基于液力變矩器性能及NIC功能的無級變速器經濟性分析

盧師秋, 谷城, 彭柳雁, 唐紅云, 黃仁熠

(柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司，廣西柳州 545005)

0 引言

隨著中國汽車工業的不斷發展，自動變速器成為車輛動力傳動系統中關鍵部件，各種形式的自動變速器，如AT、DCT、CVT等，也得到快速的發展[1]。為了滿足國家日益嚴苛的油耗法規要求，踐行汽車企業節能減排的社會責任，以及滿足客戶對車輛舒適性的需求，自動變速器的發展呈現多擋化、電氣化的趨勢[2-3]。

無級變速器(Continuously Variable Transmission，CVT)具有連續變化傳動系統的速比、且換擋無沖擊的優點，能夠使發動機盡可能地運行在效率較高的區域。因此，CVT的開發與應用也得到了大力的發展，在市場中的份額也有上升[4-5]。

TCU(Transmission Control Unit，變速器控制單元)是自動變速器開發中極其重要的一環，自動變速器控制策略以及匹配工作的好壞，直接影響到車輛的經濟性能、動力性能以及舒適性能。在控制策略方面，為了進一步挖掘節能潛力，減少行車過程中怠速停車時油耗，徐玄之[6]基于液力自動變速器(AT)開發了NIC(Neutral Idle Control，空擋怠速控制)功能，該功能在實車測試中，實現了0.2～0.3 L/(100 km)的節能效果。在匹配方面，羅勇等人[7]綜合考慮發動機和CVT的效率，實現車輛最佳經濟性控制，相比只考慮發動機最佳控制，燃油經濟性有效提升約2%。

液力變矩器(Hydraulic Torque Converter，TC)作為多數CVT的起步離合器，實現車輛起步增扭和柔性起步的功能。在起步階段，TC未鎖止時，傳遞效率比較低。因此，TC液力性能的選擇和控制策略的開發是CVT提高燃油經濟性的一個方向。作者針對CVT的開發，分析TC的液力特性，通過搭建整車模型和控制模型，對比不同TC液力性能以及NIC功能對整車經濟性的影響，以便為了開發新的CVT或者升級現有CVT時，更好地選擇適合的TC。

1 CVT結構及怠速空擋原理

現有的CVT結構由TC、DNR(Drive, Neutral, Reverse)離合器、鋼帶帶輪變速機構、減速器以及差速器組成，如圖1所示。

TC一般由泵輪、渦輪、導輪以及鎖止離合器組成。泵輪與發動機端連接，渦輪則與變速器端連接，導輪固定不動，而鎖止離合器則是在滿足鎖止條件的情況下進行結合。

圖1 CVT布置結構

液力變矩器的液力特性關系[8]如公式(1)—(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：αSR為轉速比；nTurb為渦輪轉速，r/min；nImp為泵輪轉速，r/min；βTR為扭矩比；tqTurb為渦輪扭矩，N·m；tqImp為泵輪扭矩，N·m；γCC為能容系數，N·m·min2/r2；φKF為K系數，r/(min·N1/2·m1/2)。

根據液力變矩器生產廠家提供的3組TC數據，分別記為TC#1、TC#2、TC#3，利用上述公式，可以計算得到與發動機端相連的泵輪扭矩，如圖2所示。

圖2 三組液力變矩器轉速比與泵輪扭矩關系

由圖2可知，在泵輪轉速一定時，泵輪扭矩呈現隨著轉速比增加，先緩慢增長(或下降)，然后迅速減少的趨勢。開啟怠速空擋功能后，離合器處于滑摩或解鎖的狀態，當TC轉速比處于較大值，使泵輪的扭矩小于轉速比為0時的扭矩時，發動機負載扭矩也隨之下降。

2 仿真模型

整車仿真模型及控制模型如圖3所示。

圖3 整車仿真模型

仿真方案均采用同一整車及變速器模型，通過在整車模型中更換TC性能數據或者在TCU控制邏輯中開啟或者關閉NIC功能，來對比TC性能和NIC功能對燃油經濟性的影響。

3 結果分析

為了評估TC性能和NIC功能的節能效果，仿真采用NEDC作為測試循環。仿真結果如表1所示。

由表1和圖4可知：

(1)怠速時更低的TC泵輪(發動機)扭矩，油耗也會更低。

(2)開啟NIC功能后，燃油經濟性均有提升，如圖4(b)所示。

(3)關閉NIC功能時TC泵輪扭矩越大，開啟NIC功能后帶來的節能潛力越大，如圖4(c)所示。

圖4 NEDC循環油耗對比

選取NEDC循環中t=30～45 s的區間，該區間為行駛過程中處于前進擋、車速為零的工況。圖5為TC#3的仿真結果，可知：發動機轉速維持在怠速轉速，由于開啟了怠速空擋的功能，發動機扭矩下降約49.63%，燃油消耗量下降約26.85%。

圖5 TC#3仿真結果

圖6和圖7分別是關閉NIC功能和開啟NIC功能的對比。不同TC液力性能，怠速時的泵輪(發動機)扭矩也不一致，也會導致此時燃油消耗量不一樣。

圖6 關閉NIC功能發動機參數對比

圖7 開啟NIC功能發動機參數對比

圖8為NIC開啟前后的扭矩和燃油消耗量的對比。扭矩下降幅度和燃油消耗量下降幅度呈現負相關的關系，這與怠速時燃油消耗率有關。

圖9為怠速轉速下發動機負載扭矩和燃油消耗率的關系。圖9中空心圓點為發動機臺架測試得到的燃油消耗率數據。在臺架上，扭矩接近為零的數據難以控制。因此，根據數據分布的規律，進行了向外插值。

圖8 怠速扭矩和燃油消耗量對比

圖9 怠速轉速下發動機扭矩和燃油消耗率的關系

由圖9可知：怠速轉速下燃油消耗率隨著扭矩的增加，先急劇下降后平緩。TC#1未開啟NIC功能時，扭矩已經處于較小值，開啟NIC功能后，即使扭矩下降的幅度較大，由于燃油消耗率的快速上升，經濟性能提升的效果有限。相比之下，TC#3未開啟NIC功能時，扭矩處于中值偏小，開啟NIC功能后，扭矩下降幅度雖然有限，但是燃油消耗率上升幅度較小，因此，經濟性能提升得更明顯。

4 結論

通過對TC的性能進行分析，分析3種不同的TC液力性能和NIC功能的開關對燃油經濟性的影響，以便開發或升級CVT時，更好地選擇TC的性能和開發TC的控制策略。通過以上研究，有以下的結論：

(1)選擇φKF較大(γCC較小)的TC和開發NIC功能，有效降低怠速時發動機的扭矩，可以降低怠速的燃油消耗量；

(2)節能效果提升的幅度與TC的液力性能、發動機怠速時的燃油消耗率有關。