邱 香，柯晶晶

（1.江西科技學(xué)院汽車學(xué)院，江西 南昌330098；2.廣州豐田汽車有限公司，廣東 廣州510000）

相比于發(fā)動機速度特性曲線將節(jié)氣門開度離散化和發(fā)動機負(fù)荷特性曲線將節(jié)氣門開度離散化，發(fā)動機特性曲面能連續(xù)地反映出發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率等與節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，對發(fā)動機經(jīng)濟(jì)性和動力性預(yù)測以及變速器換擋規(guī)律研究有重要作用。

一般認(rèn)為，發(fā)動機在任意節(jié)氣門開度下，其穩(wěn)定工作的轉(zhuǎn)速范圍為發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速；然而，研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機在不同節(jié)氣門開度下，穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速范圍存在差異，在節(jié)氣門中等開度至全開區(qū)間，發(fā)動機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不再是發(fā)動機的最低轉(zhuǎn)速［1］。這對研究經(jīng)濟(jì)換擋時機和動力換擋時機有重要意義［2］。

1 發(fā)動機非穩(wěn)定工作區(qū)域

發(fā)動機速度特性曲線是當(dāng)發(fā)動機的節(jié)氣門開度（柴油機是油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置）一定時，其有效功率Pe，有效轉(zhuǎn)矩Ttq和有效燃油消耗率be等性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速n的變化關(guān)系［3-4］。當(dāng)節(jié)氣門開度為100%，對應(yīng)的發(fā)動機速度特性曲線稱為發(fā)動機外特性曲線。節(jié)氣門開度部分開啟式，對應(yīng)的發(fā)動機速度特性曲線稱為部分負(fù)荷特性曲線。圖1為發(fā)動機速度特性轉(zhuǎn)矩曲線，分別給出了100%開度和10%開度對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩曲線。從100%開度轉(zhuǎn)矩曲線可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩曲線先隨轉(zhuǎn)速升高而增大，轉(zhuǎn)速達(dá)到n_Tmax時，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值Tmax，之后隨轉(zhuǎn)速升高而下降；而在10%開度下轉(zhuǎn)矩曲線呈現(xiàn)全程下降。觀察所有開度對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩曲線，不難發(fā)現(xiàn)，在節(jié)氣門中等開度及大、全開度時，轉(zhuǎn)矩曲線均會呈現(xiàn)先上升后下降的狀態(tài)，而節(jié)氣門開度小時，轉(zhuǎn)矩曲線則是單調(diào)下降。

根據(jù)汽車?yán)碚摵推嚢l(fā)動機原理知識，圖1（a）中100%開度和10%開度對應(yīng)的2條特性曲線轉(zhuǎn)速工作范圍分別是[nmin,nmax2]和[nmin,nmax1]；然而，研究發(fā)現(xiàn)，對于100%開度的轉(zhuǎn)矩曲線，其上升段為不穩(wěn)定區(qū)，發(fā)動機不能在扭矩上升段穩(wěn)定工作。

如圖1（a）所示，曲線Ttq2為發(fā)動機外特性輸出轉(zhuǎn)矩曲線，在曲線Ttq2下降區(qū)，分布有3個工作點，分別為點1、點2和點3。設(shè)點2為當(dāng)前穩(wěn)定工作點，對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為n2，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩為T2，外界阻力矩為Tf，顯然有T2=Tf。保持發(fā)動機節(jié)氣門開度不變，當(dāng)遇到下坡時，外界阻力矩Tf降低為Tf′，因T2＞Tf′，發(fā)動機會加速直至與阻力矩達(dá)到平衡，設(shè)在點3重新穩(wěn)定，即T3=Tf′，從圖1（a）可知，發(fā)動機從點2過渡到點3，轉(zhuǎn)矩在下降的同時速度加快，這與下坡行駛工況相符。當(dāng)在穩(wěn)定工況點2遇到上坡時，由于坡道阻力的加入，總的阻力矩增大至，此時T2＜Tf′，顯然發(fā)動機需增大轉(zhuǎn)矩以重新平衡，設(shè)在點1達(dá)到平衡狀態(tài)，此時T1=，從圖1（a）可知，從點2到點1工況，轉(zhuǎn)矩在增大的同時轉(zhuǎn)速下降，這與上坡行駛工況相符。分析可知，發(fā)動機能穩(wěn)定工作在轉(zhuǎn)矩下降區(qū)。

圖1 輸出與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性分析圖Fig.1 Output and load torque characteristics analysis chart

在轉(zhuǎn)矩曲線上升段，即最大轉(zhuǎn)矩點左端，情況卻是相反的。在圖1（b）中，設(shè)發(fā)動機穩(wěn)定工作在轉(zhuǎn)矩上升段，點5為當(dāng)前穩(wěn)定工作點，對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為n5，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩為T5，外界阻力矩為Tr，則有T5=Tr。保持節(jié)氣門開度不變，當(dāng)遇到下坡工況時，阻力矩下降，設(shè)下降至，如圖1（b）所示，發(fā)動機則應(yīng)該由當(dāng)前工作點5左移到工作點4，而點4發(fā)動機轉(zhuǎn)速為n4＜n5，這說明下坡時發(fā)動機節(jié)氣門不變，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速反而會減小，顯然不合理；另一方面，由于原來的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq2＞Tr′，發(fā)動機有多余動力要加速，轉(zhuǎn)速會上升，工況點應(yīng)該沿特性曲線右移，到達(dá)某一新平衡點，從圖1（b）可知，若還停留在上升段，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增大，負(fù)載扭矩也將增大，即在汽車下坡時保持節(jié)氣門開度不變，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速升高但負(fù)載扭矩增大的情況，這也不合理。

同理，當(dāng)遇到上坡工況，阻力矩增大至，如圖1（b）所示，發(fā)動機則應(yīng)該由當(dāng)前工作點5右移到工作點6，而點6對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為n6＜n5，這說明上坡時發(fā)動機節(jié)氣門不變，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速反而會變快，顯然不合理；另則，由于原來的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq2＜Tr′′，發(fā)動機動力不足會減速，工況點應(yīng)沿特性曲線左移，到達(dá)某一新平衡點，從圖1（b）可知，若發(fā)動機還工作在上升段，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的減小，負(fù)載扭矩會減小，意即在汽車上坡時保持節(jié)氣門開度不變，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速減低而負(fù)載減小的情況，同樣不合理。

綜上，發(fā)動機只能穩(wěn)定工作在轉(zhuǎn)矩下降區(qū)。

2 發(fā)動機穩(wěn)定工作區(qū)域

由以上分析可以得出，車輛在運行過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩上升段為非穩(wěn)定工作區(qū)域，不能在圖中所示的最大轉(zhuǎn)矩點的左端這一區(qū)間穩(wěn)定工作，發(fā)動機穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速工作范圍不應(yīng)該是[nmin,nmax]，而是[n_Tmax,nmax]。

如圖2所示，若當(dāng)前發(fā)動機以10%的開度工作在ns1的轉(zhuǎn)速和Ts1的工況點s1處，在道路阻力不變的情況下，突然把油門開度踩到100%的開度，忽略油門踏板作用時間，可視為踩下瞬間發(fā)動機轉(zhuǎn)速仍為ns1，發(fā)動機由工況點s1變化到s點，由于s點位于非穩(wěn)定工作區(qū)域，發(fā)動機會快速跳至等扭矩穩(wěn)定工作點s′，再加速至t點達(dá)到平衡。

圖2 輸出與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性分析圖Fig.2 Output and load torque characteristics analysis chart

若把各個節(jié)氣門開度下的轉(zhuǎn)矩特性曲線都畫在同一張圖中，每個開度下都對應(yīng)一個最大轉(zhuǎn)矩點，將這些最大轉(zhuǎn)矩點連成一曲線，這條曲線形狀類似一條“山脊線”。那么，對于發(fā)動機而言，“山脊線”的左端區(qū)域為非穩(wěn)定工作區(qū)域，不可利用；“山脊線”的右端區(qū)域為合理工作區(qū)域，均能被利用。

3 基于發(fā)動機特性曲面的某發(fā)動機穩(wěn)定工作區(qū)域

發(fā)動機特性曲面為發(fā)動機扭矩或者發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度3參數(shù)之間的相互關(guān)系用曲面形式表示［5-9］。通過發(fā)動機特性曲面，能直觀反映出發(fā)動機的速度特性和發(fā)動機的負(fù)荷特性，掌握發(fā)動機特性的變化規(guī)律，在發(fā)動機與變速器匹配研究中有重要意義。將發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩山脊線與發(fā)動機曲面同時繪出，可明顯看出發(fā)動機曲面的不穩(wěn)定工作區(qū)域和穩(wěn)定工作區(qū)域。

對某國產(chǎn)汽油機進(jìn)行了臺架試驗，圖3為臺架試驗圖，分別測試了節(jié)氣門開度為12%，22%，38%，57%，80%和100%的速度特性曲線，每條曲線選取了10個測試點，測試數(shù)據(jù)如表1所示，表中，轉(zhuǎn)矩單位為N·m，轉(zhuǎn)速為r·min-1。

圖3 某國產(chǎn)汽油機臺架試驗Fig.3 A domestic gasoline bench

表1 某汽油機發(fā)動機特性值Tab.1 A gasoline engine characteristic values

運用4 次拉格朗日插值法將表1中的干擾數(shù)據(jù)和可信數(shù)據(jù)進(jìn)行初步甄別篩選，采用matlab 樣條插值法，建立該發(fā)動機“扭矩-轉(zhuǎn)速-節(jié)氣門開度”和“功率-轉(zhuǎn)速-節(jié)氣門開度”的三維特性曲面，計算每條速度特性曲線中的最大扭矩點，獲得最大扭矩山脊線，如圖4所示［10-11］。

圖4 轉(zhuǎn)矩特性曲面、功率特性曲面及最大扭矩山脊線Fig.4 Torque characteristic curve&power characteristic curve and maximum torque ridgelines

圖4顯示該發(fā)動機扭矩特性曲面及扭矩山脊線，山脊線往左為非穩(wěn)定工作區(qū)域，山脊線往右為發(fā)動機穩(wěn)定工作區(qū)域，同時還發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機節(jié)氣門開度約在50%以下時，發(fā)動機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為發(fā)動機的最低轉(zhuǎn)速，而約在50%開度以上，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速將不再是發(fā)動機的最低轉(zhuǎn)速，隨著節(jié)氣門開度的增大，相應(yīng)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速也將增大。

通過發(fā)動機試驗臺架還可以獲得發(fā)動機的燃油消耗率，對燃油消耗率曲線進(jìn)行分析可以得出最小燃油消耗率曲線，然而該最小燃油消耗率曲線應(yīng)在發(fā)動機的穩(wěn)定工作區(qū)域，即在最大扭矩山脊線的右側(cè)才有意義，否則實際工況發(fā)動機將不可能實現(xiàn)最小燃油消耗率。發(fā)動機燃油經(jīng)濟(jì)性的分析可在本論文基礎(chǔ)上深入開展。

4 結(jié)論

1）對發(fā)動機扭矩曲線進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)并論證了扭矩曲線上升段為非穩(wěn)定工作區(qū)域，指出了發(fā)動機在不同節(jié)氣門開度下的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍；

2）通過實測發(fā)動機運行數(shù)據(jù)，可根據(jù)其“扭矩-轉(zhuǎn)速-節(jié)氣門開度”、“功率-轉(zhuǎn)速-節(jié)氣門開度”特性曲面和本文所述最大扭矩山脊線，找到其穩(wěn)定工作區(qū)域；

3）節(jié)氣門開度低于約50%，發(fā)動機各負(fù)荷的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為發(fā)動機的最低轉(zhuǎn)速，超過約50%開度以后，發(fā)動機各負(fù)荷的最低穩(wěn)定速度將增大。

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