运行特性与整车匹配

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外特性曲线万有特性整车匹配动力性

运行特性与整车匹配

从外特性曲线到万有特性,看懂发动机特性如何决定整车动力与油耗

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外特性曲线万有特性整车匹配动力性

运行特性与整车匹配

从外特性曲线到万有特性,看懂发动机特性如何决定整车动力与油耗

1第 1 页 · 运行特性与整车匹配

什么是整车匹配

上一页讲了发动机的'脾气图'——什么转速能干多少活、什么转速最省油。但车子跑起来要的是车速,不是转速。这中间怎么对得上号,就是整车匹配要解决的问题。

发动机特性曲线
万有特性图刻画油耗与外特性,决定发动机能干多少活、什么转速最省油
整车需求谱
不同工况(怠速/城市/高速/爬坡/急加速)对轮端扭矩和转速的需求曲线
匹配本质
通过传动系把发动机能力曲线映射到整车需求曲线,让常用工况落在高效区
三个目标
动力性(极限功率)、经济性(常用工况油耗)、驾驶性(响应与平顺),三者相互制约
翻译官对应 →传动系总比

发动机说'转速·扭矩',整车要'车速·牵引力',传动比负责把一种语言翻译成另一种

2第 2 页 · 什么是整车匹配

发动机运行工况概述

上一页我们说整车匹配要让发动机满足车辆的全部需求。但'发动机在工作'这件事该怎么量化?工程师用两个量——转速(多快)和负荷(多费力),它们的组合就是'工况'。

工况定义
转速与负荷的组合,描述发动机某一瞬时的工作状态
稳态与瞬态
稳态:参数稳定不变;瞬态:急剧变化如急加速、换挡
特征工况点
怠速点、外特性曲线、额定功率点、最大扭矩点
工况分布
实车驾驶中各工况点出现的频率,形成发动机的'使用画像'
跑步配速与坡度对应 →转速与负荷

配速=多快,坡度=多费力,两个维度一起描述你'在什么状态跑'

3第 3 页 · 发动机运行工况概述

特性曲线有哪些

上一页我们讲了发动机在不同工况下运行,这页来看工程师怎么把这些'运行表现'画成曲线——就像把运动员的体能测试数据,按不同维度整理成报告。

速度特性
油门踩到底,转速从低到高扫一遍,看功率扭矩油耗怎么变
负荷特性
锁住某个转速不变,负荷从小到大变化,记录油耗变化
全特性(万有特性)
横轴转速纵轴负荷,用等高线标出每个点的油耗水平
跑步测评三件套对应 →三种特性曲线

速度=全力冲刺;负荷=定速负重;万有=全场景等高线地图

4第 4 页 · 特性曲线有哪些

三类特性的关系图

万有特性是母图,箭头表示如何从母图中切出另两类特性。

图解渲染中…
a1n×Pe全平面内的功率与油耗分布,呈等高线状b1工程上默认指外特性,即100%全油门那条线c1任取一条等转速线,看油耗率随负荷的变化
5第 5 页 · 三类特性的关系图

速度特性是什么

上页我们看了三类特性的"全家福",现在聚焦最常用的一类——速度特性。回想手动挡地板油起步:转速从 800 一路拉到 6000,发动机输出到底怎么变?

什么是速度特性
节气门全开条件下,功率、扭矩、燃油消耗率随转速的变化规律
扭矩曲线形状
随转速升高先升后降,存在最大扭矩点及对应转速
功率曲线形状
整体近似线性上升,标定转速达到最大功率,超出后快速下降
扭矩功率关系
Pe = Me·n/9550——同一曲线上任意点都满足这个等式
骑自行车对应 →速度特性曲线

低速挡起步蹬得重(扭矩大转速低),高速挡巡航蹬得轻快(转速高扭矩小)

Pe=Men9550P_e = \frac{M_e \cdot n}{9550}
6第 6 页 · 速度特性是什么

速度特性曲线解读

外特性是油门全开曲线,沿转速轴从左到右:4 个特征点分出 3 段区间,标注 T 与 P 走向。

图解渲染中…
A怠速点 n₀:油门踩满时能稳定运行的最低转速C最大扭矩点 Tmax:扭矩峰值,决定起步加速能力E最大功率点 Pmax:功率峰值,决定最高车速上限F额定转速 ne:标定功率对应转速,约 0.9 Pmax
7第 7 页 · 速度特性曲线解读

外特性的形成过程

外特性是节气门全开时发动机的极限能力,由台架实验逐点测得。

1
固定节气门开度
试验时把节气门拉到最大位置,保证进气不受油门限制
2
逐转速测扭矩
从怠速到红线转速,每隔一段转速测一次净扭矩
3
扭矩换算功率
用公式 P = T·n/9550,由扭矩和转速算出功率值
4
同绘两条曲线
在同一转速坐标系里画扭矩曲线和功率曲线
5
包络即外特性
两条曲线共同定义了节气门全开下的极限性能
8第 8 页 · 外特性的形成过程

负荷特性是什么

前面讲完外特性——油门踩到底的极限曲线。但实际开车几乎不地板油,更多是半油门巡航、缓坡跟车。这种"非满载"工况下发动机有多省油,正是负荷特性要回答的。

负荷率κ
同一转速下实际有效功率与最大有效功率之比,0~1之间,反映出力程度
有效功率Pe
减去自身机械损失后曲轴净输出的功率(kW),是负荷定义式的分子
负荷特性曲线
等转速下,燃油消耗率随负荷率变化的曲线,评价发动机经济性
多为部分负荷
汽车绝大多数时间不踩满油门,这张曲线决定真实油耗水平
油门踩踏深度百分比对应 →发动机负荷率

油门深度直观,但同一深度不同转速下满载功率不同,用功率比值才严谨

κ=PePemax\kappa = \frac{P_e}{P_{e\max}}
9第 9 页 · 负荷特性是什么

负荷特性曲线解读

顺着箭头走:先定住转速改负荷,看油耗率怎么变,再换几个转速找出规律。

图解渲染中…
a5U型曲线——小负荷燃烧差,大负荷损失大,中间最省a6谷底对应最低比油耗,叫'经济工况点'a8所有转速的谷底连起来,就是发动机的'经济运行带'
10第 10 页 · 负荷特性曲线解读

负荷特性的影响因素

负荷曲线不是天生的,三个旋钮共同决定它的形状。

1
转速
转速变化让曲线整体平移,高转速下摩擦与泵气损失把曲线往上推
2
空燃比
偏离理论空燃比,热效率下降;浓一点功率略好但油耗上升
3
点火提前角
偏离最佳提前角,燃烧相位错位,功率和油耗同时变差
4
三维联调
三个参数互相牵制,最佳点要靠三维联调在试验中找出来
11第 11 页 · 负荷特性的影响因素

速度特性 vs 负荷特性

横纵坐标不同,分析视角也不同——一个看动力潜力,一个看油耗经济性。

速度特性
  • 横坐标:转速 n
  • 纵坐标:扭矩 T / 功率 Pe
  • 固定变量:油门开度(负荷)
  • 回答问题:这台机器有多能跑?
负荷特性
  • 横坐标:负荷(扭矩)
  • 纵坐标:比油耗 ge
  • 固定变量:转速 n
  • 回答问题:这台机器有多省油?
速度特性选动力,负荷特性选油耗——整车匹配两个都得用。
12第 12 页 · 速度特性 vs 负荷特性

万有特性是什么

速度特性和负荷特性,一个盯转速、一个盯负荷——可发动机实际工作时这两根轴同时在变。能不能在一张图上,同时把两类特性看不到的信息都铺开?这就是万有特性图要做的事。

双维度坐标
横轴转速n、纵轴负荷(pe或Me),把发动机可能的所有工作点摊成一个二维网格
等值线压缩
用等燃油消耗率ge曲线,把"转速-负荷-油耗率"三维信息压到一张二维图上
最经济区
ge等值线最稀疏、向内凹陷的区域,就是发动机最经济的工况带
等功率曲线
可在同一张图上叠加等功率线,方便读出任意工况点的输出功率
匹配工具
整车匹配时把常用工况投到图上,看是否落在经济区内,再决定传动比
地理等高线地图对应 →万有特性图

经纬度=转速与负荷;等高线=等ge线;稀疏区就像地图上低海拔平原,最经济

13第 13 页 · 万有特性是什么

万有特性图解读

万有特性图上布满曲线,先分两类:双曲线族是等功率,封闭曲线族是等油耗,最内圈是经济区。

图解渲染中…
B1Me·n=P 决定等功率线呈双曲线形状C1比油耗be(g/kWh)相同点连成的曲线C3比油耗最低圈层,整车匹配追求目标D1工况点=常用转速扭矩组合,应落入经济区
14第 14 页 · 万有特性图解读

整车动力性指标

上几页我们看清了发动机自己能输出多少力,但装到车上后,驾驶员真正关心的是:能跑多快、多快提速、能爬多陡的坡——这正是整车三大动力性指标。

最高车速
平直良好路面上,车辆能达到的最高行驶速度
加速时间
常用0→100 km/h所需秒数衡量,反映提速快慢
爬坡度
满载车辆在良好路面上能通过的最大坡度,用百分比表示
人的运动能力对应 →整车动力性三指标

冲刺极限速度对应最高车速;起跑爆发力对应加速时间;负重爬楼对应爬坡度

15第 15 页 · 整车动力性指标

整车功率需求的确定

从整车性能指标反推到发动机功率,五个步骤环环相扣。

1
定性能目标
明确最高车速、最大爬坡度、加速时间三项硬指标
2
算行驶阻力
滚动+空气+坡度+加速四项阻力叠加,得总阻力 F
3
求车轮功率
每个工况下 P=F×v,画出功率需求曲线
4
取峰值工况
包络所有工况,选取功率最大值作为设计点
5
折算飞轮端
除以传动系效率 η,并预留 10~15% 安全裕度
16第 16 页 · 整车功率需求的确定

传动系匹配对动力性的影响

档位选择、传动比与动力传递效率

传动系匹配对动力性的影响
档位选择、传动比与动力传递效率
17第 17 页 · 传动系匹配对动力性的影响

功率平衡图

整车行驶阻力与发动机功率的匹配

功率平衡图
整车行驶阻力与发动机功率的匹配
18第 18 页 · 功率平衡图

整车经济性指标

上一页我们用功率平衡图给发动机匹配了合适的工作点。可一旦跑起来,每个工况点的耗油率不一样——「百公里烧多少油」这个数字,测法不同结果能差出两三倍。本页拆开看三个核心指标。

百公里油耗
每行驶100 km消耗的燃油体积(L/100km),最基本的油耗计量单位
等速油耗
在平直路上以恒定车速(常取60/90/120 km/h)测得,反映最佳工况点附近
循环油耗
按标准工况循环(如NEDC、WLTC、CLTC)跑完测得,含加减速、怠速等真实场景
三者关系
等速油耗 ≤ 循环油耗 < 实际油耗:循环已加入加减速损耗,实际驾驶波动更大
家用车电费账单对应 →三种油耗测法

等速=恒速跑高速的最低电费;循环=按标准剧本跑一遍的平均;实际=日常真实账单

Q100=100QtotalLtotalQ_{100}=\dfrac{100\cdot Q_{\text{total}}}{L_{\text{total}}}
19第 19 页 · 整车经济性指标

经济性匹配分析

按「建图 → 读图 → 叠加 → 判定 → 调优」五步走,看工况点如何逼近经济区。

图解渲染中…
a3等油耗曲线:相同比油耗 g/kWh 点的连线,像地图等高线a4最低油耗区:曲线最内圈包络的最优工作区a6工况点落入率直接决定整车匹配优劣a8主减速比与档位速比是核心调节旋钮
20第 20 页 · 经济性匹配分析

动力性优先 vs 经济性优先

动力性与经济性常被视作两难——发动机不可能同时踩在最大功率点和最低油耗点上。两种策略如何取舍?

动力性优先
  • 匹配目标:追求最大功率与扭矩输出
  • 工况点选取:常用工况靠近外特性曲线
  • 功率匹配余量:留得较大,动力储备足
  • 典型场景:重载货车、矿用车、性能车
经济性优先
  • 匹配目标:追求最低百公里油耗
  • 工况点选取:常用工况落在万有特性最经济区
  • 功率匹配余量:留得较小,刚好够用
  • 典型场景:家用轿车、城市公交、长途客车
没有绝对优劣。重载短途、频繁加减速选动力优先;长途定速、城市通勤选经济优先。折中可走双工况点匹配。
21第 21 页 · 动力性优先 vs 经济性优先

混动专用发动机的设计目标

上页看到传统发动机万有特性图上那块『高效岛』很小,因为发动机必须兼顾整个运行区间。但在混动系统中,电机包揽了低速大扭矩,发动机不再需要『全能』——设计目标就可以完全反过来。

阿特金森/米勒循环
膨胀比大于压缩比,牺牲少量功率换油耗,最低比油耗可压到220g/kWh左右
缩小排量
从2.0L降到1.5~1.8L,低速扭矩缺口由电机补足,机械损失同步下降
附件电气化
水泵、油泵、空调压缩机改电驱并按需工作,泵气与机械损失显著减少
减少缸数
三缸化甚至两缸化,不再为覆盖全工况多烧一份燃油
快速暖机
可变流量水套、缸盖集成排气道,缩短冷机到进入高效区的时间
只在城里送货的快递员对应 →混动专用发动机

不用像长途货车那样兼顾各种工况,只优化自己常跑的路线,就能省下大量能量

22第 22 页 · 混动专用发动机的设计目标

混动专用发动机类型

两类循环的结构差异、共同的物理本质,以及为何必须由电机协同。

图解渲染中…
F两种循环的共同本质:压缩比小于膨胀比H热效率可突破40%,传统奥拓循环难做到K电机在低转速区补扭矩,弥补发动机短板
23第 23 页 · 混动专用发动机类型

混动发动机的运行特性

前页讲了动力性与经济性的取舍矛盾。混动系统破解它的办法,是让发动机只管高效运行,缺口和波动交给电机补。这就是协同策略的核心思想。

工作点解耦
车轮需求不再直接拖动发动机,发动机可自由选最优工况
定点高效运行
发动机被约束在万有特性最低油耗带里长期蹲守
功率实时分担
按SOC和驾驶需求,发动机与电机动态分配扭矩与转速
启停与调速灵活
怠速可停机、转速可独立于车速调节,进一步拓宽节能空间
乐队中的乐手对应 →混动发动机

指挥(能量管理)安排他只在最擅长的段落演奏,空缺由其他乐手(电机)填补

Peηe+Pmηm=PdemandηtP_e\cdot\eta_e + P_m\cdot\eta_m = \dfrac{P_{demand}}{\eta_t}
24第 24 页 · 混动发动机的运行特性

本章要点回顾

理解特性曲线到整车匹配的完整链条

本章要点回顾
理解特性曲线到整车匹配的完整链条
25第 25 页 · 本章要点回顾

课后思考

先独立思考三个问题,再看参考答案——重点不在文字,而在思路。

1速度特性、外特性和万有特性三者是什么关系?能否只用一张图描述全部工况?

参考答案速度特性是固定油门看一圈,外特性是油门踩到底那条边,万有特性把所有油门档的切面叠成等高线地图——三者层层包含,不可互替。

2为城市配送物流车做动力总成匹配,你会优先保证动力性还是经济性?依据是什么?

参考答案先定场景:走走停停、载荷多变、按吨公里计成本——经济性优先更合理,但要校验满载爬坡与起步加速的动力性下限能否满足法规与工况。

3传统发动机万有特性上最优点通常居中,混动专用发动机为什么敢把最优工况点偏移?

参考答案混动有电机补位,发动机不必覆盖全部工况——最优工况点可向高效热力循环区收窄,甚至锁定在某一固定点优化,打破传统全能型匹配逻辑。

26第 26 页 · 课后思考