汽车发动机自动调速技术研究

张太美 王爱斌

摘要：发动机在动态负载下易发生掉速或超速，燃油经济性变差。本文通过对自动调速的原理进行分析，并建立了控制系统模型。仿真结果表明，自动调速技术能很好地将发动机转速维持在设定值。

关键词：发动机;动态负载;自动调速

1汽油发动机的基本原理和构造

发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机;无论是四行程发动机，还是二行程发动机;无论是单缸发动机，还是多缸发动机。

1.1配气机构。配气机构的功用是根据发动机工作顺序和过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构。

1.2曲柄连杆机构。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。

1.3冷却系统。冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。

1.4燃料供给系统。汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去;柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。

1.5润滑系统。润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩。

1.6点火系统。在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。

1.7起动系统。要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。

2发动机自动调速原理

汽车在某一挡位和某一节气门开度下恒速行驶，假设负载不变，则其发动机运转在额定状态。实际中负载是变化的，其波动会导致发动机脱离额定点工作，出现掉速或超速现象。

此时可对节气门施加控制，使其工作点转移到开度为时的点或时的点。这样发动机就始终工作在额定转速下，经济性得到改善。

汽车的动力传动系统包括有一个内燃机、一个多齿轮比变速器及车轮。发动机转矩及速度会因汽车所需的牵引动力而在变速器中进行转换。此外，汽车的变速器还可控制车轮的转动方向。

变速器一般分为手动及自动变速两种。自动变速可自动控制磨擦单元、齿轮比的选择及换档。

自动变速会采用液压油来达到润滑及冷冻的效果，液压油是一种非常特别的液体，可在任何恶劣的环境下运行。自动变速箱油（ATF）的主要功能为：把动力从发动机变矩器传送到动力传动装置，吸收由变矩器产生的热力并转移到汽车前端的冷冻装置;作为离合器磨擦的冷冻剂，它可吸收及散发由离合器或带啮合所产生的热能;通过一个复杂的液压控制系统把液体压力传送开去，该系统采用汽门、伺服机、泵、离合器总泵、液压管路及管道来进行控制，作为行星齿轮、轴承、伺服机、离合器和轴衬的润滑剂及冷冻剂。

3自动调速控制方法

3.1调速控制方案

根据调速原理，发动机负载增大，节气门开度也应增大某一个相应的值，使扭矩与负载达到新的平衡;反之亦然。以负载为动态输入量，节气门开度值作为控制系统的输出量，通过信号转换输出到发动机执行机构。

3.2 发动机子系统

3.3 節气门控制子系统

根据调速原理，假设发动机载荷增加，则转速向左偏移，此时由反馈得到的转速差为正，控制器就会适当地增加值，从而使特性曲线上移，使得转速回到设定值;反之亦然。

4自动变速器的类型及优缺点

4.1有级式电子控制机械式自动变速器

电控机械式自动变速器是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵机构，驾驶员通过加速踏板和选择器向微机表达意图，各种传感器时刻检测车辆的现状，微机接受和处理信号，并输出最佳控制信号，通过电动和液压或气压分别对节气门开度、离合器结合及换挡三者进行控制，以实现最佳匹配，从而获得优良的行驶性能、平稳的起步性能和迅速换挡的能力。有级式机械自动变速器既能使换挡操作简化，又保留了齿轮式机械变速器传动效率高、廉价、易于制造的长处，但其控制系统要求较高的控制精度，使得自动换挡的难度大。

4.2金属带式无级自动变速器

金属带无级自动变速器属摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键件是具有V型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带，每个带轮都由可以相对滑动的两部分构成，金属带位于两部分间的凹槽内。当主动轮旋转时，通过金属带将主动轮的扭矩传递给从动轮，来自液压系统的压力分别作用到主、从锥轮的可动锥盘上，通过改变作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。CVT具有传动比连续、操纵方便等特点，真正实现了无级变速。由于CVT可以使发动机始终再起经济转速区内运行，从而改善了燃油经济性;无需切断动力，汽车舒适性好，超车加速性能好。但是，CVT采用摩擦传动，传动效率低，可靠性差。

4.3液力自动变速器

液力自动变速器主要由液力变矩器和行星齿轮变速机构和自动换挡控制系统组成。在一定范围内可以实现无级变速的能力。一般分四或五个挡个别的汽车已达到六个挡，目前它是国内、外用得最多的自动变速器，其优越性在常用的速度范围内实现无级变速。电子控制也使自动切换速度柔和、平顺，因此汽车具有良好的乘坐舒适性和安全性、优越的动力性和方便的操纵性。但这液力变矩器耗油量大，传动效率不如机械式变速器，结构复杂，成本也较高。

5汽车发动机自动变速器在我国的应用现状及国内技术的发展前景

不可否认，自动变速技术的出现为汽车行业帶来了新的血液。同时，我们也必须面对一现实：国外自动变速技术已相当成熟，并且占据着绝大部分的市场，也得到了消费者的信任。国内自主品牌难以撼动这一现实。但是，国外的自动变速技术并非无缺点。目前的液力自动变速器主要采用液力变矩器，变矩器在工作过程中，搅动油液生热做了大量无用功，同时耗费大量油液。为了进一步增大起步时的扭矩及提高燃油的经济性，还需改进和提高变矩器的性能。再者，档位越多，虽然操作性和经济性越好，但是自动变速器的结构会越复杂，安全可靠性越差。因此，设法在增加档位的同时保持安全可靠性，也是可以超越国外技术的方面。但，经过70多年不断地完善，液力自动变速器的功能与潜力的开发已接近了极限，其长期存在的不足如：起动速度慢、工作效率低、油耗大等，很难取得突破性的改进同时考虑到国外技术的垄断与技术封锁国内技术要想超越几近顶尖的国外技术，难度很大。

6结语

电控技术在发动机自动变速器中的改进，不仅要改善其本身的性能，而且应该考虑与发动机相匹配。因此应进一步提高电子控制的精度，研发与发动机匹配的综合控制系统，使车辆的动力性、燃油经济性及废气排放这些难以兼顾的性能达到优化处理，从而显著提高车辆的综合性能。同时，电控机械式自动变速器生产继承性好，改造的资金投入少，其硬件开发与软件研制对各种车型在理论上是相通的，成果可推广到各类型汽车上，也适合于电子技术主导技术的潮流。由于近些年我国的电子技术飞速发展，甚至超越某些发达国家。因此，如果自主品牌企业以电控机械式自动变速器为主攻方向的话，赶上甚至超越国外技术的可能性更大些。

参考文献：

[1]朱辉，王丽清，张幽彤，等.用MATLAB/SIMULINK实现柴油机及其控制系统的动态仿真[J].内燃机学报，1998，16（3）：314-321

[2]王轶.基于自适应控制理论的柴油机转速控制研究[D].哈尔滨工程大学，2011