CN106089449A - 排气制动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种排气制动装置，包括由气缸驱动器、制动阀体、制动阀碟片组成的气动排气蝶阀，所述制动阀碟片的两端与制动阀体内壁旋转连接，气缸驱动器安装在制动阀体的一侧，其输出轴驱动制动阀碟片在阀体内旋转；所述制动阀碟片的内翻转侧设置驱动力平衡孔。所述驱动力平衡孔的匹配方法，包括如下步骤：估算制动耗气量；估算驱动力平衡孔孔径；用多个标准截面孔径按等截面替代估算的驱动力平衡孔孔径；计算出多个标准截面孔在制动阀碟片上的分布位置。本发明具有以下优势：本发明提高了单独使用和复合使用排气制动时的排气蝶阀稳定性；本发明通过驱动力平衡孔的匹配方法，提高了制动蝶阀的解决方案适用度。

Description

排气制动装置

技术领域

本发明属于制动装置技术领域，尤其是涉及一种排气制动装置。

背景技术

为满足重装车辆大吨位货物运输需求，不仅要求发动机输出功率高，还要考虑车辆行驶的安全性能配备辅助缓速装置，弥补行车制动频繁使用的高温问题带来的安全带来隐患。我国交通部已下发了相应标准，明确规定了满足一定吨位以上车辆荷载量必须强制装备辅助缓速装置。同时用户方也对辅助缓速系统提出了需求，不仅要求缓速装置有较高制动功率，且同时还期望制动装置具有较高的可靠性品质。

排气制动装置由于其低廉的成本和相对较低的匹配要求，在任意发动机上便可装备。且可满足出厂配套和后期加装这一要求，不经严格的性能匹配便能获得一定的制动功率，受到各厂家和用户的青睐。但是，随着汽车技术的不断发展，汽车载重量的不断提升，对高的制动功率提出了要求。而排气制动利用发动机排气口安装的蝶阀转动将排气管堵死，在发动机气缸内形成可控的排气背压，以增加发动机排气行程的功率消耗。在进一步通过提升排气背压增大制动功的同时，容易引起排气蝶阀达到一定的节流边界，蝶阀驱动缸的平衡被发动机排气气流强力冲破形成持续的气体泄漏，从而降低了实际排气制动功率，给行车带来不安全的隐患。由此可见，受到碟阀驱动气缸品质的限制，目前排气缓速提供的制动功率稳定性差。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种排气制动装置，以提高单独使用和复合使用排气制动时的排气蝶阀稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种排气制动装置，包括由气缸驱动器、制动阀体、制动阀碟片组成的气动排气蝶阀，所述制动阀碟片的两端与制动阀体内壁旋转连接，气缸驱动器安装在制动阀体的一侧，其输出轴驱动制动阀碟片在阀体内旋转；所述制动阀碟片的内翻转侧设置驱动力平衡孔。

进一步的，所述驱动力平衡孔的匹配方法，包括如下步骤：

1)根据发动机排量信息，估算制动耗气量；

2)基于统计边界条件，估算驱动力平衡孔孔径；

3)采取标准等截面替换，用多个标准截面孔径按最小原则等截面替代估算的驱动力平衡孔孔径；

4)依据动量方程和力臂等量换算关系，计算出多个标准截面孔在制动阀碟片上的分布位置。

进一步的，根据制动阀碟片3的壁厚和标准截面孔的孔径设置倒角，通过使用不同的倒角调整标准截面孔的通道长度，使噪声频率控制在发动机10谐次噪声频带范围内。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明提高了单独使用和复合使用排气制动时的排气蝶阀稳定性；

(2)本发明通过驱动力平衡孔的匹配方法，提高了制动蝶阀的解决方案适用度；

(3)本发明通过驱动力平衡孔倒角解决噪声问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述排气制动装置的结构图；

图2为本发明实施例所述排气制动装置的结构图；

图3为本发明实施例所述制动阀碟片的正视图；

图4为本发明实施例所述制动阀碟片的侧视图；

图5为本发明实施例所述制动阀碟片的工作状态图。

附图标记说明：

1-气缸驱动器，2-制动阀体，3-制动阀碟片，4-驱动力平衡孔。

图5中箭头方向为发动机排气方向，a为初始位,b为制动位。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明排气制动装置，如图1至5所示，包括由气缸驱动器1、制动阀体2、制动阀碟片3组成的气动排气蝶阀，所述制动阀碟片3的两端与制动阀体2内壁旋转连接，气缸驱动器1安装在制动阀体2的一侧，其输出轴驱动制动阀碟片3在阀体2内旋转；所述制动阀碟片3的内翻转侧设置驱动力平衡孔4。

气动排气蝶阀的驱动力平衡孔的匹配方法，包括如下步骤：

第一步：估算制动耗气量：根据发动机排量V_s和标定点转速n估算出用于控制在η_p＝40％排气制动效率时的制动耗气量F_ap：

F_ap＝0.06·V_s·ρ₀·n·(1-η_p)

式中：V_s为发动机排量，n为标定点转速，η_p为排气制动效率，ρ₀为发动机进口空气密度。

第二步：估算驱动力平衡孔4的孔径：基于统计边界条件，采取两个边界：额定转速点的排气制动压力P_P＝400kPa、额定工况点排气温度T_P(额定点工况即为柴油机最大功率运行工况，或铭牌标称工况，每台机在出厂交验或电控标定都有设计限制，该值在发动机性能匹配完成后就确定了，可查专业术语。额定工况点排气温度T_P即是柴油机运行在额定工况点时测得的排气出口温度)，估算制动时的排气密度ρ_p与驱动力平衡孔4的孔径A分别如下：

${\mathrm{\ρ}}_P=\frac{28.964\×(P_p-P_0)+18.015\×P_p}{8.31451\×(T_P+273)}$

$A=\frac{F_{ap}\·{\mathrm{\ρ}}_P\·\sqrt{\frac{2P_P}{{\mathrm{\ρ}}_P}}}{2P_P}$

式中：P_P为额定转速点的排气制动压力，ρ_p为制动时的排气密度，T_P为额定工况点排气温度。

边界条件的选择，因为发动机受配气机构匹配的限制背压上限基本为400kPa左右，所以选择排气制动压力P_P＝400kPa，结合制动时的耗气量求出对应发动机制动状态下空气流量的制动阀碟片的驱动力平衡孔的孔径。

第三步：采取标准等截面替换，用多个标准截面孔径按最小原则等截面替代估算的驱动力平衡孔孔径；在保证截面积不变的情况下，用多个5mm标准截面孔径按最小原则等截面替代估算的驱动力平衡孔4的孔径，如图3所示，本实施例计算得到可替代为2个5mm标准截面孔；

因为计算的驱动力平衡孔的孔径为非标准截面孔径不能作为实际开孔使用，计算的驱动力平衡孔在一定范围内其孔径大小与发动机排量成比例，当孔径超出5mm限制时，开孔不能集中于一点，这是由于气缸驱动器1快速驱动气动排气蝶阀突然完全关闭时，排气管中会形成强冲击的气击波，并作用在驱动力平衡孔4的位置辅助气动排气蝶阀关闭更严，由于气缸驱动器1的阻尼臂往返性能特性，即使气击波消减，气缸驱动器1也不会进行恢复动作。使得排气背压变的不可控，仅依赖于制动阀碟片3上的驱动力平衡孔4的开孔截面。所以，采用多个5mm的标准截面孔进行替代。

第四步：依据力臂等量换算关系(即在轴线法向作用面，平衡孔产生的力对轴之距)和动量方程mv＝ft，设计出补偿驱动力的均匀分布标准截面孔的位置，即计算图3中所示两个5mm的标准截面孔的中心距制动阀碟片3轴心的距离L1、L2的长度；用于补充气缸驱动器1快速驱动制动阀碟片3突然完全关闭时，排气管中形成的强冲击气击波作用力。

本部分匹配过程是这样的：

1.气动排气蝶阀的驱动器驱动力F_t匹配：

F_t·R_t＝C_f(M_f+M_s+M_g+M_m)

其中：R_t为制动阀的驱动缸作用力偶臂长度；C_f为蝶阀驱动力设计系数；M_f为制动蝶阀阀芯摩擦力力偶距；M_s为驱动气缸弹簧作用力偶距；M_g为制动时气动力偶距；M_m蝶阀阀芯惯性力偶距。

气击波作用在气动力偶距M_g上。

2.估算气击波产生的最大作用力：

在气动排气蝶阀关闭位置假设为一气击波截面，截面前端为发动机各缸排的气流，存在流速V₁、气体密度ρ₁、压力P₁三个特征；截面后端为发动机气动排气蝶阀的阀口，存在流速V₂、气体密度ρ₂、压力P₂三个特征；依据动量方程有：

${\mathrm{\ρ}}_2{V}_2^2-{\mathrm{\ρ}}_1{V}_1^2=P_1-P_2$

当气动排气蝶阀关闭后，气流滞流时有V₂＝0，对应压差变化为△p＝-ρ₁V₁ ²，对应气击波最大作用力为：

$F_{\mathrm{\Δ}P}=\frac{\mathrm{\Δ}P}{A_P}$

其中：F_△P为气击波最大作用力；A_P为排气口截面积。

3.估算驱动力平衡孔4的作用力F_KP：

由于制动时控制排气管内压力为P_P，气击波作用与蝶阀碟面(即制动阀碟片3)时也会对驱动力平衡孔4作用。因此估算公式为：

$F_{KP}=\frac{P_P+\mathrm{\Δ}P}{A}$

其中：A为多个驱动力平衡孔4的总的截面积，

4.计算力偶臂L1、L2：

由于气击波在气动排气蝶阀关闭瞬间最为严重，因此，此时气击波力偶臂等于排气管半径R，最终获得气击波力偶距M_Fg：

M_Fg＝F_△P·R

对应L1、L2力偶臂为：

$L1+L2=\frac{M_{Fg}}{F_{KP}}.$

还有，为了使阀门蝶片旋转平稳，依据平缓补偿原则，采取距离边沿处优先布置，逐步向内均匀布置，提升排气制动蝶阀驱动作用品质，及将本实施例的两个驱动力平衡孔4设计在一条中心线上，且分布在轴心的一侧。

本发明还采取调整倒角来调整驱动力平衡孔通道长度，改善排气制动时的噪声品质。根据蝶阀壁厚和标准截面孔的孔径设计合适的倒角，解决由于高速气流形成刺耳的高频噪声，提升噪声品质。

通过倒角提高排气蝶阀的驱动力平衡孔4的声品质，具体：

首先，估算发动机运转速度范围内的10谐次内噪声频带；

之后，根据下式估算驱动力平衡孔4产生的噪声频率：

$f=\frac{V_p}{2\mathrm{\π}L}$

式中：V_p为所在截面排气流速，

之后，通过使用不同的倒角调整驱动力平衡孔4的通道长度L，使噪声频率控制在发动机10谐次噪声频带范围内。

本发明根据制动阀碟片3的壁厚和标准截面孔的孔径设置倒角，通过使用不同的倒角调整标准截面孔的通道长度，使噪声频率控制在发动机10谐次噪声频带范围内。

本发明排气蝶阀驱动力平衡孔的工作原理如下：

在低速工况进行制动时，排气制动蝶阀由于驱动气缸1的惯性作用力瞬间彻底关闭时，除制动阀体2本身密封特性造成的排气泄露外，还有驱动力平衡孔4产生持续的空气泄露，在发动机转速快速变化中不至于引起排气管中气体瞬间升高冲破排气制动蝶阀产生一定的开启角，提升了制动工况变化时的排气制动蝶阀的稳定性。

在高速工况进行制动时，此时排气气流相对较大，会由于节流截面的变小使气体流速增加，增大排气制动蝶阀的关闭力，提高对驱动气缸1的驱动要求。通过引入驱动力平衡孔4，在排气管的高压作用，驱动力平衡孔4作为排气制动气流粗调压力配置范围，减小了排气制动蝶阀的驱动匹配范围，提升排气碟阀的匹配品质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.排气制动装置，其特征在于：包括由气缸驱动器(1)、制动阀体(2)、制动阀碟片(3)组成的气动排气蝶阀，所述制动阀碟片(3)的两端与制动阀体(2)内壁旋转连接，气缸驱动器(1)安装在制动阀体(2)的一侧，其输出轴驱动制动阀碟片(3)在阀体(2)内旋转；所述制动阀碟片(3)的内翻转侧设置驱动力平衡孔(4)。

2.根据权利要求1所述的排气制动装置，其特征在于：所述驱动力平衡孔4的匹配方法，包括如下步骤：

1)根据发动机排量信息，估算制动耗气量；

2)基于统计边界条件，估算驱动力平衡孔(4)的孔径；

3)采取标准等截面替换，用多个标准截面孔径按最小原则等截面替代估算的驱动力平衡孔孔径；

4)依据动量方程mv＝ft和力臂等量换算关系，计算出多个标准截面孔在制动阀碟片(3)上的分布位置。

3.根据权利要求2所述的排气制动装置，其特征在于：所述步骤1)中估算制动耗气量F_ap的公式如下：

F_ap＝0.06·V_s·ρ₀·n·(1-η_p)

式中：V_s为发动机排量，n为标定点转速，η_p为排气制动效率，ρ₀为发动机进口空气密度。

4.根据权利要求3所述的排气制动装置，其特征在于：在步骤1)中选择用于控制在η_p＝40％排气制动效率时估算的制动耗气量F_ap。

5.根据权利要求2所述的排气制动装置，其特征在于：所述步骤2)中估算驱动力平衡孔(4)的孔径A的算法如下：

${\mathrm{\ρ}}_P=\frac{28.964\×(P_p-P_0)+18.015\×P_p}{8.31451\×(T_P+273)}$

$A=\frac{F_{ap}\·{\mathrm{\ρ}}_P\·\sqrt{\frac{2P_P}{{\mathrm{\ρ}}_P}}}{2P_P}$

式中：P_P为额定转速点的排气制动压力，ρ_p为制动时的排气密度，F_ap为制动耗气量，T_P为额定工况点排气温度。

6.根据权利要求5所述的排气制动装置，其特征在于：在步骤2)中选择额定转速点的排气制动压力P_P＝400kPa进行估算。

7.根据权利要求2所述的排气制动装置，其特征在于：在步骤3)中选择采用多个5mm的标准截面孔等截面积替代估算的驱动力平衡孔孔径。

8.根据权利要求2所述的排气制动装置，其特征在于：所述步骤4)具体是计算多个标准截面孔的中心距制动阀碟片3轴心的距离，计算步骤如下：

41)估算气击波的最大作用力F_△P为：

气动排气蝶阀关闭位置为一气击波截面，截面前端为发动机各缸排的气流，存在流速V₁、气体密度ρ₁、压力P₁三个特征，

截面前后对应压差变化为：△p＝-ρ₁V₁ ²，

$F_{\mathrm{\Δ}P}=\frac{\mathrm{\Δ}P}{A_P}$

其中：A_P为排气口截面积；

42).估算驱动力平衡孔4的作用力F_KP：

$F_{KP}=\frac{P_P+\mathrm{\Δ}P}{A}$

其中：A为多个驱动力平衡孔4的总的截面积，P_P为制动时控制排气管内压力，

43)计算多个标准截面孔的中心距制动阀碟片3轴心的距离和，即总的力偶臂L：

M_Fg＝F_△P·R，

$L=\frac{M_{Fg}}{F_{KP}},$

式中：R为排气管半径，M_Fg为气击波力偶距。

9.根据权利要求2所述的排气制动装置，其特征在于：多个标准截面孔采取距离边沿处优先布置，逐步向内均匀布置的原则。

10.根据权利要求2所述的排气制动装置，其特征在于：根据制动阀碟片3的壁厚和标准截面孔的孔径设置倒角，通过使用不同的倒角调整标准截面孔的通道长度，使噪声频率控制在发动机10谐次噪声频带范围内。