李光輝,祁同暉,王蘭,王澤宇

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性是表征汽車(chē)性能的重要指標(biāo)[1]，重型牽引車(chē)的加速性能是最重要的動(dòng)力性指標(biāo)，分為起步加速和超越加速[2-4]。影響整車(chē)動(dòng)力性因素較多，主要分為柴油機(jī)性能及傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。柴油機(jī)性能主要包括速度特性、響應(yīng)性和附件消耗功率損失，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)主要包括變速箱擋位和速比、后橋速比、輪胎直徑、驅(qū)動(dòng)形式、傳動(dòng)效率等，其中柴油機(jī)作為整車(chē)動(dòng)力輸出源，對(duì)整車(chē)的加速性能有重要影響[5-8]。

目前重型牽引車(chē)加速性能指標(biāo)沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，不同配置的整車(chē)加速性能差異較大，根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可粗略統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值作為參考評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：1)重型牽引車(chē)全油門(mén)起步加速即由靜止全油門(mén)加速到70 km/h的時(shí)間t1=60 s，認(rèn)為加速性能一般；t1<50 s，認(rèn)為加速性能較好；2)重型牽引車(chē)全油門(mén)超越加速即高擋全油門(mén)由60 km/h 超越加速到90 km/h的時(shí)間t2=65 s，認(rèn)為加速性能一般；t2≤55 s，認(rèn)為加速性能較好[9-11]。工程實(shí)踐中，通常僅關(guān)注車(chē)輛加速時(shí)間，缺少對(duì)加速過(guò)程的細(xì)致分析，對(duì)柴油機(jī)在整車(chē)加速過(guò)程中發(fā)揮的作用不明確。

本文中按照文獻(xiàn)[12]規(guī)定的相關(guān)試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法，利用底盤(pán)測(cè)功機(jī)，測(cè)試配置不同柴油機(jī)的重型牽引車(chē)的加速過(guò)程，分析柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率，研究柴油機(jī)對(duì)整車(chē)性能的影響，進(jìn)一步明確整車(chē)加速過(guò)程，有針對(duì)性地提高整車(chē)動(dòng)力性。

1 車(chē)輛配置

為精準(zhǔn)分析柴油機(jī)性能對(duì)整車(chē)加速性能的影響，在同一輛車(chē)上保持相同傳動(dòng)系統(tǒng)配置，更換不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)試其加速性能。

車(chē)輛總質(zhì)量對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，按照文獻(xiàn)[13]要求，重型牽引車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性指標(biāo)應(yīng)在最大整車(chē)質(zhì)量條件下進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文中以6×4三軸牽引車(chē)為研究對(duì)象，車(chē)輛主要參數(shù)為：車(chē)輛加載總質(zhì)量為49 t，12擋變速箱各擋速比分別為12.158、9.435、7.310、5.770、4.467、3.493、2.724、2.114、1.646、1.293、1.000、0.780，后橋速比為3.7，輪胎型號(hào)為12.0R22.5；車(chē)輛A的發(fā)動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)1，額定功率為368 kW，最大轉(zhuǎn)矩為2500 N·m；車(chē)輛B的發(fā)動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)2，額定功率為430 kW，最大轉(zhuǎn)矩為2200 N·m；2臺(tái)柴油機(jī)分別由2個(gè)不同廠家生產(chǎn)，排量、外特性曲線均不同。在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上測(cè)量最大整車(chē)質(zhì)量下的阻力，分析柴油機(jī)性能對(duì)車(chē)輛超越加速和起步加速性能的影響。

2 柴油機(jī)對(duì)車(chē)輛超越加速性能影響

最高擋位下車(chē)速由60 km/h超越加速到90 km/h的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1a)可知：車(chē)輛A的加速性能優(yōu)于車(chē)輛B，車(chē)速由60 km/h超越加速到90 km/h，車(chē)輛A用時(shí)約52 s，車(chē)輛B用時(shí)約75 s，車(chē)輛A比B快23 s。由圖1 b)、c)可知：2輛牽引車(chē)最高擋超越加速過(guò)程中，車(chē)輛A的輪邊功率持續(xù)高于車(chē)輛B，提供更大動(dòng)力和加速度，車(chē)輛A車(chē)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高更快。

a) 超越加速車(chē)速對(duì)比 b) 超越加速輪邊功率對(duì)比 c)超越加速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比A1—車(chē)輛A第1階段加速開(kāi)始；B1—車(chē)輛B第1階段加速開(kāi)始;A2—車(chē)輛A第2階段加速開(kāi)始;B2—車(chē)輛B第2階段加速開(kāi)始。圖1 超越加速性能對(duì)比

根據(jù)車(chē)輛輪邊功率變化情況，輪邊功率曲線的斜率不同，據(jù)此柴油機(jī)輸出功率可分為2個(gè)階段：第1階段油門(mén)瞬間踩到底，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，車(chē)輛輪邊功率即發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率迅速增加，與車(chē)輛A相比，車(chē)輛B在此階段輸出功率小，花費(fèi)時(shí)間多；第2階段轉(zhuǎn)速和輪邊功率同時(shí)增加，2輛車(chē)功率增加速度相對(duì)于第1階段慢，在每一時(shí)刻，車(chē)輛B輪邊功率小，車(chē)輛加速慢。

超越加速過(guò)程柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖2所示。由圖2可知：車(chē)輛A在第1階段的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎沒(méi)有升高，轉(zhuǎn)速為850 r/min左右，僅用3 s，輸出輪邊功率升高至170 kW，接近此轉(zhuǎn)速的外特性功率；車(chē)輛B的發(fā)動(dòng)機(jī)在第1階段轉(zhuǎn)速升高略多，輸出輪邊功率升高至140 kW(接近此轉(zhuǎn)速的外特性功率)的時(shí)間比車(chē)輛A多10 s；第2階段，整車(chē)輪邊輸出功率接近柴油機(jī)外特性功率，說(shuō)明柴油機(jī)運(yùn)行在外特性。由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速瞬態(tài)變化，轉(zhuǎn)速增加越快，功率輸出越小，此外柴油機(jī)附件、整車(chē)傳動(dòng)功率消耗等導(dǎo)致輪邊功率總是小于發(fā)動(dòng)機(jī)外特性功率。

圖2 超越加速過(guò)程柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

第1階段柴油機(jī)性能表現(xiàn)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)負(fù)荷響應(yīng)能力，油門(mén)突加到100%，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎不變，轉(zhuǎn)矩迅速增加。本次試驗(yàn)過(guò)程中2個(gè)柴油機(jī)為低速負(fù)荷響應(yīng)，對(duì)整車(chē)加速性能產(chǎn)生重要影響。第2階段柴油機(jī)外特性功率轉(zhuǎn)矩對(duì)整車(chē)加速性也有重要影響，外特性功率轉(zhuǎn)矩越大，輸出到車(chē)輛的輪邊功率越大，整車(chē)加速性越好。

為進(jìn)一步驗(yàn)證外特性功率轉(zhuǎn)矩對(duì)整車(chē)加速性影響，重新標(biāo)定1臺(tái)柴油機(jī)外特性功率轉(zhuǎn)矩進(jìn)行試驗(yàn)，柴油機(jī)外特性功率對(duì)輪邊功率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，外特性功率曲線不夠豐滿，存在功率凹坑；在全油門(mén)超越加速過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)整車(chē)的輪邊功率曲線分為3段，轉(zhuǎn)速大于900 r/min后，功率增速放緩，明顯削弱前期的加速能力。

圖3 柴油機(jī)外特性功率對(duì)輪邊功率影響

柴油機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)荷響應(yīng)性可以在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通常稱(chēng)為階躍試驗(yàn)，采用測(cè)功機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)變化，油門(mén)突增至100%，記錄柴油機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩變化情況。柴油機(jī)1、2在低轉(zhuǎn)速時(shí)的階躍曲線對(duì)比如圖4所示。由圖4可知：柴油機(jī)1的輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度比柴油機(jī)2快，這是車(chē)輛A在第1階段加速更快的主要原因，與圖2過(guò)程相符，柴油機(jī)1可以更迅速地動(dòng)態(tài)響應(yīng)至外特性功率附近。

圖4 臺(tái)架階躍性能對(duì)比

柴油機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)荷響應(yīng)是典型的柴油機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行過(guò)程，此過(guò)程中燃燒良好是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)動(dòng)力性的重要保證。通常根據(jù)柴油機(jī)煙度控制供油速率，保證柴油機(jī)燃燒充分，煙度排放較少[14-16]。在柴油機(jī)負(fù)荷突變的過(guò)程中，根據(jù)進(jìn)氣能力，適當(dāng)控制柴油機(jī)噴油量，從而控制輸出功率。在柴油機(jī)開(kāi)發(fā)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)減少進(jìn)氣阻力，提高增壓器響應(yīng)速度，設(shè)置合適的煙度限值，改善柴油機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

3 柴油機(jī)對(duì)車(chē)輛起步加速性能影響

起步加速性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，車(chē)輛A全油門(mén)連續(xù)換擋起步加速曲線如圖6所示。

圖5 起步加速性能對(duì)比 圖6 車(chē)輛A連續(xù)換擋起步加速過(guò)程

由圖5可知：0～70 km/h起步加速，車(chē)輛A用時(shí)約50 s，車(chē)輛B用時(shí)約60 s，車(chē)輛A比車(chē)輛B快10 s；整個(gè)起步加速過(guò)程可以看作由不同擋位超越加速過(guò)程組成。

由圖6可知：隨著擋位增加，車(chē)輛在每個(gè)擋位的加速時(shí)間增加；低擋位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)僅輸出部分功率，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速增加到升擋轉(zhuǎn)速，但由于此時(shí)傳動(dòng)速比大，車(chē)速增加不快；隨著擋位持續(xù)增加，到達(dá)較高檔位后，傳動(dòng)速比減小，增扭效果降低，需要發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更多功率，耗費(fèi)更多時(shí)間達(dá)到升擋轉(zhuǎn)速。

由于擋位速比不同，整車(chē)克服外界阻力時(shí)，對(duì)柴油機(jī)需求不同，導(dǎo)致柴油機(jī)在不同擋位下的輸出轉(zhuǎn)速和功率不同。

在低車(chē)速低擋位時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行達(dá)不到外特性功率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求不高；在高車(chē)速高擋位階段，發(fā)動(dòng)機(jī)需以外特性功率運(yùn)行，受到發(fā)動(dòng)機(jī)高速段外特性限制。由此可見(jiàn)，在全油門(mén)連續(xù)換擋起步加速過(guò)程中，更注重發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速性能，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速性能要求不高。

4 油門(mén)特性對(duì)整車(chē)加速性能的影響

某柴油機(jī)的外特性數(shù)據(jù)、階躍能力明顯優(yōu)于競(jìng)品，但有時(shí)車(chē)輛表現(xiàn)動(dòng)力性不足，這可能與部分油門(mén)開(kāi)度的速度特性有關(guān)。車(chē)輛實(shí)際駕駛時(shí)，加速過(guò)程中油門(mén)開(kāi)度可能不是100%，車(chē)輛加速性不受外特性影響，而是受部分油門(mén)速度特性的影響。每個(gè)油門(mén)開(kāi)度的速度特性曲線對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，呈現(xiàn)不同斜率、形狀，或在柴油機(jī)map上分布疏密不同，影響駕駛感受。

選定1臺(tái)柴油機(jī)，設(shè)定相同外特性，不同噴油量下部分油門(mén)-速度特性曲線如圖7所示。由圖7可知：油門(mén)開(kāi)度為50%，油門(mén)特性1的轉(zhuǎn)矩曲線低于油門(mén)特性2。這是因?yàn)閲娪土坎煌?，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不同，對(duì)整車(chē)動(dòng)力性的影響不同。

a)油門(mén)特性1 b)油門(mén)特性2圖7 油門(mén)特性曲線

進(jìn)行不同油門(mén)特性的車(chē)輛起步加速和超越加速性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：油門(mén)開(kāi)度為100%時(shí)，油門(mén)特性1、2的加速時(shí)間相同，均為36 s；油門(mén)開(kāi)度為50%時(shí)，油門(mén)特性1的車(chē)輛加速時(shí)間為87.70 s，油門(mén)特性2的車(chē)輛加速時(shí)間為65.41 s，油門(mén)特性1的車(chē)輛加速時(shí)間比油門(mén)特性2多22.29 s；雖然油門(mén)特性2加速性能優(yōu)于油門(mén)特性1，但是油門(mén)特性2易導(dǎo)致車(chē)輛油耗高或換擋頓挫。

5 結(jié)論

1)整車(chē)高擋位全油門(mén)超越加速過(guò)程可分為2個(gè)階段，柴油機(jī)負(fù)荷動(dòng)力響應(yīng)性和外特性影響整車(chē)加速性能，可有針對(duì)性標(biāo)定柴油機(jī)，優(yōu)化柴油機(jī)瞬態(tài)燃燒過(guò)程，減少附件功率和傳動(dòng)功率損失。

2)起步加速可分解為不同擋位超越加速過(guò)程，由于擋位速比不同，整車(chē)克服外界阻力時(shí)，對(duì)柴油機(jī)性能要求不同，柴油機(jī)在不同擋位下表現(xiàn)不同；低擋位時(shí)，對(duì)柴油機(jī)性能要求不高。

3)整車(chē)部分油門(mén)開(kāi)度下加速，受油門(mén)開(kāi)度下不同速度特性影響，影響司機(jī)駕駛感受。