汽车发动机性能指标的优选方法

在汽车设计中，发动机的初选通常有两种方法：

一种是从保持预期的最高车速初步选择发动机应有功率，发动机功率应大体上不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和；一种是根据现有的汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动机应有的功率。

在初步选定发动机功率之后，还需要进一步分析计算汽车动力性和燃料经济性，最终确定发动机性能指标（如发动机最大转矩、最大转矩点转速等）。

通常在给定汽车底盘参数、整车性能要求（如最大爬坡度i_max、最高车速v_max、正常行驶车速下百公里油耗Q、起步加速时间t等），以及车辆经常运行工况的条件下，就可以选择发动机的最大转矩T_emax及其转矩n_M，最大功率P_emax及其转速n_p，发动机最低油耗率g_emin和发动机排量V_h。

在优选发动机时常常遇到两种情况：一种情况是有几个类型的发动机可供选择，在整车底盘参数和车辆经常行驶工况条件确定时，这属于车辆动力传动系合理匹配问题，可用汽车动力传动系统最优匹配评价指标来处理。

第二种情况是根据整车性能要求和汽车经常行驶工况条件来对发动机性能提出要求，作为发动机选型或设计的依据，而这时发动机性能是未知的。

对于计划研制或未知性能特性指标的发动机，性能可看作为发动机设计参数和运行参数的函数，此时，外特性和单位小时燃油消耗率可用于表示发动机的简化模型。

优选汽车发动机参数的方法：

（1）目标函数F（x）

目标函数为汽车行驶的能量效率最高。

（2）设计变量X

X=[T_em，P_emax，n_p，n_M，V_h] （5-22）

（3）约束条件

1）发动机性能指标的要求

①发动机转矩适应性要求为

1.1≤T_em/T_p≤1.3 （5-23）

转矩适应性系数也可参考同级发动机试验值选取。

②发动机转速适应性要求为

1.4≤n_p/n_M≤2.0 （5-24）

如果n_M取值过高，使n_p/n_M＜1.4，则可能使直接档稳定车速偏高，汽车低速行驶稳定性变差，换档次数增多。

2）汽车动力性要求

①最大爬坡度要求

(www.xing528.com)

②最高车速要求

③直接档动力性要求

④汽车加速性能的要求：原地起步连续换档加速时间不得大于要求值t₀，即

t≤t₀ （5-28）

3）汽车燃料经济性要求

①直接档在常用车速下行驶的百公里油耗不得超过其限制值Q₀

Q_s≤Q₀ （5-29）

②发动机排量的要求

P_L＜P_emax/V_h≤P_h （5-30）

式中，P_h、P_L分别为发动机升功率统计的上、下限值（kW/L）。

根据上述建立的优化模型，即可优选出最优发动机参数，并选择发动机型号。

发动机性能特性可看作是发动机性能指标和运行参数的函数，此时，外特性可表示为

式中，T_m为发动机最大有效转矩；T_p为发动机最大功率对应的转矩；n_m为发动机最大有效转矩对应的转速；n_p为发动机最大功率对应的转速。

发动机单位时间的油耗量可以表示为

G_t=n_e（G_ox+r_oT_e）V_h （5-32）

式中，G_t为发动机每分钟消耗的燃油量（g/min）；G_ox为发动机怠速时单位排量每转燃油消耗量[g/（r·L）]；r_o为发动机单位排量单位转矩每转燃油消耗量提高系数[g/（N·m·r·L）]；V_h为发动机的排量（L）。

汽油机和柴油机的G_ox和r_o的取值范围见表5-9。

表5-9 汽油机和柴油机的G_ox和r_o值