汽车用柴油机、汽油机匹配变速器技术差异性分析

王燕云

（北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心，中国 北京 101400）

【摘要】动力性是汽车各种性能指标中最基本、最重要的性能，汽车运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性。因此，研究不同类型发动机匹配变速器的合理性是各大主机厂的首要任务。本文在分析柴、汽油机性能特征的基础上，得出车辆匹配不同类型发动机对传动系、变速器性能指标的影响，并通过实例计算，证明理论分析结果。

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关键词 柴油机；汽油机；变速器；速度特性；万有特性

运输车辆传动系统的型式与所用的发动机类型有密切的关系。这是由于不同类型的发动机转矩——转速特性有着很大的差别。为了使装用不同类型发动机的车辆在各种行驶条件下都有满意的牵引力——车速特性，就必须根据发动机的转矩——转速特性，采用相应的传动系方案。

下面就匹配柴油机、汽油机车辆匹配变速器技术差异性进行简要分析。

１柴油机、汽油机性能差异分析

1.1汽油机、柴油机概述

汽油机具有转速高（轿车用汽油机转速可高达5000~6000转/分，货车用汽油机达4000转/分左右），质量轻、工作噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点，故在轿车和中、小型货车及军用越野车上得到广泛应用。其不足之处是燃油消耗率较高，燃油经济性较差。

柴油机具有结构简单、可靠性高。扭矩大，转速较低等优点。在燃烧效率方面，燃烧效率更高，燃油消耗低、排放更低。缺点是：转速较低（一般最高转速在2500～3000r/min左右），质量大，制造和维修费用高。但目前柴油机的这些缺点正在逐渐得到克服。特别是柴油机技术日益成熟，冬天不好启动、提速慢的缺点已经得到了克服。

柴油机比汽油机车辆省油，因为压燃式的柴油机比点燃式的汽油机具有更高的能量转换，能源消耗为汽油机的45%~60%。

随着近年来柴油机技术的进步，特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与CO2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的。

１．２柴油机、汽油机性能对比

１．２．１速度特性对比

发动机速度特性是指发动机在油量调节机构保持不变的情况下，主要性能指标（有效转矩、功率、燃油消耗率等）随发动机转速变化的规律。

1.2.2万有特性

在汽车设计与开发工作中，常需要根据发动机台架试验得到的万有特性图与汽车功率平衡图，对汽车燃油经济性进行估算。

柴油机与汽油机的万有特性曲线如图3、图4所示。

汽油机燃油消耗率比柴油机高；汽油机最经济区域处在偏上位置的高负荷区，负荷率降低，油耗增加很快；而柴油机的最经济区比较适中，负荷变化时油耗变化不大。

由于汽油机经常在低负荷工况下，燃油消耗率高，因此经济性不佳；柴油机多用于载货车、工程机械等，工作负荷率高，故其燃油经济性好。

2柴、汽油机对传动系速比的影响

图3柴油机万有特性曲线

图4汽油机万有特性曲线

变速器在汽车动力总成中的功用是：通过变化速比，调节发动机输出的转矩与转速，达到汽车克服行驶阻力，保持一定行驶速度的要求。

在与整车动力总成性能匹配方面，车桥主减速比、变速器各档速比的确定是至关重要的。

在本文中，为比较柴、汽油机匹配变速器性能的差异性，我们设定如下前提条件：对变速器各重要档位速比的设计进行说明，并根据柴、汽油机性能要求的不同，说明变速器速比选取的差异性。

2.1设定前提

假设在同一款汽车上分别配置柴油发动机、汽油发动机。为使汽车的动力性（这里使用整车最高车速）达到一致，设定两款发动机额定功率相同。

２．２传动系主要参数说明

２．２．１主减速比

主减速比在传动系中主要用来起到对发动机动力减速增扭的作用。其值的确定一般是依据发动机最大功率点转速，根据变速器最小传动比、轮胎直径、汽车行驶阻力等参数，进行设计计算，使汽车能够达到所能达到的最高行驶车速。

２．２．２变速器最大传动比

变速器最大传动比一般是用来使汽车达到设定的最大爬坡度，头档动力因数以及最低稳定车速。 在以下动力性分析时，从汽车的最大爬坡能力方面设计计算。

２．２．３变速器超速档

考虑汽车燃油经济性，设置该档位，增加发动机工作负荷率，提高整车燃油经济性。

2.3传动系速比设计及分析

2.3.1主减速比

主减速比一般是选定变速器传动比为1时，根据汽车功率平衡图，使发动机最大功率点与阻力功率曲线相交。这样可以使汽车发挥出其最大功率，从而跑出该车所能达到的最高车速。根据汽车最高车速及发动机最大功率点的转速，折算出传动系主减速比，计算公式如下：

其中：Uamax为汽车最高车速(km/h)；n为发动机最大功率点转速(rpm)；r为车辆半径(m)；f为滚动阻力系数；CD空气阻力系数；A迎风面积ig为变速器速比(取1)；io为主减速器速比。

由式（2），主减速比与发动机最大功率点转速成正比。同功率发动机，汽油机最大功率下转速高于柴油机转速，因此计算出的主减速比要大于柴油发动机匹配的主减速比。

2.3.2变速器最大速比

变速器最大传动比的确定是根据：在发动机发挥出最大扭矩工况下，使整车克服道路阻力，坡道阻力所需要的变速器速比。 参数的确定主要与发动机最大扭矩、汽车总重、坡度有关，计算公式如下：

其中：G为汽车总重(kg)；f滚动阻力系数；r为车辆半径(m)；Ttqmax为发动机最大转矩；ηT为发动机机械效率；ig1为变速器一档速比；io为主减速器速比；αmax为最大爬坡角度约为16.7°。

发动机最大扭矩与最大功率点扭矩的比值为发动机的转矩适应系数，该参数决定了发动机适应负荷变化的能力。该值越大，需要使用变速器速比调整扭矩量越小，使变速器最大速比值越小。解释如下：

设汽车达到最高车速时所需驱动力为Famax，爬坡时最大驱动力Ftmax，发动机最大转矩Ttqmax，发动机最大功率点处扭矩为Ttqn，根据发动机输出转矩与阻力转矩平衡，有：

其中：Kt为转矩适应性系数；

上式中，变速器一档速比与发动机转矩适应系数成反比，因此，发动机转矩适应系数越大，匹配的变速器最大速比值越小。

一般情况下，汽油发动机扭矩适应系数大于柴油机，因此匹配变速器最大速比值小于柴油机用变速器最大速比值。

新型柴油机采用油量校正后，扭矩适应系数与汽油发动机接近，因此，匹配变速器最大速比值差别不大。

3.3变速器超速档速比：

如图５所示，使用超速档发动机功率曲线右移，在功率平衡点，发动机转速降低提高工作负荷率，使其工作在燃油经济区域，从而达到提高整车燃油经济性的目的。

超速档的确定方法如下：

设发动机燃油消耗率最小处发动机功率为Pεb，转速为nb,汽车行驶功率平衡方程式：

可解出变速器超速档速比。

其中： G为汽车总重(kg)；f为滚动阻力系数；CD空气阻力系数；A迎风面积；Uae为汽车在变速器超速档时车速(km/h)；r为车辆半径(m)；ic为变速器超速档速比；

i0为主减速器速比；

以该超速档行驶，是在保持燃油经济性高情况下跑出的汽车的次高车速。

依据汽油机、柴油机万有特性图，汽油机经济工作区域较柴油机小，其转速范围、负荷范围均小于柴油发动机，对汽车道路阻力反应敏感。因此，为使汽油发动机汽车燃油经济性好，有时要设两个超速档。而柴油发动机汽车变速器一般只设一个超速档或不设超速档。同理，汽油机用变速器其他档位速比级差要比柴油机用变速器小。

2.4计算实例

2.4.1计算方法

选定两款功率相当的汽油机和柴油机，匹配同一车型，要求整车到达同一动力性（最高车速、最大爬坡度）前提下，利用“汽车动力性能参数计算”软件，选择传动系速比，并对计算结果进行分析。

2.４．２参数设定

4.3计算结果

1）福康ISF2.8L(96kW)

（1）整车最高车速： 128.2km/h；

（2）主减速器速比： 4.11；

（3）变速器一档速比：4.99；

2）三菱4G64(95kW)

（1）整车最高车速： 125.2km/h；

（2）主减速器速比：6.43；

（3）变速器一档速比：4.59

3）结果分析

3结语

总体来说，匹配汽车用发动机，汽油机动力适应（下转第197页）（上接第144页）性好而燃油经济性较差；柴油发动机相反，燃油经济性好而动力适应性差。由于性能差异性，汽油发动机与柴油发动机匹配用变速器应具有如下特征，以补偿发动机性匹配汽车性能的缺陷：

（1）汽油机配车桥主减速器速比大于柴油机用主减速比；

（2）汽油机用变速器一档速比小于柴油机用变速器一档速比；

（3）汽油机用变速器速比级差比柴油机用变速器要小；

(4)汽油机用变速器更需要设置超速档，甚至2个超速档；柴油机一般只设一个超速档或不设超速档。

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参考文献

［１］余志生.汽车理论[M]．机械工业出版社．

［２］周龙保,刘巽俊，高宗英.内燃机学[M]．机械工业出版社．

［３］刘惟信.汽车设计[M]．清华大学出版社．

［４］陈家瑞.汽车构造[M]．人民交通出版社．

［责任编辑：薛俊歌］