發(fā)動(dòng)機(jī)外特性對(duì)載貨汽車自動(dòng)換檔系統(tǒng)的影響

趙玉超，劉海濤，薛秋生，史 凱

（1.中國(guó)重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 250002；2.濟(jì)南鮑德?tīng)t料有限公司）

在自動(dòng)化程度越來(lái)越高的今天，載貨汽車上的自動(dòng)化程度也日益提高，AMT自動(dòng)換檔技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越多。手自一體變速器通過(guò)電控單元來(lái)實(shí)現(xiàn)檔位的轉(zhuǎn)化，能有效地減少駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了汽車電控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，載貨汽車標(biāo)配AMT自動(dòng)變速器逐步成為商用車的趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，正式量產(chǎn)的只有中國(guó)重汽公司，其他整車廠的AMT車型仍停留在試驗(yàn)車研發(fā)階段，還未正式推向市場(chǎng)。重汽AMT車型主要的市場(chǎng)應(yīng)用見(jiàn)表1。AMT變速器總成是重汽生產(chǎn)的。

表1 重汽AMT車型主要的市場(chǎng)應(yīng)用

1 AMT電控系統(tǒng)的控制原理

配置AMT （Automated Mechanical Transmission，機(jī)械式自動(dòng)變速器）的車型中，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU和變速器電控單元TCU是通過(guò)CAN線來(lái)通信的。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信息、轉(zhuǎn)矩信息、油門踏板信息、發(fā)動(dòng)機(jī)外特性等信息發(fā)送給TCU，TCU實(shí)時(shí)處理這些信息并計(jì)算合適的換檔時(shí)機(jī)。當(dāng)進(jìn)行換檔操作時(shí)，TCU發(fā)送轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速限制命令，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩要求來(lái)限制噴油量。AMT系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

變速器電控單元TCU的換檔邏輯中:把發(fā)動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)備功率、當(dāng)前載荷和坡度作為判斷是否換檔的基礎(chǔ)依據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備功率的計(jì)算是以發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性為基礎(chǔ)的，也就是EC1（Engine Configuration，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性）報(bào)文中的6個(gè)點(diǎn)。為了更好地說(shuō)明儲(chǔ)備功率的計(jì)算，這里先介紹一下SAE-J1939標(biāo)準(zhǔn)中的EC1報(bào)文。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的定義

發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性是其本身的固有特性，是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系。外特性是動(dòng)態(tài)變化的，當(dāng)大氣壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度以及其他對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線有大于10%影響的固有變化時(shí) （包括傳感器故障等），發(fā)動(dòng)機(jī)外特性也要?jiǎng)討B(tài)變化。外特性是建立在最大增壓壓力的基礎(chǔ)上的，在增壓壓力比較低時(shí)，轉(zhuǎn)矩值會(huì)更低。

圖2描述了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)關(guān)系的固有特性。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩相比上次發(fā)送值有超過(guò)10%的變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)特性的消息就應(yīng)該及時(shí)更新 （進(jìn)氣壓力導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩變化除外）。報(bào)文的更新周期可以每5s周期發(fā)送，也可以是請(qǐng)求式發(fā)送。

圖2中的7個(gè)點(diǎn)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)外特性。其中第6點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的高怠速點(diǎn)，這點(diǎn)的定義是發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)自身做功可以達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速值，但在此高怠速點(diǎn)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩值為零，也就是說(shuō)在高怠速點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩的能力了。第7點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)被倒拖時(shí)能夠允許的最高轉(zhuǎn)速值，這個(gè)轉(zhuǎn)速值是發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法通過(guò)自身做功達(dá)到的。在和這個(gè)轉(zhuǎn)速值配套定義的還有允許倒拖到最高轉(zhuǎn)速的時(shí)間，單位是秒。EC1報(bào)文定義見(jiàn)表2。

表2 EC1報(bào)文定義

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性第1點(diǎn)到第5點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值一般是固定的；但5個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩百分比是動(dòng)態(tài)變化的。通過(guò)動(dòng)態(tài)變化的轉(zhuǎn)矩百分比信息來(lái)反映發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)有故障或者大氣壓力低導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，EC1報(bào)文中的5個(gè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化來(lái)反映發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前工況下的能力。這個(gè)能力值是發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前工況下最大的能力值，是建立在最大增壓壓力的基礎(chǔ)上的，由于進(jìn)氣壓力低導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)能力值下降，EC1中轉(zhuǎn)矩值不該受到影響。EC1變化的幾大因素只有大氣壓力、冷卻水溫、進(jìn)氣溫度、回油溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)故障。其他原因?qū)е碌陌l(fā)動(dòng)機(jī)能力下降僅是暫時(shí)的，不能影響到EC1的變化，在法規(guī)中也有明確的定義。

3 AMT系統(tǒng)中基于EEC1和EC1報(bào)文的轉(zhuǎn)矩計(jì)算

在AMT系統(tǒng)中對(duì)于可用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 （Available Torque）是這樣計(jì)算的:可用轉(zhuǎn)矩=（實(shí)際轉(zhuǎn)矩百分比-摩擦轉(zhuǎn)矩百分比）×參考轉(zhuǎn)矩。

具體的定義是:實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與摩擦功的百分比差值再乘以發(fā)動(dòng)機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩值就是當(dāng)前可用轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際功率結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。下面再具體闡述每項(xiàng)參數(shù)的具體定義。

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩 （Actual Engine Percent Torque）在EEC1報(bào)文中，在法規(guī)中是這樣定義的:實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為飛輪端的轉(zhuǎn)矩，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功克服缸體摩擦和水泵等附件因素后的凈轉(zhuǎn)矩。

發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功 （Nominal Friction Percent Torque）包括整車附件的摩擦功，包括發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、空調(diào)壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等。

根據(jù)EEC1和EEC3報(bào)文中實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩信息和摩擦功信息，就可以計(jì)算出當(dāng)前可用的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和當(dāng)前可用轉(zhuǎn)矩，再結(jié)合EC1消息中的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性狀態(tài)，就可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)備功率，再根據(jù)車輛當(dāng)前的坡度和載荷，AMT系統(tǒng)的換檔計(jì)算模塊 （AGD模塊）就可以計(jì)算下一個(gè)可掛入的合適檔位。

功率計(jì)算公式

式中:Te——有效轉(zhuǎn)矩，Nm；n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

有效轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大轉(zhuǎn)矩，有效功率的最大值稱為最大功率。

車速計(jì)算公式

式中:n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；R——輪胎半徑；Ig——橋速比；Io——變速器的檔位速比。

換檔前后，可以認(rèn)為車速恒定。由式 （2）可以得知，檔位的速比和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比，即:n1×i1=n2×i2。其中n1為換檔前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，i1為換檔前檔位速比；n2為換檔后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，i2為換檔后速比。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較高后，AGD模塊就會(huì)進(jìn)行升檔判斷。同一車輛在路況相同的情況下，進(jìn)行檔位切換前后，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效功率是恒定的。根據(jù)式 （1）和式 （2）可以得到:Te2=i1／i2×Te1， 也就是在升檔后，檔位速比減小，發(fā)動(dòng)機(jī)需要輸出更大的有效轉(zhuǎn)矩才能驅(qū)動(dòng)車輛繼續(xù)行駛。

4 基于EC1外特性的AGD換檔判斷

下面舉例來(lái)說(shuō)明AGD模塊根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性報(bào)文來(lái)進(jìn)行換檔計(jì)算的過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷見(jiàn)表3。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷

當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)工作在1800 r／min，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為70%，檔位是3檔，對(duì)應(yīng)的速比為10.6。如果目標(biāo)檔位為4檔，則對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速n=（9.2／10.6）×1800=1562 r／min， 需要的儲(chǔ)備轉(zhuǎn)矩Te=（10.6／9.2）×70%=80.6%；如果目標(biāo)檔位是5檔，那么對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速n=（7.5／10.6）×1800=1273r／min， 需要的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為原來(lái)的1.41倍，發(fā)動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)備功率必須達(dá)到98.9%才能夠掛入5檔。這時(shí)AMT換檔計(jì)算邏輯會(huì)通過(guò)EC1報(bào)文來(lái)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性。表4為發(fā)動(dòng)機(jī)5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，用曲線圖表示如圖4所示。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值

掛入4檔需要轉(zhuǎn)速1562 r／min、轉(zhuǎn)矩80.6%。從圖4中可以得知，當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為95%，可以滿足4檔；對(duì)于5檔需要轉(zhuǎn)速1273r／min、轉(zhuǎn)矩98.9%，從圖4可以看出，當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為92%，不能滿足5檔。因此只能選擇4檔。

當(dāng)大氣壓力降低或者環(huán)境溫度太高引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，EC1中轉(zhuǎn)矩值動(dòng)態(tài)變動(dòng)來(lái)反映發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的真實(shí)能力。仍以上述例子為模型，由于大氣壓力的下降，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力發(fā)生衰減，具體值如圖5所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力衰減后，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大能力下降了，反映在圖形中是5個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩值都會(huì)變小。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的限扭狀態(tài)，AGD系統(tǒng)在進(jìn)行換檔判斷時(shí)，會(huì)重新分析。在上述工況例子中掛入4檔需要轉(zhuǎn)速1562r／min、轉(zhuǎn)矩80.6%，對(duì)于5檔需要轉(zhuǎn)速1273 r／min、轉(zhuǎn)矩98.9%；從圖5中可以得知，在1273r／min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足70%， 在1562r／min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足80%，4檔和5檔都不能滿足。如果強(qiáng)行掛入4檔，就會(huì)出現(xiàn)在掛入4檔后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不夠，車輛逐步減速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也逐步下降，最終AGD只能再次降檔。這就是常說(shuō)的冒然升檔，在重載爬坡的時(shí)候非常忌諱這種表現(xiàn)。因?yàn)樵诓辉撋龣n時(shí)冒然升檔，檔位雖然增加了，但是發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法輸出更大的轉(zhuǎn)矩來(lái)支撐車輛爬升，最終檔位又降回原點(diǎn)。如果降檔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致車輛動(dòng)力中斷，車速很快下降，最終停滯，需要重新坡路起步，再逐步升速加檔。這種表現(xiàn)駕駛員最不能容忍，既費(fèi)時(shí)，又耗油。

以上可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)外特性報(bào)文對(duì)AMT自動(dòng)換檔系統(tǒng)非常重要，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確性直接決定換檔性能的好壞，EC1報(bào)文中的轉(zhuǎn)矩信息是AMT系統(tǒng)進(jìn)行檔位計(jì)算的基礎(chǔ)，卓越的換檔表現(xiàn)的前提是精確的EC1轉(zhuǎn)矩信息，只有發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際能力值實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地更新，車輛才會(huì)有優(yōu)越的性能表現(xiàn)。