偏心扭杆式排气辅助制动器在商用车上的应用

王月成，戴关林，徐晴朗，田宇

(浙江吉利新能源商用车集团有限公司， 浙江杭州 311200)

0 引言

目前，商用车用气压式排气辅助制动器结构多为通过蝶阀上的常通孔和蝶阀与阀体的间隙来调节排气背压，常通孔直径和蝶阀与阀体的间隙通过计算和试验得出。但是对于不同发动机来说，同样的排气辅助制动器在使用中会出现排气背压大或者排气背压小的问题，若要解决这个问题，每种不同发动机车型必须重新匹配不同的排气辅助制动器，给开发带来了不便，同时也不利于模块化设计。为此开发了一种新型排气辅助制动器——偏心扭杆式排气辅助制动器。这种排气辅助制动器能够适用于不同发动机。

本文作者首先阐述了排气制动的原理，结合样车出现的问题，对排气辅助制动器进行优化设计，提出了偏心扭杆式排气辅助制动器。通过对比试验，阐述这种新式排气辅助制动器的优点。

1 排气制动的原理及特性

1.1 排气制动原理

排气制动的原理是通过关闭排气歧管和消声器间的排气制动阀门而起作用的，在制动时，排气制动阀门将发动机排气管路关闭，排气管内的气体压力不断升高，发动机活塞在发动机排气行程时，活塞受气体的反压力，经过曲轴和传动系传至车轮，增加了车轮的转动阻力，降低了车速，起到一定的制动效果。

1.2 排气制动特性

排气制动特性是指汽车在排气制动过程中，发动机飞轮上制动力矩和制动功率随发动机转速变化的规律。

发动机排气制动力矩：

MZ=i(pm·Vh+Wp)/π·τ

式中：MZ为排气制动力矩，N·m；pm为平均机械损失压力，Pa(随发动机转速由低而高，开始时不断降低，至发动机最大扭矩对应的转速时达到最小值，之后随发动机的转速提高而提高)；i为气缸数；τ为冲程数；Wp为排气消耗功，J；Vh为发动机工作容积，m3。

发动机排气制动功率：

Pz=πneMZ/500

式中：Pz为排气制动功率，kW；ne为发动机转速，r/s。

车轮排气制动力矩：

F=MZρ/Rη

式中：ρ为发动机至车轮间的传动比；R为车轮的有效半径，m；η为传动效率。

2 发动机排气制动效果及影响因素

在使用排气制动时，制动功率可以达到发动机功率的50%。

从以上的分析可以看出，在排气制动阀完全关闭的情况下，影响发动机排气制动效果的因素主要有以下几个方面：

(1)发动机的排气制动特性；

(2)汽车整车和总成的技术参数；

(3)排气制动特征压力(即排气管内的压力，与排气门正背面承压面积、排气门弹簧刚度、气门升程有关)。

目前使用排气辅助制动器是在与特定发动机进行装车试验时，依据发动机允许的最大背压值，进行相应的匹配实验，测量排气管内气压值而确定阀门间隙或固定孔径，以此来确定产品状态。如发动机、排气管以及具体的安装位置等发生变化，均能引起排气管内背压变化。而实际情况是同一排气辅助制动器使用在不同车型上，而因不同车型的发动机、排气管的差异性，导致排气辅助制动器很难适应，结果是不同车型排气管中的背压差异大，出现阻力大或小现象。

可以采用以下3种解决方法：

(1)不同车型与排气辅助制动器进行匹配，以确定阀门间隙或固定孔径；

(2)不同车型与排气辅助制动器不进行匹配，实际装车时通过调节螺栓对排气辅助制动器进行微调，以确定阀门间隙；

(3)通过发动机允许的最大背压，考虑在排气管中装配的具体位置，确定排气辅助制动器调节背压范围，采用偏心扭杆式排气辅助制动器，实现排气管中背压的相对稳定，提高与整车的匹配适应性。此种排气辅助制动器既能防止过压，又可维持背压恒定，从而可以保证稳定的制动功率。

3 目前排气辅助制动器的使用情况

目前整车上使用的排气辅助制动器状态大多是直接借用基本型原配，因拓展、变型车产品使用的发动机或排气管较基本型都有一定改变，且没有做相应匹配试验，导致整车调试过程中可能出现熄火现象。根据生产线总装调试人员反馈，整车在怠速情况下使用排气辅助制动器时，发现有些车型出现排气阻力偏大现象，有些车型存在阻力小现象。例如，依据现场某月统计情况：某款排气辅助制动器1203120G1510有7辆出现阻力大，2辆出现阻力小现象。

对于同一排气辅助制动器与不同发动机装车后的辅助制动差异，主要受发动机额定功率、排量、配气相位、气门大小、排气辅助制动器的安装位置等影响。排气辅助制动器的作用就是尽力将发动机自身的制动效果发挥出来，同时又要防止排气管背压过高而导致发动机出现“气门浮动”现象。要做到这一点，排气辅助制动器工作时关闭后的蝶阀与阀体之间的缝隙越小越好，以便能够及时建立背压，同时当背压超过规定值时，应能够可靠的卸压，以便保持压力的相对稳定。对于排气辅助制动器蝶阀与阀体之间的缝隙在考虑保证转动性能后尽量做到较小值；对于发动机功率较小的，出现排气管背压过高现象较少，对于大功率发动机匹配不好易出现排气管背压过高现象。

4 新式排气辅助制动器的开发验证

通过对实际情况的分析，结合当前重汽、陕汽等使用排气辅助制动器的情况，开发了一种偏心扭杆式排气辅助制动器，碟阀能够在排气管中背压超过规定值时自动开启调节，能有效防止阻力大等故障。为实现排气制动过程中，排气背压保持在允许的范围内，阀片安装轴线相对于阀体中心有偏移，安装阀片的扭杆轴为扭杆弹簧，其扭转刚度在(130±15) (N·m)/rad范围内。通过扭转角度来控制排气管背压值，较好地解决了排气管内背压超高现象，同时可以适应匹配不同发动机和排气管，能够很好适应当前的现状。

该排气辅助制动器内部结构如图1所示，蝶阀中心线和扭杆弹簧中心线不重合，有一定偏距，蝶阀和扭杆弹簧在一端用定位销固定在一起。排气辅助制动器工作(即蝶阀关闭)后， 排气管内建立了一定的背压，同时扭杆弹簧也受到一个来自蝶阀的扭矩，如果背压过大，超过设定的限值时，蝶阀会带动扭杆弹簧旋转一定角度，使气体通过蝶阀，排气背压能够稳定在一定范围内，有效地解决了排气背压过大导致发动机熄火的现象。

图1 偏心扭杆式排气辅助制动器内部结构

为了验证此排气辅助制动器的适应性，同时检查不同车型和发动机匹配此排气辅助制动器后性能差异，探询现场检查判定方案，准备了一台偏心扭杆式排气辅助制动器进行排气背压测试(见图2)。

图2 测试用偏心扭杆式排气辅助制动器

4.1 试验内容

(1)对下线车辆在怠速情况下，开启排气辅助制动器后转速表变化进行测量；

(2)换装背压测试用排气辅助制动器后，测量发动机在怠速情况下开启排气辅助制动器后排气背压值及稳定后怠速转速(见图3)。

图3 测试用气压表

4.2 试验数据

通过对下线车辆随机抽取进行对比测试，测试结果如表1所示。

4.3 试验数据分析

从试验数据得出如下结论:

(1)发动机型号、排气管等对排气制动效果影响很大。同一排气辅助制动器装在5台不同车上，怠速情况下排气辅助制动器工作时发动机转速变化不一致，排气管背压有差别。如试验中底盘号为98007401和98007404的两台车，车型和发动机型号都一样，试验中测量出的排气管中背压差别却很大，说明发动机自身对排气制动的效果影响很大，并非由排气辅助制动器单方面决定的。

(2)偏心扭杆式排气辅助制动器能有效防止阻力大、发动机怠速熄火的现象。目前整车上使用的排气辅助制动器很难适应发动机和排气管的变化，现场易出现怠速时使用排气辅助制动器后发动机熄火现象。测试用的排气辅助制动器较好地处理了不同规格型号发动机和排气管导致的熄火现象，能防止出现排气管中背压超出设计许可范围，有利于保护发动机。

表1 排气辅助制动器工作时背压、车辆怠速转速

5 结论

通过试验分析和目前部分重型卡车的使用情况，这种偏心扭杆式排气辅助制动器能够很好地解决在排气辅助制动器工作时的排气背压过大或过小的问题。同时，这种新型排气辅助制动器能够适应不同发动机，提高了零部件的通用性，便于模块化设计的运用。