轻卡排气辅助制动连续可控系统研究(1例)

2015-03-16费孝涛钱春贵

专用车与零部件 2015年2期

文_费孝涛钱春贵

文_费孝涛钱春贵

国内常用的发动机排气辅助制动装置的排气蝶阀控制位置只有全开、全闭2种状态。针对蝶阀全闭状态造成的发动机低速熄火和高速机件磨损加剧的缺点，现对传统排气辅助制动装置进行优化，使排气蝶阀的打开角度可以实现连续可控，在保证发动机正常运行的前提下，保持最大的制动效能。

表1 测试点布置位置及描述

商用车的载质量和整备质量都高于乘用车，长距离的运输，尤其是山区地形的行驶，导致制动器磨损加剧，长距离下坡制动还会由于制动热衰退性能造成制动效能下降。

采用辅助制动装置是一个行之有效的解决方法。国内外辅助制动器制造厂商和权威机构对装备辅助制动器的车辆进行了综合性能优势比较[1]。结果显示，装备有辅助制动的车辆换挡次数可以减少36%，行车制动器工作次数可减少75%左右，摩擦片寿命可提高10～50倍，车辆维修费用显著减少。

发动机排气辅助制动装置具有结构简单、操纵方便、安全可靠等优点。本文介绍一款用于超越C300型轻卡真空控制式排气辅助制动装置，从蝶阀全开、全闭2种状态到实现蝶阀连续可控的优化改进。

基本原理

排气制动是在发动机制动吸收能量的基础上，在排气管路中安装一个制动阀，当排气制动需要工作时，关闭阀门，阻止气缸中的气体通过排气门向外流动，使排气门后面的背压升高，从而增大排气阻力，从而使制动力矩增加。排气辅助制动装置主要包括气缸、摇臂机构、蝶形阀、排气管等。

当排气辅助制动装置工作时，接通电磁阀，电磁阀与真空源相接，从而控制蝶形阀旋转的开启和关闭；蝶形阀通过围绕摇臂轴线的旋转，与排气管配合完成对排气管路的开启和关闭。

制动性能试验

现选取装配Sofim8140.43D3发动机的超越C300型轻卡进行排气辅助制动性能试验。测试方案为：在整车转鼓上进行倒拖测试，分别进行不带排气辅助倒拖、带排气辅助倒拖的工况试验，ECU控制排气辅助相关参数，监控排气辅助系统排气背压并记录数据。

在测试时，选取排气辅助工作状态相关变量描述，包括涡前压力、排气辅助前压力、排气辅助后压力、真空泵总管压力、排气辅助真空电磁阀输出端压力、油门开度、离合器状态和排气辅助请求开关状态，测试过程中记录数据。表1为测试点布置位置描述。

试验过程中，发动机转速由低到高增加。试验得到了排气蝶阀角度与发动机转速、排气背压之间的关系曲线，如图2所示。

试验式结果表明：

(1)转速低于1 500 r/min时，排气辅助制动装置工作时发动机容易熄火，无法进行试验；从采集的数据中发现，当蝶形阀前压力＜0.1 MPa时，发动机运转正常，阀前压力＞0.15 MPa时，发动机极易熄火。

(2)排气辅助制动装置工作时，对发动机运转有抑制作用，车速和转速均有所降低。

(3)随发动机转速的升高，挡位降低使得排气辅助制动装置工作时对发动机运转的抑制作用增强。

通过分析试验结果，发现各参数之间的变化规律，找到了传统排气辅助装置的问题。为解决这些问题，排气辅助连续可控系统的控制必须满足以下要求：

(1)发动机转速＜1 500 r/min时，控制蝶阀开度，使排气背压始终＜0.15 MPa。

(2)发动机转速＞1 500 r/min时，控制蝶阀开度，使排气背压始终略＜0.52 MPa。

(3)在保证发动机不熄火，不被损坏的前提下，尽量保持最大的排气背压，就能获得最大的制动功率，即保持最大的制动效能。

排气辅助连续可控系统

1.系统软硬件设计

排气辅助连续可控系统包括软、硬件设计2部分，排气制动电控系统示意结构如图3所示。整个系统的设计依托步进电机控制排气蝶阀，从而控制其开度的连续性。

发动机综合电控单元将采集到的发动机转速、油门位置和车辆制动信号等通过CAN总线传输给排气制动电控系统控制单元。排气制动ECU接收到综合电控系统主ECU通过CAN通信模块传过来的参数信号，当制动功能启动时，立即驱动执行器，将排气蝶阀控制到相应的角度。控制流程如图4所示。

在系统复位后，需要对CAN总线控制器和蝶阀状态进行初始化；在功能模块中，首先对制动功能的启动进行判断，只有启动了制动功能后，系统才开始计算蝶阀开度并驱动电机。排气蝶阀关闭角度的根据所接收到的转速和排气背压数据进行计算，采用MAP查询与PI算法共同计算所得，使排气制动系统既有大的制动力，又不会产生过大的排气背压，损坏排气门。

2.排气辅助连续可控试验

经过调试，制动系统可靠无延时。通过反拖功率和减速测量的方法进行了制动试验。改变排气蝶阀制动角度，测量排气背压；然后对采集到的数据进行分析，可得到直观的排气制动效果。

图5是在发动机转速＜1 500 r/ min时的蝶阀开度与排气背压的关系拟合曲线，从图中可以看出，当排气背压＜0.15 MPa时，蝶阀开度接近90°，几乎是完全关闭的。当排气背压逐渐上升时，蝶阀的角度逐渐减小，即打开角度逐渐增大，这样就使得排气管中的部分气体排出气缸，压力下降，达到所需数值，保证发动机正常运转。

当蝶阀转角接近45°时，不管排气背压如何升高，蝶阀转角几乎不再变化。这就说明，蝶阀转角达到45°时，对排气制动的影响较小，排气管中的压力不再升高。

当发动机转速＞1 500 r/min时，蝶阀开度随排气背压变化与图5类似，只不过是在排气背压＞0.52 MPa时，蝶阀转角随压力升高逐渐减小，也是逐步趋于稳定。

图6是拟合得到的排气背压与发动机转速之间的关系曲线，在发动机转速＜1 500 r/min时，排气背压输出值几乎稳定在0.15 MPa左右，与试验分析吻合，达到系统设计的目标。

发动机转速＞1 500 r/min时，排气背压逐渐上升，最终基本稳定在0.52 MPa左右，这与前面的试验分析也基本吻合，符合目标实现的条件。

将ECU采集到的发动机转速和排气背压数据进行整理和分析，得到实际的排气背压与发动机转速之间的关系曲线，如图7所示。