柴油機對重型牽引車加速性能影響的試驗研究

李光輝,祁同暉,王蘭,王澤宇

1.內燃機可靠性國家重點試驗室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

動力性和經濟性是表征汽車性能的重要指標[1]，重型牽引車的加速性能是最重要的動力性指標，分為起步加速和超越加速[2-4]。影響整車動力性因素較多，主要分為柴油機性能及傳動系統結構和參數。柴油機性能主要包括速度特性、響應性和附件消耗功率損失，傳動系統結構和參數主要包括變速箱擋位和速比、后橋速比、輪胎直徑、驅動形式、傳動效率等，其中柴油機作為整車動力輸出源，對整車的加速性能有重要影響[5-8]。

目前重型牽引車加速性能指標沒有相應的國家標準限值，不同配置的整車加速性能差異較大，根據已有試驗數據，可粗略統計經驗值作為參考評價標準：1)重型牽引車全油門起步加速即由靜止全油門加速到70 km/h的時間t1=60 s，認為加速性能一般；t1<50 s，認為加速性能較好；2)重型牽引車全油門超越加速即高擋全油門由60 km/h 超越加速到90 km/h的時間t2=65 s，認為加速性能一般；t2≤55 s，認為加速性能較好[9-11]。工程實踐中，通常僅關注車輛加速時間，缺少對加速過程的細致分析，對柴油機在整車加速過程中發揮的作用不明確。

本文中按照文獻[12]規定的相關試驗條件和試驗方法，利用底盤測功機，測試配置不同柴油機的重型牽引車的加速過程，分析柴油機轉速和輸出功率，研究柴油機對整車性能的影響，進一步明確整車加速過程，有針對性地提高整車動力性。

1 車輛配置

為精準分析柴油機性能對整車加速性能的影響，在同一輛車上保持相同傳動系統配置，更換不同的發動機，測試其加速性能。

車輛總質量對測試結果影響較大，按照文獻[13]要求，重型牽引車的經濟性和動力性指標應在最大整車質量條件下進行評價。本文中以6×4三軸牽引車為研究對象，車輛主要參數為：車輛加載總質量為49 t，12擋變速箱各擋速比分別為12.158、9.435、7.310、5.770、4.467、3.493、2.724、2.114、1.646、1.293、1.000、0.780，后橋速比為3.7，輪胎型號為12.0R22.5；車輛A的發動機為柴油機1，額定功率為368 kW，最大轉矩為2500 N·m；車輛B的發動機為柴油機2，額定功率為430 kW，最大轉矩為2200 N·m；2臺柴油機分別由2個不同廠家生產，排量、外特性曲線均不同。在底盤測功機上測量最大整車質量下的阻力，分析柴油機性能對車輛超越加速和起步加速性能的影響。

2 柴油機對車輛超越加速性能影響

最高擋位下車速由60 km/h超越加速到90 km/h的試驗結果如圖1所示。由圖1a)可知：車輛A的加速性能優于車輛B，車速由60 km/h超越加速到90 km/h，車輛A用時約52 s，車輛B用時約75 s，車輛A比B快23 s。由圖1 b)、c)可知：2輛牽引車最高擋超越加速過程中，車輛A的輪邊功率持續高于車輛B，提供更大動力和加速度，車輛A車速和發動機轉速升高更快。

a) 超越加速車速對比 b) 超越加速輪邊功率對比 c)超越加速發動機轉速對比A1—車輛A第1階段加速開始；B1—車輛B第1階段加速開始;A2—車輛A第2階段加速開始;B2—車輛B第2階段加速開始。圖1 超越加速性能對比

根據車輛輪邊功率變化情況，輪邊功率曲線的斜率不同，據此柴油機輸出功率可分為2個階段：第1階段油門瞬間踩到底，發動機轉速基本不變，車輛輪邊功率即發動機的輸出功率迅速增加，與車輛A相比，車輛B在此階段輸出功率小，花費時間多；第2階段轉速和輪邊功率同時增加，2輛車功率增加速度相對于第1階段慢，在每一時刻，車輛B輪邊功率小，車輛加速慢。

超越加速過程柴油機功率和轉速關系如圖2所示。由圖2可知：車輛A在第1階段的發動機轉速幾乎沒有升高，轉速為850 r/min左右，僅用3 s，輸出輪邊功率升高至170 kW，接近此轉速的外特性功率；車輛B的發動機在第1階段轉速升高略多，輸出輪邊功率升高至140 kW(接近此轉速的外特性功率)的時間比車輛A多10 s；第2階段，整車輪邊輸出功率接近柴油機外特性功率，說明柴油機運行在外特性。由于柴油機轉速瞬態變化，轉速增加越快，功率輸出越小，此外柴油機附件、整車傳動功率消耗等導致輪邊功率總是小于發動機外特性功率。

圖2 超越加速過程柴油機功率和轉速的關系

第1階段柴油機性能表現稱為動態負荷響應能力，油門突加到100%，柴油機轉速幾乎不變，轉矩迅速增加。本次試驗過程中2個柴油機為低速負荷響應，對整車加速性能產生重要影響。第2階段柴油機外特性功率轉矩對整車加速性也有重要影響，外特性功率轉矩越大，輸出到車輛的輪邊功率越大，整車加速性越好。

為進一步驗證外特性功率轉矩對整車加速性影響，重新標定1臺柴油機外特性功率轉矩進行試驗，柴油機外特性功率對輪邊功率的影響試驗結果如圖3所示。由圖3可知：柴油機轉速為900 r/min時，外特性功率曲線不夠豐滿，存在功率凹坑；在全油門超越加速過程中，驅動整車的輪邊功率曲線分為3段，轉速大于900 r/min后，功率增速放緩，明顯削弱前期的加速能力。

圖3 柴油機外特性功率對輪邊功率影響

柴油機動態負荷響應性可以在臺架上進行試驗驗證，通常稱為階躍試驗，采用測功機控制發動機轉速在允許范圍內變化，油門突增至100%，記錄柴油機功率、轉矩變化情況。柴油機1、2在低轉速時的階躍曲線對比如圖4所示。由圖4可知：柴油機1的輸出轉矩響應速度比柴油機2快，這是車輛A在第1階段加速更快的主要原因，與圖2過程相符，柴油機1可以更迅速地動態響應至外特性功率附近。

圖4 臺架階躍性能對比

柴油機動態負荷響應是典型的柴油機瞬態運行過程，此過程中燃燒良好是實現柴油機動力性的重要保證。通常根據柴油機煙度控制供油速率，保證柴油機燃燒充分，煙度排放較少[14-16]。在柴油機負荷突變的過程中，根據進氣能力，適當控制柴油機噴油量，從而控制輸出功率。在柴油機開發優化時，應減少進氣阻力，提高增壓器響應速度，設置合適的煙度限值，改善柴油機動態響應能力。

3 柴油機對車輛起步加速性能影響

起步加速性能對比試驗結果如圖5所示，車輛A全油門連續換擋起步加速曲線如圖6所示。

圖5 起步加速性能對比 圖6 車輛A連續換擋起步加速過程

由圖5可知：0～70 km/h起步加速，車輛A用時約50 s，車輛B用時約60 s，車輛A比車輛B快10 s；整個起步加速過程可以看作由不同擋位超越加速過程組成。

由圖6可知：隨著擋位增加，車輛在每個擋位的加速時間增加；低擋位時，發動機僅輸出部分功率，發動機轉速快速增加到升擋轉速，但由于此時傳動速比大，車速增加不快；隨著擋位持續增加，到達較高檔位后，傳動速比減小，增扭效果降低，需要發動機輸出更多功率，耗費更多時間達到升擋轉速。

由于擋位速比不同，整車克服外界阻力時，對柴油機需求不同，導致柴油機在不同擋位下的輸出轉速和功率不同。

在低車速低擋位時，發動機運行達不到外特性功率，對發動機性能要求不高；在高車速高擋位階段，發動機需以外特性功率運行，受到發動機高速段外特性限制。由此可見，在全油門連續換擋起步加速過程中，更注重發動機高轉速性能，對發動機低速性能要求不高。

4 油門特性對整車加速性能的影響

某柴油機的外特性數據、階躍能力明顯優于競品，但有時車輛表現動力性不足，這可能與部分油門開度的速度特性有關。車輛實際駕駛時，加速過程中油門開度可能不是100%，車輛加速性不受外特性影響，而是受部分油門速度特性的影響。每個油門開度的速度特性曲線對應不同轉速和轉矩，呈現不同斜率、形狀，或在柴油機map上分布疏密不同，影響駕駛感受。

選定1臺柴油機，設定相同外特性，不同噴油量下部分油門-速度特性曲線如圖7所示。由圖7可知：油門開度為50%，油門特性1的轉矩曲線低于油門特性2。這是因為噴油量不同，發動機的轉矩不同，對整車動力性的影響不同。

a)油門特性1 b)油門特性2圖7 油門特性曲線

進行不同油門特性的車輛起步加速和超越加速性能對比試驗，結果表明：油門開度為100%時，油門特性1、2的加速時間相同，均為36 s；油門開度為50%時，油門特性1的車輛加速時間為87.70 s，油門特性2的車輛加速時間為65.41 s，油門特性1的車輛加速時間比油門特性2多22.29 s；雖然油門特性2加速性能優于油門特性1，但是油門特性2易導致車輛油耗高或換擋頓挫。

5 結論

1)整車高擋位全油門超越加速過程可分為2個階段，柴油機負荷動力響應性和外特性影響整車加速性能，可有針對性標定柴油機，優化柴油機瞬態燃燒過程，減少附件功率和傳動功率損失。

2)起步加速可分解為不同擋位超越加速過程，由于擋位速比不同，整車克服外界阻力時，對柴油機性能要求不同，柴油機在不同擋位下表現不同；低擋位時，對柴油機性能要求不高。

3)整車部分油門開度下加速，受油門開度下不同速度特性影響，影響司機駕駛感受。