袁 煥，金大鵬

(湖北理工學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北黃石435003)

0 引言

汽車在使用過程中，由于起步、升檔、降檔、制動、加速、減速等過程的存在，發(fā)動機不可能完全處于穩(wěn)定工況中。由于發(fā)動機是汽車的動力單元，其性能的好壞直接影響汽車使用過程中的各項性能指標(biāo)。發(fā)動機的動態(tài)工況是相對穩(wěn)定工況而言的，是指發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或油門度中的任意一個處于變化過程所處的工況。當(dāng)車輛在道路上行駛時，即使是在高速公路上巡航行使時，發(fā)動機的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速等參數(shù)也處于變動狀態(tài)，因此動態(tài)工況占整個運行工況的66% ～80%［1－2］。發(fā)動機在動態(tài)工況下所表現(xiàn)出來的性能特性稱為發(fā)動機的動態(tài)特性。在發(fā)動機的所有控制變量中，節(jié)氣門開度變化率在汽車加速或減速過程中，與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化情況、燃油經(jīng)濟性以及有害物排放等都有著密切的聯(lián)系。為了掌握汽油發(fā)動機節(jié)氣門開度變化率對發(fā)動機性能的影響，基于發(fā)動機臺架試驗，分別在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速、中高轉(zhuǎn)速情況下，以不同節(jié)氣門開度變化率加大節(jié)氣門開度，通過相對應(yīng)條件下的轉(zhuǎn)矩變化情況來研究發(fā)動機節(jié)氣門開度變化率對發(fā)動機動力性的影響［3－4］。

1 節(jié)氣門開度變化率對發(fā)動機性能影響的原因

汽車在動態(tài)工況下，節(jié)氣門開度是經(jīng)常變化的。節(jié)氣門開度的變化率對汽車變速(如水平路面加速)時刻或變矩(如上坡保持速度恒定)時刻的動力性有較大影響，同時對變速或變矩時刻汽車尾氣排放中有害物含量也有較大影響［5－6］。

目前，我國大多數(shù)轎車均采用的是電控噴油式汽油發(fā)動機。電控噴油式汽油發(fā)動機吸進的汽油包括3部分:①從噴油器出來后直接進氣流的油粒及其蒸汽;②附著在氣缸壁上的油膜蒸發(fā)的油蒸汽;③進氣門口處殘留的為數(shù)很少的油膜。

可以通過臺架試驗，在恒轉(zhuǎn)速條件下，以不同節(jié)氣門開度變化率加大節(jié)氣門開度，并測得其相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，從而分析節(jié)氣門開度變化率對發(fā)動機動力性的影響及其原因。

2 節(jié)氣門開度變化率對發(fā)動機動力性的影響

2.1 試驗數(shù)學(xué)模型的建立

考慮到節(jié)氣門開度的變化時，燃油供給量變化存在滯后現(xiàn)象，同時進氣管內(nèi)氣壓也會發(fā)生相應(yīng)變化，節(jié)氣門開度變化率必然會在發(fā)動機變速或變矩過程中產(chǎn)生一定的影響［7－9］。假設(shè)在t0～t1時間段內(nèi)，節(jié)氣門開度的增量為kd(kd可取0～1，1對應(yīng)的是節(jié)氣門全開)，并且kd與時間t之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。取微小時間段△t，在△t時間段內(nèi)，節(jié)氣門開度的增量為△kd，因此節(jié)氣門開度變化率可表示為［10－11］:

式(1)中k為常數(shù)，為了更為全面的研究節(jié)氣門開度變化率對發(fā)動機動力性能的影響，應(yīng)該在某一區(qū)間內(nèi)，取得足夠多的k值。現(xiàn)取在［0.25，1.5］范圍內(nèi)的4個k值來研究，即k為0.25，0.5，1.0，1.5。

2.2 臺架試驗及數(shù)據(jù)

在試驗臺上模擬變負(fù)載工況，發(fā)動機為恒轉(zhuǎn)速(取 n=1500 r/min，n=1800 r/min，n=2000 r/min 3種情況)工況，取不同節(jié)氣門開度變化率k，節(jié)氣門開度為25%～70%。轉(zhuǎn)速 n=1500 r/min不同節(jié)氣門開度變化率 k時轉(zhuǎn)矩變化情況如表1所示，n=1500 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時間變化關(guān)系如圖1所示。

表1 轉(zhuǎn)速 n=1500 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時轉(zhuǎn)矩變化情況 Nm

圖1 n=1500 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時間變化關(guān)系

由圖1可知，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=1500 r/min，節(jié)氣門開度變化率k在0.25～1.5之間的情況下:①以不同節(jié)氣門開度變化率k增大節(jié)氣門開度，發(fā)動機最終轉(zhuǎn)矩都接近恒定值，但節(jié)氣門開度變化率k不同時，達(dá)到這一恒定轉(zhuǎn)矩的時間不相同，且節(jié)氣門開度變化率k越大，所需時間越短;②節(jié)氣門開度變化率k越小，發(fā)動機的變矩過程越平緩。

轉(zhuǎn)速n=1800 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時轉(zhuǎn)矩變化情況如表2所示，n=1800 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時間變化關(guān)系如圖2所示。由圖 2可知，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速 n=1800 r/min，節(jié)氣門開度變化率k在0.25～1.5之間的情況下:①以不同節(jié)氣門開度變化率k增大節(jié)氣門開度，發(fā)動機最終轉(zhuǎn)矩都接近恒定值，但節(jié)氣門開度變化率k不同時，達(dá)到這一恒定轉(zhuǎn)矩的時間不相同，節(jié)氣門開度變化率k越大，所需時間越短，與 n=1500 r/min時相比，此時在不同節(jié)氣門開度變化率k下，達(dá)到恒定轉(zhuǎn)矩所需時間的差距較小;②節(jié)氣門開度變化率 k越小，發(fā)動機的變矩過程越平緩，與n=1500 r/min時相比，這種平緩優(yōu)勢較小。

表2 轉(zhuǎn)速n=1800 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時轉(zhuǎn)矩變化情況 Nm

圖2 n=1800 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時間變化關(guān)系

n=2000 r/min不同 k值下轉(zhuǎn)矩隨時間變化關(guān)系如圖3所示，轉(zhuǎn)速n=2000 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時轉(zhuǎn)矩變化情況如表3所示。由圖3可知，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速 n=2000 r/min，節(jié)氣門開度變化率k在0.25～1.5之間的情況下:①以不同節(jié)氣門開度變化率k增大節(jié)氣門開度，發(fā)動機最終轉(zhuǎn)矩都接近恒定值，但節(jié)氣門開度變化率k不同時，達(dá)到這一恒定轉(zhuǎn)矩的時間也不相同，節(jié)氣門開度變化率k越大，所需時間越短，與 n=1500 r/min和n=1800 r/min時相比，此時在不同節(jié)氣門開度變化率k下，達(dá)到恒定轉(zhuǎn)矩所需的時間非常短，基本不明顯;②節(jié)氣門開度變化率k越小，發(fā)動機的變矩過程越平緩，與n=1500 r/min和n=1800 r/min時相比，這種平緩優(yōu)勢非常小。

圖3 n=2000 r/min不同k值下轉(zhuǎn)矩隨時間變化關(guān)系

表3 轉(zhuǎn)速n=2000 r/min不同節(jié)氣門開度變化率k時轉(zhuǎn)矩變化情況 Nm

3 試驗數(shù)據(jù)分析

分析試驗數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)矩T由節(jié)氣門開度為20%時的T1增大至節(jié)氣門開度為70%所對應(yīng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩T2所需的變矩時間及節(jié)氣門開度增至70%瞬間發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)來判定不同節(jié)氣門開度變化率k下發(fā)動機動力性的特點。①在恒轉(zhuǎn)速工況下，隨著節(jié)氣門開度變化率k值的增大，變矩時間 t越來越短，瞬時轉(zhuǎn)矩T也越來越小;②在同一節(jié)氣門開度變化率k下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，其對發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩的影響越小;③隨著節(jié)氣門開度增大，節(jié)氣門開度變化率k對發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩的影響越小。

4 結(jié)論

通過發(fā)動機動態(tài)實驗可得出在恒速變矩時刻(如汽車上坡)前可以適當(dāng)降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，加大踩油門力度，使得節(jié)氣門變化率提高，汽車發(fā)動機從小負(fù)荷向中負(fù)荷變化過程中提供的轉(zhuǎn)矩會很快上升，以適應(yīng)坡度要求，動力較好，但后期汽車發(fā)動機從中負(fù)荷向大負(fù)荷變化過程中提供的轉(zhuǎn)矩上升緩慢且變化不大，動力不足。

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