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密級 SC9DF排氣制動性能試驗報告 報告編號：SSB- 合同編號： 上海柴油機股份有限公司 技術中心 二○○八年十二月十一日 試驗分類 排氣制動 工作命令 研發(fā)08-215 試驗編號 試驗部門 研發(fā)中心 型 號 SC9DF375Q3 機 號 試驗地點 A4試車房 試驗日期 12.28-12.02 上海柴油機股份有限公司 報告編號 名 稱SC9DF排氣制動性能試驗報告 技 術 職 稱 簽 字 日 期 報 告 分 發(fā) 負責試驗 1.114資料室 參加人員 2.技術測量室 3.114開發(fā)室 編 寫 4.試驗負責單位 校 對 5.分管主任 審 核 認可會簽 審 定 批 準 摘 要 目的： 測量SC9DF發(fā)動機泄氣制動器系統(tǒng)不同工況下的制動功率、背壓、排溫等數(shù)據(jù)，評估制動性能表現(xiàn)。 結果： 1. 測量各制動工況下的氣門升程、缸內(nèi)壓力，分析制動工況對氣門運動規(guī)律，尤其是浮閥的影響，為評估排氣制動對氣門的影響提供依據(jù)。 1. 標定轉(zhuǎn)速下的制動功率達到設計要求，1600rpm制動功率由于背壓限制，未達到設計要求。制動功率曲線和JACOBS試驗所得數(shù)據(jù)較為一致。但是設計目標制動功率的達到是以超過設計限制背壓的方式達到的，引起了氣門浮動。 2. 非泄氣制動排氣門在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均有浮閥現(xiàn)象發(fā)生，且隨轉(zhuǎn)速升高氣門浮動最大升程增大。但浮閥不會導致排氣門和活塞相撞。 措施： 1．安排9DF制動耐久試驗，考核制動系統(tǒng)及發(fā)動機（主要是配氣機構）制動工況下的可靠性。 1 前言 SC9DF發(fā)動機 2 泄氣制動系統(tǒng)工作原理 排氣門常開 高背壓 進油口 執(zhí)行活塞 泄氣制動器 蝶閥 泄氣制動系統(tǒng)工作時，缸內(nèi)制動器(Bleeder Brake)使排氣門保持一個微小的開度，同時增壓器后的蝶閥(Exhaust Brake, EB)關閉使排氣管內(nèi)建立高背壓，從而使活塞泵氣做功，排氣門對壓縮氣體進行節(jié)流，消耗曲軸的能量，實現(xiàn)制動。 具體制動 兩極制動力 3 試驗對象及主要測試設備 3.1 發(fā)動機型號: SC9DF375Q3型增壓中冷四氣門柴油機，裝配缸內(nèi)泄氣制動器及蝶閥 氣缸數(shù)缸徑行程: 6114144(mm) 型式: 四沖程、直噴式、空－空中冷 排量：8.9L 3.2 測量設備 試驗室 序號 儀器名稱 型號 生產(chǎn)廠商 A4 1 電力測功機 APA4Z4/E/2801 AVL 2 油耗儀 AVL735 AVL 3 信號采集儀 WAVEBOOK516E HUNGARY 4 激光測距儀 optoNCDT1607 GERMANY 5 轉(zhuǎn)角編碼器 ROTARY ENCODER NIDEC NEMICON CORP. 4 試驗條件與方法 4.1試驗日期：2008年11月28日～2008年12月2日 4.2試驗地點：上柴試驗試制A4試驗室 4.3試驗現(xiàn)場環(huán)境狀況： 室溫：t=10-15℃，大氣壓力：P0=102.5～104kPa 相對濕度： 由于該冷起動室無濕度計，所以無法測量濕度值。 4.4試驗方法 本試驗測量內(nèi)容有兩部分，一部分測量表征發(fā)動機制動系統(tǒng)制動能力的制動功率、扭矩以及相應的排氣門出口壓力，排氣總壓力、溫度及蝶閥前背壓、溫度；另一部分測量反映非制動排氣門正時與運動規(guī)律，尤其是受排氣制動影響導致的浮動升程。試驗通過倒拖法測定發(fā)動機制動系統(tǒng)的制動功率，并同時測量各壓力、溫度以及氣門升程、轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。 本次試驗測量了第三缸缸內(nèi)壓力及該缸非制動排氣門氣門升程。缸內(nèi)壓力測量利用仿噴油器外形的墊塊替代噴油器，以供缸壓傳感器引出壓力量。氣門升程測量采用激光測距儀，根據(jù)測距儀安裝要求，通過支架安裝在搖臂軸座上，測量落點在氣門彈簧座上平面。為了增加反射激光的效果，彈簧座上平面涂上油漆。由于罩殼內(nèi)油氣較重，為了減少油氣對激光束的干擾，用鉛絲堵住該缸排氣搖臂的出油孔，并將高壓氣管固定在測量的彈簧上座附近，利用高壓氣流使油氣不易積聚。 由于缸內(nèi)壓力傳感器和臺架傳感器分屬兩個測量系統(tǒng)，本次試驗未能把激光測距的轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)化為臺架系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角信號，因此排氣管背壓、渦前背壓及蝶閥前背壓均記錄的是峰值壓力，未能記錄發(fā)動機一個循環(huán)的瞬態(tài)壓力數(shù)據(jù)。 試驗規(guī)范如下： 1） 發(fā)動機正常暖車，油溫達95℃，水溫達80℃后停車； 2） 改裝：換裝假噴油器，安裝缸內(nèi)壓力傳感器； 3） 開始測試：從2600rpm起每200rpm降低轉(zhuǎn)速，每個轉(zhuǎn)速點均需完成下列四個狀態(tài)的測試：發(fā)動機倒拖不制動；僅蝶閥制動；制動器+蝶閥制動；僅制動器制動； 工況及測量量見下： 工作狀態(tài) 　 工作轉(zhuǎn)速/rpm（依次進行轉(zhuǎn)速切換） 記錄要求 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 發(fā)動機倒拖不制動 測量內(nèi)容 轉(zhuǎn)速 連續(xù)記錄30s 僅蝶閥制動 制動功率及扭矩, 制動器+蝶閥制動 1、3、4、5、6缸排氣管出口壓力，蝶閥前壓力及溫度，1-3缸渦前總排壓及總排溫 僅制動器制動 缸內(nèi)壓力，氣門升程，凸輪軸轉(zhuǎn)角信號 由于試驗過程熱車后需拆裝噴油器及接塊，且測試過程中發(fā)動機不工作，測量結果一定程度上會受發(fā)動機變冷的影響。 5 試驗內(nèi)容與結果 5.1 制動功率及背壓、溫度 圖表中，紫色線條代表全制動工況，即缸內(nèi)制動器和蝶閥均工作（Bleeder+EB brake），藍色線條代表僅蝶閥制動工況(EB Brake)，黃色線條代表僅缸內(nèi)制動器制動工況(Bleeder brake)，綠色線條代表制動器和蝶閥均不工作，發(fā)動機倒拖(no braking)。 圖1 圖2 表1 轉(zhuǎn)速/ rpm 制動功率/kW 制動扭矩/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 從測試結果看，制動功率及扭矩隨轉(zhuǎn)速增高而增大，且制動功率隨轉(zhuǎn)速升高上升趨勢增大。標定轉(zhuǎn)速2200rpm制動功率達159kW，達到設計要求。對比三種制動方式可知，相同轉(zhuǎn)速下制動功率：全制動＞僅蝶閥制動＞僅制動器制動。 5.2 制動背壓 圖3 表2 轉(zhuǎn)速 第三缸排氣管口壓力(表壓)/kPa 蝶閥前排壓(表壓)/kPa 1-3缸總排壓(表壓)/kPa rpm EB brake Bleeder +EB brake Bleeder brake Friction EB brake Bleeder +EB brake Bleeder brake Friction EB brake Bleeder +EB brake Bleeder brake 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 根據(jù)開發(fā)要求，發(fā)動機制動系統(tǒng)背壓設計要求為≤3.2bar（圖中白色虛線）@2200rpm，背壓過高會引起非制動排氣門浮動，可能對非制動排氣門的可靠性和耐久性產(chǎn)生影響。從試驗數(shù)據(jù)看，全制動狀態(tài)下， 1800rpm時蝶閥前背壓已經(jīng)達到317kPa，而2200rpm時背壓達到358kPa，超過設計限制約0.4bar；后續(xù)的氣門升程測試證實了高背壓已經(jīng)導致非制動排氣門有較大浮動。 SC9DF排氣門彈簧的設計背壓為3.2bar，即在預緊狀態(tài)下，排氣管內(nèi)作用在排氣門背面的壓力和缸內(nèi)作用在排氣門上的壓力最大允許壓差為3.2bar，否則背壓將克服彈簧預緊力，引起氣門浮動。最理想的試驗方法應同時測量非制動排氣門兩側瞬態(tài)壓差，即瞬態(tài)缸內(nèi)壓力和排氣管口壓力之差，本次試驗由于條件限制，未能測量排氣管口瞬態(tài)壓力對應轉(zhuǎn)角相位的壓力變化，而記錄的僅是穩(wěn)態(tài)壓力，因此無法結合缸內(nèi)壓力曲線的變化量化分析非制動排氣門兩側瞬態(tài)壓差對氣門浮動時刻和大小的影響。 僅蝶閥制動時的蝶閥前背壓和排氣管總背壓均高于全制動即有一個排氣門打開時的背壓，因此造成的氣門浮動會更大，這在后續(xù)的氣門升程測試中也得到了證實。 僅有缸內(nèi)制動器工作時的背壓較之非制動倒拖略高，對非制動排氣門不會產(chǎn)生影響。 根據(jù)JVS的試驗結果，在相同轉(zhuǎn)速下，一缸和六缸非制動排氣門會有不同的最大浮動量。而考慮排氣管內(nèi)始終充滿高背壓廢氣，而氣缸壓力在活塞下行兩個沖程中不斷降低，可以認為各缸非制動排氣門的浮動大小主要受排氣管口處背壓影響，因此本次試驗同時監(jiān)測了除第二缸外的其它各缸排氣管口壓力（第二缸因傳感器數(shù)量不夠未測）。全制動狀態(tài)及僅蝶閥制動狀態(tài)下各缸排氣管口壓力見圖4。 圖4 轉(zhuǎn)速 第一缸排氣管口壓力(表壓)/kPa 第三缸排氣管口壓力(表壓)/kPa 第四缸排氣管口壓力(表壓)/kPa 第五缸排氣管口壓力(表壓)/kPa 第六缸排氣管口壓力(表壓)/kPa rpm EB brake Bleeder +EB brake EB brake Bleeder +EB brake EB brake Bleeder +EB brake EB brake Bleeder +EB brake EB brake Bleeder +EB brake 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 由測量結果看，隨轉(zhuǎn)速的升高，各缸排氣管口壓力也相差越大，2600rpm時一四缸約相差0.3bar。此證明了存在各缸非制動排氣門浮動不同的可能性。 5.3 排溫 轉(zhuǎn)速 1-3缸總排溫/℃ 蝶閥前總排溫/℃ rpm EB brake Bleeder +EB brake Bleeder brake Friction EB brake Bleeder +EB brake Bleeder brake 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 從測試結果看，各制動狀態(tài)下的渦輪前排溫和蝶閥前排溫均原低于發(fā)動機允許的極限排溫700℃。但是考慮實際用戶使用中可能存在長下坡需長時間開起制動系統(tǒng)，在長時間較高排溫下氣門和噴油器的可靠性是否會受影響還有待驗研究，需安排耐久試驗驗證。 5.4 氣門升程及缸內(nèi)壓力 本次試驗測量的是第三缸非制動排氣門升程及缸內(nèi)壓力。 氣門升程及缸內(nèi)壓力如下四幅圖所示。由于油氣、振動對激光測距儀的測量會產(chǎn)生影響，氣門升程的測量出現(xiàn)最大升程隨轉(zhuǎn)速而變化的現(xiàn)象，即桃峰高度不統(tǒng)一，因此桃峰附近的升程測量僅做參考；但是在較低升程范圍內(nèi)，測量是可靠的，因此測得的氣門浮動數(shù)據(jù)是可信的。圖中白色虛線代表理論最大升程凸輪軸轉(zhuǎn)角，藍色虛線代表臨缸排氣門開起處凸輪軸轉(zhuǎn)角位置，黃色虛線代表進氣門開啟處凸輪轉(zhuǎn)角位置。 缸內(nèi)壓力測量值為表壓。 排氣門最大升程 進氣門開起 臨缸排氣 氣門浮動 排氣門最大升程 進氣門開起 臨缸排氣 氣門浮動 轉(zhuǎn)速/rpm 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 Bleeder+EB brake 浮動/mm 3.0 2.5 1.5 1.5 1.0 0.4 0.2 0.1 EB brake 3.4 2.8 2.6 1.9 1.3 0.9 0.5 0.4 5.4.1 氣門浮動及相位 由測量結果可知，全制動及僅蝶閥制動工況下，非制動排氣門發(fā)生浮動，隨轉(zhuǎn)速升高浮動加大，且即使在1200rpm的低轉(zhuǎn)速下，浮動仍然存在；相同轉(zhuǎn)速下，僅蝶閥制動工況氣門浮動更嚴重。非制動工況及僅蝶閥制動工況無氣門浮動。 9DF排氣管為兩段式，1-3缸共用一根排氣管，4-6缸共用一根排氣管，考慮發(fā)動機排氣型式為1-5-3-6-2-4，及各缸排氣凸輪對應轉(zhuǎn)角，各缸排氣相差凸輪相位角如下： 　 發(fā)動機發(fā)火順序/凸輪轉(zhuǎn)角 缸數(shù) 1 5 3 6 2 4 第一缸上止點時最大升程相位 126 186 246 306 6(+360) 66(+360) 排氣延后角（1缸為基準） 0 60 120 180 240 300 P合=P背壓-P缸 P背壓 P缸 即一缸排氣后，三缸延后120凸輪軸轉(zhuǎn)角排氣，二缸延后240凸輪轉(zhuǎn)角排氣，如此循環(huán)。由全制動及僅蝶閥制動的數(shù)據(jù)圖表可知，氣門浮動基本在最大升程后120凸輪轉(zhuǎn)角左右開始，然后推后20凸輪轉(zhuǎn)角左右達到最大。在240凸輪轉(zhuǎn)角位置氣缸內(nèi)壓力已經(jīng)出現(xiàn)負壓，而蝶閥的關閉使排氣管路形成封閉環(huán)境，各缸受其它缸排氣脈沖影響，在非制動排氣門背面形成高背壓的合力，使得其發(fā)生浮動。 從氣門升程看，蝶閥關閉后反跳十分嚴重，但是由于本次試驗為安裝加速度傳感器，無法測量非制動排氣門的反跳落座速度。后續(xù)應安排耐久試驗測試排氣制動工況下發(fā)動機尤其是配氣機構的可靠性。 5.4.2 缸內(nèi)壓力 由缸內(nèi)壓力曲線圖可知，在大約凸輪轉(zhuǎn)角150（排氣上止點前30凸輪轉(zhuǎn)角），全制動及僅蝶閥制動工況下的缸內(nèi)壓力曲線有一段凸起，而僅缸內(nèi)制動器制動或非制動倒拖工況下無此現(xiàn)象。該轉(zhuǎn)角是進氣門開起的位置，說明受高背壓的影響，有部分排氣在進氣沖程倒灌入氣缸。 僅蝶閥制動工況下缸內(nèi)壓力峰值隨轉(zhuǎn)速的變化非常明顯，而全制動或僅制動器制動時的缸內(nèi)壓力峰值對轉(zhuǎn)速的變化要 5.5 示功圖 6 試驗結論