新型可變制動(dòng)升程搖臂裝置及其控制方法策略研究

滿 凱 王金瑞

（1.濰坊佩特萊電器有限公司，山東 濰坊 261000；2.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

目前，柴油機(jī)使用的制動(dòng)搖臂伸出小活塞的動(dòng)作是由機(jī)油壓力裝置驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，電磁閥打開(kāi)，制動(dòng)油路接通，由機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)搖臂內(nèi)部的制動(dòng)小活塞會(huì)伸出（此時(shí)的伸出量是固定的，不可改變），進(jìn)而吃掉制動(dòng)氣門間隙，使排氣門在進(jìn)氣沖程下止點(diǎn)和壓縮上止點(diǎn)各開(kāi)啟一次，完成制動(dòng)功能[1]。但是由機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)搖臂存在一個(gè)致命缺陷，即由于制動(dòng)搖臂內(nèi)部的活塞小頭伸出量固定不變，導(dǎo)致不同工況下的制動(dòng)排氣門制動(dòng)升程不變，因此無(wú)法在不同工況下都能達(dá)到制動(dòng)功能最優(yōu)，僅能達(dá)到某個(gè)階段工況下的制動(dòng)最優(yōu)值并且無(wú)法檢測(cè)制動(dòng)搖臂小活塞的伸出量，無(wú)法實(shí)時(shí)在線分析制動(dòng)小活塞故障。

目前制動(dòng)搖臂存在的很多缺陷亟需一個(gè)改進(jìn)方案，因此該文發(fā)明了一種可變制動(dòng)升程的專用搖臂裝置，并制定了相應(yīng)的控制方法策略，可根據(jù)不同工況伸出不同的伸出量，使每個(gè)制動(dòng)工況都處于制動(dòng)最優(yōu)值，最終形成了一種電控制動(dòng)搖臂控制策略，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小活塞伸出量，便于分析制動(dòng)故障等。

1 制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

壓縮釋放式制動(dòng)裝置是一種高效率的制動(dòng)方式，其主要工作原理是通過(guò)合理的凸輪型線設(shè)計(jì)，使進(jìn)氣門仍然按照正常工作的狀態(tài)開(kāi)閉，但排氣門的開(kāi)閉受制動(dòng)裝置的控制，在壓縮上止點(diǎn)前某一曲軸轉(zhuǎn)角，凸輪軸和制動(dòng)裝置控制排氣門打開(kāi)，釋放被壓縮的高溫、高壓氣體[2]。如圖1 所示，降低膨脹沖程開(kāi)始時(shí)的缸內(nèi)壓力，減少膨脹沖程中沖量對(duì)活塞的做功，從而提高制動(dòng)效能。排氣制動(dòng)過(guò)程中的示功圖如圖2所示，P-V 曲線所包絡(luò)部分即為壓縮釋放制動(dòng)功。

圖1 壓縮釋放式排氣制動(dòng)工作原理

圖2 制動(dòng)過(guò)程中P-V 示功圖

2 目前制動(dòng)搖臂存在的缺陷

目前柴油機(jī)使用的制動(dòng)搖臂的工作原理如下：柴油機(jī)使用的制動(dòng)搖臂伸出小活塞的動(dòng)作都是由機(jī)油壓力裝置驅(qū)動(dòng)的[3]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，電磁閥打開(kāi)，制動(dòng)油路接通，由機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)搖臂內(nèi)部的制動(dòng)小活塞伸出（此時(shí)的伸出量是固定的，不可改變），如圖3 所示。左側(cè)圖是未通機(jī)油之前，制動(dòng)搖臂右方的小活塞是沒(méi)有伸出搖臂外部的。右側(cè)圖是制動(dòng)油路接通，由制動(dòng)油壓驅(qū)動(dòng)小活塞伸出搖臂，進(jìn)而吃掉制動(dòng)氣門間隙，使排氣門在進(jìn)氣沖程下止點(diǎn)和壓縮上止點(diǎn)各開(kāi)啟一次，完成制動(dòng)功能。但是由機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)搖臂存在一個(gè)致命缺陷，即由于制動(dòng)搖臂內(nèi)部的活塞小頭伸出量固定不變，導(dǎo)致不同工況下的制動(dòng)排氣門制動(dòng)升程不變，因此無(wú)法在不同工況下均能達(dá)到制動(dòng)功能最優(yōu)，僅能達(dá)到某個(gè)階段工況的制動(dòng)最優(yōu)值并且無(wú)法監(jiān)控控制動(dòng)搖臂小活塞伸出量（如果制動(dòng)油壓不夠，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)小活塞無(wú)法伸出）。

圖3 制動(dòng)搖臂結(jié)構(gòu)示意圖

目前制動(dòng)搖臂存在的很多缺陷亟需一個(gè)改進(jìn)方案，因此該文發(fā)明了一種可變制動(dòng)升程的專用搖臂裝置，并制定了相應(yīng)的控制方法策略。

3 改進(jìn)后的可變制動(dòng)升程制動(dòng)搖臂及其控制策略

改進(jìn)后的可變制動(dòng)升程制動(dòng)搖臂件如圖4 所示，其工作原理如下：改變制動(dòng)搖臂內(nèi)部小活塞的驅(qū)動(dòng)裝置，將原來(lái)的機(jī)油驅(qū)動(dòng)改成電機(jī)無(wú)級(jí)變速驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)ECU 電控。電控ECU 可根據(jù)不同的制動(dòng)工況、是否制動(dòng)等進(jìn)行判斷，并輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)，使電控電機(jī)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)搖臂內(nèi)部的小活塞[4]根據(jù)不同工況伸出不同的伸出量，使每個(gè)制動(dòng)工況下都能達(dá)到制動(dòng)最優(yōu)值，最終形成了一種電子控制動(dòng)搖臂控制策略。

圖4 可變制動(dòng)升程的制動(dòng)搖臂示意圖

具體控制策略如下。

首先，當(dāng)柴油機(jī)處于制動(dòng)工況時(shí)：不同制動(dòng)氣門升程得出的制動(dòng)功率曲線也不相同（如圖5 所示）。制動(dòng)氣門升程高的所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)功率在高轉(zhuǎn)速工況下可以提高制動(dòng)功率，而在低轉(zhuǎn)速工況下，制動(dòng)功率反而不如制動(dòng)升程低的功率高。這是因?yàn)楦摺⒌娃D(zhuǎn)速不同工況對(duì)應(yīng)的制動(dòng)最佳升程不一樣，高轉(zhuǎn)速需要高的制動(dòng)升程，低轉(zhuǎn)速需要低的制動(dòng)升程，這就需要一款可變制動(dòng)升程的裝置和策略控制制動(dòng)工況氣門的開(kāi)啟高度[5]。

圖5 不同制動(dòng)氣門升程對(duì)應(yīng)的制動(dòng)功率曲線

其次，當(dāng)在高轉(zhuǎn)速工況下制動(dòng)時(shí)，所需的制動(dòng)氣門BGR升程和CR 升程都很高，這時(shí)就需要圖3 中制動(dòng)搖臂內(nèi)部的制動(dòng)小活塞全部伸出，從而可以得到一個(gè)最大的制動(dòng)氣門升程，進(jìn)而獲得高轉(zhuǎn)速工況下的最佳制動(dòng)功率。

再次，當(dāng)在低轉(zhuǎn)速工況下制動(dòng)時(shí)，所需的制動(dòng)氣門BGR升程和CR 升程比較低，這時(shí)就需要圖4 中制動(dòng)搖臂內(nèi)部的制動(dòng)小活塞伸出一部分，從而可以得到一個(gè)最佳的制動(dòng)氣門升程，進(jìn)而獲得低轉(zhuǎn)速工況下的最佳制動(dòng)功率。

從次，從高轉(zhuǎn)速到低轉(zhuǎn)速的整個(gè)工況下，可以調(diào)整圖4中制動(dòng)搖臂的活塞伸出量，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使整個(gè)制動(dòng)在不同轉(zhuǎn)速工況下都有對(duì)應(yīng)的最佳制動(dòng)氣門升程，從而獲得一條最佳的制動(dòng)功率曲線。

最后，從正功切換到制動(dòng)，或從制動(dòng)切換到正功時(shí)，需要快速調(diào)整圖5 中制動(dòng)搖臂內(nèi)部的小活塞伸出量。這就需要制動(dòng)搖臂附帶的電機(jī)有2 個(gè)擋位，第一檔是微調(diào)，在制動(dòng)工況過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速不停地調(diào)節(jié)制動(dòng)小活塞伸出量。第二檔是快速調(diào)整，在正功與制動(dòng)切換過(guò)程中，快速伸出或者收回一定的小活塞伸出量，同時(shí)電機(jī)將小活塞伸出量實(shí)時(shí)反饋到ECU，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小活塞伸出量，這就是一套完整的調(diào)整裝置和控制策略。

該文將經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的制動(dòng)搖臂通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，制動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比如下：在高、低轉(zhuǎn)速不同工況下，新型制動(dòng)搖臂結(jié)構(gòu)的制動(dòng)性能明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)的制動(dòng)性能，制動(dòng)性能提升了10%左右，詳細(xì)數(shù)據(jù)和對(duì)比如圖6 與表1 所示。

表1 新舊制動(dòng)搖臂的制動(dòng)功率數(shù)據(jù)

圖6 新舊制動(dòng)搖臂的制動(dòng)功率曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前柴油機(jī)使用的制動(dòng)搖臂存在一個(gè)致命缺陷，即由于制動(dòng)搖臂內(nèi)部的活塞小頭伸出量固定不變，導(dǎo)致不同工況下的制動(dòng)排氣門制動(dòng)升程不變，因此無(wú)法在不同工況下都能達(dá)到制動(dòng)功能最優(yōu)，僅能達(dá)到某個(gè)階段工況下的制動(dòng)最優(yōu)值，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全工況下各個(gè)點(diǎn)均制動(dòng)最優(yōu)并且無(wú)法監(jiān)控制動(dòng)搖臂小活塞伸出量等。

該文發(fā)明、制定的改進(jìn)裝置與控制策略改變了制動(dòng)搖臂內(nèi)部小活塞的驅(qū)動(dòng)裝置，將原來(lái)的機(jī)油驅(qū)動(dòng)改成了電機(jī)無(wú)級(jí)變速驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了ECU 電控。電控ECU 可根據(jù)不同的制動(dòng)工況、是否制動(dòng)等進(jìn)行判斷，并輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)，使電控電機(jī)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)搖臂內(nèi)部的小活塞根據(jù)不同工況伸出不同的伸出量，使每個(gè)制動(dòng)工況下都能達(dá)到制動(dòng)最優(yōu)值，最終形成了一種電控可變制動(dòng)氣門升程控制策略，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)小活塞伸出量，便于分析制動(dòng)故障等。通過(guò)優(yōu)化后的制動(dòng)搖臂的試驗(yàn)驗(yàn)證制動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在高、低轉(zhuǎn)速不同工況下，新型制動(dòng)搖臂結(jié)構(gòu)的制動(dòng)性能明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)的制動(dòng)性能，制動(dòng)性能提升了10%左右，使發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)配置提升了一個(gè)新的檔次。