发动机转矩特性分析及相关图形的修正

廖林清，柯晶晶，谢 明，符 亮

(重庆理工大学 a.汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室;b.重庆汽车学院，重庆 400054)

发动机速度特性是在试验台架上测出来的，转矩特性是速度特性的一个重要方面。试验因素的不确定性导致测试结果不能很好地接近理论值，得到的发动机特性图与理想情况有一定差异，难以理解和运用［1］。因此，对发动机转矩特性进行详细分析，完善汽车驱动力图及其他相关图形，使汽车相关理论更加直观、易懂，更有利于对汽车动力性的分析。

1 转矩特性分析及驱动力等图形的修正

1.1 转矩特性分析

某汽车发动机的外特性及部分负荷特性下的转矩曲线如图1所示。从图中可以看到，发动机的转矩特性曲线后段都停留在“半空中”，没有与转速轴相交，这不合理。在从0～100%的任一油门开度下，不给发动机施加任何负载时，发动机都有一个空载转速。例如，保持发动机空载，节气门全开，发动机会有一个最高空载转速，而在转矩特性图中看不出这一点。这是因为:发动机特性图是通过试验得到的，对某一特定的发动机，它都有设计工况点(或称标定工况)。所谓工况的标定，是指制造厂商根据内燃机产品的性能和用途，规定该产品在标准大气压条件下所输出的有效功率及对应的转速［2］。在进行试验时，发动机都是在有限的转速和转矩范围内正常运行，超出了标定转速发动机就会发出轰鸣声，此时若转速继续增加会损坏发动机，影响其使用寿命，试验装置会发出警报声，因此不宜再使发动机转速增加。所以，图1中的发动机转速到了标定转速后不再增加，导致扭矩曲线和横轴不会相交。然而，在进行理论研究时，应当全面考虑发动机工况，对特性图加以修正。汽车理论教材中的汽车驱动力－行驶阻力平衡图显示:有些挡位的驱动力曲线和阻力曲线没有交点，这样就体现不出汽车在该挡位行驶时所能达到的最高车速;若驱动力曲线始终在阻力曲线上方，则汽车会一直加速，而该图中的最高车速就是曲线末端的车速，这显然不合理，因此应对该图形加以修正。另外，汽车的加速度和汽车所能爬上的最小到最大坡度是连续而非间断的，所以这些相关图形都应加以完善。

图1 发动机外特性及部分负荷特性下的转矩曲线

1.2 外特性图及相关图形的修正

根据以上分析，从发动机试验数据出发［4］，对数据进行拟合插值，绘出发动机外特性曲线，如图2所示。

图2 修正后的发动机外特性曲线

以及汽车行驶方程式，对驱动力－行驶阻力平衡图进行修正，如图3所示。

从图3中可以看到，Ft5曲线和Ff+Fw曲线的交点所对应的速度就是umax，虚线部分是部分开度下的5挡驱动力曲线［1］。从中还可以看出汽车在不同挡位行驶时所能达到的最大速度。由汽车的行驶方程式得

图3 修正后的某汽车驱动力－行驶阻力平衡图

在计算加速度时，假设Fi=0，根据式(3)算出各挡节气门全开时的加速度曲线，如图4所示。

图4 修正后的汽车加速度曲线

根据汽车行驶方程，假设du/dt=0，则坡度

转化成度数，即为

根据式(4)，修正后的爬坡度如图5所示。

图5 修正后的某汽车爬坡度

从图5可看出汽车各挡所能爬上的最大坡度，并且每挡的爬坡度都是连续的，符合实际情况。轿车的低挡驱动力是用以获得良好的加速性能的，所以计算中求得的爬坡度很大，大大超出实际要求的爬坡能力。因此，对于轿车而言，1挡一般不是按照上坡能力设计，而是按照加速能力设计［3］。

2 输出转矩与负载转矩特性曲线分析

从图1可以看到，在大油门开度下，曲线先升后降，在中小油门开度下曲线都是下降的。在这里需指出:曲线上升区间是非稳定工作区，汽车在行驶过程中，发动机不会在此区间工作;而曲线的下降部分都是稳定工作区域，汽车行驶时发动机在此区间工作。下面以某一油门开度下的转矩特性为对象进行具体分析。

如图6所示，曲线Ttq为发动机转矩特性曲线，曲线Tr为负载转矩特性曲线。只有当发动机发出的转矩Ttq与工作机械消耗的转矩Tr相等时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作［2］。在最大转矩点右端，点r、s、t为稳定工作点，发动机的输出转矩与负载转矩相平衡。设s点为原稳定工作点，Ttq=Tr，对应的发动机转速为ns。当汽车下坡时，阻力特性曲线会平移下降到T'r，即阻力矩减小时，原来的输出转矩Ttq＞Tr，转速会上升，工况点将会沿特性曲线右移到达新平衡点t;当汽车上坡时，阻力特性曲线平移上升到T″r，即阻力矩增大时，原来的输出转矩Ttq＜Tr，转速会下降，工况点将会沿特性曲线左移到达新平衡点r。

图6 输出与负载转矩特性分析

然而，在最大转矩点左端，情况却相反。如图7所示，设f点为当前稳定工作点，Ttq=Tr，对应的发动机转速为nf。当阻力特性曲线下降为T'r，即阻力矩减小时，原来的输出转矩Ttq＞Tr，转速会上升，工况点应该沿特性曲线右移到达某一新平衡点，而在图7中稳定工作点却向左到达e点，表示负载转矩减小，发动机转速还在下降，这是不合理的。同理，当阻力特性曲线上升为T″r，即阻力矩增大时，原来的输出转矩Ttq＜Tr，转速会下降，工况点应该沿特性曲线左移到达某一新平衡点，而在图7中工作点却向右到达g点，表示负载转矩增大，发动机转速还在上升，这也不合理。

图7 输出与负载转矩特性分析

由以上分析可得，汽车在行驶过程中，不会在图7中所示的最大转矩点的左端这一区间稳定工作。从转矩特性图中可以看到，随油门开度的减小，最大转矩点会左移，其右边区域都是工作区。汽车在行驶过程中，通常是在中小油门开度下运行，即都会在稳定区工作，符合上述分析。

在驱动力－行驶阻力平衡图中，若考虑坡道阻力，则阻力曲线会平行上移，如图8所示。

图8 不同阻力下的驱动力－阻力平衡图

图8中分别画出了汽车在坡度为0.23和0.40的坡道上行驶时的阻力曲线，根据阻力曲线可以得出:

1)汽车在爬坡时，应该降低挡位提高驱动力，否则爬不上去。比如要爬上22.6°的坡，只能选用1挡或2挡。

2)转矩特性曲线左端是非稳定工作区，从图中看到，若遇到38.0°的坡，则只能选用1挡爬坡，这时候会有2个稳定工作点，对应2个稳定速度，这不符合实际。所以，转矩曲线最大转矩点右端才是稳定工作区。

3 结束语

对发动机特性进行了分析，修正了汽车驱动力图、加速度图、爬坡度图，对实际驾驶中出现的现象进行了合理的解释。

指出了发动机特性曲线最大转矩点左端区间为不稳定工况，汽车在实际行驶中不会在此区间工作。该结果为汽车动力学相关研究提供理论参考，同时也对汽车理论知识的完善起了一定的推动作用。

后续研究包括完善发动机模型，对以油门开度和转速为横坐标、以输出转矩为纵坐标的发动机特性曲面进行分析，考虑等功率下如何合理选择挡位的问题，更加深入地研究汽车动力性和燃油经济性。

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