SC9DF排气制动性能试验报告V1.docx

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SC9DF排气制动性能试验报告V1

密级

SC9DF排气制动性能试验报告

报告编号：

SSB-

合同编号：

柴油机股份

技术中心

二○○八年十二月十一日

摘要

测量SC9DF发动机泄气制动器系统不同工况下的制动功率、背压、排温等数据，评估制动性能表现。

1.测量各制动工况下的气门升程、缸压力，分析制动工况对气门运动规律，尤其是浮阀的影响，为评估排气制动对气门的影响提供依据。

1.标定转速下的制动功率达到设计要求，1600rpm制动功率由于背压限制，未达到设计要求。

制动功率曲线和JACOBS试验所得数据较为一致。

但是设计目标制动功率的达到是以超过设计限制背压的方式达到的，引起了气门浮动。

2.非泄气制动排气门在全转速围均有浮阀现象发生，且随转速升高气门浮动最大升程增大。

但浮阀不会导致排气门和活塞相撞。

1．安排9DF制动耐久试验，考核制动系统及发动机（主要是配气机构）制动工况下的可靠性。

1前言

SC9DF发动机

2泄气制动系统工作原理

执行活塞

进油口

泄气制动系统工作时，缸制动器（BleederBrake）使排气门保持一个微小的开度，同时增压器后的蝶阀（ExhaustBrake,EB）关闭使排气管建立高背压，从而使活塞泵气做功，排气门对压缩气体进行节流，消耗曲轴的能量，实现制动。

具体制动

两极制动力

3试验对象及主要测试设备

3.1发动机型号:

SC9DF375Q3型增压中冷四气门柴油机，装配缸泄气制动器及蝶阀

气缸数⨯缸径⨯行程:

6⨯114⨯144（mm）

型式:

四冲程、直喷式、空－空中冷

排量：

8.9L

3.2测量设备

试验室

序号

仪器名称

型号

生产厂商

A4

1

电力测功机

APA4Z4/E/2801

AVL

2

油耗仪

AVL735

AVL

3

信号采集仪

WAVEBOOK516E

HUNGARY

4

激光测距仪

optoNCDT1607

GERMANY

5

转角编码器

ROTARYENCODER

NIDECNEMICONCORP.

4试验条件与方法

4.1试验日期：

2008年11月28日～2008年12月2日

4.2试验地点：

上柴试验试制A4试验室

4.3试验现场环境状况：

室温：

t=10-15℃，大气压力：

P0=102.5～104kPa

相对湿度：

由于该冷起动室无湿度计，所以无法测量湿度值。

4.4试验方法

本试验测量容有两部分，一部分测量表征发动机制动系统制动能力的制动功率、扭矩以及相应的排气门出口压力，排气总压力、温度及蝶阀前背压、温度；另一部分测量反映非制动排气门正时与运动规律，尤其是受排气制动影响导致的浮动升程。

试验通过倒拖法测定发动机制动系统的制动功率，并同时测量各压力、温度以及气门升程、转角数据。

本次试验测量了第三缸缸压力及该缸非制动排气门气门升程。

缸压力测量利用仿喷油器外形的垫块替代喷油器，以供缸压传感器引出压力量。

气门升程测量采用激光测距仪，根据测距仪安装要求，通过支架安装在摇臂轴座上，测量落点在气门弹簧座上平面。

为了增加反射激光的效果，弹簧座上平面涂上油漆。

由于罩壳油气较重，为了减少油气对激光束的干扰，用铅丝堵住该缸排气摇臂的出油孔，并将高压气管固定在测量的弹簧上座附近，利用高压气流使油气不易积聚。

由于缸压力传感器和台架传感器分属两个测量系统，本次试验未能把激光测距的转角信号转化为台架系统的转角信号，因此排气管背压、涡前背压及蝶阀前背压均记录的是峰值压力，未能记录发动机一个循环的瞬态压力数据。

试验规如下：

1）发动机正常暖车，油温达95℃，水温达80℃后停车；

2）改装：

换装假喷油器，安装缸压力传感器；

3）开始测试：

从2600rpm起每200rpm降低转速，每个转速点均需完成下列四个状态的测试：

发动机倒拖不制动；仅蝶阀制动；制动器+蝶阀制动；仅制动器制动；

工况及测量量见下：

工作状态

工作转速/rpm（依次进行转速切换）

记录要求

2600

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

发动机倒拖不制动

测量容

转速

连续记录30s

仅蝶阀制动

制动功率及扭矩,

制动器+蝶阀制动

1、3、4、5、6缸排气管出口压力，蝶阀前压力及温度，1-3缸涡前总排压及总排温

仅制动器制动

缸压力，气门升程，凸轮轴转角信号

由于试验过程热车后需拆装喷油器及接块，且测试过程中发动机不工作，测量结果一定程度上会受发动机变冷的影响。

5试验容与结果

5.1制动功率及背压、温度

图表中，紫色线条代表全制动工况，即缸制动器和蝶阀均工作（Bleeder+EBbrake），蓝色线条代表仅蝶阀制动工况（EBBrake），黄色线条代表仅缸制动器制动工况（Bleederbrake），绿色线条代表制动器和蝶阀均不工作，发动机倒拖（nobraking）。

图1

图2

表1

转速/

rpm

制动功率/kW

制动扭矩/Nm

EB

Bleeder+EB

Bleeder

Friction

EB

Bleeder+EB

Bleeder

Friction

2600

184.4

234.6

110.1

82.0

674.2

862.4

403.3

301.1

2400

160.1

197.8

98.0

68.4

635.8

788.3

390.2

271.3

2200

137.0

159.0

84.8

52.0

594.4

693.0

368.2

226.0

2000

114.9

124.9

68.6

41.4

548.4

596.8

327.5

197.9

1800

92.1

109.9

57.1

32.5

488.6

584.0

303.2

172.5

1600

73.9

92.5

51.5

26.1

441.9

553.2

307.5

155.9

1400

59.6

73.7

34.7

20.6

405.4

502.4

236.9

140.8

1200

48.2

56.7

29.4

16.1

383.5

451.1

233.6

127.7

从测试结果看，制动功率及扭矩随转速增高而增大，且制动功率随转速升高上升趋势增大。

标定转速2200rpm制动功率达159kW，达到设计要求。

对比三种制动方式可知，相同转速下制动功率：

全制动＞仅蝶阀制动＞仅制动器制动。

5.2制动背压

图3

表2

转速

第三缸排气管口压力（表压）/kPa

蝶阀前排压（表压）/kPa

1-3缸总排压（表压）/kPa

rpm

EBbrake

Bleeder+EBbrake

Bleederbrake

Friction

EBbrake

Bleeder+EBbrake

Bleederbrake

Friction

EBbrake

Bleeder+EBbrake

Bleederbrake

Friction

2600

413.1

375.2

76.7

53.8

408.9

375.8

4.5

3.3

388.5

348.5

71.2

48.0

2400

400.4

357.9

65.3

48.6

397.3

358.1

3.5

2.9

378.4

329.4

59.2

43.4

2200

396.1

356.6

60.8

41.9

394.3

358.3

3.4

2.5

359.4

322.7

55.1

36.4

2000

381.3

341.4

52.3

39.3

376.8

341.7

2.7

2.4

357.9

312.4

46.9

35.3

1800

366.9

319.7

43.0

33.5

361.2

316.9

2.4

2.0

346.0

295.0

37.9

30.6

1600

356.5

296.3

40.0

27.8

350.4

292.5

2.2

1.7

340.0

277.9

35.4

25.3

1400

344.8

253.6

29.5

24.0

336.7

249.0

1.7

1.4

328.4

238.5

24.6

21.1

1200

336.3

214.7

23.9

18.2

326.8

212.3

1.5

1.1

320.3

202.1

19.5

15.3

根据开发要求，发动机制动系统背压设计要求为≤3.2bar（图中白色虚线）2200rpm，背压过高会引起非制动排气门浮动，可能对非制动排气门的可靠性和耐久性产生影响。

从试验数据看，全制动状态下，1800rpm时蝶阀前背压已经达到317kPa，而2200rpm时背压达到358kPa，超过设计限制约0.4bar；后续的气门升程测试证实了高背压已经导致非制动排气门有较大浮动。

SC9DF排气门弹簧的设计背压为3.2bar，即在预紧状态下，排气管作用在排气门背面的压力和缸作用在排气门上的压力最大允许压差为3.2bar，否则背压将克服弹簧预紧力，引起气门浮动。

最理想的试验方法应同时测量非制动排气门两侧瞬态压差，即瞬态缸压力和排气管口压力之差，本次试验由于条件限制，未能测量排气管口瞬态压力对应转角相位的压力变化，而记录的仅是稳态压力，因此无法结合缸压力曲线的变化量化分析非制动排气门两侧瞬态压差对气门浮动时刻和大小的影响。

仅蝶阀制动时的蝶阀前背压和排气管总背压均高于全制动即有一个排气门打开时的背压，因此造成的气门浮动会更大，这在后续的气门升程测试中也得到了证实。

仅有缸制动器工作时的背压较之非制动倒拖略高，对非制动排气门不会产生影响。

根据JVS的试验结果，在相同转速下，一缸和六缸非制动排气门会有不同的最大浮动量。

而考虑排气管始终充满高背压废气，而气缸压力在活塞下行两个冲程中不断降低，可以认为各缸非制动排气门的浮动大小主要受排气管口处背压影响，因此本次试验同时监测了除第二缸外的其它各缸排气管口压力（第二缸因传感器数量不够未测）。

全制动状态及仅蝶阀制动状态下各缸排气管口压力见图4。

图4

转速

第一缸排气管口压力（表压）/kPa

第三缸排气管口压力（表压）/kPa

第四缸排气管口压力（表压）/kPa

第五缸排气管口压力（表压）/kPa

第六缸排气管口压力（表压）/kPa

rpm

EBbrake

Bleeder+EBbrake

EBbrake

Bleeder+EBbrake

EBbrake

Bleeder+EBbrake

EBbrake

Bleeder+EBbrake

EBbrake

Bleeder+EBbrake

2600

406.7

367.7

413.1

375.2

428.7

390.4

414.0

379.4

414.3

379.2

2400

398.2

353.9

400.4

357.9

415.2

372.9

403.3

363.9

406.0

365.5

2200

394.2

356.1

396.1

356.6

405.8

371.0

398.6

363.7

399.6

365.5

2000

380.4

341.5

381.3

341.4

390.0

355.8

385.2

352.1

384.4

352.5

1800

367.7

321.6

366.9

319.7

374.4

330.8

372.6

328.0

371.4

327.4

1600

359.7

299.3

356.5

296.3

361.9

304.5

360.6

301.7

359.8

301.9

1400

348.2

256.5

344.8

253.6

349.9

261.1

347.1

256.7

348.4

259.0

1200

340.1

218.8

336.3

214.7

340.7

220.8

337.1

217.4

339.1

219.1

由测量结果看，随转速的升高，各缸排气管口压力也相差越大，2600rpm时一四缸约相差0.3bar。

此证明了存在各缸非制动排气门浮动不同的可能性。

5.3排温

转速

1-3缸总排温/℃

蝶阀前总排温/℃

rpm

EBbrake

Bleeder+EBbrake

Bleederbrake

Friction

EBbrake

Bleeder+EBbrake

Bleederbrake

Friction

2600

205.9

443.9

273.4

115.0

186.6

398.9

234.5

93.0

2400

205.0

380.5

218.7

108.0

186.9

337.8

179.1

93.0

2200

209.9

272.6

236.2

74.0

184.3

229.3

206.0

58.0

2000

198.0

326.2

255.1

115.0

178.4

279.5

213.4

105.0

1800

217.7

309.2

214.7

115.0

195.6

273.6

186.8

106.0

1600

251.3

330.6

282.5

101.0

236.8

301.7

274.6

99.0

1400

272.3

323.9

173.1

134.0

261.8

302.5

193.4

142.0

1200

265.9

285.4

167.6

107.0

262.4

271.4

182.7

113.0

从测试结果看，各制动状态下的涡轮前排温和蝶阀前排温均原低于发动机允许的极限排温700℃。

但是考虑实际用户使用中可能存在长下坡需长时间开起制动系统，在长时间较高排温下气门和喷油器的可靠性是否会受影响还有待验研究，需安排耐久试验验证。

5.4气门升程及缸压力

本次试验测量的是第三缸非制动排气门升程及缸压力。

气门升程及缸压力如下四幅图所示。

由于油气、振动对激光测距仪的测量会产生影响，气门升程的测量出现最大升程随转速而变化的现象，即桃峰高度不统一，因此桃峰附近的升程测量仅做参考；但是在较低升程围，测量是可靠的，因此测得的气门浮动数据是可信的。

图中白色虚线代表理论最大升程凸轮轴转角，蓝色虚线代表临缸排气门开起处凸轮轴转角位置，黄色虚线代表进气门开启处凸轮转角位置。

缸压力测量值为表压。

排气门最大升程

进气门开起

临缸排气

排气门最大升程

进气门开起

临缸排气

转速/rpm

2600

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

Bleeder+EBbrake

浮动/mm

3.0

2.5

1.5

1.5

1.0

0.4

0.2

0.1

EBbrake

3.4

2.8

2.6

1.9

1.3

0.9

0.5

0.4

5.4.1气门浮动及相位

由测量结果可知，全制动及仅蝶阀制动工况下，非制动排气门发生浮动，随转速升高浮动加大，且即使在1200rpm的低转速下，浮动仍然存在；相同转速下，仅蝶阀制动工况气门浮动更严重。

非制动工况及仅蝶阀制动工况无气门浮动。

9DF排气管为两段式，1-3缸共用一根排气管，4-6缸共用一根排气管，考虑发动机排气型式为1-5-3-6-2-4，及各缸排气凸轮对应转角，各缸排气相差凸轮相位角如下：

发动机发火顺序/凸轮转角°

缸数

1

5

3

6

2

4

第一缸上止点时最大升程相位

126

186

246

306

6（+360）

66（+360）

排气延后角（1缸为基准）

0

60

120

180

240

300

P合=P背压-P缸

P背压

P缸

即一缸排气后，三缸延后120°凸轮轴转角排气，二缸延后240°凸轮转角排气，如此循环。

由全制动及仅蝶阀制动的数据图表可知，气门浮动基本在最大升程后120°凸轮转角左右开始，然后推后20°凸轮转角左右达到最大。

在240°凸轮转角位置气缸压力已经出现负压，而蝶阀的关闭使排气管路形成封闭环境，各缸受其它缸排气脉冲影响，在非制动排气门背面形成高背压的合力，使得其发生浮动。

从气门升程看，蝶阀关闭后反跳十分严重，但是由于本次试验为安装加速度传感器，无法测量非制动排气门的反跳落座速度。

后续应安排耐久试验测试排气制动工况下发动机尤其是配气机构的可靠性。

5.4.2缸压力

由缸压力曲线图可知，在大约凸轮转角150°（排气上止点前30°凸轮转角），全制动及仅蝶阀制动工况下的缸压力曲线有一段凸起，而仅缸制动器制动或非制动倒拖工况下无此现象。

该转角是进气门开起的位置，说明受高背压的影响，有部分排气在进气冲程倒灌入气缸。

仅蝶阀制动工况下缸压力峰值随转速的变化非常明显，而全制动或仅制动器制动时的缸压力峰值对转速的变化要

5.5示功图

6试验结论