汽車用柴油機、汽油機匹配變速器技術差異性分析

王燕云

（北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，中國 北京101400）

運輸車輛傳動系統的型式與所用的發動機類型有密切的關系。這是由于不同類型的發動機轉矩——轉速特性有著很大的差別。為了使裝用不同類型發動機的車輛在各種行駛條件下都有滿意的牽引力——車速特性，就必須根據發動機的轉矩——轉速特性，采用相應的傳動系方案。

下面就匹配柴油機、汽油機車輛匹配變速器技術差異性進行簡要分析。

1 柴油機、汽油機性能差異分析

1.1 汽油機、柴油機概述

汽油機具有轉速高（轎車用汽油機轉速可高達5000～6000轉/分，貨車用汽油機達4000轉/分左右），質量輕、工作噪聲小、起動容易、制造和維修費用低等特點，故在轎車和中、小型貨車及軍用越野車上得到廣泛應用。其不足之處是燃油消耗率較高，燃油經濟性較差。

柴油機具有結構簡單、可靠性高。扭矩大，轉速較低等優點。在燃燒效率方面，燃燒效率更高，燃油消耗低、排放更低。缺點是：轉速較低（一般最高轉速在2500～3000r/min左右），質量大，制造和維修費用高。但目前柴油機的這些缺點正在逐漸得到克服。特別是柴油機技術日益成熟，冬天不好啟動、提速慢的缺點已經得到了克服。

柴油機比汽油機車輛省油，因為壓燃式的柴油機比點燃式的汽油機具有更高的能量轉換，能源消耗為汽油機的45%～60%。

隨著近年來柴油機技術的進步，特別是小型高速柴油發動機的新發展，一批先進的技術，例如電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等技術得以在小型柴油發動機上應用，使原來柴油發動機存在的缺點得到了較好的解決，而柴油機在節能與CO2排放方面的優勢，則是包括汽油機在內的所有熱力發動機無法取代的。

1.2 柴油機、汽油機性能對比

1.2.1 速度特性對比

發動機速度特性是指發動機在油量調節機構保持不變的情況下，主要性能指標（有效轉矩、功率、燃油消耗率等）隨發動機轉速變化的規律。

圖1 柴油機外特性曲線

圖2 汽油機外特性曲線

表1

1.2.2 萬有特性

在汽車設計與開發工作中，常需要根據發動機臺架試驗得到的萬有特性圖與汽車功率平衡圖，對汽車燃油經濟性進行估算。

柴油機與汽油機的萬有特性曲線如圖3、圖4所示。

汽油機燃油消耗率比柴油機高；汽油機最經濟區域處在偏上位置的高負荷區，負荷率降低，油耗增加很快；而柴油機的最經濟區比較適中，負荷變化時油耗變化不大。

由于汽油機經常在低負荷工況下，燃油消耗率高，因此經濟性不佳；柴油機多用于載貨車、工程機械等，工作負荷率高，故其燃油經濟性好。

2 柴、汽油機對傳動系速比的影響

圖3 柴油機萬有特性曲線

圖4 汽油機萬有特性曲線

變速器在汽車動力總成中的功用是：通過變化速比，調節發動機輸出的轉矩與轉速，達到汽車克服行駛阻力，保持一定行駛速度的要求。

在與整車動力總成性能匹配方面，車橋主減速比、變速器各檔速比的確定是至關重要的。

在本文中，為比較柴、汽油機匹配變速器性能的差異性，我們設定如下前提條件：對變速器各重要檔位速比的設計進行說明，并根據柴、汽油機性能要求的不同，說明變速器速比選取的差異性。

2.1 設定前提

假設在同一款汽車上分別配置柴油發動機、汽油發動機。為使汽車的動力性（這里使用整車最高車速）達到一致，設定兩款發動機額定功率相同。

2．2 傳動系主要參數說明

2．2．1 主減速比

主減速比在傳動系中主要用來起到對發動機動力減速增扭的作用。其值的確定一般是依據發動機最大功率點轉速，根據變速器最小傳動比、輪胎直徑、汽車行駛阻力等參數，進行設計計算，使汽車能夠達到所能達到的最高行駛車速。

2．2．2 變速器最大傳動比

變速器最大傳動比一般是用來使汽車達到設定的最大爬坡度，頭檔動力因數以及最低穩定車速。 在以下動力性分析時，從汽車的最大爬坡能力方面設計計算。

2．2．3 變速器超速檔

考慮汽車燃油經濟性，設置該檔位，增加發動機工作負荷率，提高整車燃油經濟性。

2.3 傳動系速比設計及分析

2.3.1 主減速比

主減速比一般是選定變速器傳動比為1時，根據汽車功率平衡圖，使發動機最大功率點與阻力功率曲線相交。這樣可以使汽車發揮出其最大功率，從而跑出該車所能達到的最高車速。根據汽車最高車速及發動機最大功率點的轉速，折算出傳動系主減速比，計算公式如下：

其中：Uamax為汽車最高車速 (km/h)；n為發動機最大功率點轉速(rpm)；r為車輛半徑 (m)；f為滾動阻力系數；CD空氣阻力系數；A迎風面積ig為變速器速比(取1)；io為主減速器速比。

由式（2），主減速比與發動機最大功率點轉速成正比。同功率發動機，汽油機最大功率下轉速高于柴油機轉速，因此計算出的主減速比要大于柴油發動機匹配的主減速比。

2.3.2 變速器最大速比

變速器最大傳動比的確定是根據：在發動機發揮出最大扭矩工況下，使整車克服道路阻力，坡道阻力所需要的變速器速比。 參數的確定主要與發動機最大扭矩、汽車總重、坡度有關，計算公式如下：

其中：G為汽車總重 (kg)；f滾動阻力系數；r為車輛半徑(m)；Ttqmax為發動機最大轉矩；ηT為發動機機械效率；ig1為變速器一檔速比；io為主減速器速比；αmax為最大爬坡角度約為16.7°。

發動機最大扭矩與最大功率點扭矩的比值為發動機的轉矩適應系數，該參數決定了發動機適應負荷變化的能力。該值越大，需要使用變速器速比調整扭矩量越小，使變速器最大速比值越小。解釋如下：

設汽車達到最高車速時所需驅動力為Famax，爬坡時最大驅動力Ftmax，發動機最大轉矩Ttqmax，發動機最大功率點處扭矩為Ttqn，根據發動機輸出轉矩與阻力轉矩平衡，有：

由（3）、（4）式可得到：

其中：Kt為轉矩適應性系數；

上式中，變速器一檔速比與發動機轉矩適應系數成反比，因此，發動機轉矩適應系數越大，匹配的變速器最大速比值越小。

一般情況下，汽油發動機扭矩適應系數大于柴油機，因此匹配變速器最大速比值小于柴油機用變速器最大速比值。

新型柴油機采用油量校正后，扭矩適應系數與汽油發動機接近，因此，匹配變速器最大速比值差別不大。

3.3 變速器超速檔速比：

圖5 不同檔位下發動機的功率平衡圖

如圖5所示，使用超速檔發動機功率曲線右移，在功率平衡點，發動機轉速降低提高工作負荷率，使其工作在燃油經濟區域，從而達到提高整車燃油經濟性的目的。

超速檔的確定方法如下：

設發動機燃油消耗率最小處發動機功率為Pεb，轉速為nb,汽車行駛功率平衡方程式：

可解出變速器超速檔速比。

其中：G為汽車總重(kg)；f為滾動阻力系數；CD空氣阻力系數；A迎風面積；Uae為汽車在變速器超速檔時車速(km/h)；r為車輛半徑(m)；ic為變速器超速檔速比；

i0為主減速器速比；

以該超速檔行駛，是在保持燃油經濟性高情況下跑出的汽車的次高車速。

依據汽油機、柴油機萬有特性圖，汽油機經濟工作區域較柴油機小，其轉速范圍、負荷范圍均小于柴油發動機，對汽車道路阻力反應敏感。因此，為使汽油發動機汽車燃油經濟性好，有時要設兩個超速檔。而柴油發動機汽車變速器一般只設一個超速檔或不設超速檔。同理，汽油機用變速器其他檔位速比級差要比柴油機用變速器小。

2.4 計算實例

2.4.1 計算方法

選定兩款功率相當的汽油機和柴油機，匹配同一車型，要求整車到達同一動力性（最高車速、最大爬坡度）前提下，利用“汽車動力性能參數計算”軟件，選擇傳動系速比，并對計算結果進行分析。

2.4．2 參數設定

表2 整車參數

表3 發動機參數

圖6 福康ISF2.8L外特性曲線

圖7 三菱4G64外特性曲線

4.3 計算結果

1）福康 ISF2.8L(96kW)

（1）整車最高車速： 128.2km/h；

（2）主減速器速比： 4.11；

（3）變速器一檔速比：4.99；

圖8

2）三菱 4G64(95kW)

（1）整車最高車速： 125.2km/h；

（2）主減速器速比：6.43；

（3）變速器一檔速比：4.59

圖9

表4

3）結果分析

3 結語

總體來說，匹配汽車用發動機，汽油機動力適應性好而燃油經濟性較差；柴油發動機相反，燃油經濟性好而動力適應性差。由于性能差異性，汽油發動機與柴油發動機匹配用變速器應具有如下特征，以補償發動機性匹配汽車性能的缺陷：

（1）汽油機配車橋主減速器速比大于柴油機用主減速比；

（2）汽油機用變速器一檔速比小于柴油機用變速器一檔速比；

（3）汽油機用變速器速比級差比柴油機用變速器要小；

(4)汽油機用變速器更需要設置超速檔，甚至2個超速檔；柴油機一般只設一個超速檔或不設超速檔。

［1］余志生.汽車理論[M]．機械工業出版社．

［2］周龍保,劉巽俊，高宗英.內燃機學[M]．機械工業出版社．

［3］劉惟信.汽車設計[M]．清華大學出版社．

［4］陳家瑞.汽車構造[M]．人民交通出版社．