载荷差异

排气门工作时，主要载荷为排气门作用力、发动机缸内压力及排气管内压力，且发动机缸内压力、排气管内压力与排气门作用力方向相反。排气门工作时，发动机缸内压力及排气管内压力均急剧变化，对排气门工作状态产生较大影响。通过分析发动机缸内压缩过程，对发动机缸内压力与排气管内压力进行详细对比。凸轮轴转角为９０°～１８０°时，排气门开启，排气制动系统关闭，排气管内压力低于发动机缸内压力，气体压力通过排气门作用，使摇臂压紧凸轮轴，配气机构工作正常，不会造成凸轮摇臂飞脱。当排气制动系统开启时，排气管内压力明显增高，在进气行程后期曲轴转角２００°～３００°附近，排气管内压力明显高于发动机缸内压力，压差造成排气门向脱离凸轮的方向运动，当压差继续升高，整个配气机构飞脱的可能性增大。

4汽车发动机配气机构仿真模型适用范围和局限性

4.1汽车发动机配气机构仿真模型适用范围

汽车发动机配气机构仿真模型是一种非常重要的工具，其适用范围广泛且具有多个方面的应用。第一，汽车发动机配气机构仿真模型在设计阶段发挥关键作用，可以模拟不同参数和几何特征的变化，评估配气机构对发动机性能的影响，比如凸轮轴上凸轮形状、气门开闭时间及进气和排气道的几何特征等。这有利于工程师优化气门控制策略，提高气缸充气效率和燃烧效率，从而改进汽车发动机设计。第二，汽车发动机配气机构仿真模型在性能评估方面具有重要作用。它能够模拟气门和活塞的运动、气缸内气流等因素，预测发动机的输出功率、燃烧效率、扭矩特性和排放性能等关键指标。通过比较不同配气方案的仿真结果，汽车工程师可以评估其优劣，为发动机性能的改进提供指导。第三，汽车发动机配气机构仿真模型还可用于系统集成和优化。它可以与其他发动机子系统的仿真模型耦合，如燃烧室、燃油系统等，从而实现对整体性能的综合评估。通过综合考虑不同子系统之间的相互影响，汽车工程师可以更好地优化发动机的整体性能和能效。

4.2汽车发动机配气机构仿真模型局限性

汽车发动机配气机构仿真模型是一种非常重要的工具，可对发动机运行状态进行预测和优化。然而，其在应用过程中也存在一定的局限性。第一，准确性问题。汽车发动机配气机构仿真模型的准确性取决于许多因素，包括模型的复杂性、使用的数学方法和假设，以及输入数据的质量。而事实上，很多情况下，汽车发动机配气机构仿真模型对发动机的复杂运动状态和内部条件的模拟并不完全准确，这就可能导致仿真结果与实际运行状态有偏差。第二，汽车发动机配气机构仿真模型的应用范围有限。汽车发动机配气机构仿真模型中存在各种假设，所以通常只能在特定的运行条件下使用。例如，当发动机在极端环境下运行，或者当发动机设计出现重大改变时，现有的汽车发动机配气机构仿真模型可能无法准确预测发动机的性能。

5优化方案

针对排气制动系统开启时，凸轮摇臂产生飞脱的情况，分析原因为排气门弹簧不能克服排气管内增大的压力，导致凸轮与摇臂接触力为零。通过增大排气门作用力可以解决该问题：弹簧作用力由２００Ｎ提升至３００Ｎ后，发动机转速为４１００ｒ／ｍｉｎ时凸轮摇臂接触力大于零，摇臂接触良好。通过提高排气门作用力，凸轮摇臂最小接触力在发动机工作转速范围内大于零，配气机构接触良好，未产生飞脱。

结语

通过试验测试，对比测试排气制动系统开启与关闭工况下的摇臂应变及受力，得到排气制动系统开启时，配气机构产生飞脱趋势，验证了装配排气制动系统为排气门“打顶”的主要原因。通过动力学仿真计算，摇臂受力在排气制动系统开启时降为零，这与试验测试结论一致。通过研究凸轮摇臂接触力的变化趋势，预测随着发动机转速升高，凸轮摇臂接触力降低；当发动机达到最高转速时，凸轮摇臂接触力降为零，凸轮与摇臂产生飞脱，进而发生排气门“打顶”。

参考文献

［１］付维舟，桑永生.排气制动结构原理与应用［Ｊ］.陕西汽车，１９９４（２）：４０⁃４３，４８.

［２］四川省建筑科学研究所，等.电阻应变测试技术［Ｍ］.北京：中国建筑工业出版社，１９８３.

［３］李玉军，杨建国.柴油机配气机构动力学仿真与分析［Ｊ］.航海工程，２００７，３６（１）：６０⁃６４.