发动机动态特性及其对车辆换档特性的影响

军械工程学院学报JournalofOrdnanceEngineeringCollege

1008-2956(2005)05-0017-04

Vol󰀁17No󰀁5Oct.,2005

发动机动态特性及其对车辆换档特性的影响

何忠波,白鸿柏,张培林,孔庆春

(军械工程学院火炮工程系,河北石家庄󰀁050003)

摘要:分析了影响发动机动态特性的因素,并通过试验得出了动态特性与稳态特性的关系。根据试验结果,分析了动态特性对车辆换档特性的影响,得出按发动机动态特性设计换档规律,有利于车辆换档特性的改善。关键词:车辆;发动机;动态特性;换档特性中图分类号:U464󰀁12󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

EngineDynamicCharacteristicanditsEffects

onVehicularShiftCharacteristics

HEZhong-bo,BAIHong-ba,iZHANGPei-lin,KONGQing-chun

(DepartmentofGunsEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang󰀁050003,China)

Abstract:Thispaperanalyzesthefactorsthataffectenginedynamiccharacteristicsandobtainesthere󰀂

lationshipbetweendynamiccharacteristicsandsteadycharacteristicsbytes.tAccordingtothetestre󰀂sults,

theimpactofdynamiccharacteristicsonvehicularshiftcharacteristicsisanalyzed,andtheresultsshowthatitcanimprovethevhicleshiftcharacteristicsindesigningtheshiftrulesaccordingtoenginedy󰀂namiccharacteristics.Keywords:vehicle;

engine;dynamiccharacteristics;shiftcharacteristics

机的动态特性将偏离稳态特性,造成这一差异的主

[2]

要因素可归纳为以下几点:

1󰀁1󰀁与发动机曲轴相连的所有运动件惯性的影响

由于运动件惯性的存在,在加速过程中发动机的动力性、经济性指标(除燃油消耗率外)均低于稳态时相应的指标。

1󰀁2󰀁发动机内部热惯性的影响

发动机的每一工况对应着一定的热力状态,当工况改变后,新的热平衡不能瞬时到来,不能与新工况的热力状态相适应,即存在热惯性。由于热惯性的影响,使发动机在动态工况下的循环总是存在着热力状态的滞后,从而影响其动力性、经济性和排放。

1󰀁3󰀁混合气形成条件恶化的影响

在动态工况下,由于存在进排气流的惯性,混合气的成分、各缸混合气的均匀性偏离了相应稳态工况所要求的最佳值,使发动机功率下降,油耗增加,有害排放增加。󰀁󰀁换档规律设计的优劣是衡量车辆在采用自动变速技术后能否充分发挥其动力性、经济性及可驾驶性的关键。目前,使用最多的是二参数(油门、车速)的换档规律

[1]

。二参数换档规律是根据发动机

的稳态特性设计的,而车辆在实际使用过程中的动态工况约占50%~90%,其中30%~50%为加速工况

[2]

。试验证明,发动机的动态特性与稳态特性存

在较大的差别,由于稳态特性不能真实地反映出发动机的动态过程,因此,设计换档规律时,综合考虑发动机的动态特性对换档特性的影响是十分必要的。

1󰀁发动机动态特性分析

由于车辆的使用工况变化频繁,使发动机在大部分时间里工作在变速或变负荷的动态工况下。在车辆起步、制动、停车和加减速的动态工况下,发动

收稿日期:2005-07-04;修回日期:2005-09-14作者简介:何忠波(1968󰀂),男,博士,副教授.18

军械工程学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2005󰀁

1󰀁4󰀁燃烧过程恶化的影响

燃烧过程恶化是由上述原因所引起的,其中主要是由混合气形成条件恶化引起的。1󰀁5󰀁调速器调节作用惯性滞后的影响

对柴油机来说,调速器调节作用惯性滞后是影响其动态特性的主要因素之一。在稳态工况下,供油齿条的位置与发动机的工况有确定的对应关系。而在动态工况下,由于负荷的突变引起曲轴转速的突变,进而引起调速器调节作用出现滞后或超调。调速器的调节作用和油量校正器的校正作用由于惯性的影响而滞后于转速和负荷的变化,因而使供油齿条位移与每循环供油量不能与发动机的瞬时转速相适应,从而造成其动态特性与稳态特性存在较大的偏差

[3]

动态响应更慢。主要是由于在加速和减速过程中,进入汽缸的空气量滞后于供油量的变化速率,有时会导致燃烧过量空气系数低于极限值。因此,涡轮增压柴油机瞬态响应差的决定因素是供气量

[5]

。

2󰀁发动机动态特性试验

以某增压柴油机为试验样本,在CW260-1800/7500电涡流测功机台架上分别进行了稳态和动态特性试验,试验台原理图如图1所示。

。

1󰀁6󰀁供气量的影响

对于涡轮增压柴油机来说,由于涡轮增压器与柴油机是热力机械,柴油机和涡轮增压器的运动机件均具有一定的惯性,管道中气体的可压缩性,以及供油、喷射、着火和燃烧等过程的延迟,使涡轮增压器、柴油机自身以及二者配合之间存在工作响应滞后,这是造成涡轮增压柴油机动态特性较差的重要原因

[4]

。涡轮增压柴油机与非增压柴油机相比,其

CW系列电涡流测功机具有低惯性、高精度和

高稳定性。基本参数见表1。

表1󰀁CW260-1800/7500电涡流测功机基本参数

额定吸收功率/

kW

260

最大扭矩/

(N m)1395

扭矩表量程/(N m)

1500

转速表量程/(r min

-1

)

转动惯量/(kg m)

1󰀁39

平均耗水量/(L h

-1

)

满功率耗电/

A

13

重量/kg1000

75007020

2󰀁1󰀁突加、突卸负荷动态试验

突加、突卸负荷的阶跃工况是发动机最恶劣的一种工况,如果发动机在这一工况下具有很好的动态响应特性,则说明该发动机适应外界负荷变化的能力强,具有好的动态品质。试验时,分别选取油门开度为50%和100%,调整励磁电流的大小,使发动机在外特性段稳定工作一定时间后,突然切断测功机的励磁电流而卸除全部负荷。待发动机在空载下稳定工作一定时间后,再将原来的负荷突然加上,用数据采集系统记录发动机的转速和扭矩的动态变化过程,试验曲线见图2、3。突加、突卸负荷试验工况见表2。

由图2和图3可知,当突加负荷时,在调速特性工作段,由于供油量的增加滞后于转速的下降,而供气量的增加又滞后于供油量的增加,使发动机在减速过程中的过量空气系数减小,燃烧条件恶化,燃烧卸载过程加载过程试验工况

表2󰀁突加、突卸负荷试验工况

初始油门开度/󰀁%

50

10050100

初始转速/初始负荷/阶跃负荷/(r min-1)(N m)(N m)1160180020402627

108091000

-1080-9101080910

不完全性增加,从而使发动机的动态输出扭矩小于相应转速下的稳态输出扭矩;在校正工作段,调速器已不再起作用,由于燃烧的不完全和出现的后燃现象,使排气温度相应上升,对涡轮提供的排气能量增加,进而使涡轮增压器达到较高转速或较高进气压

[4]

力的运行点,再加上供油齿条的惯性和涡轮增压器的惯性,使供油量和供气量均比稳态时多,因此其动态输出扭矩大于稳态时的输出扭矩。

󰀁第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁何忠波等:发动机动态特性及其对车辆换档特性的影响

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󰀁󰀁在突然卸载的加速过程中,在调速特性工作段,供油量的减少又滞后于转速的增加,使发动机在动态工况下的供油量比稳态工况相应转速下的供油量多,因此其动态输出扭矩比稳态输出扭矩略高;在校正工作段,由于转速的急剧下降,进入汽缸的进气量迅速减少,但由于涡轮增压器的惯性作用,使压气机压比的降低滞后于进气量的减少,从而导致动态扭矩比稳态扭矩小很多。

由图2、3可以明显看出,在发动机的不同工作段,呈现出不同的动态响应特性。在调速特性工作段初期,稳态特性和动态特性相差较小,而在调速特性工作段的后期和校正工作段,二者存在较大的差异。这说明在调速特性的线性工作段,调速器具有很强的工作能力,即调速器在线性工作段的动态响应比校正工作段的动态响应要好,且随着油门开度的增大,调速特性段的动态响应变好,而校正工作段的动态响应变差。

2󰀁2󰀁负荷连续变化动态试验

负荷连续变化的动态工况是车辆经常遇到的工况,因此研究负荷连续变化过程中发动机的动态响应特性,对车辆使用性能的充分发挥是十分必要的。试验时,分别保持油门开度为50%、80%,卸除全部负荷,使发动机转速达到该油门开度下的稳定空转转速。调节励磁电流的大小,使负荷从零连续变化到最大扭矩,稳定工作一段时间后,再使负荷连续变化至零(见图4、5)。用数据采集系统记录扭矩、转速的动态变化过程。

由图4和图5可知,负荷连续变化工况的动态特性与突加、突卸负荷工况的动态特性的变化规律基本上是一致的,只是负荷连续变化工况的动态特性偏离稳态特性的程度要比后者小,特别是在调速

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军械工程学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2005󰀁

持油门开度不变,车辆以5档行驶。当外界负荷减小,如果车辆按发动机的稳态特性线ABC加速,当加速至1点时,应及时升入6档,使车辆沿DEF线继续加速。而如果车辆按照发动机的动态特性线AB!C加速,则升档点变为3点,由图6可知,此加速过程中调速特性段对应的动态牵引力大于稳态牵引力,因而可使车辆获得更好的加速性能。

降档过程也是如此,当车辆以6档行驶,在外界负荷增加时,如果车辆按发动机的稳态特性线FED减速,则其稳态理论降档点为1点(未考虑降档速差对换档点的影响)。而如果车辆按发动机的动态

特性工作段,动态特性与稳态特性有较好的一致性。

特性线FE∀D减速,则动态降档点变为2点,在此减速过程中,由于校正工作段的动态牵引力明显大于稳态牵引力,使车辆适应外界负荷变化的能力更强,可减少换档次数。

由以上分析可知,自动变速车辆按动态特性设计的升档点(3点)和降档点(2点)进行换档,不仅可以避免因设置降档速差而引起的动力损失,而且能减少换档次数。这样不仅提高了车辆的动力性,而且其动态过程也与车辆的实际行驶工况相符。

3󰀁发动机的动态特性对换档特性的影响

󰀁󰀁由上述对试验结果的分析可知,加速和减速过程中发动机的动态输出扭矩是不对称的。在调速特性段,二者的差异较小,但在校正工作段二者的差异较大,从而引起实际功率利用情况的恶化,因此它对自动变速车辆的换档特性有明显的影响。

为说明动态特性对换档特性的影响,以柴油载货汽车的换档特性为例加以说明。该车使用的是6前1倒变速器,6档是直接档,5档的传动比是1󰀁419。为便于说明问题,图6中仅画出5档和6档的动力型换档特性曲线。在此,仅就发动机的稳态特性和动态特性对动力型换档特性的影响加以讨论,而不考虑其它因素对换档特性的影响。

4󰀁结论

1)在加减速的动态工况下,发动机的动态输出扭矩是不对称的,在不同工作段,呈现出不同的动态响应特性。机械调速器的延迟、超调特性及发动机转速急剧变动时的机械惯性是引起发动机动态特性偏离稳态特性的主要原因。

2)发动机的动态特性真实地反映了车辆的实际使用工况,按发动机动态特性设计换档规律,有利于车辆换档特性的改善。

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[J].柴油机,1995,业出版社,

2000.

1998.

(责任编辑:刘宏波)

(2):

20-21.

[4]刘永长.内燃机热力过程模拟[M].北京:机械工[5]顾宏中.涡轮增压柴油机性能研究[M].上海:上海

交通大学出版社,

为使车辆获得最佳的动力性,应以相邻两档牵引特性的交点为换档点。由图6可知,点1对应稳

态行驶工况下的5档和6档的理论换档点。假设保