發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性分析及相關(guān)圖形的修正

廖林清，柯晶晶，謝 明，符 亮

(重慶理工大學(xué) a.汽車(chē)零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.重慶汽車(chē)學(xué)院，重慶 400054)

發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性是在試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)出來(lái)的，轉(zhuǎn)矩特性是速度特性的一個(gè)重要方面。試驗(yàn)因素的不確定性導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不能很好地接近理論值，得到的發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖與理想情況有一定差異，難以理解和運(yùn)用［1］。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行詳細(xì)分析，完善汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力圖及其他相關(guān)圖形，使汽車(chē)相關(guān)理論更加直觀、易懂，更有利于對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性的分析。

1 轉(zhuǎn)矩特性分析及驅(qū)動(dòng)力等圖形的修正

1.1 轉(zhuǎn)矩特性分析

某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線后段都停留在“半空中”，沒(méi)有與轉(zhuǎn)速軸相交，這不合理。在從0～100%的任一油門(mén)開(kāi)度下，不給發(fā)動(dòng)機(jī)施加任何負(fù)載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)都有一個(gè)空載轉(zhuǎn)速。例如，保持發(fā)動(dòng)機(jī)空載，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有一個(gè)最高空載轉(zhuǎn)速，而在轉(zhuǎn)矩特性圖中看不出這一點(diǎn)。這是因?yàn)?發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖是通過(guò)試驗(yàn)得到的，對(duì)某一特定的發(fā)動(dòng)機(jī)，它都有設(shè)計(jì)工況點(diǎn)(或稱(chēng)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(jī)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(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速［2］。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)都是在有限的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)正常運(yùn)行，超出了標(biāo)定轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)發(fā)出轟鳴聲，此時(shí)若轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，影響其使用壽命，試驗(yàn)裝置會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，因此不宜再使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加。所以，圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)相交。然而，在進(jìn)行理論研究時(shí)，應(yīng)當(dāng)全面考慮發(fā)動(dòng)機(jī)工況，對(duì)特性圖加以修正。汽車(chē)?yán)碚摻滩闹械钠?chē)驅(qū)動(dòng)力－行駛阻力平衡圖顯示:有些擋位的驅(qū)動(dòng)力曲線和阻力曲線沒(méi)有交點(diǎn)，這樣就體現(xiàn)不出汽車(chē)在該擋位行駛時(shí)所能達(dá)到的最高車(chē)速;若驅(qū)動(dòng)力曲線始終在阻力曲線上方，則汽車(chē)會(huì)一直加速，而該圖中的最高車(chē)速就是曲線末端的車(chē)速，這顯然不合理，因此應(yīng)對(duì)該圖形加以修正。另外，汽車(chē)的加速度和汽車(chē)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)［4］，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合插值，繪出發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，如圖2所示。

圖2 修正后的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

以及汽車(chē)行駛方程式，對(duì)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的速度就是umax，虛線部分是部分開(kāi)度下的5擋驅(qū)動(dòng)力曲線［1］。從中還可以看出汽車(chē)在不同擋位行駛時(shí)所能達(dá)到的最大速度。由汽車(chē)的行駛方程式得

圖3 修正后的某汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力－行駛阻力平衡圖

在計(jì)算加速度時(shí)，假設(shè)Fi=0，根據(jù)式(3)算出各擋節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的加速度曲線，如圖4所示。

圖4 修正后的汽車(chē)加速度曲線

根據(jù)汽車(chē)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(chē)爬坡度

從圖5可看出汽車(chē)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(shí)際情況。轎車(chē)的低擋驅(qū)動(dòng)力是用以獲得良好的加速性能的，所以計(jì)算中求得的爬坡度很大，大大超出實(shí)際要求的爬坡能力。因此，對(duì)于轎車(chē)而言，1擋一般不是按照上坡能力設(shè)計(jì)，而是按照加速能力設(shè)計(jì)［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(mén)開(kāi)度下，曲線先升后降，在中小油門(mén)開(kāi)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(chē)在行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)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(chē)行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在此區(qū)間工作。下面以某一油門(mén)開(kāi)度下的轉(zhuǎn)矩特性為對(duì)象進(jìn)行具體分析。

如圖6所示，曲線Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩Ttq與工作機(jī)械消耗的轉(zhuǎn)矩Tr相等時(shí)，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(diǎn)右端，點(diǎn)r、s、t為穩(wěn)定工作點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。設(shè)s點(diǎn)為原穩(wěn)定工作點(diǎn)，Ttq=Tr，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為ns。當(dāng)汽車(chē)下坡時(shí)，阻力特性曲線會(huì)平移下降到T'r，即阻力矩減小時(shí)，原來(lái)的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq＞Tr，轉(zhuǎn)速會(huì)上升，工況點(diǎn)將會(huì)沿特性曲線右移到達(dá)新平衡點(diǎn)t;當(dāng)汽車(chē)上坡時(shí)，阻力特性曲線平移上升到T″r，即阻力矩增大時(shí)，原來(lái)的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq＜Tr，轉(zhuǎn)速會(huì)下降，工況點(diǎn)將會(huì)沿特性曲線左移到達(dá)新平衡點(diǎn)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(diǎn)左端，情況卻相反。如圖7所示，設(shè)f點(diǎn)為當(dāng)前穩(wěn)定工作點(diǎn)，Ttq=Tr，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為nf。當(dāng)阻力特性曲線下降為T(mén)'r，即阻力矩減小時(shí)，原來(lái)的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq＞Tr，轉(zhuǎn)速會(huì)上升，工況點(diǎn)應(yīng)該沿特性曲線右移到達(dá)某一新平衡點(diǎn)，而在圖7中穩(wěn)定工作點(diǎn)卻向左到達(dá)e點(diǎn)，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，發(fā)動(dòng)機(jī)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(mén)″r，即阻力矩增大時(shí)，原來(lái)的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq＜Tr，轉(zhuǎn)速會(huì)下降，工況點(diǎn)應(yīng)該沿特性曲線左移到達(dá)某一新平衡點(diǎn)，而在圖7中工作點(diǎn)卻向右到達(dá)g點(diǎn)，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)在行駛過(guò)程中，不會(huì)在圖7中所示的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)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(mén)開(kāi)度的減小，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)會(huì)左移，其右邊區(qū)域都是工作區(qū)。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，通常是在中小油門(mén)開(kāi)度下運(yùn)行，即都會(huì)在穩(wěn)定區(qū)工作，符合上述分析。

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

圖8 不同阻力下的驅(qū)動(dòng)力－阻力平衡圖

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

1)汽車(chē)在爬坡時(shí)，應(yīng)該降低擋位提高驅(qū)動(dòng)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(shí)候會(huì)有2個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)2個(gè)穩(wěn)定速度，這不符合實(shí)際。所以，轉(zhuǎn)矩曲線最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)右端才是穩(wěn)定工作區(qū)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)特性進(jìn)行了分析，修正了汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力圖、加速度圖、爬坡度圖，對(duì)實(shí)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(dòng)機(jī)特性曲線最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)左端區(qū)間為不穩(wěn)定工況，汽車(chē)在實(shí)際行駛中不會(huì)在此區(qū)間工作。該結(jié)果為汽車(chē)動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究提供理論參考，同時(shí)也對(duì)汽車(chē)?yán)碚撝R(shí)的完善起了一定的推動(dòng)作用。

后續(xù)研究包括完善發(fā)動(dòng)機(jī)模型，對(duì)以油門(mén)開(kāi)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(dòng)機(jī)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(wèn)題，更加深入地研究汽車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

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