汽車用柴油機、汽油機匹配變速器技術(shù)差異性分析

王燕云

（北京福田戴姆勒汽車有限公司技術(shù)中心，中國 北京101400）

運輸車輛傳動系統(tǒng)的型式與所用的發(fā)動機類型有密切的關(guān)系。這是由于不同類型的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性有著很大的差別。為了使裝用不同類型發(fā)動機的車輛在各種行駛條件下都有滿意的牽引力——車速特性，就必須根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性，采用相應(yīng)的傳動系方案。

下面就匹配柴油機、汽油機車輛匹配變速器技術(shù)差異性進行簡要分析。

1 柴油機、汽油機性能差異分析

1.1 汽油機、柴油機概述

汽油機具有轉(zhuǎn)速高（轎車用汽油機轉(zhuǎn)速可高達5000～6000轉(zhuǎn)/分，貨車用汽油機達4000轉(zhuǎn)/分左右），質(zhì)量輕、工作噪聲小、起動容易、制造和維修費用低等特點，故在轎車和中、小型貨車及軍用越野車上得到廣泛應(yīng)用。其不足之處是燃油消耗率較高，燃油經(jīng)濟性較差。

柴油機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。扭矩大，轉(zhuǎn)速較低等優(yōu)點。在燃燒效率方面，燃燒效率更高，燃油消耗低、排放更低。缺點是：轉(zhuǎn)速較低（一般最高轉(zhuǎn)速在2500～3000r/min左右），質(zhì)量大，制造和維修費用高。但目前柴油機的這些缺點正在逐漸得到克服。特別是柴油機技術(shù)日益成熟，冬天不好啟動、提速慢的缺點已經(jīng)得到了克服。

柴油機比汽油機車輛省油，因為壓燃式的柴油機比點燃式的汽油機具有更高的能量轉(zhuǎn)換，能源消耗為汽油機的45%～60%。

隨著近年來柴油機技術(shù)的進步，特別是小型高速柴油發(fā)動機的新發(fā)展，一批先進的技術(shù)，例如電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等技術(shù)得以在小型柴油發(fā)動機上應(yīng)用，使原來柴油發(fā)動機存在的缺點得到了較好的解決，而柴油機在節(jié)能與CO2排放方面的優(yōu)勢，則是包括汽油機在內(nèi)的所有熱力發(fā)動機無法取代的。

1.2 柴油機、汽油機性能對比

1.2.1 速度特性對比

發(fā)動機速度特性是指發(fā)動機在油量調(diào)節(jié)機構(gòu)保持不變的情況下，主要性能指標（有效轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率等）隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。

圖1 柴油機外特性曲線

圖2 汽油機外特性曲線

表1

1.2.2 萬有特性

在汽車設(shè)計與開發(fā)工作中，常需要根據(jù)發(fā)動機臺架試驗得到的萬有特性圖與汽車功率平衡圖，對汽車燃油經(jīng)濟性進行估算。

柴油機與汽油機的萬有特性曲線如圖3、圖4所示。

汽油機燃油消耗率比柴油機高；汽油機最經(jīng)濟區(qū)域處在偏上位置的高負荷區(qū)，負荷率降低，油耗增加很快；而柴油機的最經(jīng)濟區(qū)比較適中，負荷變化時油耗變化不大。

由于汽油機經(jīng)常在低負荷工況下，燃油消耗率高，因此經(jīng)濟性不佳；柴油機多用于載貨車、工程機械等，工作負荷率高，故其燃油經(jīng)濟性好。

2 柴、汽油機對傳動系速比的影響

圖3 柴油機萬有特性曲線

圖4 汽油機萬有特性曲線

變速器在汽車動力總成中的功用是：通過變化速比，調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，達到汽車克服行駛阻力，保持一定行駛速度的要求。

在與整車動力總成性能匹配方面，車橋主減速比、變速器各檔速比的確定是至關(guān)重要的。

在本文中，為比較柴、汽油機匹配變速器性能的差異性，我們設(shè)定如下前提條件：對變速器各重要檔位速比的設(shè)計進行說明，并根據(jù)柴、汽油機性能要求的不同，說明變速器速比選取的差異性。

2.1 設(shè)定前提

假設(shè)在同一款汽車上分別配置柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機。為使汽車的動力性（這里使用整車最高車速）達到一致，設(shè)定兩款發(fā)動機額定功率相同。

2．2 傳動系主要參數(shù)說明

2．2．1 主減速比

主減速比在傳動系中主要用來起到對發(fā)動機動力減速增扭的作用。其值的確定一般是依據(jù)發(fā)動機最大功率點轉(zhuǎn)速，根據(jù)變速器最小傳動比、輪胎直徑、汽車行駛阻力等參數(shù)，進行設(shè)計計算，使汽車能夠達到所能達到的最高行駛車速。

2．2．2 變速器最大傳動比

變速器最大傳動比一般是用來使汽車達到設(shè)定的最大爬坡度，頭檔動力因數(shù)以及最低穩(wěn)定車速。 在以下動力性分析時，從汽車的最大爬坡能力方面設(shè)計計算。

2．2．3 變速器超速檔

考慮汽車燃油經(jīng)濟性，設(shè)置該檔位，增加發(fā)動機工作負荷率，提高整車燃油經(jīng)濟性。

2.3 傳動系速比設(shè)計及分析

2.3.1 主減速比

主減速比一般是選定變速器傳動比為1時，根據(jù)汽車功率平衡圖，使發(fā)動機最大功率點與阻力功率曲線相交。這樣可以使汽車發(fā)揮出其最大功率，從而跑出該車所能達到的最高車速。根據(jù)汽車最高車速及發(fā)動機最大功率點的轉(zhuǎn)速，折算出傳動系主減速比，計算公式如下：

其中：Uamax為汽車最高車速 (km/h)；n為發(fā)動機最大功率點轉(zhuǎn)速(rpm)；r為車輛半徑 (m)；f為滾動阻力系數(shù)；CD空氣阻力系數(shù)；A迎風面積ig為變速器速比(取1)；io為主減速器速比。

由式（2），主減速比與發(fā)動機最大功率點轉(zhuǎn)速成正比。同功率發(fā)動機，汽油機最大功率下轉(zhuǎn)速高于柴油機轉(zhuǎn)速，因此計算出的主減速比要大于柴油發(fā)動機匹配的主減速比。

2.3.2 變速器最大速比

變速器最大傳動比的確定是根據(jù)：在發(fā)動機發(fā)揮出最大扭矩工況下，使整車克服道路阻力，坡道阻力所需要的變速器速比。 參數(shù)的確定主要與發(fā)動機最大扭矩、汽車總重、坡度有關(guān)，計算公式如下：

其中：G為汽車總重 (kg)；f滾動阻力系數(shù)；r為車輛半徑(m)；Ttqmax為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩；ηT為發(fā)動機機械效率；ig1為變速器一檔速比；io為主減速器速比；αmax為最大爬坡角度約為16.7°。

發(fā)動機最大扭矩與最大功率點扭矩的比值為發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)，該參數(shù)決定了發(fā)動機適應(yīng)負荷變化的能力。該值越大，需要使用變速器速比調(diào)整扭矩量越小，使變速器最大速比值越小。解釋如下：

設(shè)汽車達到最高車速時所需驅(qū)動力為Famax，爬坡時最大驅(qū)動力Ftmax，發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩Ttqmax，發(fā)動機最大功率點處扭矩為Ttqn，根據(jù)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩與阻力轉(zhuǎn)矩平衡，有：

由（3）、（4）式可得到：

其中：Kt為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)；

上式中，變速器一檔速比與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)成反比，因此，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)越大，匹配的變速器最大速比值越小。

一般情況下，汽油發(fā)動機扭矩適應(yīng)系數(shù)大于柴油機，因此匹配變速器最大速比值小于柴油機用變速器最大速比值。

新型柴油機采用油量校正后，扭矩適應(yīng)系數(shù)與汽油發(fā)動機接近，因此，匹配變速器最大速比值差別不大。

3.3 變速器超速檔速比：

圖5 不同檔位下發(fā)動機的功率平衡圖

如圖5所示，使用超速檔發(fā)動機功率曲線右移，在功率平衡點，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低提高工作負荷率，使其工作在燃油經(jīng)濟區(qū)域，從而達到提高整車燃油經(jīng)濟性的目的。

超速檔的確定方法如下：

設(shè)發(fā)動機燃油消耗率最小處發(fā)動機功率為Pεb，轉(zhuǎn)速為nb,汽車行駛功率平衡方程式：

可解出變速器超速檔速比。

其中：G為汽車總重(kg)；f為滾動阻力系數(shù)；CD空氣阻力系數(shù)；A迎風面積；Uae為汽車在變速器超速檔時車速(km/h)；r為車輛半徑(m)；ic為變速器超速檔速比；

i0為主減速器速比；

以該超速檔行駛，是在保持燃油經(jīng)濟性高情況下跑出的汽車的次高車速。

依據(jù)汽油機、柴油機萬有特性圖，汽油機經(jīng)濟工作區(qū)域較柴油機小，其轉(zhuǎn)速范圍、負荷范圍均小于柴油發(fā)動機，對汽車道路阻力反應(yīng)敏感。因此，為使汽油發(fā)動機汽車燃油經(jīng)濟性好，有時要設(shè)兩個超速檔。而柴油發(fā)動機汽車變速器一般只設(shè)一個超速檔或不設(shè)超速檔。同理，汽油機用變速器其他檔位速比級差要比柴油機用變速器小。

2.4 計算實例

2.4.1 計算方法

選定兩款功率相當?shù)钠蜋C和柴油機，匹配同一車型，要求整車到達同一動力性（最高車速、最大爬坡度）前提下，利用“汽車動力性能參數(shù)計算”軟件，選擇傳動系速比，并對計算結(jié)果進行分析。

2.4．2 參數(shù)設(shè)定

表2 整車參數(shù)

表3 發(fā)動機參數(shù)

圖6 福康ISF2.8L外特性曲線

圖7 三菱4G64外特性曲線

4.3 計算結(jié)果

1）?？?ISF2.8L(96kW)

（1）整車最高車速： 128.2km/h；

（2）主減速器速比： 4.11；

（3）變速器一檔速比：4.99；

圖8

2）三菱 4G64(95kW)

（1）整車最高車速： 125.2km/h；

（2）主減速器速比：6.43；

（3）變速器一檔速比：4.59

圖9

表4

3）結(jié)果分析

3 結(jié)語

總體來說，匹配汽車用發(fā)動機，汽油機動力適應(yīng)性好而燃油經(jīng)濟性較差；柴油發(fā)動機相反，燃油經(jīng)濟性好而動力適應(yīng)性差。由于性能差異性，汽油發(fā)動機與柴油發(fā)動機匹配用變速器應(yīng)具有如下特征，以補償發(fā)動機性匹配汽車性能的缺陷：

（1）汽油機配車橋主減速器速比大于柴油機用主減速比；

（2）汽油機用變速器一檔速比小于柴油機用變速器一檔速比；

（3）汽油機用變速器速比級差比柴油機用變速器要小；

(4)汽油機用變速器更需要設(shè)置超速檔，甚至2個超速檔；柴油機一般只設(shè)一個超速檔或不設(shè)超速檔。

［1］余志生.汽車理論[M]．機械工業(yè)出版社．

［2］周龍保,劉巽俊，高宗英.內(nèi)燃機學[M]．機械工業(yè)出版社．

［3］劉惟信.汽車設(shè)計[M]．清華大學出版社．

［4］陳家瑞.汽車構(gòu)造[M]．人民交通出版社．