廖林清，柯晶晶，謝 明，符 亮

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室;b.重慶汽車學(xué)院，重慶 400054)

發(fā)動機速度特性是在試驗臺架上測出來的，轉(zhuǎn)矩特性是速度特性的一個重要方面。試驗因素的不確定性導(dǎo)致測試結(jié)果不能很好地接近理論值，得到的發(fā)動機特性圖與理想情況有一定差異，難以理解和運用［1］。因此，對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行詳細(xì)分析，完善汽車驅(qū)動力圖及其他相關(guān)圖形，使汽車相關(guān)理論更加直觀、易懂，更有利于對汽車動力性的分析。

1 轉(zhuǎn)矩特性分析及驅(qū)動力等圖形的修正

1.1 轉(zhuǎn)矩特性分析

某汽車發(fā)動機的外特性及部分負(fù)荷特性下的轉(zhuǎn)矩曲線如圖1所示。從圖中可以看到，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線后段都停留在“半空中”，沒有與轉(zhuǎn)速軸相交，這不合理。在從0～100%的任一油門開度下，不給發(fā)動機施加任何負(fù)載時，發(fā)動機都有一個空載轉(zhuǎn)速。例如，保持發(fā)動機空載，節(jié)氣門全開，發(fā)動機會有一個最高空載轉(zhuǎn)速，而在轉(zhuǎn)矩特性圖中看不出這一點。這是因為:發(fā)動機特性圖是通過試驗得到的，對某一特定的發(fā)動機，它都有設(shè)計工況點(或稱標(biāo)定工況)。所謂工況的標(biāo)定，是指制造廠商根據(jù)內(nèi)燃機產(chǎn)品的性能和用途，規(guī)定該產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下所輸出的有效功率及對應(yīng)的轉(zhuǎn)速［2］。在進(jìn)行試驗時，發(fā)動機都是在有限的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)正常運行，超出了標(biāo)定轉(zhuǎn)速發(fā)動機就會發(fā)出轟鳴聲，此時若轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加會損壞發(fā)動機，影響其使用壽命，試驗裝置會發(fā)出警報聲，因此不宜再使發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加。所以，圖1中的發(fā)動機轉(zhuǎn)速到了標(biāo)定轉(zhuǎn)速后不再增加，導(dǎo)致扭矩曲線和橫軸不會相交。然而，在進(jìn)行理論研究時，應(yīng)當(dāng)全面考慮發(fā)動機工況，對特性圖加以修正。汽車?yán)碚摻滩闹械钠囼?qū)動力－行駛阻力平衡圖顯示:有些擋位的驅(qū)動力曲線和阻力曲線沒有交點，這樣就體現(xiàn)不出汽車在該擋位行駛時所能達(dá)到的最高車速;若驅(qū)動力曲線始終在阻力曲線上方，則汽車會一直加速，而該圖中的最高車速就是曲線末端的車速，這顯然不合理，因此應(yīng)對該圖形加以修正。另外，汽車的加速度和汽車所能爬上的最小到最大坡度是連續(xù)而非間斷的，所以這些相關(guān)圖形都應(yīng)加以完善。

圖1 發(fā)動機外特性及部分負(fù)荷特性下的轉(zhuǎn)矩曲線

1.2 外特性圖及相關(guān)圖形的修正

根據(jù)以上分析，從發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)出發(fā)［4］，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合插值，繪出發(fā)動機外特性曲線，如圖2所示。

圖2 修正后的發(fā)動機外特性曲線

以及汽車行駛方程式，對驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖進(jìn)行修正，如圖3所示。

從圖3中可以看到，F(xiàn)t5曲線和Ff+Fw曲線的交點所對應(yīng)的速度就是umax，虛線部分是部分開度下的5擋驅(qū)動力曲線［1］。從中還可以看出汽車在不同擋位行駛時所能達(dá)到的最大速度。由汽車的行駛方程式得

圖3 修正后的某汽車驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖

在計算加速度時，假設(shè)Fi=0，根據(jù)式(3)算出各擋節(jié)氣門全開時的加速度曲線，如圖4所示。

圖4 修正后的汽車加速度曲線

根據(jù)汽車行駛方程，假設(shè)du/dt=0，則坡度

轉(zhuǎn)化成度數(shù)，即為

根據(jù)式(4)，修正后的爬坡度如圖5所示。

圖5 修正后的某汽車爬坡度

從圖5可看出汽車各擋所能爬上的最大坡度，并且每擋的爬坡度都是連續(xù)的，符合實際情況。轎車的低擋驅(qū)動力是用以獲得良好的加速性能的，所以計算中求得的爬坡度很大，大大超出實際要求的爬坡能力。因此，對于轎車而言，1擋一般不是按照上坡能力設(shè)計，而是按照加速能力設(shè)計［3］。

2 輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線分析

從圖1可以看到，在大油門開度下，曲線先升后降，在中小油門開度下曲線都是下降的。在這里需指出:曲線上升區(qū)間是非穩(wěn)定工作區(qū)，汽車在行駛過程中，發(fā)動機不會在此區(qū)間工作;而曲線的下降部分都是穩(wěn)定工作區(qū)域，汽車行駛時發(fā)動機在此區(qū)間工作。下面以某一油門開度下的轉(zhuǎn)矩特性為對象進(jìn)行具體分析。

如圖6所示，曲線Ttq為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性曲線，曲線Tr為負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線。只有當(dāng)發(fā)動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩Ttq與工作機械消耗的轉(zhuǎn)矩Tr相等時，兩者才能在一定轉(zhuǎn)速下按一定功率穩(wěn)定工作［2］。在最大轉(zhuǎn)矩點右端，點r、s、t為穩(wěn)定工作點，發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。設(shè)s點為原穩(wěn)定工作點，Ttq=Tr，對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為ns。當(dāng)汽車下坡時，阻力特性曲線會平移下降到T'r，即阻力矩減小時，原來的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq＞Tr，轉(zhuǎn)速會上升，工況點將會沿特性曲線右移到達(dá)新平衡點t;當(dāng)汽車上坡時，阻力特性曲線平移上升到T″r，即阻力矩增大時，原來的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq＜Tr，轉(zhuǎn)速會下降，工況點將會沿特性曲線左移到達(dá)新平衡點r。

圖6 輸出與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性分析

然而，在最大轉(zhuǎn)矩點左端，情況卻相反。如圖7所示，設(shè)f點為當(dāng)前穩(wěn)定工作點，Ttq=Tr，對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為nf。當(dāng)阻力特性曲線下降為T'r，即阻力矩減小時，原來的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq＞Tr，轉(zhuǎn)速會上升，工況點應(yīng)該沿特性曲線右移到達(dá)某一新平衡點，而在圖7中穩(wěn)定工作點卻向左到達(dá)e點，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，發(fā)動機轉(zhuǎn)速還在下降，這是不合理的。同理，當(dāng)阻力特性曲線上升為T″r，即阻力矩增大時，原來的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq＜Tr，轉(zhuǎn)速會下降，工況點應(yīng)該沿特性曲線左移到達(dá)某一新平衡點，而在圖7中工作點卻向右到達(dá)g點，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速還在上升，這也不合理。

圖7 輸出與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性分析

由以上分析可得，汽車在行駛過程中，不會在圖7中所示的最大轉(zhuǎn)矩點的左端這一區(qū)間穩(wěn)定工作。從轉(zhuǎn)矩特性圖中可以看到，隨油門開度的減小，最大轉(zhuǎn)矩點會左移，其右邊區(qū)域都是工作區(qū)。汽車在行駛過程中，通常是在中小油門開度下運行，即都會在穩(wěn)定區(qū)工作，符合上述分析。

在驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖中，若考慮坡道阻力，則阻力曲線會平行上移，如圖8所示。

圖8 不同阻力下的驅(qū)動力－阻力平衡圖

圖8中分別畫出了汽車在坡度為0.23和0.40的坡道上行駛時的阻力曲線，根據(jù)阻力曲線可以得出:

1)汽車在爬坡時，應(yīng)該降低擋位提高驅(qū)動力，否則爬不上去。比如要爬上22.6°的坡，只能選用1擋或2擋。

2)轉(zhuǎn)矩特性曲線左端是非穩(wěn)定工作區(qū)，從圖中看到，若遇到38.0°的坡，則只能選用1擋爬坡，這時候會有2個穩(wěn)定工作點，對應(yīng)2個穩(wěn)定速度，這不符合實際。所以，轉(zhuǎn)矩曲線最大轉(zhuǎn)矩點右端才是穩(wěn)定工作區(qū)。

3 結(jié)束語

對發(fā)動機特性進(jìn)行了分析，修正了汽車驅(qū)動力圖、加速度圖、爬坡度圖，對實際駕駛中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋。

指出了發(fā)動機特性曲線最大轉(zhuǎn)矩點左端區(qū)間為不穩(wěn)定工況，汽車在實際行駛中不會在此區(qū)間工作。該結(jié)果為汽車動力學(xué)相關(guān)研究提供理論參考，同時也對汽車?yán)碚撝R的完善起了一定的推動作用。

后續(xù)研究包括完善發(fā)動機模型，對以油門開度和轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)、以輸出轉(zhuǎn)矩為縱坐標(biāo)的發(fā)動機特性曲面進(jìn)行分析，考慮等功率下如何合理選擇擋位的問題，更加深入地研究汽車動力性和燃油經(jīng)濟性。

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