文_費(fèi)孝濤 錢(qián)春貴

輕卡排氣輔助制動(dòng)連續(xù)可控系統(tǒng)研究(1例)

文_費(fèi)孝濤 錢(qián)春貴

國(guó)內(nèi)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輔助制動(dòng)裝置的排氣蝶閥控制位置只有全開(kāi)、全閉2種狀態(tài)。針對(duì)蝶閥全閉狀態(tài)造成的發(fā)動(dòng)機(jī)低速熄火和高速機(jī)件磨損加劇的缺點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)排氣輔助制動(dòng)裝置進(jìn)行優(yōu)化，使排氣蝶閥的打開(kāi)角度可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可控，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的前提下，保持最大的制動(dòng)效能。

表1 測(cè)試點(diǎn)布置位置及描述

商用車(chē)的載質(zhì)量和整備質(zhì)量都高于乘用車(chē)，長(zhǎng)距離的運(yùn)輸，尤其是山區(qū)地形的行駛，導(dǎo)致制動(dòng)器磨損加劇，長(zhǎng)距離下坡制動(dòng)還會(huì)由于制動(dòng)熱衰退性能造成制動(dòng)效能下降。

采用輔助制動(dòng)裝置是一個(gè)行之有效的解決方法。國(guó)內(nèi)外輔助制動(dòng)器制造廠(chǎng)商和權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)裝備輔助制動(dòng)器的車(chē)輛進(jìn)行了綜合性能優(yōu)勢(shì)比較[1]。結(jié)果顯示，裝備有輔助制動(dòng)的車(chē)輛換擋次數(shù)可以減少36%，行車(chē)制動(dòng)器工作次數(shù)可減少75%左右，摩擦片壽命可提高10～50倍，車(chē)輛維修費(fèi)用顯著減少。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輔助制動(dòng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹一款用于超越C300型輕卡真空控制式排氣輔助制動(dòng)裝置，從蝶閥全開(kāi)、全閉2種狀態(tài)到實(shí)現(xiàn)蝶閥連續(xù)可控的優(yōu)化改進(jìn)。

基本原理

排氣制動(dòng)是在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)吸收能量的基礎(chǔ)上，在排氣管路中安裝一個(gè)制動(dòng)閥，當(dāng)排氣制動(dòng)需要工作時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)，阻止氣缸中的氣體通過(guò)排氣門(mén)向外流動(dòng)，使排氣門(mén)后面的背壓升高，從而增大排氣阻力，從而使制動(dòng)力矩增加。排氣輔助制動(dòng)裝置主要包括氣缸、搖臂機(jī)構(gòu)、蝶形閥、排氣管等。

當(dāng)排氣輔助制動(dòng)裝置工作時(shí)，接通電磁閥，電磁閥與真空源相接，從而控制蝶形閥旋轉(zhuǎn)的開(kāi)啟和關(guān)閉；蝶形閥通過(guò)圍繞搖臂軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)，與排氣管配合完成對(duì)排氣管路的開(kāi)啟和關(guān)閉。

制動(dòng)性能試驗(yàn)

現(xiàn)選取裝配Sofim8140.43D3發(fā)動(dòng)機(jī)的超越C300型輕卡進(jìn)行排氣輔助制動(dòng)性能試驗(yàn)。測(cè)試方案為：在整車(chē)轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行倒拖測(cè)試，分別進(jìn)行不帶排氣輔助倒拖、帶排氣輔助倒拖的工況試驗(yàn)，ECU控制排氣輔助相關(guān)參數(shù)，監(jiān)控排氣輔助系統(tǒng)排氣背壓并記錄數(shù)據(jù)。

在測(cè)試時(shí)，選取排氣輔助工作狀態(tài)相關(guān)變量描述，包括渦前壓力、排氣輔助前壓力、排氣輔助后壓力、真空泵總管壓力、排氣輔助真空電磁閥輸出端壓力、油門(mén)開(kāi)度、離合器狀態(tài)和排氣輔助請(qǐng)求開(kāi)關(guān)狀態(tài)，測(cè)試過(guò)程中記錄數(shù)據(jù)。表1為測(cè)試點(diǎn)布置位置描述。

試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由低到高增加。試驗(yàn)得到了排氣蝶閥角度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣背壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示。

試驗(yàn)式結(jié)果表明：

(1)轉(zhuǎn)速低于1 500 r/min時(shí)，排氣輔助制動(dòng)裝置工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)容易熄火，無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)；從采集的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)伍y前壓力＜0.1 MPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，閥前壓力＞0.15 MPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)極易熄火。

(2)排氣輔助制動(dòng)裝置工作時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有抑制作用，車(chē)速和轉(zhuǎn)速均有所降低。

(3)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，擋位降低使得排氣輔助制動(dòng)裝置工作時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的抑制作用增強(qiáng)。

通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各參數(shù)之間的變化規(guī)律，找到了傳統(tǒng)排氣輔助裝置的問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，排氣輔助連續(xù)可控系統(tǒng)的控制必須滿(mǎn)足以下要求：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速＜1 500 r/min時(shí)，控制蝶閥開(kāi)度，使排氣背壓始終＜0.15 MPa。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速＞1 500 r/min時(shí)，控制蝶閥開(kāi)度，使排氣背壓始終略＜0.52 MPa。

(3)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火，不被損壞的前提下，盡量保持最大的排氣背壓，就能獲得最大的制動(dòng)功率，即保持最大的制動(dòng)效能。

排氣輔助連續(xù)可控系統(tǒng)

1.系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

排氣輔助連續(xù)可控系統(tǒng)包括軟、硬件設(shè)計(jì)2部分，排氣制動(dòng)電控系統(tǒng)示意結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依托步進(jìn)電機(jī)控制排氣蝶閥，從而控制其開(kāi)度的連續(xù)性。

發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電控單元將采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)位置和車(chē)輛制動(dòng)信號(hào)等通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸給排氣制動(dòng)電控系統(tǒng)控制單元。排氣制動(dòng)ECU接收到綜合電控系統(tǒng)主ECU通過(guò)CAN通信模塊傳過(guò)來(lái)的參數(shù)信號(hào)，當(dāng)制動(dòng)功能啟動(dòng)時(shí)，立即驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，將排氣蝶閥控制到相應(yīng)的角度。控制流程如圖4所示。

在系統(tǒng)復(fù)位后，需要對(duì)CAN總線(xiàn)控制器和蝶閥狀態(tài)進(jìn)行初始化；在功能模塊中，首先對(duì)制動(dòng)功能的啟動(dòng)進(jìn)行判斷，只有啟動(dòng)了制動(dòng)功能后，系統(tǒng)才開(kāi)始計(jì)算蝶閥開(kāi)度并驅(qū)動(dòng)電機(jī)。排氣蝶閥關(guān)閉角度的根據(jù)所接收到的轉(zhuǎn)速和排氣背壓數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，采用MAP查詢(xún)與PI算法共同計(jì)算所得，使排氣制動(dòng)系統(tǒng)既有大的制動(dòng)力，又不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的排氣背壓，損壞排氣門(mén)。

2.排氣輔助連續(xù)可控試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)調(diào)試，制動(dòng)系統(tǒng)可靠無(wú)延時(shí)。通過(guò)反拖功率和減速測(cè)量的方法進(jìn)行了制動(dòng)試驗(yàn)。改變排氣蝶閥制動(dòng)角度，測(cè)量排氣背壓；然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到直觀(guān)的排氣制動(dòng)效果。

圖5是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速＜1 500 r/ min時(shí)的蝶閥開(kāi)度與排氣背壓的關(guān)系擬合曲線(xiàn)，從圖中可以看出，當(dāng)排氣背壓＜0.15 MPa時(shí)，蝶閥開(kāi)度接近90°，幾乎是完全關(guān)閉的。當(dāng)排氣背壓逐漸上升時(shí)，蝶閥的角度逐漸減小，即打開(kāi)角度逐漸增大，這樣就使得排氣管中的部分氣體排出氣缸，壓力下降，達(dá)到所需數(shù)值，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)?shù)y轉(zhuǎn)角接近45°時(shí)，不管排氣背壓如何升高，蝶閥轉(zhuǎn)角幾乎不再變化。這就說(shuō)明，蝶閥轉(zhuǎn)角達(dá)到45°時(shí)，對(duì)排氣制動(dòng)的影響較小，排氣管中的壓力不再升高。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速＞1 500 r/min時(shí)，蝶閥開(kāi)度隨排氣背壓變化與圖5類(lèi)似，只不過(guò)是在排氣背壓＞0.52 MPa時(shí)，蝶閥轉(zhuǎn)角隨壓力升高逐漸減小，也是逐步趨于穩(wěn)定。

圖6是擬合得到的排氣背壓與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速＜1 500 r/min時(shí)，排氣背壓輸出值幾乎穩(wěn)定在0.15 MPa左右，與試驗(yàn)分析吻合，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速＞1 500 r/min時(shí)，排氣背壓逐漸上升，最終基本穩(wěn)定在0.52 MPa左右，這與前面的試驗(yàn)分析也基本吻合，符合目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的條件。

將ECU采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和排氣背壓數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得到實(shí)際的排氣背壓與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖7所示。

結(jié)束語(yǔ)

圖7表明，排氣輔助制動(dòng)連續(xù)可控系統(tǒng)工作時(shí)，輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與排氣背壓值與理論上的分析結(jié)果是比較吻合的，整體走勢(shì)大致相同，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況復(fù)雜，影響其輸出值因素較多，其壓力波動(dòng)在允許的誤差±5%范圍內(nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，其功能性符合目標(biāo)。

(注：本文第一作者單位系淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，第二作者單位系嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院。)

[1]張炳榮.國(guó)內(nèi)汽車(chē)緩速器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].時(shí)代汽車(chē)，2007(11):101-103.