重載越野車輛高原起步響應性研究

黃綿敦， 張付軍， 崔濤， 劉雪媛

(北京理工大學 機械與車輛學院， 北京 100081)

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重載越野車輛高原起步響應性研究

黃綿敦， 張付軍， 崔濤， 劉雪媛

(北京理工大學 機械與車輛學院， 北京 100081)

針對重載越野車輛在高原環境下起步響應性差的問題，借助汽車仿真分析GT-SUITE軟件建立整車模型，仿真研究了海拔因素對重載越野車輛起步過程的影響以及換擋時刻、前傳動比對高原環境下起步過程的影響。結果表明：平原環境下整車起步用時14.7 s，而海拔高度4 500 m環境下用時27.2 s；相比于1 000 r/min轉速換擋而言，2 000 r/min轉速換擋所對應的整車起步響應時間縮短了3.9 s，因此可以通過提高起步換擋時刻對應發動機轉速的方法來改善車輛的起步響應性；隨著前傳動比的增大，整車起步過程中的加速度增大，但是達到穩定狀態時的車速減小，因此可以通過合理選擇前傳動比的方式來改善車輛的起步響應性。受到空燃比限制的影響，使得起步過程發動機與液力變矩器的共同輸入特性與4 500 m海拔下外特性所對應的共同輸入特性差別較大。

動力機械工程； 高原； 起步過程； 重載越野車輛； 轉速響應性； 前傳動比

0　引言

我國地貌復雜，平均海拔高度在2 000～4 500 m[1]，使得發動機功率變化范圍較寬，導致發動機與傳動系統匹配點(共同工作點)游移區域和幅度增大，匹配性能不穩定[2]。隨著海拔的升高，大氣壓力、密度下降，使得車輛的動力性、經濟性明顯變差。車輛的動力性和燃油經濟性主要取決于發動機的動力性能和燃油經濟性能的優劣以及發動機、傳動、行駛各系統的匹配情況[1]。

車輛的起步性能，即車輛平穩地從靜止到運動的能力，是衡量車輛動力性的重要指標[3]。由于環境的差異，使得平原性能良好的車輛進入高原環境時出現問題，其中高原起步困難是一個非常棘手的問題，正逐步受到關注。鄒永顯等[4]開展了車輛起步過程的運動學分析，深入分析了高海拔環境車輛起步性能的影響因素，提出了通過改善發動機低轉速轉矩特性來改善車輛高原起步性能的方案，并通過試驗驗證了方案的可行性。許宏昌等[5]針對車輛在高原環境下行駛時，出現起步困難的現象，提出了通過提高發動機目標轉速來改善車輛起步性能的方案，并通過試驗進行了驗證，但沒有給出全面的分析。本文利用仿真手段針對車輛起步過程開展研究。

1　模型的建立

為了研究高原環境下車輛的起步過程，需要建立整車模型，同時需要關注車輛起步過程中發動機參數的變化，因此，整車模型中應包含詳細發動機模型。基于上述的模型需求分析，建模過程分為兩步，首先是建立發動機動態仿真模型，然后將其與傳動系統連接起來構成整車模型。

1.1發動機動態模型的搭建

為了反映海拔條件對燃燒過程的影響，模型中采用基于神經網絡的零維預測燃燒模型，利用不同海拔下的試驗數據對神經網絡進行訓練，使其具有高原燃燒過程的預測能力[6-7]。神經網絡燃燒模型建模思路如圖1所示，以韋伯燃燒模型為基礎，利用試驗數據訓練神經網絡，使韋伯參數能夠隨工況變化，工況表征參數主要包括中冷后溫度、中冷后壓力、發動機轉速、循環供油量等。

圖1　神經網絡燃燒模型建模思路Fig.1　　　　Modeling idea of combustion model based on neural network

圖2　　　　海拔4 500 m、轉速2 100 r/min時預測放熱率與試驗結果的對比Fig.2　　　　Comparison of predicted and experimental RoHRs at 2 100 r/min at the altitude of 4 500 m

圖3　　　　海拔3 500 m、轉速1 700 r/min時預測放熱率與試驗結果的對比Fig.3　　　　Comparison of predicted and experimental RoHRs at 1 700 r/min at the altitude of 3 500 m

圖2和圖3分別為海拔高度4 500 m、發動機轉速2 100 r/min與海拔高度3 500 m、發動機轉速1 700 r/min工況下預測放熱率與試驗結果的對比(圖中TDC表示上止點)，從圖中可以看出，預測結果與試驗結果吻合較好。圖4為海拔高度0 m、4 500 m的外特性轉矩校核結果。從圖4可以看出，其誤差均在3%以內。因此，發動機模型能夠滿足仿真要求。

圖4　　　　海拔0 m和4 500 m時轉矩試驗值與預測值對比Fig.4　　　　Comparison of predicted and experimental torques at the altitudes of 0 m and 4 500 m

為了反映轉動慣量對發動機動態特性的影響，需要在模型中考慮曲軸和渦輪增壓器的轉動慣量。

1.2液力變矩器模型

液力變矩器是葉片式流體機械，其施加給發動機的負荷特性完全由泵輪的轉矩特性決定，即

(1)

圖5　液力變矩器的無因次特性Fig.5　　　　Dimensionless characteristic of hydraulic torque converter

式中：Mi為泵輪轉矩(N·m)；ρ為液力變矩器工作油密度，ρ=881 kg/m3；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；λi為泵輪轉矩系數(1/((r/min)2·m))；ni為泵輪轉速(r/min)；D為液力變矩器的有效工作直徑，D=0.35 m.

液力變矩器的特性通常采用無因次特性來表征，如圖5所示。無因次特性給出了變矩比K、效率η及泵輪轉矩系數λi隨傳動比i的變化規律。圖6為平原環境下發動機與液力變矩器的共同輸入特性。

圖6　平原環境下發動機與液力變矩器的共同輸入特性Fig.6　　　　Common input characteristics of engine and hydraulic torque converter on plain

1.3駕駛員模型

駕駛員模型根據給定的駕駛意圖，改變加速踏板、離合器、制動踏板的位置，同時還能執行相應的換擋操作。

駕駛員改變加速踏板位置的主要目的是為了改變發動機的循環供油量，從而改變發動機的運行點。因此，在整車模型中，需要加入油量控制模塊，將加速踏板位置信號轉換為發動機循環油量信號。為此，需對本文研究對象的供油策略進行分析。

本文的研究對象是一輛重型越野車輛，其配置的柴油機采用的是全程調速，使發動機油量能在全轉速范圍內進行調節。

油量控制策略如圖7所示，根據上一循環的供油量與油門踏板位置確定目標轉速，將當前轉速與目標轉速進行作差，通過PID控制器將差值轉換為循環供油量，并與外特性限制油量、空燃比限制油量進行比較，以三者中的最小值作為下一循環的供油量。其中，空燃比限制在噴油器模塊中設置，將冒煙極限所對應的空燃比設為18.

圖7　油量控制策略Fig.7　Fuel mass control strategy

為了在模型中體現發動機的調速特性，本文將各油門踏板位置下的外特性轉速nec、最高空轉轉速nmi以及外特性下的循環供油量mmax存儲在3個一維表格中，當這3個一維查表模塊接收到油門踏板信號時，就能通過線性插值得到以上3個參數的相應值，再通過傳感器模塊獲取上一循環的供油量ml，并將這4個量輸入到Function模塊中，就可以得到目標轉速nt，關系式如(2)式所示，然后將目標轉速輸入到PID控制器中，PID控制器會根據當前轉速與目標轉速之間的差值計算出下一循環需要的供油量，該值先與0作比較取較大值，再與外特性下的油量比較取較小值，這樣就確定了下一循環的供油量，通過Timedelay模塊延遲一個循環再將其反饋回Function模塊中，Function就可以根據上一循環的供油量與油門踏板位置得到目標轉速并輸入到PID控制器中，這樣就完成了全程調速的功能。

(2)

1.4起步控制模塊

由于本文的工作是圍繞車輛起步工況展開的，因此需要模擬出車輛由空擋換一擋的動態過程，然而GT-drive軟件自帶的變速箱模型不能完成該過程的仿真任務，因此使用控制模塊和離合器模塊搭建，

Switch模塊采集發動機的轉速并與設定的空擋換一擋時刻對應的發動機轉速對比，若發動機轉速等于設定值則使得離合器閉合，轉矩、轉速向后傳遞，相當于完成了變速箱空擋換一擋的操作。因為發動機轉速是波動的，因此使用Hold模塊來維持信號的穩定，當采集到的發動機轉速第一次升高到目標轉速值則一直維持離合器閉合的狀態，如圖8所示。

圖8　起步控制模塊Fig.8　Starting control module

1.5整車模型

除了上述模塊以外，整車模型中其余模塊的相關參數都設置為結構設計值和性能測試值。最后，將各個子模塊連接起來，得到整車模型示意圖，如圖9所示。

圖9　整車模型示意圖Fig.9　Schematic diagram of full vehicle model

2　起步工況動力傳動參數影響規律

2.1不同海拔下起步過程參數動態變化規律

仿真工況前10 s為模型穩定計算階段，10 s后車輛開始起步。當發動機轉速升高到1 000 r/min時，變速箱進行起步換擋操作，換擋過程持續1 s. 原動力性換擋規律對應的100%油門1擋升2擋的換擋車速點為13.6 km/h，取到達13.6 km/h的所需時間作為衡量車輛起步響應性的評價指標。不同海拔起步工況下動力傳動系統參數變化規律如圖10～圖15所示。

圖10　不同海拔下起步過程車速隨時間變化規律Fig.10　　　　Vehicle speed vs. time during starting at different altitudes

圖11　不同海拔下起步過程發動機轉速隨時間變化規律Fig.11　　　　Engine speed vs. time during starting at different altitudes

圖12　　　　不同海拔下起步過程發動機進氣流量隨時間變化規律Fig.12　　　　Intake air flow rate vs. time during starting at different altitudes

圖13　不同海拔下起步過程循環油量隨時間變化規律Fig.13　　　　Injected fuel mass per cycle vs. time during starting at different altitudes

圖14　不同海拔下起步過程增壓器壓比隨時間變化規律Fig.14　　　　Turbocharger pressure ratio vs time during starting process at different altitudes

圖15　　　　不同海拔下起步過程發動機空燃比隨時間變化規律Fig.15　　　　Air-fuel ratio vs. time during starting process at different altitudes

從圖10可以看出，10.28 s仿真時刻，不同海拔下整車開始起步，隨著海拔高度的升高，整車車速的上升速率下降，仿真結束時，平原至3 500 m海拔下，車速最終都能夠達到17 km/h，但隨著海拔高度的升高達到17 km/h車速所用時間增多，4 500 m海拔下，在仿真結束時車速并沒有達到17 km/h. 由衡量起步響應性的評價指標可知，平原下整車起步用時14.7 s，4 500 m海拔下用時27.2 s，相對于平原，4 500 m海拔環境下整車起步響應時間用時增加了12.5 s，由此可見高原環境下整車起步響應性嚴重惡化。

0～10 s各個參數逐漸穩定下來，不同海拔下發動機轉速、循環供油量及增壓器壓比并沒有明顯差異，但空氣流量隨著海拔高度的升高而下降。

10 s后車輛開始起步，在油量控制模塊作用下，循環供油量升高，輸出扭矩增大，轉速升高，10.28 s發動機轉速達到1 000 r/min，此時變速箱進行掛1擋操作。由于模型穩定計算階段結束時，不同海拔下空氣流量的差異，使得海拔因素對發動機的影響逐漸顯現出來。隨著海拔高度的升高，車輛起步初期空氣流量減少，發動機更容易受到空燃比限制，如圖15所示，3 500 m和4 500 m海拔環境在10 s最先受到冒煙極限的限制，平原至2 500 m海拔環境，10.25 s才開始受到冒煙極限限制；平原下15.07 s擺脫冒煙極限，4 500 m海拔下28.59 s擺脫極限。在冒煙極限的作用下，隨著海拔高度增加，發動機循環供油量增加緩慢，導致發動機轉速上升緩慢，排氣能量增加量少，增壓器壓比上升緩慢，加之環境壓力小，使得增壓壓力上升更加緩慢，空氣流量增加緩慢，不同海拔下的空氣流量差異進一步擴大。因此，在一段時間內，海拔因素對發動機的影響會更加明顯。

圖11中，循環供油量在達到穩定之前出現急劇下降，是因為受到調速特性的影響。本文中發動機的額定轉速為2 100 r/min，調速率為10%，因此可以得出100%油門踏板位置所對應的最高空轉轉速為2 310 r/min，在油量控制模塊中，設定當發動機轉速大于或等于2 310 r/min時，循環供油量為0. 根據圖11可以看出，此時發動機工作在100%油門踏板所對應的調速線上，因此發動機循環供油量會迅速下降，最后達到穩定。

隨著海拔的升高，大氣壓力、密度減小，進氣流量減少，在空燃比的限制作用下，循環油量減少，發動機轉矩小，起步過程中，發動機轉速增加緩慢。實質上是高海拔環境中，車輛起步響應性差由于進氣流量減少導致的，雖然渦輪增壓器具有一定的海拔補償能力，但不足以消除海拔因素對柴油機性能的影響。通過調整柴油機供油參數使渦輪增壓器盡快處于高壓比運行狀態：在排溫允許的前提下，在起步開始前適當地推遲噴油或采取后噴技術，提高排氣溫度，增加排氣能量，提高壓比。此外，可以通過提高起步初期的發動機轉速，通過增加排氣流量的方法來增加渦輪能量，提高壓比，這種方法的可行性將在下文中進行驗證。

2.2起步過程參數耦合規律分析

為了較為清楚地表示出換擋前后動力傳動系統各參數的變化規律，截取5～15 s區間平原與海拔4 500 m仿真結果進行分析，如圖16所示。

圖16　　　　平原及海拔4 500 m下起步過程動力傳動系統參數隨時間變化規律Fig.16　　　　Parameters of power-train vs. time during starting on plain and at the altitude of 4 500 m

相比于平原，由于高原環境下大氣壓力較低，在起步工況初期，增壓器同等壓比的情況下，高原環境下的進氣流量較小。10 s后循環供油量在全程調速的作用下升高，由于高原環境初始進氣流量較小，10.25 s即受到冒煙極限的限制，循環供油量增加趨于平穩，經燃燒后發動機輸出扭矩較小，發動機轉速增加較慢，則排氣能量較低，渦輪獲得的能量較少，增壓壓比上升較慢，反過來影響進氣流量的增加。如此多個循環反復，使得高原環境下換擋后發動機的進氣流量長期處于緩慢增加的狀態，導致發動機輸出扭矩、轉速緩慢增加，整車起步響應性差。

由圖16可以看出，換擋時刻循環供油量大幅度增加，但由于“渦輪滯后”現象的存在，使得進氣流量的增加相對遲緩，在冒煙極限的作用下，限制了循環供油量的增加，從而影響起步過程中發動機的轉矩響應性和整車起步響應性。這種現象在高原環境下表現得更為突出。

為此，本文設想：通過提高換擋時刻發動機轉速，使得在整車進行掛1擋操作之前，渦輪增壓器的壓比處于較高水平，從而增大進氣流量，使得噴入氣缸的燃油量增多；且增加換擋時刻發動機轉速能夠削減換擋后轉速下降對起步工況發動機和整車各參數的影響，使得發動機保持輸出扭矩、轉速較高，整車的起步響應性得到改善。

2.3高原環境下不同換擋時刻起步過程仿真

本節通過對比分析高原環境下(海拔4 500 m)在不同的發動機轉速換擋對起步工況下整車及發動機各動態參數的影響，為改善整車起步響應性提供依據。

前10 s為模型穩定計算階段，10 s后為PID全程調速控制階段，在PID全程調速控制階段，發動機轉速因循環供油量的增多而上升，當上升到相應轉速點時進行變速箱空擋掛1擋操作，仿真結果如圖17～圖22所示。

圖17　　　　海拔4 500 m在不同時刻換擋起步過程的車速隨時間變化規律Fig.17　　　　Vehicle speed vs. time during starting at different moments of gear shiftting at the altitude of 4 500 m

圖18　　　　海拔4 500 m在不同時刻換擋起步過程的發動機轉速隨時間變化規律Fig.18　　　　Engine speed vs. time during starting at different moments of gear shiftting at the altitude of 4 500 m

圖17為海拔4 500 m在不同換擋轉速點對應的車速變化規律。由圖17可以看出，不同換擋點轉速對應的車輛起步時刻不同，隨著換擋點轉速的增加，車輛起步時間推遲，但車速的上升率增加，2 000 r/min轉速對應的整車起步時間最晚，但仿真結束時達到的車速最大。2 000 r/min轉速換擋對應的整車起步響應時間為23.4 s，而1 000 r/min轉速換擋對應的整車起步響應時間為27.3 s，相比1 000 r/min轉速換擋而言，2 000 r/min換擋能使起步過程用時減少3.9 s.

圖19　　　　海拔4 500 m在不同轉速換擋起步過程的進氣流量隨時間變化規律Fig.19　Intake air flow rate vs. time during starting at different moments of gear shiftting at the altitude of 4 500 m

圖20　　　　海拔4 500 m在不同轉速換擋起步過程的循環供油量隨時間變化規律Fig.20　Injected fuel mass per cycle vs. time during starting at different moments of gear shiftting at the altitude of 4 500 m

圖21　　　　海拔4 500 m在不同轉速換擋起步過程的增壓器壓比隨時間變化規律Fig.21　Turbocharger pressure ratio vs. time during starting at different moments of gear shiftting at the altitude of 4 500 m

圖22　　　　海拔4 500 m在不同轉速換擋起步過程的空燃比隨時間變化規律Fig.22　　　　Air-fuel ratio vs. time during starting at different moments of gear shifting at the altitude of 4 500 m

前10 s為模型穩定計算階段，10 s以后發動機轉速開始升高，達到各自的換擋轉速點后執行換擋過程。在換擋過程中，因受到由傳動系統傳來的地面阻力的影響，不同換擋點的發動機轉速都有所降低，盡管換擋點轉速越高，發動機轉速下降越劇烈，但其始終處于相對較高的水平。與此同時，增壓器也處于一個良好的工作狀態，如圖21所示，換擋轉速為2 000 r/min的工況下，在起步換擋前渦輪增壓器壓比已升高到1.5，并且起步換擋導致壓比下降后可快速恢復到1.5并持續增加，從而提高起步過程中發動機的進氣流量，使發動機盡早擺脫冒煙極限限制，如圖22，2 000 r/min換擋時，發動機在24.66 s擺脫冒煙極限限制，而1 000 r/min換擋時，發動機在28.70 s擺脫冒煙極限限制。在空燃比相等的前提下，空氣流量大，所允許的循環供油量多，發動機能發出更大的轉矩以實現更快起步。

由以上仿真結果的分析可知：在高原環境下的車輛起步過程中，發動機長時間受到冒煙極限的限制，發動機的進氣量決定了循環供油量。隨著換擋點轉速的提高，排氣能量較高，渦輪增壓器的工作狀態較好，造成增壓壓比和進氣量的增大，從而循環供油量增大、發動機的輸出扭矩、轉速增大，車速增加較快。因此可以通過延遲換擋時間即增大換擋點對應的發動機轉速的方式來改善整車的起步響應性。

3　高原環境起步工況發動機與液力變矩器的匹配

在高原環境下，重載越野車輛的起步響應性差除了受到發動機高原“渦輪滯后”現象的影響外，還受到發動機與傳動系統匹配失準的影響。高原地區海拔高度變化幅度較大，發動機功率變化范圍較寬，導致了發動機與液力變矩器的匹配點(共同工作點)“游移”區域和增幅增大，匹配性能不穩定[2,8]，動力性不足，車速下降，整車起步響應性差。因此研究發動機與液力變矩器匹配點對高原環境起步工況下動力傳動系統參數的影響有助于對高原環境下動力傳動系統的匹配研究及整車起步響應性的改善。

對于配有液力變矩器的發動機，通常將發動機與液力變矩器看作是一個整體的動力源。在發動機和液力變矩器定型后，其結構參數就確定了，為了改變發動機與液力變矩器的匹配狀態，通常在發動機與液力變矩器之間設計前傳動，通過合理設計前傳動比來調整二者的匹配狀態。本節將進行高原環境下前傳動比對動力傳動系統參數的影響規律研究，仿真工況前10 s為模型穩定計算階段，10 s后車輛開始起步。當發動機轉速升高到1 000 r/min時，變速箱進行起步換擋操作，換擋過程持續1 s，取到達13.6 km/h的所需時間作為衡量車輛起步響應性的評價指標。仿真結果如圖23～圖29所示。

圖23　　　　海拔4 500 m在不同前傳動比下起步過程的車速隨時間變化規律Fig.23　　　　Vehicle speed vs. time during starting process at different front gear ratios at the altitude of 4 500 m

圖24　　　　海拔4 500 m的不同前傳動比下起步過程的發動機轉速隨時間變化規律Fig.24　　　　Engine speed vs. time during starting at different front gear ratios at the altitude of 4 500 m

圖25　　　　海拔4 500 m在不同前傳動比下起步過程的進氣流量隨時間變化規律Fig.25　　　　Intake air flow rate vs. time during starting at different front gear ratios at the altitude of 4 500 m

圖26　　　　海拔4 500 m在不同前傳動比下起步過程的循環供油量隨時間變化規律Fig.26　　　　Injected fuel mass per cycle vs. time during starting at different front gear ratios at the altitude of 4 500 m

圖27　　　　海拔4 500 m在不同前傳動比下起步過程的增壓器壓比隨時間變化規律Fig.27　Turbocharger pressure ratio vs. time during starting at different front gear ratios at the altitude of 4 500 m

圖28　　　　海拔4 500 m在不同前傳動比下起步過程的空燃比隨時間變化規律Fig.28　　　　Air-fuel ratio vs. time during starting at different front gear ratios at the altitude of 4 500 m

圖29　　　　海拔4 500 m在不同前傳動比下起步過程的發動機轉矩隨時間變化規律Fig.29　　　　Engine torque vs. time during starting at different front gear ratios at the altitude of 4 500 m

圖23為海拔4 500 m不同前傳動比下車速的變化規律。由圖23可以看出，隨著前傳動比的增大，整車起步過程中加速度增大，達到穩定狀態的車速下降。當前傳動比為1.1時，整車加速度最大，但達到穩定狀態的車速過小，整車將不能完成升擋動作，將嚴重影響整車的加速性能。

由圖24可以看出，10 s后，隨著前傳動比的增大，發動機轉速增加越快，達到穩定轉速所需的時間越短。當前傳動比較小時，如前傳動比為0.7與0.8時，整車起步換擋時刻發動機轉速出現下降的現象，這是因為在傳動系統傳來的相同阻力情況下，當前傳動比越小時，傳遞到發動機曲軸段的負載轉矩越大。發動機轉速的下降，使得排氣能量減少，增壓器壓比小，在相同的環境條件下，壓氣機出口壓力小，進氣流量小，發動機容易受到冒煙極限限制，循環供油量少，發動機的輸出轉矩小，并且由于前傳動比小，使液力變矩器泵輪轉矩進一步減小，影響整車的起步響應性。由仿真結果分析可知：前傳動比對整車的起步性能有較大的影響，甚至可能導致車輛不能順利完成起步過程；在保證車輛順利起步的前提下，盡量選取較大的前傳動比，以提高整車的起步響應性。

提取換擋后的仿真數據，并進行相應的換算得到液力變矩器的輸入、輸出轉速、轉矩，繪制得到發動機與液力變矩器的共同輸入特性及液力變矩器的輸出特性，如圖30、圖31所示。

圖30　　　　不同前傳動比時起步過程發動機與液力變矩器的共同輸入特性Fig.30　Common input characteristics of engine and hydraulic torque converter during starting at differentfront gear ratios

圖31　不同前傳動比時起步過程液力變矩器的輸出特性Fig.31　Output characteristics of hydraulic torque converter during starting at different front gear ratios

從圖30中可以看出，隨著前傳動比的增大，泵輪轉矩線與i=0時的負荷拋物線交點處的轉矩越大，這有利于車輛的快速起步，但是，前傳動比的增大會降低車輛的穩定車速，影響車輛起步過程的完成。從圖31可以看出，起步過程初期，前傳動比越小，液力變矩器輸出轉矩越高，而后迅速下降，在后續的起步過程中，前傳動比越大，液力變矩器輸出轉矩越高。整個過程中液力變矩器的輸出轉矩是由發動機的輸出轉矩、前傳動比以及變矩比決定的，在起步過程初期，由于前傳動比小，使得液力變矩器的泵輪轉速快，速比越小，變矩比越大；同時，由于前傳動比小，發動機轉速受負載影響而明顯下降，使得泵輪轉速下降明顯，速比迅速下降，變矩比迅速減小，液力變矩器輸出轉矩迅速下降，并且長期處于較低水平，影響車輛的起步過程。

根據仿真結果可以看出，當前傳動比為1時，能使車速最快達到13.6 km/h. 將前傳動比為1時起步過程中發動機與液力變矩器的共同輸入特性與4 500 m海拔下外特性所對應的共同輸入特性進行對比，結果如圖32所示。

圖32　發動機與液力變矩器的共同輸入特性Fig.32　　　　Common input characteristics of engine and hydraulic torque converter

從圖32可以看出，起步過程中，發動機與液力變矩器的共同輸入特性與4 500 m海拔下外特性所對應的共同輸入特性差別較大。由于外特性數據是在穩態試驗臺架上得到的，而起步過程屬于動態過程，渦輪增壓柴油機存在遲滯現象，阻礙了進氣流量的迅速增壓，受到空燃比限制的影響，導致循環油量的增加，從而影響發動機的輸出轉矩和泵輪轉矩。

通常情況下，在進行發動機與液力變矩器匹配時都是基于穩態數據進行的。然而，穩態匹配良好的發動機與液力變矩器在動態工況下并不能良好運行，特別是在渦輪增壓柴油機的加速工況，惡化現象更加明顯。因此，在評價發動機與液力變矩器匹配狀況時，需在動態工況下進行驗證。

4　結論

1)進行了不同海拔下起步過程仿真，結果顯示：平原下整車起步用時14.7 s，4 500 m海拔下用時27.2 s，即4 500 m海拔相對于平原整車起步響應時間用時增加了12.5 s. 主要原因是高原環境下帶有渦輪增壓器的發動機“渦輪滯后”現象明顯，同時環境壓力的降低影響進氣過程，使發動機易受到冒煙極限限制，整車起步響應性差。

2)仿真研究了起步過程開始時發動機轉速對車輛高原起步的影響。結果顯示：4 500 m海拔環境下，2 000 r/min轉速換擋相對于1 000 r/min轉速換擋對應的整車起步響應時間縮短了3.9 s. 因此可以通過提高換擋時刻發動機轉速來改善整車高原起步響應性。

3)仿真研究了不同前傳動比對車輛高原起步的影響，結果顯示：隨著前傳動比的增大，車輛起步過程中的加速度增大，但是達到穩定狀態時的車速減小，因此可以通過合理選擇前傳動比的方式來改善車輛的起步響應性。

4)受到空燃比限制的影響，使得起步過程發動機與液力變矩器的共同輸入特性與4 500 m海拔下外特性所對應的共同輸入特性差別較大。

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Research on the Starting Response of Heavy-duty Off-road Vehicle on Plateau

HUANG Mian-dun, ZHANG Fu-jun, CUI Tao, LIU Xue-yuan

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China)

To study the starting response of heavy-duty off-road vehicle on plateau, a full vehicle model is established using GT-SUITE. The effects of altitude, gear shifting moment of and front gear ratio on the starting-up process of heavy-duty off-road vehicle are studied through simulation. The research results show that the starting process of vehicle takes 14.7 s on plain, while it takes 27.2 s at the altitude of 4 500 m; in comparison with the gear shifting at 1 000 r/min, the response time of starting is decreased by 3.9 s at 2 000 r/min. Therefore, the vehicle starting response can be improved by shifting gear at high engine speed. With the increase in front gear ratio, acceleration increases during starting, but the vehicle speed decreases at steady state. Therefore, the starting response of vehicle can be improved by choosing an apposite front gear ratio. Due to the influence of air-fuel ratio limit, the common input characteristics of hydraulic torque converter and engine during starting are different from the common input characteristics of hydraulic torque converter corresponding to engine full load characteristics at the altitude of 4 500 m.

power machinery engineering; plateau; starting process; heavy-duty off-road vehicle; engine speed response; front gear ratio

2016-02-02

國家部委科研基金項目(B2220110005)

黃綿敦(1992—)，男，碩士研究生。E-mail：huangmd1111@126.com；

張付軍(1966—)，男，教授， 博士生導師。E-mail：zfj123@bit.edu.cn

TK421

A

1000-1093(2016)10-1915-11

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.10.019