（光学工程专业论文）发动机制动的工作机理及性能分析研究.pdf

r 独创性声明 m i llllu ij l l liij i l lilji l1iiif y 1810118 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：蓼瓤 日期： d 7 年厂为多日 i：flr土 l - _ - - 。 ， 分类号 u d c 密级 编号 博士学位论文 发动机制动的工作机理及性能分析研究木 董颖 指导教师 衄仁教授 指导小组成员矍福强教授 申请学位级别 墟士 专业名称 奎牺王程 论文提交日期2 q q z 生垒且论文答辩日期2 q q 2 笙目 学位授予单位和日期 江苤太堂生且 答辩委员会主席 评阅人 2 0 0 7 年4 月 术江苏省汽车上程重点实验室资助项目( q c 2 0 0 5 0 7 ) c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： p h d d i s s e r t a t i o n w o r k i n g p r o c e s sa n dp e r f o r m a n c er e s e a r c ho f e n g i n e r e t a r d e r b v j d o n gy i n g m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g 一 一一 s u p e r v i s o r ：p r o f h er e n u p e r v l s o r r ot i ek e n ： p r o f l u of u q i a n g j i a n g s uu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 0 7 摘要 摘要 利用发动机对车辆进行制动，得到的制动功率稳定，长时间工 作时不受温度变化的影响，并且可以消除发动机过冷，在一定程度 上减轻汽车的制动系统发热、制动效率降低及汽车跑偏，因此在汽 车的制动过程中得到广泛的应用。国内对发动机的制动能力利用水 平多年来一直停留在发动机排气辅助制动( 排气缓速器) 的应用水 平，制动功率较小，制动效果较差，不能满足大部分情况下的辅助 制动要求。近年来国外出现了通过改变发动机配气正时增加制动功 率的发动机制动技术，使发动机的制动功率增大，可以达到甚至超 过发动机的输出功率，并且可以实现发动机制动功率的分级输出。 针对国内在对发动机的制动能力利用开发方面缺乏成熟的理论指 导，本文通过对发动机的制动工作过程以及制动能力的深层次利用 进行研究，为开发具有自主知识产权并且性能优良的发动机缓速器 提供技术指导和理论支持。 首先介绍了现有的利用发动机进行制动的技术，简要分析了各 种发动机制动技术的制动能力与其制动工作过程的关系，在此基础 上通过对发动机制动工作过程的研究，分析了在每个发动机冲程中 增加制动功率的方法以及对整个工作过程的影响，提出了几种增加 发动机制动功率的方法。结合目前发动机配气技术的最新研究成果， 提出实现发动机最大制动能力的理想发动机制动工作过程，并给出 了发动机制动能力利用系数的概念，以评价不同发动机制动方式对 发动机最大制动能力的利用水平。 其次建立了发动机拖动、发动机排气缓速器、发动机减压缓速 器、发动机泄漏缓速器以及发动机泄漏缓速器与发动机排气缓速器 江苏大学博士学位论文：发动机制动的工作机理及性能分析研究 联合工作时的数学模型，通过数值计算的方法模拟分析了结构参数 和运行参数的变化对各种发动机缓速器工作性能的影响，并通过实 验的方法对数学模型进行了验证，实验结果与模拟计算结果比较吻 合，验证了数学模型的准确性，计算方法和结论可用于发动机缓速 器的结构设计和性能研究。 利用高次多项式函数对发动机减压缓速器的减压凸轮进行了设 计，设计结果表明，通过合理选择各项参数，在基本段包角很小的 情况下用高次多项式函数进行减压凸轮的设计完全可以满足配气机 构以及减压缓速器的性能要求。 最后分析了发动机缓速器工作时对汽车制动稳定性的影响，提 出调整主制动系统的制动力分配系数可以提高发动机缓速器与主制 动系统联合工作时的制动稳定性。在发动机制动功率较大而且可以 分级输出的情况下研究了汽车的下坡能力，结果表明，单独使用发 动机减压缓速器，可以使汽车在各种坡道上以稳定的车速行驶。利 用模糊控制的方法实现了发动机减压缓速器的自动控制，模拟计算 结果表明模糊控制系统能够对发动机减压缓速器进行自动控制，并 且制动过程比较柔和，具有工程实用价值。 关键词：汽车，发动机，制动，减压缓速器，泄漏缓速器，性能， 制动稳定性 a b s l l r a c r a bs t r a c t e n g i n ei sw i d e l yu s e da sa i la u x i l i a r yb r a k es y s t e mi na u t o m o b i l ed e c e l e r a t i o n p r o c e s s ，a tt h i st i m ei ti sw o r k i n ga sar e t a r d e r , i tc a np r o v i d eas t e a d yb r a k i n gp o w e r a n di t sw o r k i n gt e m p e r a t u r ew i l lk e e pc o n s t a n tf o rav e r y1 0 n gt i m e e n g i n er e t a r d e r m a k e st h ee n g i n et e m p e r a t u r en o tt o ol o w e rt h a nt h ee n g i n e sw o r k i n gt e m p e r a t u r e ， a n dt h eb r a k i n gp o w e ro fe n g i n er e t a r d e ri sd i s t r i b u t e db yd i f f e r e n t i a l ，s ot h es a f e t y p e r f o r m a n c ei se n h a n c e d i nc h i n a , t h er e s e a r c hl e v e lo fe n g i n er e t a r d e ri ss t i l lo nt h e e n g i n eb r a k ea n dt h ee x h a u s tb r a k e ，t h eb r a k i n gp o w e ri ss m a l la n di tc a nn o tf i tt h e m o s to fb r a k er e q u i r e m e n t r e c e n t l y , t h e r ei sa n o t h e re n g i n er e t a r d e rt e c h n o l o g y a b r o a d ，i tc h a n g e st h ev a l v et i m i n go ft h ee n g i n ed r a g g i n gp r o c e s s ，w h i c hm a k e st h e b r a k i n gp o w e ro fe n g i n er e t a r d e rc l o s e l yt ot h er a t e do u t p u t ，o re v e nb i g g e rt h a ni t f u r t h e r m o r e ，i tc a ng i v et h ed i f f e r e n tb r a k i n gp o w e ra tt h es a m ee n g i n es p e e d a s t h e r ei sl a c ko fm a t u r et h e o r ya b o u tt h ed e v e l o p m e n to ft h ee n g i n e sr e t a r da b i l i t y , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ew o r k i n gp r o c e s sa n dt h eb r a k i n gp o w e rd e v e l o p m e n to f e n g i n er e t a r d e r , g i v e sas u p p o r ti nb o t ht h e o r ya n dt e c h n o l o g yt od e v e l o ph i g h p e r f o r m a n c ee n g i n er e t a r d e r f i r s t l y , t h ee x i s t i n ge n g i n er e t a r d e rt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ；t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eb r a k i n gp o w e ra n dt h ew o r k i n gp r o c e s si nd i f f e r e n te n g i n er e t a r d e rt y p e i sb r i e f l ya n a l y z e d b a s e do na b o v ea n a l y s i s ，b yt h ew o r k i n gp r o c e s sr e s e a r c hw h e n e n g i n ew o r k i n ga sar e t a r d e r , t h em e t h o dt oi n c r e a s et h eb r a k i n gp o w e ri ne v e r y e n g i n es t r o k ea n dt h ee f f e c to ft h i sm e t h o dt ot h ew h o l ew o r k i n gp r o c e s sa r e a n a l y z e d ，s o m em e t h o d st oi n c r e a s et h ee n g i n eb r a k i n gp o w e ra r ec o n c l u d e d c o m b i n e dw i t ht h el a t e s tr e s u l t so ft h ev a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ，ab r a n dn e wi d e a l w o r k i n gp r o c e s so fe n g i n er e t a r d e rt og e tt h el a r g e s tb r a k i n gp o w e ro ft h ee n g i n ei s p u tf o r w a r d an e wc o n c e p to f “e n g i n eb r a k i n gp o w e ru t i l i z i n gc o e f f i c i e n t t o e v a l u a t et h eu t i l i z i n gl e v e lo ft h ed i f f e r e n te n g i n er e t a r d e rt y p e st o t h el a r g e s t b r a k i n gp o w e ro ft h ee n g i n ei sp u tf o r w a r d s e c o n d l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee n g i n eb r a k e ，e n g i n ee x h a u s tb r a k e ， m 江苏大学博士学位论文：发动机制动的工作机理及性能分析研究 c o m p r e s s i o nr e l e a s ee n g i n er e t a r d e r , e n g i n eb l e e dr e t a r d e r , e n g i n eb l e e dr e t a r d e r c o m p o u n dw i t ht h ee n g i n ee x h a u s tb r a k ea l es e tu p t h r o u g ht h em a t h e m a t i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o d st h ep e r f o r m a n c e so fe v e r yk i n d e n g i n er e t a r d e rw i t ht h e d i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dd i f f e r e n tr u n n i n gp a r a m e t e r sa r es i m u l a t e d t h e c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa r ef i tw i t ht h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s t h ec o m p u t a t i o n m e t h o d sa n dt h er e s u l t sc a nb eu s e dt od e s i g nt h es t r u c t u r ea n da n a l y z et h e - p e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n er e t a r d e r t h ec a mp r o f i l eo ft h ec o m p r e s s m nr e l e a s ee n g i n er e t a r d e ri s d e s i g n e db y h i g h o r d e rp o l y n o m i a lf u n c t i o n s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , b yp r o p e r l y c h o o s i n gt h ep a r a m e t e r s ，t h eh i g t i - o r d e rp o l y n o m i a li sf i tf o rt h ed e c o m p r e s s i o nc a m p r o f i l e ，e v e nt h ea n g l e so fb a s i cs e g m e n ta l es m a l l t h ep e r f o r m a n c eo ft h e d e c o m p r e s s i o nc a mm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h ev a l v et r a i na n dt h ec o m p r e s s i o n r e l e a s ee n g i n er e t a r d e r f i n a l l y , t h ev e h i c l eb r a k i n gs t a b i l i t y i sa n a l y z e dw h e ne n g i n er e t a r d e ri s w o r k i n g ，am e t h o dt h a tb ya d d i n gt h eb r a k i n gf o r c e sd i s t r i b u t i o nr a t i ob e t w e e nt h e f r o n ta n dr e a lb r a k et oi m p r o v et h eb r a k i n gs t a b i l i t yo fv e h i c l ei sp u tf o r w a r dw h e n t h ee n g i n er e t a r d e ri sc o w o r k i n g 丽n lt h em a i nb r a k es y s t e m t h ea b i l i t yo fv e h i c l e g o i n gd o w n h i l li sa n a l y z e dw h e ne n g i n er e t a r d e rc a no f f e rac l a s s i f i c a t i o na n db i g b r a k i n gp o w e r i ts h o w st h a tw i t ht h ec o m p r e s s i o nr e l e a s ee n g i n er e t a r d e r , v e h i c l e s c a nr u na tas t e a d ye c o n o m i c a ls p e e do na l ls l o p e s a na u t oc o n t r o lo fc o m p r e s s i o n r e l e a s ee n g i n er e t a r d e ri sd e s i g n e db yf u z z yc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e d e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mc a l lm a k et h ea u t o m o b i l er u na tar e l a t i v e l ys t e a d ys p e e d ， ， a n dd u r i n gt h ep r o c e s s ，t h ea c c e l e r a t i o nv a r i e ss l i g h t l y , t h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e m 。 i ss u i t a b l ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ，e n g i n e ，b r a k e ，d e c o m p r e s s i o nb r a k e ，b l e e d i n gb r a k e ， p e r f o r m a n c e ，b r a k i n gs t a b i l i t y i v 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 汽车辅助制动系统的作用1 1 2 发动机制动技术及其应用情况3 1 3发动机制动技术在国内外研究情况5 1 4 本论文研究的目的、意义和主要内容7 1 5 本章小结8 第2 章发动机制动技术的工作原理9 2 1 发动机拖动9 2 2 发动机排气缓速器9 2 2 1 排气缓速器的结构形式。1 0 2 2 2 排气缓速器的控制方式及工作原理1 1 2 3 发动机减压缓速器。1 3 2 3 1 发动机减压缓速器的结构形式1 3 2 3 2 发动机减压缓速器的控制方式及工作原理1 4 2 4 发动机泄漏缓速器1 9 2 5 发动机制动技术的特点及发展趋势2 2 2 5 1 发动机缓速器的特点。2 2 2 5 2 发动机缓速器的发展趋势2 4 2 6 本章小结。2 5 第3 章发动机制动能力的分析和利用2 7 3 1 发动机工作过程分析2 7 3 2 发动机制动能力的分析2 8 3 2 1 各冲程的做功情况2 8 3 2 2 增加发动机制动能力的方法3 0 3 2 3 理想的发动机制动工作过程3 2 3 3 发动机制动能力的利用评价3 3 3 3 1 发动机制动功的组成3 3 3 3 2 发动机制动能力的评价参数3 5 v 江苏大学博士学位论文：发动机制动的工作机理及性能分析研究 3 4 本章小结3 6 第4 章发动机制动工作过程的数值模拟3 7 4 1 发动机数值计算的数学模型概述3 7 4 1 1 零维模型( z d m ) 。3 7 4 1 2 准维模型( q d m ) 。3 8 4 1 3 多维模型( m d m ) 3 8 4 2 本文所建的模型3 8 4 2 1 能量方程3 9 4 2 2 质量守恒方程4 1 4 2 3 理想气体状态方程4 2 4 3 约束方程及部分变量求取4 2 4 3 1 气缸工作容积( 约束方程) 4 2 4 3 2 气缸周壁的传热计算4 3 4 3 3 进、排气流量及曲轴箱窜气量计算4 5 4 3 4 气门的流通截面积。4 6 4 3 5 流量系数4 8 4 4 发动机拖动数值模拟4 8 4 4 1 模型修正与细化4 8 4 4 2 模拟计算及结果分析4 9 4 5 发动机排气缓速器数值模拟5 2 4 5 1 模型修正与细化5 2 4 5 2 模拟计算及结果分析。5 2 4 6 发动机减压缓速器数值模拟5 6 4 6 1 模型修正与细化5 6 4 6 2 模拟计算及结果分析5 6 4 7 发动机泄漏缓速器数值模拟。6 2 4 7 1 模型修正与细化6 2 4 7 2 模拟计算及结果分析6 3 4 8 联合工作过程的模拟。6 6 4 8 1 联合工作的可行性6 6 4 8 2 模拟计算及结果分析。6 7 v i 目录 4 9 第5 章 5 1 5 2 5 3 第6 章 6 1 6 2 6 3 第7 章 7 1 7 2 7 3 7 4 本章小结6 8 发动机减压缓速器的设计7 1 减压凸轮的设计。7 1 5 1 1 缓冲段的设计函数7 2 5 1 2 基本段的设计函数。7 3 减压凸轮的设计实例与校核7 7 5 2 1 减压凸轮的设计实例7 7 5 2 2 减压气门运动轨迹与活塞运动轨迹的校核。8 0 本章小结8 0 发动机制动工作的实验研究8 1 实验设备及实验方案8 1 6 1 1 实验设备8 1 6 1 2 实验方案8 3 模型验证以及实验结果分析8 4 6 2 1 发动机拖动工作过程8 4 6 2 2 排气缓速器工作时的工作过程8 5 6 2 3泄漏缓速器工作时的工作过程。8 7 6 2 4 减压缓速器工作时的工作过程。8 8 6 2 5 联合工作时的工作过程8 9 本章小结8 9 发动机制动对车辆稳定性等性能的影响分析。9 1 发动机缓速器对制动稳定性的影响。9 1 7 1 1 装用缓速器前后的制动力变化9 1 7 1 2 改进措施。9 4 发动机减压缓速器的下坡能力。9 6 7 2 1 发动机减压缓速器的制动能力9 6 7 2 2 发动机减压缓速器的下坡能力。9 8 发动机减压缓速器的自动控制。1 0 1 7 3 1 控制系统的设计1 0 1 7 3 2 模拟计算及分析1 0 4 本章小结1 0 6 v 江苏大学博士学位论文：发动机制动的工作机理及性能分析研究 第8 章总结与展望1 0 7 8 1 本文工作总结1 0 7 8 2 本文的创新点1 0 8 8 - 3 进一步的工作展望1 0 9 参考文献1 1 1 1 改谢1 1 7 攻读学位期间发表的学术论文和申请专利情况1 1 8 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1汽车辅助制动系统的作用 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，发动 机功率越来越大，汽车的载重能力即汽车质量也有了很大的增加，而汽车的运 行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，随着汽车保有量的急剧增加，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性能，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，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 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1 1 1 。因此，为 了保证现代高速重载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。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 辆紧急制停，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【3 1 。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制动系统的负荷，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。 根据制动系统工作时的作用对象在动力传递路线中的位置的不同，可以将 制动方式分为三类： ( 1 ) 驱动设备制动：制动系统直接作用于车轮，产生的制动力直接作用使 车轮停止转动。这种制动方式通常作为汽车的主制动( 行车制动) ，根据结构的 不同分别有盘式或鼓式制动器。 江苏大学博士学位论文：发动机制动的工作机理及性能分析研究 ( 2 ) 传动系统制动：制动系统作用于传动部件，产生的制动力使传动部件 转速降低，从而减小汽车的行驶速度。这是一种辅助制动方式，近年来越来越 多的应用于各种中型、重型车辆，成为主制动系统的重要补充。主要是各种安 装在传动部件上的缓速器，例如电涡流缓速器、液力缓速器、永磁铁缓速器等。 ( 3 ) 动力设备制动：制动系统作用于动力输出装置( 即发动机) ，通过制 动系统的作用，使动力输出装置成为消耗动力的减速装置，从而降低汽车的行 驶速度。这种辅助制动方式一直被使用，但由于动力设备自身的制动功率( 即 发动机机械损失功率) 较小，因此只有在车速较低时，变速器置于较低挡位才 能得到较大的制动阻力矩。后来通过对发动机工作过程的影响，使发动机辅助 制动系统的制动能力大大增加，从而广泛应用于各种商用车辆。这种制动系统 主要是各种安装在发动机上的缓速器，例如发动机排气缓速器、发动机减压缓 速器、发动机泄漏缓速器等，统称为发动机缓速器。 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、泄漏缓速器等虽然在短时间内吸收的制动功 率比较小，但它们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 特性满足汽车连续下坡时以及市内公共汽车频繁停车或频繁进行不同强度制动 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。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。如法国在二十世纪7 0 年代，就以立法的形式要求重量 超过8 吨的车辆、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。二十世纪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。如德国的道路交通法规中规定：客车总质量在5 5 吨 以上，载重汽车总质量在9 吨以上的，必须加装持续辅助制动装置【8 】。瑞士交 通法规中规定：超过3 5 吨的牵引车和总质量8 吨以上的载重车必须安装辅助 制动系统【9 】。近年来，随着国内汽车技术的进步，汽车发动机功率逐年增加， 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，2 0 0 2 年6 月1 日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 2 笫1 章绪论 二级、高三级客车都必须安装缓速器【1 0 1 。建设部2 0 0 2 年1 0 月1 日公布执行的 c a f r l 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必须装备缓速器【1 1 】。 目前，技术上成熟，常用于车辆的缓速器有发动机排气缓速器、电涡流缓 速器、永磁缓速器、液力缓速器、发动机减压缓速器、发动机泄漏缓速器等。 从安装位置以及作用方式来看，电涡流、永磁、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，其中电涡流缓速器、液 力缓速器可以产生的制动功率较大，性能较好，但这两种缓速器成本较高，尺 寸较大，特别是在短轴距的车辆上容易产生安装困难问题，同时缓速器质量较 大，增加了汽车的总重量和传动系统的负荷【1 2 1 。永磁缓速器将电涡流缓速器中 产生磁场的线圈铁芯等用永久磁铁代替，从而减小了缓速器的体积和质量，但 永磁缓速器产生的制动力矩较小。这几种缓速器当工作时间较长时由于温升的 影响，制动效果将大幅降低，甚至降到冷态工作能力的5 0 左右【1 3 】。因此应对 缓速器的温度变化进行控制并匹配相应的冷却系统，使缓速器的温度不至过高， 得以保持稳定的工作状态提供持续不变的制动功率。发动机是车辆的动力输出 设备，位于动力传动系统的功率输入端。由于发动机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路中安装制动阀，增加了发动机的排气背压， 从而增加了制动力矩的大小，并由于其结构简单、安装方便、价格低廉等优点 得到广泛的应用。发动机减压缓速器和发动机泄漏缓速器通过调整发动机的工 作过程，使输出动力的发动机变成消耗功率的空气压缩机，从而进一步增强了 制动效果。使用发动机减压缓速器时，可以得到比发动机输出转矩更大的制动 能力。这种缓速器技术近年来由国外传入，出现在一些进口发动机上，引起了 人们的注意。 1 2 发动机制动技术及其应用情况 汽车发动机拖动和排气缓速器的研究历史比较长。发动机是车辆的心脏， 通常作为动力输出设备为车辆的工作提供能量支持。由于发动机运转时需要克 服自身内部的机械摩擦损失等，当切断发动机供油，离合器结合的时候，依靠 3 江苏大学博士学位论文：发动机制动的工作机理及性能分析研究 汽车的运动带动发动机运转，此时发动机被动运转时的功率消耗对于车辆有减 速效果，即为发动机拖动作用。由于发动机拖动的制动能力非常有限，因此人 们不断的对发动机被拖动时的工作过程进行研究，并采用多种方法来影响或改 变这一工作过程，以期提高发动机作为制动器的工作效率【1 4 1 。其中改进方法之 一就是通过关闭排气管道来增加发动机的排气背压，从而增强制动效果，这种 类型的制动器即为发动机排气缓速器。发动机排气缓速器最早出现在第一次世 界大战期间的阿尔卑斯山区，使用排气缓速器可以将制动能力提高一倍左右【1 5 】。 发动机排气缓速器的发展历史较长，并由于其结构简单、紧凑、安装方便、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 车上都可以选装发动机排气缓速器。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有或可以选装发动机排 气缓速器。国内对于发动机排气缓速器的研究始于八十年代，目前已经取得一 定的研究成果，很多厂家拥有了对发动机排气缓速器的生产以及开发能力。如 湖北力美制动元件股份有限公司、浙江万安集团、玉环汽车附件厂、浙江博力 机电制造有限公司、东风汽车装备公司汽车零部件公司、玉环荣达机械有限公 司等。 当发动机在被拖动过程中将排气门始终打开某一较小的开度时，也可以使 制动效果得到一定程度的增加，称为发动机泄漏缓速器。在1 9 世纪5 0 年代， 康明斯公司的创始人c l c s s i clc u m m i n s 等人认为对发动机制动能力的开发程 度远远低于发动机的制动潜力，于是通过对发动机工作过程的调整，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，随后陆续开发了各种型号的发动机减压缓速器以匹配不同品牌的发动机。 经过4 0 余年的不断开发、改进和在各种品牌发动机、各种车辆上的装车使用， 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，并且采用发 动机减压缓速器完全能够满足车辆辅助制动的需求，保证了汽车的制动安全性 能，同时提高了平均行驶速度，获得了良好的运输经济效益。 发动机减压缓速器最初出现在美国，目前已经在北美占据市场主导地位， 近年来逐渐进入欧洲和亚洲市场。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，目前其产品已经形成多个系列，用于和不同品牌、各种型号的发动 【一 4 第1 章绪论 机相匹配。皆可博公司生产的发动机减压缓速器目前匹配的主要发动机品牌有： 卡特彼勒( c 加陋r p i a r ) 、康明斯( c u m m 矾s ) 、雷诺( i 也n a u l t ) 、日野 ( h i n o ) 、底特律( d e t r o i t ) 、达夫( d a f ) 、沃尔沃( v o l v o ) 、现代 ( h n 烈d a i ) 、三菱( m r i s u b i s ) 、马克( m a c k ) 等。二十世纪八、九十 年代，德国的曼( m a n ) 公司和梅赛德斯奔驰( r c e d e s b e n z ) 公司、 日本的同产( n i s 鲫蝌) 公司也各自开发了自己的发动机辅助制动系统，用于本 公司的汽车制动系统装配。与国外相比，我国在发动机制动能力的研究、开发 和利用方面都远远落后，尚无自己独立开发生产的能力。而国外的先进技术和 产品性能表明，利用发动机进行制动，具有巨大的制动潜力和广阔的市场前景。 因此，对发动机的制动能力进行研究，具有自主开发研制发动机缓速器的能力， 对于我国的经济发展和技术进步都有着重大的意义。 1 3 发动机制动技术在国内外研究情况 对于发动机制动能力的利用由来已久，人们通过各种方法对发动机的工作 过程进行影响，不断增加发动机制动工作时的制动功率，使发动机在制动工作 时可以产生与发动机燃烧工作时大小相当的功率，甚至可以比发动机正常燃烧 工作时发出的功率更高。目前国内对于发动机制动能力的利用还停留在发动机 排气缓速器的应用水平，发动机减压缓速器最初只是在进口的整车上或者车辆 上配置的进口发动机上出现，近两年来，国内一些公司以技术引进或合作等形 式也开始了发动机减压缓速器的研究和开发，如潍坊柴油机厂、无锡柴油机厂 等。另外，重庆良马发动机制动器有限公司与广西玉柴机器集团有限公司合作， 通过对国外产品的研究，仿制开发了发动机减压缓速器，目前已取得初步成果。 虽然国外的一些公司对于发动机制动能力的利用水平较高，技术实力雄厚而且 产品趋于成熟，但出于对自身技术资料和潜在市场的保护，国外各发动机缓速 器的生产公司很少公开发表自身产品的技术资料。因此，国内要开发具有自主 知识产权、性能优良而且可靠性高的发动机缓速器，还有很多工作要做。 从检索的文献来看，国内对于发动机拖动、发动机排气缓速器有一定的研 究，从工作原理、结构形式、控制方式、工作性能以及使用维修等方面都有所 介绍，研究也比较深入。而对于发动机减压缓速器则只有个别文献进行了结构 5 江苏大学博士学位论文：发动机制动的工作机理及性能分析研究 原理、工作过程和使用性能等方面的介绍。如文献1 7 1 介绍了对于排气缓速器 的研究和开发过程。文献 1 8 1 对排气缓速器工作时排气门反跳的问题进行了研 究。文献【1 9 1 研究了排气缓速器工作时排气门反跳和进、排气节流对制动功率 的影响等。文献 2 1 1 5 时发动机拖动的工作过程进行了研究。文献 2 2 1 、【2 3 1 5 s j 发 动机拖动、排气制动和电涡流缓速器等几种持续制动方式的联合作用进行了探 讨和研究。文献 2 4 】分析了发动机拖动对整车制动性能和制动稳定性等方面的 影响。文献 2 5 1 分析了发动机拖动、排气制动对制动力分配和制动稳定性的影 响。学位论文方面，长安大学交通运输工程专业2 0 0 0 年余强博士的学位论文汽 车下坡持续制动性能研究对发动机拖动、排气制动与电涡流缓速器联合作用 的持续制动方式进行了研究和探甜1 5 】。 国外较早就开始研究发动机制动能力的利用。1 9 7 4 年由a n o n 发表在 j o u r n a lo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g 上的文章r e t a r d e r sf o rc o m m e r c i a lv e h i c l e s 是 检索到的最早的介绍排气缓速器的文献，文章介绍了电气制动，液力制动以及 排气制动，并介绍了制动压力以及一些设计问题 2 6 1 。1 9 8 1 年a k i b a 等人在文献 o p t i m i z e dd e