發動機轉矩特性分析及相關圖形的修正

廖林清，柯晶晶，謝 明，符 亮

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

發動機速度特性是在試驗臺架上測出來的，轉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致測試結果不能很好地接近理論值，得到的發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，對發動機轉矩特性進行詳細分析，完善汽車驅動力圖及其他相關圖形，使汽車相關理論更加直觀、易懂，更有利于對汽車動力性的分析。

1 轉矩特性分析及驅動力等圖形的修正

1.1 轉矩特性分析

某汽車發動機的外特性及部分負荷特性下的轉矩曲線如圖1所示。從圖中可以看到，發動機的轉矩特性曲線后段都停留在“半空中”，沒有與轉速軸相交，這不合理。在從0～100%的任一油門開度下，不給發動機施加任何負載時，發動機都有一個空載轉速。例如，保持發動機空載，節氣門全開，發動機會有一個最高空載轉速，而在轉矩特性圖中看不出這一點。這是因為:發動機特性圖是通過試驗得到的，對某一特定的發動機，它都有設計工況點(或稱標定工況)。所謂工況的標定，是指制造廠商根據內燃機產品的性能和用途，規定該產品在標準大氣壓條件下所輸出的有效功率及對應的轉速［2］。在進行試驗時，發動機都是在有限的轉速和轉矩范圍內正常運行，超出了標定轉速發動機就會發出轟鳴聲，此時若轉速繼續增加會損壞發動機，影響其使用壽命，試驗裝置會發出警報聲，因此不宜再使發動機轉速增加。所以，圖1中的發動機轉速到了標定轉速后不再增加，導致扭矩曲線和橫軸不會相交。然而，在進行理論研究時，應當全面考慮發動機工況，對特性圖加以修正。汽車理論教材中的汽車驅動力－行駛阻力平衡圖顯示:有些擋位的驅動力曲線和阻力曲線沒有交點，這樣就體現不出汽車在該擋位行駛時所能達到的最高車速;若驅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而非間斷的，所以這些相關圖形都應加以完善。

圖1 發動機外特性及部分負荷特性下的轉矩曲線

1.2 外特性圖及相關圖形的修正

根據以上分析，從發動機試驗數據出發［4］，對數據進行擬合插值，繪出發動機外特性曲線，如圖2所示。

圖2 修正后的發動機外特性曲線

以及汽車行駛方程式，對驅動力－行駛阻力平衡圖進行修正，如圖3所示。

從圖3中可以看到，Ft5曲線和Ff+Fw曲線的交點所對應的速度就是umax，虛線部分是部分開度下的5擋驅動力曲線［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 修正后的某汽車驅動力－行駛阻力平衡圖

在計算加速度時，假設Fi=0，根據式(3)算出各擋節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

根據汽車行駛方程，假設du/dt=0，則坡度

轉化成度數，即為

根據式(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的，符合實際情況。轎車的低擋驅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計，而是按照加速能力設計［3］。

2 輸出轉矩與負載轉矩特性曲線分析

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:曲線上升區間是非穩定工作區，汽車在行駛過程中，發動機不會在此區間工作;而曲線的下降部分都是穩定工作區域，汽車行駛時發動機在此區間工作。下面以某一油門開度下的轉矩特性為對象進行具體分析。

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

圖6 輸出與負載轉矩特性分析

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

圖7 輸出與負載轉矩特性分析

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

在驅動力－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，根據阻力曲線可以得出:

1)汽車在爬坡時，應該降低擋位提高驅動力，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)轉矩特性曲線左端是非穩定工作區，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個穩定工作點，對應2個穩定速度，這不符合實際。所以，轉矩曲線最大轉矩點右端才是穩定工作區。

3 結束語

對發動機特性進行了分析，修正了汽車驅動力圖、加速度圖、爬坡度圖，對實際駕駛中出現的現象進行了合理的解釋。

指出了發動機特性曲線最大轉矩點左端區間為不穩定工況，汽車在實際行駛中不會在此區間工作。該結果為汽車動力學相關研究提供理論參考，同時也對汽車理論知識的完善起了一定的推動作用。

后續研究包括完善發動機模型，對以油門開度和轉速為橫坐標、以輸出轉矩為縱坐標的發動機特性曲面進行分析，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濟性。

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