汽车动力装置匹配技术复习2014

第一部分内燃机性能1.内燃机的工况

内燃机的工况：以发出的功率Pe和（工作）转速n来表示的内燃机的运行状况（简称工况）。

内燃机的工况参数是：转速、油门开度、转矩（或功率）,

三者任意两个参数决定内燃机的工况。

汽车行驶过程中，内燃机的工况参数如何确定？

2.内燃机的特性内燃机油门开度处于一定位置，其动力性能与经济性能随转速变化的关系称为内燃机速度特性。

它包括全负荷时的速度特性（外特性）和部分负荷时的速度特性（部分特性）两大类，油门保持全开时所测得的速度特性即为外特性，油门部分开启时所测得的速度特性则为部分（速度）特性。部分特性曲线有无数条，而外特性只能有一个。图3-1汽油机不同节气门开度（负荷）时的速度特性曲线2.1汽油机的速度特性

2.2汽车发动机的理想速度特性汽车发动机的速度特性应该如图3-4所示，这样的速度特性即为汽车发动机的理想速度特性，图中，发动机功率为一条水平直线，扭矩曲线则为一条单边双曲线（Ne=Ttqn)图3-4汽车发动机理想的速度特性什么是汽车动力的理想速度特性？3内燃机的负荷特性

内燃机负荷特性是指发动机转速不变的条件下，其他性能参数（主要是经济性指标）随负荷（油门或节气门开闭）而变化的关系。汽车在实际运行时，除超车、爬坡等运行工况下油门全开外，大部分工况是发动机在中等负荷区工作，车速基本不变，但由于道路阻力的变化，使得油门（或节气门）开度随时发生变化，以适应外界阻力的变化，因此，发动机的负荷特性对汽车运行性能具有重大的影响。3.1汽油机的负荷特性

汽油机ηi、ηm随负荷变化的关系也示于图4-1中，ηi是一条上凸的曲线，而ηm随负荷的增大而提高，由于be∝

因此，随度负荷的增加，ηi，ηm均增大，当负荷增至85~90%油门开度时，加浓装置起作用，变小，ηi下降，be(ge)又有所上升。3.2柴油机的负荷特性柴油机的负荷特性与汽油机具有相似的形态，如图4-2所示。

3.3发动机负荷特性与汽车燃料经济性能的关系评价汽车运行经济性能的指标是汽车的百公里油耗值Q100。它与发动机功率Pe，比油耗be以及车速Va之间具有下述关系。4万有特性应用分析最经济区等油耗线的疏密情况反映发动机油耗变化的敏感性形状等油耗线的形状及分布情况对内燃机的使用经济性也有很重要的影响。在万有特性中可以看出各n、pe、Pe下的最低油耗率曲线。

图6-5以功率为纵坐标的万有特性3.万有特性也可以Pe（或Pn%）为纵坐标，以n（或n%）为横坐标。这种万有特性对使用分析比较方便适用，如图6-5所示，将行驶阻力（功率）曲线绘制在此图上，则功率平衡、燃料消耗量等的关系便一目了然。

4、各Pe下的bemin曲线称为100%bemin曲线。从此曲线（图6-7的曲线B）出发，沿等功率曲线两面使be增加10%的点的连线称为各Pe下110%bemin曲线，显然这样的曲线有两条，由这两条曲线包容的范围称为经济运转范围。对于车用发动机、在常用排挡下，一般行驶阻力应在此范围才算发动机与汽车经济性匹配较好，否则应将传动系统参数作适当调整。图4-7最低油耗区与经济运转范围A、各平均有效压力下面的最小耗油率曲线B、各功率下的最小耗油率曲线C、各转速下的最小耗油率曲线PS—马力汽车的动力性是指汽车在良好的路面上直线行驶时，由汽车受到的纵向外力决定的，所能达到的平均行驶速度。（一）汽车最高车速Vamax

汽车最高车速是指汽车在水平、良好的路面（混凝土或沥青）上能达到的最高行驶速度。（二）汽车的加速时间t

汽车的加速时间表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有很大的影响。汽车通常用原地起步加速时间与超车加速时间来衡量加速能力。（三）汽车的最大爬坡度imax

最大爬坡度是表示汽车满载并在良好的路面上的上坡能力，即汽车在最低档时的最大爬坡度。第二部分动力装置匹配技术6汽车的性能指标汽车的燃油经济性

汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。

计算等速百公里油耗的基本公式：7汽车的驱动力与行驶阻力一、汽车的行驶方程式二、汽车行驶的驱动——附着条件∵

∴才能加速行驶

1、驱动条件——第一条件

2、附着条件——第二条件综合起来：

汽车的动力特性图一、汽车驱动力—行驶阻力平衡图二、汽车的功率平衡汽车的功率平衡图

三、汽车的动力特性图动力因数就是根据与车辆总重无关的观点，将剩余驱动力除以总重而得到的，即（2-14）

它的物理意义是单位汽车总重的后备驱动力。8.汽车动力系统的万有特性8.1汽车的万有特性对于汽车而言，把发动机的万有特性、传动效率、载重量、道路滚动阻力、坡道阻力、空气阻力等综合表示在一张图上，并称之为汽车的万有特性，以此为工具或手段来研讨汽车的经济性匹配与动力性匹配较为直观、方便。

汽车的传动效率随汽车所用排档、汽车速度、负载等而变化，但是在汽车的动力性分析时一般把它看成常数。

汽车的性能参数（动力性、燃油经济性）与发动机性能参数之间存在下列基本关系：（一）汽车车速与传动系速比、发动机转速之间的关系（二）驱动力与发动机转矩之间的关系

（三）汽车匀速行驶时所需的牵引力（四）汽车车速、牵引力与所需发动机功率之间的关系（II）平均有效压力：

（MPa）

由（Ⅱ）式可知，牵引力Ft和车速Va是沟通汽车运行参数与发动机工况的桥梁，所有的匹配计算分析都是以汽车的牵引特性Ft—Va为基础的。

（五）汽车的百公里油耗

iVh为发动机总排量（L）pme为发动机平均有效压力（bar）

9.发动机与汽车的经济性匹配9.1影响汽车燃油经济性的因素

汽车等速百公里燃油消耗量为：

式中：K—常数F—行驶阻力F=Ff+Fw

因此，汽车等速百公里燃油消耗量正比于等速行驶时的行驶阻力与发动机燃油消耗率，反比于传动系机械效率。或一、影响经济性的使用因素

（一）行驶车速由汽车的的万有特性图可以看出，汽车等速油耗在接近于低速的中等车速时最低，高速时随车速的增加而迅速增加，这是由于在高速行驶时，虽然发动机的负荷率较高，但汽车的行驶阻力却加大很多，从而导致百公里油耗的增加。

（二）档位选择在一定道路上，汽车用不同排档行驶，燃油消耗量是不一样的，显然在同一道路条件与车速下，虽然发动机发出的功率相同，但档位越低，后备功率越大，发动机的负荷率越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，而使用高档时的情形相反，所以一般尽可能用高档行驶。最经济的驾驶方法是：高档行驶可能性未用尽以前，不应换入低档。如图中1点使用4挡的油耗（12.5kg/100km）比2点使用3挡油耗（17kg/100km）低很多。图9-2

（三）挂车的应用拖带挂车后，虽然汽车总的油耗量增加，但由于载重量增加，分摊到每吨货物上的燃油消耗量（吨百公里油耗）却下降了。拖带挂车后节省燃油的原因有两个方面：一是带挂车后阻力增加，发动机负荷率增加，有效油耗率be下降，另一方面是汽车列车的重量利用系数（即装载重量与自重之比）较大，在汽车总重一定的条件下，汽车的油耗也是一定的，若能增大重量利用系数，则同一总重的汽车能装载的货物重量增加，因而运送单位重量货物所费的燃料便下降，即100km/t的油耗便要低些。由于挂车的结构简单，自重轻，所以汽车列车的重利用系数比单车大。

（四）正确的调整与保养汽车的调整与保养会影响到发动机的性能与汽车行驶阻力，所以对百公里油耗有相当大的影响。汽车底盘的技术状况影响到汽车的行驶阻力，也就对使用油耗产生直接的影响，汽车底盘的保养与调整应保证汽车的前轮定位正确，制动器摩擦片与制动鼓有正确间隙，轮胎气压正常，各相对运动零部件滑磨表面光滑、间隙恰当并有充分的润滑油，此时底盘的行驶阻力会减小，汽车的滑行距离增加，相应使用油耗也会降低。

二、汽车结构方面为了节省燃油，一方面依靠运输企业正确地使用车辆，但更重要的是制造厂应提供省油的汽车，因此，当前世界各国都把提高燃油经济性作为汽车发展与科研中的重大课题。

下面分别论述发动机、传动系、汽车外形、轮胎等与汽车燃油经济性的关系。

（一）发动机

为了节省能源，控制排气污染，近年来对于汽车用发动机进行了多方面的研究，由目前情况来看，最现实的途径是在现有发动机的基础上，改进现有通用的汽油机的经济性，同时扩大柴油机的使用范围，另外稀薄混合气分层燃烧汽油机也是一种有前途的发动机，概括起来，提高发动机燃油经济性的主要途径为：

（1）提高现有汽油发动机的热效率和机械效率。

（2）扩大柴油发动机的应用范围。（柴油机比汽油机省油，排放性能较好，但重量大，整车动力性差，噪声、振动较大）

（3）增压化。（增压后，比油耗be有所下降）。

（4）电子计算机控制技术的广泛应用。（电控结合稀燃）

另外，选用小排量发动机以提高发动机负荷率对节油也很有意义。（家用经济型轿车的概念、混合动力汽车）

（二）传动系传动系对燃油消耗的影响，取决于其传动效率、档数和传动比。

传动效率越高，损失于传动系的能量越少，汽车的燃油经济性也就越好。

传动系的档位增多后，增加了选用合适档位使发动机处于经济工作状况的机会，有利于提高燃油经济性（在同样的车速下，采用不同的排挡行驶时，发动机的转速和负荷率都不一样，因而有效油耗率也不一样）。但档位过多，会使传动系过于复杂，而且也不便于操作选用。

档数无限的无级变速器，在任何行驶条件下提供了使发动机在最经济工况下工作的可能性，若无级变速器始终能维持较高的机械效率，则汽车的燃油经济性将显著地提高。现有的无级变速器多数为液力变矩器（液力变扭器），由于液力（自身能量损失大）变矩器的传动效率低，汽车装用自动液力变扭器以后，燃油经济性有所下降，但由于它操纵简便，乘坐舒适性好等优点而在高级小客车上得到广泛的应用。

（三）车重车重影响到滚动阻力、上坡阻力与加速阻力，因此影响汽车的燃油经济性。载重汽车中“重量利用系数”越大，则制造中的消耗材料少，且运输中的油耗与成本都将降低，对于轿车、也是越重越费油，又大又重的豪华型轿车比小而轻的轻型或微型汽车的油耗几乎要高3～5倍。因此，广泛采用轻型微型轿车可以说是节约燃料的有效措施。

（四）汽车外形与轮胎高速行驶时的空气阻力成为汽车行驶阻力的主要部分。装有导流板的货车，在高速行驶时，可减小空气阻力20%，节油（4~10%）。因此，汽车的流线型设计对改善高速汽车燃油经济性有重要意义。轮胎对燃料经济性的影响，主要表现在轮胎的滚动阻力、附着性能、振动，花纹噪声等所引起的能量损失，在轮胎结构上，目前公认子午线轮胎的综合性能最好，与一般斜交轮胎相比，可节油6%~8%。

9.2

发动机与汽车的经济性匹配

在汽车参数已定的情况下，i、Vh、i0（ig）和载重量T均为常数，因此，汽车的使用油耗g100仅与ig、pme、be有关，而这三者取决于当时的行驶阻力、发动机油门开度、转速、变速器档位等，当igpmebe具有最小值时，汽车才具有最佳经济性能；而发动机最佳性能则是在be具有最小值时才能获得。

第一种情况：若行驶要求的功率Pe和车速Va都不变，则g100的变化率与be的变化率相同。A点：g100=20kg/100kmB点：g100=18.14kg/100kmB点比A点降低9.6%AB

第二种情况：当发动机转速保持不变，改变传动比ig使发动机处于bemin工况下工作，此时，ig变小，be减小，而pe增大，igbepme的乘积并不一定降低。A点：ik=0.81g100=13.77kg/100kmB点：ik=0.595g100=17.98kg/100kmB点比A点增加30.57%

AB

第三种情况：通过增加装载吨位或带拖挂来利用较高的功率，使车速Va不变，即ig、i0、r、n均不变，以降低吨百公里油耗L/t100km

第四种情况：如果设法把发动机万有特性的低油耗区变至中等转速的较低负荷区，则无论从生产率和g100都将获得很大的经济效益。因此，改善汽车经济性匹配的有效途径之一就是使发动机的经济区位于常用排挡、常用车速区。（这必须通过降低发动机的机械损失，提高发动机的燃烧（热）效率和机械效率，改善低负荷和中等转速的工作过程来实现）。

§10-1影响汽车动力性的因素

影响汽车动力性的主要因素有：汽车总质量、发动机特性、主传动比、变速器档数、汽车流线型、轮胎等，此外，使用条件对汽车的动力性也有不同程度的影响。

（一）汽车总质量除空气阻力外，所有行驶阻力都与车重有关，从动力因数式中可见，汽车的动力因数随总重的增加而下降，所以，减轻汽车的总重是提高汽车动力性和经济性的重要方面。

（二）发动机特性

（三）主传动比图10-1中三条等高的曲线，表现变速器传动比不变而具有三种不同传动比时，发动机功率与车速的关系。当主传动比i0不同时，阻力功率曲线是不变的，但发动机功率曲线位置和形状发生变化，因而最高车速和后备功率也不同。10-1

（四）变速器档数选择合适的档数对汽车动力性和燃料经济性都有较大的影响。挡数越多，在最经济工况下工作的可能性就增加。（五）汽车流线型的影响空气阻力及动力因数两式表明，流线型不好的汽车，Fw随（CDA）值的上升而增大，以致使动力因数下降，当轿车车速高达150km/h时，空气阻力为其他阻力的2~3倍,可见高速汽车对流线型的要求更为重要。

（六）轮胎的影响

轮胎尺寸、材料、气压及其结构形式影响汽车的滚动阻力，轮胎花纹影响车轮的附着力。因此，合理选择轮胎，对汽车动力具有重要意义。综合考虑第四章第一节及本节的内容可知，减轻车重、汽车的流线型设计和合理选择轮胎都有利于提高整车的动力性和燃油经济性，另外，选择合适的档数也有利于汽车动力性和经济性的改善。

§10-2汽车发动机功率的选择

发动机功率的选择一般以保证汽车预期的最高车速为原则。

最高车速虽然只是动力性中的一个指标，但它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力。（为什么？）

最高车速的要求提出后，选择的发动机功率应大于或等于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和，即：（1）实际设计中常利用现有汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动机应有的功率。

汽车的比功率是单位汽车总质量（重量）具有的发动机功率，比功率的单位为kW/t，可由（1）式求得汽车比功率为：汽车比功率=不同货车的比功率将随总质量的增大而逐步减小，但大于单位质量应克服的滚动阻力功率。

一般地，货车可以根据同样总质量（重量）的同类车辆的比功率统计数据，初步确定发动机的功率。§10-3汽车性能与传动比的关系一、最小传动比的选择汽车大多数时间是以最高档行驶的，即用最小传动比的档位行驶的，因此，最小传动比的选定对汽车的使用性能有重要的影响。

传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的乘积，普通的汽车都不带分动器或副减速器，其总传动比为：it=i0ig

大多数汽车的变速器最小传动比为1，即为直接传动，此时汽车的最小总传动比就是主减速比，若变速器的最高档不是直接挡，而是超速档，则此时汽车的最小传动比应为变速器的最高档传动比igmin与主减速比i0的乘积，即itmin=i0igmin。i01的后备功率最小；i03的后备功率最大；i01的燃油经济性最好；i03的燃油经济性最差。

<1，动力性差，燃油经济性好；

=1，动力性和燃油经济性都比较好；

>1，动力性好，燃油经济性差。2）后备功率10-2

在选择最小传动比时还应考虑到最高档行驶时，汽车具有足够的动力性能，即应有足够的最高动力因数D0max，最小传动比itmin与D0max之间有如下关系：

Va—最高档时发动机最大转矩时转速nM所对应的车速。若选择的itmin难于满足最高车速与D0max要求时，可以适当调整给定的动力性指标，如降低最高车速，或改进选定的发动机外特性（增大最大转矩）或重新选用新的发动机。

二、汽车最大传动比的选择选择汽车最大传动比时，应考虑三方面的问题：最大爬坡度或头档最大动力因数D1max，附着力和汽车的最低稳定车速。对于普通的汽车来说，传动系最大传动比itmax是变速器头档传动比ig1与主减速器传动比i0的乘积，即itmax=ig1i0，如果i0已知，确定传动系最大传动比itmax也就是确定变速器头档传动比ig1。首先以头档最大爬坡度来估计itmax的大小。汽车上爬时车速低，空气阻力可以忽略不计，汽车的最大驱动力应为Ftmax≥Ff+Fimax

或如令则一般货车的最大爬坡度为30%，即α≈16.7

求出头档传动比ig1后，按下式验算附着条件

式中道路附着系数φ，一般为0.5～0.6；Zφ是驱动轮上的法向反作用。

三、汽车传动系档数与各档速比的选择

增加档数会改善汽车的动力性和燃油经济性。

（如何影响其动力性与经济性？）档数多少还影响到档与档之间的传动比值，比值过大会造成换档困难。一般认为比值不宜大于1.7～1.8，因此，最大传动比与最小传动比之比值愈大，档数也应愈多。

根据整车的性能要求选定了汽车的itmax和itmin及传动系的档位数后，变速器其他中间档及速比的确定应尽量遵从下列要点。如果变速器最高档速比为1，则itmin=i0，如果最高档是超速档，则超速档的速比一般在0.7~0.85内选取。

1、为了提高汽车的牵引性能，在各档加速时，发动机功率的平均值应尽可能接近Pn。即发动机工作转速范围n1~n2应尽可能小，并且接近nn。

2、换档过程假定在瞬间完成，汽车的速度假设不