发动机外特性对载货汽车自动换档系统的影响

赵玉超，刘海涛，薛秋生，史 凯

（1.中国重汽集团技术发展中心，山东 济南 250002；2.济南鲍德炉料有限公司）

在自动化程度越来越高的今天，载货汽车上的自动化程度也日益提高，AMT自动换档技术的应用也越来越多。手自一体变速器通过电控单元来实现档位的转化，能有效地减少驾驶员的劳动强度，提高了汽车电控系统的自动化程度，载货汽车标配AMT自动变速器逐步成为商用车的趋势。

目前国内市场中，正式量产的只有中国重汽公司，其他整车厂的AMT车型仍停留在试验车研发阶段，还未正式推向市场。重汽AMT车型主要的市场应用见表1。AMT变速器总成是重汽生产的。

表1 重汽AMT车型主要的市场应用

1 AMT电控系统的控制原理

配置AMT （Automated Mechanical Transmission，机械式自动变速器）的车型中，发动机电控单元ECU和变速器电控单元TCU是通过CAN线来通信的。发动机的转速信息、转矩信息、油门踏板信息、发动机外特性等信息发送给TCU，TCU实时处理这些信息并计算合适的换档时机。当进行换档操作时，TCU发送转矩和转速限制命令，发动机电控单元根据转矩要求来限制喷油量。AMT系统架构图如图1所示。

变速器电控单元TCU的换档逻辑中:把发动机的储备功率、当前载荷和坡度作为判断是否换档的基础依据。发动机储备功率的计算是以发动机的外特性为基础的，也就是EC1（Engine Configuration，发动机外特性）报文中的6个点。为了更好地说明储备功率的计算，这里先介绍一下SAE-J1939标准中的EC1报文。

2 发动机外特性的定义

发动机的外特性是其本身的固有特性，是发动机转速和转矩的对应关系。外特性是动态变化的，当大气压力、发动机温度以及其他对发动机转矩特性曲线有大于10%影响的固有变化时 （包括传感器故障等），发动机外特性也要动态变化。外特性是建立在最大增压压力的基础上的，在增压压力比较低时，转矩值会更低。

图2描述了发动机转速-转矩对应关系的固有特性。如果发动机的转矩相比上次发送值有超过10%的变化时，发动机特性的消息就应该及时更新 （进气压力导致的转矩变化除外）。报文的更新周期可以每5s周期发送，也可以是请求式发送。

图2中的7个点反映了发动机外特性。其中第6点为发动机的高怠速点，这点的定义是发动机通过自身做功可以达到的最高转速值，但在此高怠速点时的输出转矩值为零，也就是说在高怠速点时，发动机没有对外输出转矩的能力了。第7点为发动机被倒拖时能够允许的最高转速值，这个转速值是发动机无法通过自身做功达到的。在和这个转速值配套定义的还有允许倒拖到最高转速的时间，单位是秒。EC1报文定义见表2。

表2 EC1报文定义

在实际应用过程中，发动机外特性第1点到第5点的转速值一般是固定的；但5个点的转矩百分比是动态变化的。通过动态变化的转矩百分比信息来反映发动机当前的工作状态，当发动机有故障或者大气压力低导致发动机转矩发生变化时，EC1报文中的5个点动态变化来反映发动机在当前工况下的能力。这个能力值是发动机在当前工况下最大的能力值，是建立在最大增压压力的基础上的，由于进气压力低导致的发动机能力值下降，EC1中转矩值不该受到影响。EC1变化的几大因素只有大气压力、冷却水温、进气温度、回油温度和发动机故障。其他原因导致的发动机能力下降仅是暂时的，不能影响到EC1的变化，在法规中也有明确的定义。

3 AMT系统中基于EEC1和EC1报文的转矩计算

在AMT系统中对于可用发动机转矩 （Available Torque）是这样计算的:可用转矩=（实际转矩百分比-摩擦转矩百分比）×参考转矩。

具体的定义是:实际发动机转矩与摩擦功的百分比差值再乘以发动机的参考转矩值就是当前可用转矩。发动机实际功率结构图如图3所示。下面再具体阐述每项参数的具体定义。

发动机实际转矩 （Actual Engine Percent Torque）在EEC1报文中，在法规中是这样定义的:实际发动机转矩为飞轮端的转矩，也就是发动机燃烧做功克服缸体摩擦和水泵等附件因素后的净转矩。

发动机摩擦功 （Nominal Friction Percent Torque）包括整车附件的摩擦功，包括发动机风扇、空调压缩机、空气压缩机、发电机等。

根据EEC1和EEC3报文中实际发动机转矩信息和摩擦功信息，就可以计算出当前可用的发动机转矩。根据当前转速和当前可用转矩，再结合EC1消息中的发动机外特性状态，就可以计算出发动机的储备功率，再根据车辆当前的坡度和载荷，AMT系统的换档计算模块 （AGD模块）就可以计算下一个可挂入的合适档位。

功率计算公式

式中:Te——有效转矩，Nm；n——发动机转速，r／min。

有效转矩的最大值称为最大转矩，有效功率的最大值称为最大功率。

车速计算公式

式中:n——发动机转速；R——轮胎半径；Ig——桥速比；Io——变速器的档位速比。

换档前后，可以认为车速恒定。由式 （2）可以得知，档位的速比和发动机转速成反比，即:n1×i1=n2×i2。其中n1为换档前发动机转速，i1为换档前档位速比；n2为换档后发动机转速，i2为换档后速比。

当发动机转速比较高后，AGD模块就会进行升档判断。同一车辆在路况相同的情况下，进行档位切换前后，发动机输出的有效功率是恒定的。根据式 （1）和式 （2）可以得到:Te2=i1／i2×Te1， 也就是在升档后，档位速比减小，发动机需要输出更大的有效转矩才能驱动车辆继续行驶。

4 基于EC1外特性的AGD换档判断

下面举例来说明AGD模块根据发动机外特性报文来进行换档计算的过程。发动机负荷见表3。

表3 发动机负荷

当前发动机工作在1800 r／min，实际发动机转矩为70%，档位是3档，对应的速比为10.6。如果目标档位为4档，则对应的同步转速n=（9.2／10.6）×1800=1562 r／min， 需要的储备转矩Te=（10.6／9.2）×70%=80.6%；如果目标档位是5档，那么对应的同步转速n=（7.5／10.6）×1800=1273r／min， 需要的发动机转矩为原来的1.41倍，发动机的储备功率必须达到98.9%才能够挂入5档。这时AMT换档计算逻辑会通过EC1报文来读取发动机的外特性。表4为发动机5个转速点对应的转矩值，用曲线图表示如图4所示。

表4 发动机5个转速点对应的转矩值

挂入4档需要转速1562 r／min、转矩80.6%。从图4中可以得知，当前发动机转矩为95%，可以满足4档；对于5档需要转速1273r／min、转矩98.9%，从图4可以看出，当前发动机转矩为92%，不能满足5档。因此只能选择4档。

当大气压力降低或者环境温度太高引起发动机转矩发生变化时，EC1中转矩值动态变动来反映发动机当前的真实能力。仍以上述例子为模型，由于大气压力的下降，发动机动力发生衰减，具体值如图5所示。

发动机动力衰减后，发动机的最大能力下降了，反映在图形中是5个转速点的转矩值都会变小。针对发动机这样的限扭状态，AGD系统在进行换档判断时，会重新分析。在上述工况例子中挂入4档需要转速1562r／min、转矩80.6%，对于5档需要转速1273 r／min、转矩98.9%；从图5中可以得知，在1273r／min时发动机转矩不足70%， 在1562r／min时发动机转矩不足80%，4档和5档都不能满足。如果强行挂入4档，就会出现在挂入4档后，由于发动机输出转矩不够，车辆逐步减速，发动机转速也逐步下降，最终AGD只能再次降档。这就是常说的冒然升档，在重载爬坡的时候非常忌讳这种表现。因为在不该升档时冒然升档，档位虽然增加了，但是发动机无法输出更大的转矩来支撑车辆爬升，最终档位又降回原点。如果降档时间过长，就会导致车辆动力中断，车速很快下降，最终停滞，需要重新坡路起步，再逐步升速加档。这种表现驾驶员最不能容忍，既费时，又耗油。

以上可以看出发动机外特性报文对AMT自动换档系统非常重要，发动机转矩的准确性直接决定换档性能的好坏，EC1报文中的转矩信息是AMT系统进行档位计算的基础，卓越的换档表现的前提是精确的EC1转矩信息，只有发动机的实际能力值实时准确地更新，车辆才会有优越的性能表现。