汽油发动机节气门开度变化率对其动力性影响的研究

2015-03-17金大鹏

湖北理工学院学报 2015年1期

袁焕，金大鹏

(湖北理工学院机电工程学院，湖北黄石435003)

0 引言

汽车在使用过程中，由于起步、升档、降档、制动、加速、减速等过程的存在，发动机不可能完全处于稳定工况中。由于发动机是汽车的动力单元，其性能的好坏直接影响汽车使用过程中的各项性能指标。发动机的动态工况是相对稳定工况而言的，是指发动机的转矩、转速或油门度中的任意一个处于变化过程所处的工况。当车辆在道路上行驶时，即使是在高速公路上巡航行使时，发动机的负荷和转速等参数也处于变动状态，因此动态工况占整个运行工况的66% ～80%［1－2］。发动机在动态工况下所表现出来的性能特性称为发动机的动态特性。在发动机的所有控制变量中，节气门开度变化率在汽车加速或减速过程中，与发动机的转速、转矩变化情况、燃油经济性以及有害物排放等都有着密切的联系。为了掌握汽油发动机节气门开度变化率对发动机性能的影响，基于发动机台架试验，分别在发动机低转速、中转速、中高转速情况下，以不同节气门开度变化率加大节气门开度，通过相对应条件下的转矩变化情况来研究发动机节气门开度变化率对发动机动力性的影响［3－4］。

1 节气门开度变化率对发动机性能影响的原因

汽车在动态工况下，节气门开度是经常变化的。节气门开度的变化率对汽车变速(如水平路面加速)时刻或变矩(如上坡保持速度恒定)时刻的动力性有较大影响，同时对变速或变矩时刻汽车尾气排放中有害物含量也有较大影响［5－6］。

目前，我国大多数轿车均采用的是电控喷油式汽油发动机。电控喷油式汽油发动机吸进的汽油包括3部分:①从喷油器出来后直接进气流的油粒及其蒸汽;②附着在气缸壁上的油膜蒸发的油蒸汽;③进气门口处残留的为数很少的油膜。

可以通过台架试验，在恒转速条件下，以不同节气门开度变化率加大节气门开度，并测得其相关指标数据，从而分析节气门开度变化率对发动机动力性的影响及其原因。

2 节气门开度变化率对发动机动力性的影响

2.1 试验数学模型的建立

考虑到节气门开度的变化时，燃油供给量变化存在滞后现象，同时进气管内气压也会发生相应变化，节气门开度变化率必然会在发动机变速或变矩过程中产生一定的影响［7－9］。假设在t0～t1时间段内，节气门开度的增量为kd(kd可取0～1，1对应的是节气门全开)，并且kd与时间t之间存在一定的函数关系。取微小时间段△t，在△t时间段内，节气门开度的增量为△kd，因此节气门开度变化率可表示为［10－11］:

式(1)中k为常数，为了更为全面的研究节气门开度变化率对发动机动力性能的影响，应该在某一区间内，取得足够多的k值。现取在［0.25，1.5］范围内的4个k值来研究，即k为0.25，0.5，1.0，1.5。

2.2 台架试验及数据

在试验台上模拟变负载工况，发动机为恒转速(取 n=1500 r/min，n=1800 r/min，n=2000 r/min 3种情况)工况，取不同节气门开度变化率k，节气门开度为25%～70%。转速 n=1500 r/min不同节气门开度变化率 k时转矩变化情况如表1所示，n=1500 r/min不同k值下转矩随时间变化关系如图1所示。

表1 转速 n=1500 r/min不同节气门开度变化率k时转矩变化情况 Nm

图1 n=1500 r/min不同k值下转矩随时间变化关系

由图1可知，在发动机转速n=1500 r/min，节气门开度变化率k在0.25～1.5之间的情况下:①以不同节气门开度变化率k增大节气门开度，发动机最终转矩都接近恒定值，但节气门开度变化率k不同时，达到这一恒定转矩的时间不相同，且节气门开度变化率k越大，所需时间越短;②节气门开度变化率k越小，发动机的变矩过程越平缓。

转速n=1800 r/min不同节气门开度变化率k时转矩变化情况如表2所示，n=1800 r/min不同k值下转矩随时间变化关系如图2所示。由图 2可知，在发动机转速 n=1800 r/min，节气门开度变化率k在0.25～1.5之间的情况下:①以不同节气门开度变化率k增大节气门开度，发动机最终转矩都接近恒定值，但节气门开度变化率k不同时，达到这一恒定转矩的时间不相同，节气门开度变化率k越大，所需时间越短，与 n=1500 r/min时相比，此时在不同节气门开度变化率k下，达到恒定转矩所需时间的差距较小;②节气门开度变化率 k越小，发动机的变矩过程越平缓，与n=1500 r/min时相比，这种平缓优势较小。

表2 转速n=1800 r/min不同节气门开度变化率k时转矩变化情况 Nm

图2 n=1800 r/min不同k值下转矩随时间变化关系

n=2000 r/min不同 k值下转矩随时间变化关系如图3所示，转速n=2000 r/min不同节气门开度变化率k时转矩变化情况如表3所示。由图3可知，在发动机转速 n=2000 r/min，节气门开度变化率k在0.25～1.5之间的情况下:①以不同节气门开度变化率k增大节气门开度，发动机最终转矩都接近恒定值，但节气门开度变化率k不同时，达到这一恒定转矩的时间也不相同，节气门开度变化率k越大，所需时间越短，与 n=1500 r/min和n=1800 r/min时相比，此时在不同节气门开度变化率k下，达到恒定转矩所需的时间非常短，基本不明显;②节气门开度变化率k越小，发动机的变矩过程越平缓，与n=1500 r/min和n=1800 r/min时相比，这种平缓优势非常小。

图3 n=2000 r/min不同k值下转矩随时间变化关系

表3 转速n=2000 r/min不同节气门开度变化率k时转矩变化情况 Nm

3 试验数据分析

分析试验数据可知，转矩T由节气门开度为20%时的T1增大至节气门开度为70%所对应稳定转矩T2所需的变矩时间及节气门开度增至70%瞬间发动机的转矩等指标来判定不同节气门开度变化率k下发动机动力性的特点。①在恒转速工况下，随着节气门开度变化率k值的增大，变矩时间 t越来越短，瞬时转矩T也越来越小;②在同一节气门开度变化率k下，发动机转速越高，其对发动机动态转矩的影响越小;③随着节气门开度增大，节气门开度变化率k对发动机动态转矩的影响越小。