基于液力变矩器性能及NIC功能的无级变速器经济性分析

卢师秋, 谷城, 彭柳雁, 唐红云, 黄仁熠

(柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司，广西柳州 545005)

0 引言

随着中国汽车工业的不断发展，自动变速器成为车辆动力传动系统中关键部件，各种形式的自动变速器，如AT、DCT、CVT等，也得到快速的发展[1]。为了满足国家日益严苛的油耗法规要求，践行汽车企业节能减排的社会责任，以及满足客户对车辆舒适性的需求，自动变速器的发展呈现多挡化、电气化的趋势[2-3]。

无级变速器(Continuously Variable Transmission，CVT)具有连续变化传动系统的速比、且换挡无冲击的优点，能够使发动机尽可能地运行在效率较高的区域。因此，CVT的开发与应用也得到了大力的发展，在市场中的份额也有上升[4-5]。

TCU(Transmission Control Unit，变速器控制单元)是自动变速器开发中极其重要的一环，自动变速器控制策略以及匹配工作的好坏，直接影响到车辆的经济性能、动力性能以及舒适性能。在控制策略方面，为了进一步挖掘节能潜力，减少行车过程中怠速停车时油耗，徐玄之[6]基于液力自动变速器(AT)开发了NIC(Neutral Idle Control，空挡怠速控制)功能，该功能在实车测试中，实现了0.2～0.3 L/(100 km)的节能效果。在匹配方面，罗勇等人[7]综合考虑发动机和CVT的效率，实现车辆最佳经济性控制，相比只考虑发动机最佳控制，燃油经济性有效提升约2%。

液力变矩器(Hydraulic Torque Converter，TC)作为多数CVT的起步离合器，实现车辆起步增扭和柔性起步的功能。在起步阶段，TC未锁止时，传递效率比较低。因此，TC液力性能的选择和控制策略的开发是CVT提高燃油经济性的一个方向。作者针对CVT的开发，分析TC的液力特性，通过搭建整车模型和控制模型，对比不同TC液力性能以及NIC功能对整车经济性的影响，以便为了开发新的CVT或者升级现有CVT时，更好地选择适合的TC。

1 CVT结构及怠速空挡原理

现有的CVT结构由TC、DNR(Drive, Neutral, Reverse)离合器、钢带带轮变速机构、减速器以及差速器组成，如图1所示。

TC一般由泵轮、涡轮、导轮以及锁止离合器组成。泵轮与发动机端连接，涡轮则与变速器端连接，导轮固定不动，而锁止离合器则是在满足锁止条件的情况下进行结合。

图1 CVT布置结构

液力变矩器的液力特性关系[8]如公式(1)—(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：αSR为转速比；nTurb为涡轮转速，r/min；nImp为泵轮转速，r/min；βTR为扭矩比；tqTurb为涡轮扭矩，N·m；tqImp为泵轮扭矩，N·m；γCC为能容系数，N·m·min2/r2；φKF为K系数，r/(min·N1/2·m1/2)。

根据液力变矩器生产厂家提供的3组TC数据，分别记为TC#1、TC#2、TC#3，利用上述公式，可以计算得到与发动机端相连的泵轮扭矩，如图2所示。

图2 三组液力变矩器转速比与泵轮扭矩关系

由图2可知，在泵轮转速一定时，泵轮扭矩呈现随着转速比增加，先缓慢增长(或下降)，然后迅速减少的趋势。开启怠速空挡功能后，离合器处于滑摩或解锁的状态，当TC转速比处于较大值，使泵轮的扭矩小于转速比为0时的扭矩时，发动机负载扭矩也随之下降。

2 仿真模型

整车仿真模型及控制模型如图3所示。

图3 整车仿真模型

仿真方案均采用同一整车及变速器模型，通过在整车模型中更换TC性能数据或者在TCU控制逻辑中开启或者关闭NIC功能，来对比TC性能和NIC功能对燃油经济性的影响。

3 结果分析

为了评估TC性能和NIC功能的节能效果，仿真采用NEDC作为测试循环。仿真结果如表1所示。

由表1和图4可知：

(1)怠速时更低的TC泵轮(发动机)扭矩，油耗也会更低。

(2)开启NIC功能后，燃油经济性均有提升，如图4(b)所示。

(3)关闭NIC功能时TC泵轮扭矩越大，开启NIC功能后带来的节能潜力越大，如图4(c)所示。

图4 NEDC循环油耗对比

选取NEDC循环中t=30～45 s的区间，该区间为行驶过程中处于前进挡、车速为零的工况。图5为TC#3的仿真结果，可知：发动机转速维持在怠速转速，由于开启了怠速空挡的功能，发动机扭矩下降约49.63%，燃油消耗量下降约26.85%。

图5 TC#3仿真结果

图6和图7分别是关闭NIC功能和开启NIC功能的对比。不同TC液力性能，怠速时的泵轮(发动机)扭矩也不一致，也会导致此时燃油消耗量不一样。

图6 关闭NIC功能发动机参数对比

图7 开启NIC功能发动机参数对比

图8为NIC开启前后的扭矩和燃油消耗量的对比。扭矩下降幅度和燃油消耗量下降幅度呈现负相关的关系，这与怠速时燃油消耗率有关。

图9为怠速转速下发动机负载扭矩和燃油消耗率的关系。图9中空心圆点为发动机台架测试得到的燃油消耗率数据。在台架上，扭矩接近为零的数据难以控制。因此，根据数据分布的规律，进行了向外插值。

图8 怠速扭矩和燃油消耗量对比

图9 怠速转速下发动机扭矩和燃油消耗率的关系

由图9可知：怠速转速下燃油消耗率随着扭矩的增加，先急剧下降后平缓。TC#1未开启NIC功能时，扭矩已经处于较小值，开启NIC功能后，即使扭矩下降的幅度较大，由于燃油消耗率的快速上升，经济性能提升的效果有限。相比之下，TC#3未开启NIC功能时，扭矩处于中值偏小，开启NIC功能后，扭矩下降幅度虽然有限，但是燃油消耗率上升幅度较小，因此，经济性能提升得更明显。

4 结论

通过对TC的性能进行分析，分析3种不同的TC液力性能和NIC功能的开关对燃油经济性的影响，以便开发或升级CVT时，更好地选择TC的性能和开发TC的控制策略。通过以上研究，有以下的结论：

(1)选择φKF较大(γCC较小)的TC和开发NIC功能，有效降低怠速时发动机的扭矩，可以降低怠速的燃油消耗量；

(2)节能效果提升的幅度与TC的液力性能、发动机怠速时的燃油消耗率有关。