汽车发动机原理课件：发动机与车辆的匹配

发动机是车辆的一个重要组成部分，是汽车动力的来源。因此，整车的动力性和经济性既取决于发动机自身的性能，又依赖于发动机与汽车的合理匹配。前面已经学过的发动机的各种特性，是分析发动机与车辆匹配的有效工具。同样的汽车底盘，可以匹配不同类型以及不同排量的发动机。在发动机与车辆的匹配中，应根据具体的使用要求以及发动机的特点进行选型，并在匹配中进行进一步的必要调整。图6-38表示了2000年欧洲市场上匹配不同类型发动机(汽油机、直喷式与非直喷式柴油机)的轿车质量与其燃油经济性关系的统计数据。一般而言，随着车质量的增加，轿车的百公里油耗也有上升的趋势，近似呈线性变化关系。但从图中也可以看到，匹配不同类型的发动机对轿车燃油经济性的影响是十分明显的。在同样的车质量下，以柴油机为动力的轿车的百公里油耗要较汽油机的低1/3左右，而直喷式柴油机的燃油经济性又要好于非直喷柴油机，这一差距至少在10％以上。在发动机与车辆的匹配中，始终存在着车辆动力性与经济性之间的矛盾。从匹配发动机的排量上来看，匹配的发动机排量越大，则动力性越好，而经济性则会变差，反之则经济性会提高，而在动力性方面则要做出一定程度的牺牲。在匹配中，应分析发动机工作点的变化，尽量使发动机的常用工况位于经济性较好的运行区域内。在不能满足要求时可考虑对发动机进行必要调整。例如，通过调整发动机配气相位改变充气效率的变化规律，进而达到改变发动机特性的目的。同时，在匹配中应具有全局、系统的观点。局部的最优并不一定表示着全局的最优。例如，发动机的一些附件驱动改为电驱和电控后，并不一定使其经济性提高，因为若不做其他变动，这意味着发动机负荷率的降低，可能使发动机工作于经济性更差的运行区域。在匹配中，变速系统也起到十分重要的作用。为了提高汽车的性能就需要将汽车动力装置，即发动机与变速器的集成，作为一个整体来进行设计与优化。汽车发动机的工作环境复杂多变，同一类型的汽车在不同地区将面临道路、气候等条件的很大差别。我国国土辽阔，地形复杂，不同的气候地理条件对汽车发动机提出了一些特殊的要求。例如在高原地区，希望采取增压等功率恢复的措施或匹配更大排量的发动机，寒冷地区需特别注意冷起动性能，而在气候炎热地区，则要保证发动机有足够的冷却能力。二、汽车万有特性汽车万有特性是以发动机万有特性为基础建立的。在发动机等油耗、等功率的万有特性曲线上，绘出不同挡位的驱动功率线、等百公里油耗线，以及车速与发动机转速的对应关系线，从而把发动机的万有特性和汽车的行驶特性结合起来，以便更全面地反映汽车的各项性能指标。图6-39是一辆轻型载货汽车的万有特性曲线。图中上部是发动机的等油耗和等功率(虚线)万有特性曲线，中部是不同挡位的驱动功率线(图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为原车四个排挡线，Ⅰ′、Ⅱ′、Ⅲ′、Ⅳ′为改进后四个排挡线)以及等百公里油耗线(图中竖向凹曲线)，下部则是不同挡位的车速与发动机转速的对应关系线。从汽车万有特性曲线上可以很方便地确定发动机的运行工况和动力、经济性指标。在已知车速与挡位的前提下，在汽车万有特性的下部可确定该车运行点位置，从而确定发动机的转速，然后从该点引垂直线向上，在中部与该挡位对应的牵引力(由牵引力转化成发动机的平均有效压力绘成)曲线相交，此交点即为发动机的工况点，从而可以得到发动机此时的be、P0和整车的g100。在汽车万有特性图上，要求常用挡的道路阻力曲线即驱动功率曲线靠近发动机低油耗区，且范围要大，这是判断发动机与整车在经济性能匹配方面是否成功的最直接的方法。在可能的情况下，可适当减小主减速器传动比i0或略加大轮胎半径r，以降低整车使用油耗。从汽车万有特性曲线上可以看出，等g100线与等be线大相径庭，g100随车速增加而增大。在车速不变(如取u1=73km/h)的情况下，两种排挡(Ⅳ′挡和Ⅲ′挡)对应的g100差别较大(1′点和2′点)。显然，在相同的车速条件下，高挡的g100低于抵挡的g100，这是因为在发动机等功率线上(此处1′和2′点接近Pe=18kw等功率线)，低挡２′点处于发动机高速、低负荷区，燃料消耗率be2′约为460g/(kw·h)，而高挡1′点则处于发动机低速、中低负荷区，燃料消耗率be1′仅为350g/(kw·h)，大大低于2′点的燃料消耗率。从图6-39中还可以看出，由于改进前四挡的变速器传动比ig分别为5.56、2.77、1.64和1，各挡间隔太小，导致各挡的利用率降低，其驱动功率曲线位于发动机万有特性偏下部位，使用油耗偏高。而改进后四挡的ig分别为5.08、2.57、1.28和0.834，挡位分布较为合理，使得g100显著降低。三、发动机与车辆的动力性匹配１.动力性匹配整车动力性是各类车辆行驶性能中最基本、最重要的性能。从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性可由最高车速(km/h)、加速时间(s)、最大爬坡能力三方面的指标评价。由于汽车驱动力来源于发动机的输出转矩，考虑到变速器各挡有不同的传动比，可将发动机外特性转换成不同挡位的车速—驱动力曲线。另一方面，汽车行驶需克服各种阻力(包括滚动阻力、空气阻力、坡道阻力及加速阻力)，将不同坡度的行驶阻力曲线与驱动力的平衡关系画在一张图上，即可确定某一汽车在发动机节气门全开时可能达到的最高车速、加速能力和爬坡能力。图6-40为某一2L级轿车的驱动力与行驶阻力平衡图。横坐标为汽车的行驶速度，纵坐标为驱动力和行驶阻力，并将发动机转速作为另一个纵坐标给出。图中的三族曲线分别是随坡度变化的行车阻力线、随档位变化的驱动力线以及发动机转速与车速关系线。由图看出，该车在5挡的驱动力与平道阻力曲线的交点为最高车速，在180km/h以上，在1挡能爬上的最大坡度为55％，相应地还能计算其加速时间。汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力相平衡，发动机功率与汽车行驶的阻力功率也总是平衡的。图6-41所示为发动机外特性功率曲线与汽车行驶阻力功率的关系。曲线1表示行驶阻力功率，曲线2表示外特性的功率曲线，A点表示在该道路条件下所能达到的最高车速，图中阴影部分表示发动机所拥有的后备功率。汽车行驶需要有一定的后备功率，后备功率越大，爬坡、加速性能越好。现代高级轿车着重于动力性能，要求加速性能好，最大车速高，有很强的超车能力，因而常选用高速、强化、大排量的发动机，例如，V8缸，排量可能在4.0~5.5L以上，并具有很大的后备功率，但行驶中负荷率极低，因而行驶的经济性差。对于不同种类、不同排量的车辆，不可能用驱动力—行驶阻力平衡图直接比较其动力性的好坏，必须把驱动力与汽车质量结合起来，而且还必须考虑到它们在行驶中遇到的空气阻力的差异。将单位汽车质量的受力状况整理成一个无因次量(称为动力因数D=

(Ft-Fw)/Mv)，其中Ft——驱动力、Fw——迎风阻力、Mv——整车质量)，用以比较不同车辆的动力性。表6-2中列出了不同类别汽车在直接挡的动力因数D0，其中轿车的Ｄ０值最高，而且与各类车辆比较，最高车速、比功率、比转矩也是最高的。通过选择合适的比功率与汽车总质量的乘积，可以估算出应配备的发动机功率。２.从提高动力性的角度改善发动机与车辆的匹配从整车匹配的角度看，发动机的动力性直接关联着发动机结构的紧凑性及质量指标(如体积功率与比质量)。所谓体积功率，是指发动机功率与其外形尺寸(长×宽×高)所决定的体积之比，它影响到发动机在车辆中的安装空间。比质量即单位功率的质量，发动机相对质量的减轻，意味着整车自身质量的减少，对整车性能至关重要。因此，增大体积功率及减轻比质量，一方面依赖于发动机结构设计的紧凑化、轻量化，另一方面靠发动机强化使升功率不断提高。从结构紧凑性及减轻比质量的角度看，汽油机明显优于柴油机。现代轻型车及轿车汽油机转速比同类柴油机高1/3

~1/4，汽油机的升功率一般比自然吸气柴油机高45％~65％。因此，如果装用与汽油机等排量的柴油机，汽车的加速时间将增加一倍以上，如果装用等功率的柴油机，则其排量比汽油机大40％，汽车的加速时间也要增加10％左右，柴油机升功率低，同时又引起比质量比汽油机高50％~120％，同等功率的柴油机净质量约为汽油机的160％，由汽油机派生的柴油机(同缸心距)，其净质量为汽油机的110％。提高发动机动力性(增加升功率、降低比质量)的有效措施是采用增压。以排量为1.2L级增压柴油机的转矩外特性为例，与其基本上等功率的自然吸气的柴油机(最大功率的偏差在10％以内)，排量要在1.6L才能满足。如图6-42中，曲线1为1.2Ｌ涡轮增压机型的转矩外特性，曲线2为1.6L非增压机型的转矩曲线，可以认为两者基本上是接近的，而1.2L非增压机型的转矩外特性(曲线3)明显地要低很多。同时看到，与涡轮增压机型相比，同排量的气波增压机型，无论是否带中冷(曲线4、5)，均具有较高的低速转矩储备，这对提高汽车动力性非常有利。柴油机采用增压以及增压中冷后，可接近或达到汽油机的强化程度。汽油机增压以及增压中冷，也可以使整机动力性大幅度提高，虽然目前应用还不广泛，但是一种发展趋势。如图6-43所示增压与自然吸气发动机与轿车匹配的比较，发动机体积、质量均可减小，而动力性(转矩、功率得到较大幅度提高)与经济性(发动机自身经济性好的区域的扩大以及通过变速系统匹配使汽车更多的运行于经济性好的区域)都得到提高，这也是增压技术得到越来越广泛应用的原因所在。四、发动机与车辆的经济性匹配１.燃油经济性匹配在汽车与发动机匹配时，必须从发动机的排量、平均有效压力、有效燃油消耗率与底盘的主传动比、各挡传动比、轮胎半径等诸多方面进行考虑，才能获得良好的经济性能，实现发动机与汽车的经济性匹配。发动机自身具备较好的燃油经济性(百公里燃油消耗量)以及通过合理匹配使发动机经常工作于经济性好的运行区域，是改善整车燃油经济性的两个基本方面。从车辆对动力选型的角度看，如图6-44所示，将柴油机轿车与汽油机轿车在不同汽车当量总质量下相比较，其柴油机轿车比汽油机轿车节油25％~35％。同时看出，由ECU控制的稀薄燃烧汽油机的行驶油耗已接近分隔式柴油机的水平，柴油机轿车要继续显示其经济性，进一步发展必然是直喷式燃烧系统，并普及增压及增压加中冷技术，以进一步提高热效率及升功率。下面举例说明在同一辆轿车上选择不同机型的使用经济性，如图6-45所示。在同一辆轿车上分别装用50kW的1.5L汽油机，40kW的1.6L非增压分隔式柴油机，以及超过60kW的1.4L涡轮增压直喷式柴油机，并将该车行驶阻力曲线与各自的万有特性匹配。由于变速器差别很大，各机型的最高车速分别是:汽油机为160km/h，非增压柴油机为140km/h，增压柴油机为180km/h。比较这三种机型均按同一车速120km/h时的等速行驶油耗(图6-44)，汽油车为9L/100km，非增压柴油车为6.75L/100m，增压柴油车为4.5L/100km。此时，三种机型在万有特性上的配合点均为A(120km/h、22kW)。汽油机相应的油耗率为0.51L/(kW·h)，非增压柴油机为0.37L/(kW·h)，增压柴油机为0.255L/(kW·h)。由此可见，无论就发动机自身的特性，还是与车辆配合的结果，增压柴油机都是最省油的。２.从提高经济性的角度改善发动机与车辆的匹配为了降低汽车行驶油耗，从整车技术的角度看，降低车辆自身质量，改进车辆的外形与结构，改善传动系统与发动机的匹配，使用子午线轮胎等，都是有效的措施。然而，降低发动机的燃油消耗是改善汽车行驶经济性的关键因素之一。发动机自身节油是改善整车燃油经济性的基础。例如，在汽油机中提高压缩比(20世纪90年代国外轻型及轿车发动机压缩比多为8.2~10.3，目前已提高到12~13)，实现稀燃，采用电喷技术，兼顾到高、低负荷及不同转速工况的可变技术，减少摩擦损失及附件损耗等，在柴油机中采用无涡流直喷式燃烧系统及泵喷嘴，采用高喷射压力提高喷油速率，采用增压及中冷技术，利用电控技术实现节能、排放及噪声的综合控制等，都为汽车节能开拓了广阔的前景。为改善整车燃油经济性，发动机与传动装置的匹配十分重要。对于传统的手动变速器，发动机负荷调节(节气门开度)与变速器传动比