袁 煥，金大鵬

(湖北理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北黃石435003)

0 引言

汽車在使用過程中，由于起步、升檔、降檔、制動(dòng)、加速、減速等過程的存在，發(fā)動(dòng)機(jī)不可能完全處于穩(wěn)定工況中。由于發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力單元，其性能的好壞直接影響汽車使用過程中的各項(xiàng)性能指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)工況是相對(duì)穩(wěn)定工況而言的，是指發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或油門度中的任意一個(gè)處于變化過程所處的工況。當(dāng)車輛在道路上行駛時(shí)，即使是在高速公路上巡航行使時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速等參數(shù)也處于變動(dòng)狀態(tài)，因此動(dòng)態(tài)工況占整個(gè)運(yùn)行工況的66% ～80%［1－2］。發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)工況下所表現(xiàn)出來的性能特性稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。在發(fā)動(dòng)機(jī)的所有控制變量中，節(jié)氣門開度變化率在汽車加速或減速過程中，與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化情況、燃油經(jīng)濟(jì)性以及有害物排放等都有著密切的聯(lián)系。為了掌握汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度變化率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速、中高轉(zhuǎn)速情況下，以不同節(jié)氣門開度變化率加大節(jié)氣門開度，通過相對(duì)應(yīng)條件下的轉(zhuǎn)矩變化情況來研究發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度變化率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響［3－4］。

1 節(jié)氣門開度變化率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的原因

汽車在動(dòng)態(tài)工況下，節(jié)氣門開度是經(jīng)常變化的。節(jié)氣門開度的變化率對(duì)汽車變速(如水平路面加速)時(shí)刻或變矩(如上坡保持速度恒定)時(shí)刻的動(dòng)力性有較大影響，同時(shí)對(duì)變速或變矩時(shí)刻汽車尾氣排放中有害物含量也有較大影響［5－6］。

目前，我國大多數(shù)轎車均采用的是電控噴油式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。電控噴油式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)吸進(jìn)的汽油包括3部分:①從噴油器出來后直接進(jìn)氣流的油粒及其蒸汽;②附著在氣缸壁上的油膜蒸發(fā)的油蒸汽;③進(jìn)氣門口處殘留的為數(shù)很少的油膜。

可以通過臺(tái)架試驗(yàn)，在恒轉(zhuǎn)速條件下，以不同節(jié)氣門開度變化率加大節(jié)氣門開度，并測(cè)得其相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，從而分析節(jié)氣門開度變化率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響及其原因。

2 節(jié)氣門開度變化率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響

2.1 試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的建立

考慮到節(jié)氣門開度的變化時(shí)，燃油供給量變化存在滯后現(xiàn)象，同時(shí)進(jìn)氣管內(nèi)氣壓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，節(jié)氣門開度變化率必然會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)變速或變矩過程中產(chǎn)生一定的影響［7－9］。假設(shè)在t0～t1時(shí)間段內(nèi)，節(jié)氣門開度的增量為kd(kd可取0～1，1對(duì)應(yīng)的是節(jié)氣門全開)，并且kd與時(shí)間t之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。取微小時(shí)間段△t，在△t時(shí)間段內(nèi)，節(jié)氣門開度的增量為△kd，因此節(jié)氣門開度變化率可表示為［10－11］:

式(1)中k為常數(shù)，為了更為全面的研究節(jié)氣門開度變化率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響，應(yīng)該在某一區(qū)間內(nèi)，取得足夠多的k值?，F(xiàn)取在［0.25，1.5］范圍內(nèi)的4個(gè)k值來研究，即k為0.25，0.5，1.0，1.5。

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)及數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)臺(tái)上模擬變負(fù)載工況，發(fā)動(dòng)機(jī)為恒轉(zhuǎn)速(取 n=1500 r/min，n=1800 r/min，n=2000 r/min 3種情況)工況，取不同節(jié)氣門開度變化率k，節(jié)氣門開度為25%～70%。轉(zhuǎn)速 n=1500 r/min不同節(jié)氣門開度變化率 k時(shí)轉(zhuǎn)矩變化情況如表1所示，n=1500 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化關(guān)系如圖1所示。

表1 轉(zhuǎn)速 n=1500 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時(shí)轉(zhuǎn)矩變化情況 Nm

圖1 n=1500 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化關(guān)系

由圖1可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1500 r/min，節(jié)氣門開度變化率k在0.25～1.5之間的情況下:①以不同節(jié)氣門開度變化率k增大節(jié)氣門開度，發(fā)動(dòng)機(jī)最終轉(zhuǎn)矩都接近恒定值，但節(jié)氣門開度變化率k不同時(shí)，達(dá)到這一恒定轉(zhuǎn)矩的時(shí)間不相同，且節(jié)氣門開度變化率k越大，所需時(shí)間越短;②節(jié)氣門開度變化率k越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的變矩過程越平緩。

轉(zhuǎn)速n=1800 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時(shí)轉(zhuǎn)矩變化情況如表2所示，n=1800 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化關(guān)系如圖2所示。由圖 2可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n=1800 r/min，節(jié)氣門開度變化率k在0.25～1.5之間的情況下:①以不同節(jié)氣門開度變化率k增大節(jié)氣門開度，發(fā)動(dòng)機(jī)最終轉(zhuǎn)矩都接近恒定值，但節(jié)氣門開度變化率k不同時(shí)，達(dá)到這一恒定轉(zhuǎn)矩的時(shí)間不相同，節(jié)氣門開度變化率k越大，所需時(shí)間越短，與 n=1500 r/min時(shí)相比，此時(shí)在不同節(jié)氣門開度變化率k下，達(dá)到恒定轉(zhuǎn)矩所需時(shí)間的差距較小;②節(jié)氣門開度變化率 k越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的變矩過程越平緩，與n=1500 r/min時(shí)相比，這種平緩優(yōu)勢(shì)較小。

表2 轉(zhuǎn)速n=1800 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時(shí)轉(zhuǎn)矩變化情況 Nm

圖2 n=1800 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化關(guān)系

n=2000 r/min不同 k值下轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示，轉(zhuǎn)速n=2000 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時(shí)轉(zhuǎn)矩變化情況如表3所示。由圖3可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n=2000 r/min，節(jié)氣門開度變化率k在0.25～1.5之間的情況下:①以不同節(jié)氣門開度變化率k增大節(jié)氣門開度，發(fā)動(dòng)機(jī)最終轉(zhuǎn)矩都接近恒定值，但節(jié)氣門開度變化率k不同時(shí)，達(dá)到這一恒定轉(zhuǎn)矩的時(shí)間也不相同，節(jié)氣門開度變化率k越大，所需時(shí)間越短，與 n=1500 r/min和n=1800 r/min時(shí)相比，此時(shí)在不同節(jié)氣門開度變化率k下，達(dá)到恒定轉(zhuǎn)矩所需的時(shí)間非常短，基本不明顯;②節(jié)氣門開度變化率k越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的變矩過程越平緩，與n=1500 r/min和n=1800 r/min時(shí)相比，這種平緩優(yōu)勢(shì)非常小。

圖3 n=2000 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化關(guān)系

表3 轉(zhuǎn)速n=2000 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時(shí)轉(zhuǎn)矩變化情況 Nm

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)矩T由節(jié)氣門開度為20%時(shí)的T1增大至節(jié)氣門開度為70%所對(duì)應(yīng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩T2所需的變矩時(shí)間及節(jié)氣門開度增至70%瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)來判定不同節(jié)氣門開度變化率k下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的特點(diǎn)。①在恒轉(zhuǎn)速工況下，隨著節(jié)氣門開度變化率k值的增大，變矩時(shí)間 t越來越短，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩T也越來越小;②在同一節(jié)氣門開度變化率k下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的影響越小;③隨著節(jié)氣門開度增大，節(jié)氣門開度變化率k對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的影響越小。

4 結(jié)論

通過發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)可得出在恒速變矩時(shí)刻(如汽車上坡)前可以適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，加大踩油門力度，使得節(jié)氣門變化率提高，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)從小負(fù)荷向中負(fù)荷變化過程中提供的轉(zhuǎn)矩會(huì)很快上升，以適應(yīng)坡度要求，動(dòng)力較好，但后期汽車發(fā)動(dòng)機(jī)從中負(fù)荷向大負(fù)荷變化過程中提供的轉(zhuǎn)矩上升緩慢且變化不大，動(dòng)力不足。

［1］ 黎蘇，黎曉鷹，黎志勤.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程及控制［M］.北京:人民交通出版社，2001:11－20.

［2］ 沈秀奇.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)用傳動(dòng)軸的選配與安裝［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012(2):76.

［3］ 張志沛.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.北京:人民交通出版社，2003:60－75.

［4］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:1－5.

［5］ 程登良，蔣偉榮，黃志文，等.節(jié)氣門開度傳感器測(cè)控平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2014，33(6): 67－70.

［6］ 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:212－235.

［7］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:117－134.

［8］ 吳克剛，曹建明.發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2002:141－159.

［9］ 樂如峰.車用節(jié)氣門角度傳感器的檢測(cè)臺(tái)架研制［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2012.

［10］ 錢偉康，李峰，錢建秋，等.汽車電子節(jié)氣門的控制策略研究［J］.測(cè)控技術(shù)，2010，29(2):47－51.

［11］ 廖春雨.車用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法與動(dòng)態(tài)性能的研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007.