干式雙離合自動變速器車輛升擋過程發(fā)動機協(xié)調(diào)控制研究＊

張中威 熊銳 吳堅,2 紀佳圳 張盼望

（1.廣東工業(yè)大學，廣州 510006；2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

主題詞：干式雙離合自動變速器 換擋控制 發(fā)動機協(xié)調(diào)控制 智能停缸技術(shù) 點火正時控制

1 前言

干式雙離合自動變速器（Dry Dual Clutch Transmission，DDCT）衍生于平行軸式手動變速器，保留了其結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高等優(yōu)點。通過2個離合器之間的自動控制來實現(xiàn)動力換擋，DDCT可避免換擋過程中動力中斷的問題，應(yīng)用前景更廣闊，市場潛力更大[1]。然而，DDCT 車輛的換擋品質(zhì)對整車駕駛體驗影響很大，而變速器與發(fā)動機的扭矩交互是影響車輛換擋品質(zhì)的重要因素，是DDCT 換擋過程控制的關(guān)鍵點和難點，對車輛的換擋平順性、駕駛品質(zhì)具有重要影響[2]。

近年來，國內(nèi)外對DDCT車輛的換擋品質(zhì)開展了大量的研究工作。屈翔等[3]對DDCT換擋過程的動力學原理及其仿真優(yōu)化展開了研究，但未涉及發(fā)動機層面的控制；萬國強等[4]將智能停缸技術(shù)用于柴油機匹配液力自動變速器（Automatic Transmission，AT）的臺架試驗中，改善了換擋品質(zhì)，但未將此方法拓展到裝配汽油機的車輛中；Liu Y W等[5]利用偽譜法多次迭代，詳細研究和揭示了變速目標之間的內(nèi)在關(guān)系，提出了一種針對換擋品質(zhì)的多目標優(yōu)化方法，但未對離合器與發(fā)動機的交互展開研究。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外在提升DDCT 換擋品質(zhì)的研究上，對離合器控制的研究較多，而對離合器與發(fā)動機的扭矩交互控制研究較少?；诖?，本文提出DDCT車輛換擋過程中發(fā)動機的協(xié)調(diào)控制策略，對其進行仿真分析，并進行實車試驗驗證。

2 DDCT換擋時的接口交互及換擋品質(zhì)評價指標

2.1 功能模塊之間的信號交互

車輛行駛過程中，發(fā)動機管理系統(tǒng)（Engine Manage?ment System，EMS）根據(jù)駕駛員控制的油門踏板開度分析判斷其駕駛意圖；在沒有其他功能模塊干預(yù)的情況下，EMS根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門踏板開度計算發(fā)動機輸出扭矩，然后控制發(fā)動機執(zhí)行機構(gòu)，從而響應(yīng)駕駛員的駕駛意圖。

DDCT 車輛換擋時，變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）會向EMS發(fā)出扭矩請求，此時EMS的扭矩計算根據(jù)TCU 的期望扭矩進行，即此時發(fā)動機的控制取決于TCU的期望扭矩。TCU與EMS之間的通信通過CAN總線進行，主要包括起步、擋位、扭矩、功率等信號。其交互原理如圖1所示。

2.2 換擋品質(zhì)評價指標

2.2.1 沖擊度

在客觀分析車輛駕駛性時，通常使用縱向沖擊度來反映車輛換擋階段的舒適性[6]。沖擊度定義為車輛行駛方向的加速度關(guān)于時間的一階導(dǎo)數(shù)：

式中，J為車輛沖擊度；a為車輛縱向加速度；v為車速；t為時間。

沖擊度的絕對值越小，則換擋時的舒適性越好。

2.2.2 滑摩功

滑摩功用來描述DDCT換擋接合過程中，離合器的滑動摩擦損失功，是表明其過程變化的物理量[7-8]：

式中，W為換擋損失的滑摩功；t1和t2分別為換擋起、止時間；TC為發(fā)動機輸出扭矩；Δn為換擋前、后發(fā)動機轉(zhuǎn)速差。

換擋過程應(yīng)盡量降低滑摩功，以減少離合器滑轉(zhuǎn)與磨合過程中的沖擊以及摩擦溫升導(dǎo)致的摩擦片壽命縮短問題[9-10]。由式（2）可以看出，減小滑摩功可通過縮短換擋時間、減小發(fā)動機輸出扭矩來實現(xiàn)。

2.2.3 換擋時間

換擋時間除影響滑摩功外，其本身也是換擋品質(zhì)的評價指標之一[11]。

3 升擋過程中的發(fā)動機扭矩控制策略

3.1 發(fā)動機輸出扭矩

最優(yōu)扭矩是指在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和充氣效率下，以及在不產(chǎn)生爆震等不正常燃燒的前提下，發(fā)動機所能達到的最大輸出扭矩[12]。通過臺架試驗可得到如圖2所示的最優(yōu)扭矩MAP。

圖2 發(fā)動機最優(yōu)扭矩

發(fā)動機最優(yōu)扭矩Topt和實際輸出扭矩Tout分別為：

式中，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；α為充氣效率；λ為空燃比效率；η為點火正時效率；Tf為阻力矩。

3.2 發(fā)動機最佳點火提前角

發(fā)動機最佳點火提前角是指在發(fā)動機不發(fā)生爆震等不正常燃燒的前提下，發(fā)動機在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和充氣效率下輸出最大扭矩時的點火提前角[12]。通過臺架試驗可得到如圖3所示的最佳點火提前角MAP。

最佳點火提前角為：

在最佳點火提前角的基礎(chǔ)上增加點火提前角修正量可得到實際點火提前角：

式中，θout為實際輸出點火提前角；θdet為點火提前角修正量；Treq為需求扭矩。

圖3 最佳點火正時

3.3 升擋過程中的扭矩控制

以1擋升2擋為例，換擋過程中，1擋接合的離合器逐漸泄壓，2擋接合的離合器逐漸加壓。為了保證換擋過程的動力平順，升擋過程中TCU需要進行降扭控制，如圖4所示。為減小換擋過程的沖擊與頓挫感，EMS需要精確響應(yīng)TCU的扭矩請求。

圖4 TCU期望扭矩示意

在AT 配置的車型中，換擋時TCU 的降扭請求量不大，通常只需通過調(diào)節(jié)點火提前角減小燃燒效率即可響應(yīng)TCU 期望扭矩；DDCT 車輛換擋過程中，TCU 的降扭請求量較大，僅通過調(diào)節(jié)點火提前角的方法不能很好地響應(yīng)TCU扭矩請求，而且，過多地推遲點火提前角容易造成發(fā)動機失火、抖動以及燃燒不完全等不良后果。

因此，根據(jù)TCU 的期望扭矩與發(fā)動機最優(yōu)扭矩，提出智能停缸和實際點火提前角聯(lián)合控制的策略，使發(fā)動機的輸出扭矩精確響應(yīng)TCU的請求扭矩。

智能停缸是指通過停止部分氣缸的工作，急劇減小輸出扭矩的控制策略。點火提前角控制是指依據(jù)式（5）～式（8），通過改變點火提前角在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出扭矩的控制策略。

換擋過程中智能停缸的缸數(shù)N為：

式中，Nmax為發(fā)動機總氣缸數(shù)。

獲得需要停缸的缸數(shù)之后，可以直接將此工況下的最優(yōu)扭矩降低到TCU 期望扭矩的附近，再結(jié)合點火正時的控制，可以很好地將發(fā)動機輸出扭矩控制在期望扭矩附近。點火正時效率η′為：

得到期望的點火正時效率后，再利用其與最佳點火提前角聯(lián)合計算出期望的點火提前角，進而對點火系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)進行點火正時控制。

4 控制策略仿真及試驗驗證

4.1 仿真及試驗對比

利用MATLAB/Simulink 建立換擋過程中的發(fā)動機協(xié)調(diào)控制模型，包括發(fā)動機點火正時預(yù)控模塊、點火正時效率模塊、發(fā)動機扭矩模塊、智能停缸數(shù)計算模塊和目標點火提前角的計算模塊。

智能停缸的缸數(shù)和目標點火提前角的計算模型如圖5 所示，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖6 所示。由圖6a可知，當扭矩需求急劇減小而需要智能停缸時，先停止了1 個氣缸的工作，2 個循環(huán)之后又停止了1 個氣缸的工作，換擋完成之后迅速恢復(fù)發(fā)動機正常運行，整個過程仿真與試驗結(jié)果相同。由圖6b 可以看出，點火提前角先急劇減小以減小輸出扭矩，換擋結(jié)束后又急劇增大以應(yīng)對扭矩需求的恢復(fù)，仿真與試驗結(jié)果相同。仿真結(jié)果驗證了此聯(lián)合控制策略的可行性。

圖5 MATLAB/Simulink仿真模型

圖6 智能停缸和點火提前角聯(lián)合控制仿真與試驗結(jié)果對比

4.2 實車試驗驗證

各擋位的升擋過程數(shù)據(jù)表現(xiàn)相似，此處以1 擋升2擋為例進行具體分析。

圖7對比了1擋升2擋過程中加入發(fā)動機協(xié)調(diào)控制策略前、后發(fā)動機扭矩響應(yīng)TCU 期望扭矩的情況，圖8所示為兩種狀態(tài)的沖擊度對比結(jié)果。

圖7 加入?yún)f(xié)調(diào)控制策略前、后1擋升2擋過程扭矩響應(yīng)對比

由圖7a 可知，發(fā)動機輸出扭矩無法響應(yīng)TCU 急劇減小的期望扭矩，造成換擋沖擊度較大（見圖8a），換擋品質(zhì)不佳。由圖7b 可知，通過智能停缸結(jié)合點火提前角控制，發(fā)動機輸出扭矩很好地響應(yīng)了TCU 的期望扭矩，換擋沖擊度|J|大部分在10 m/s3以下（見圖8b），換擋品質(zhì)較好。

圖8 加入?yún)f(xié)調(diào)控制策略前、后1擋升2擋沖擊度對比

因此，加入發(fā)動機協(xié)調(diào)控制策略后，發(fā)動機輸出扭矩的響應(yīng)精度明顯改善，更有利于離合器換擋時滑轉(zhuǎn)與磨合的控制，從而減小換擋沖擊。

表1所示為2種情況下的換擋時間統(tǒng)計結(jié)果，從3組試驗結(jié)果來看，平均換擋時間由1.57 s縮短到了1.36 s。

表1 1擋升2擋換擋時間對比 s

圖9所示為2種狀態(tài)下發(fā)動機轉(zhuǎn)速與雙離合變速器轉(zhuǎn)速的關(guān)系，從轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)來看，加入發(fā)動機協(xié)調(diào)控制策略后，發(fā)動機更快地完成了換擋前、后的轉(zhuǎn)速變化。

圖9 加入控制策略前、后1擋升2擋過程轉(zhuǎn)速關(guān)系對比

根據(jù)式（2）對滑摩功的計算，加入本文的控制策略后，換擋時間Δt縮短，扭矩TC減小，轉(zhuǎn)速變化差值Δn基本不變，故換擋中的滑摩功W減小。

本文還進行了2 擋升3 擋、3 擋升4 擋的試驗驗證。加入發(fā)動機協(xié)調(diào)控制策略后，扭矩響應(yīng)精度、沖擊度表現(xiàn)及轉(zhuǎn)速的變化與1擋升2擋表現(xiàn)相似，換擋時間如表2 和表3 所示，分別平均縮短了0.21 s 和0.25 s，換擋品質(zhì)均有所改善。

表2 2擋升3擋換擋時間對比 s

表3 3擋升4擋換擋時間對比 s

根據(jù)以上分析，從換擋沖擊、換擋時間、滑摩功等換擋品質(zhì)的評價指標來看，該控制策略對換擋品質(zhì)提升有顯著作用，從而驗證了該控制策略的正確性。

5 結(jié)束語

本文通過對換擋過程以及發(fā)動機數(shù)值模型進行分析，根據(jù)換擋過程中表現(xiàn)出的扭矩變化趨勢，提出了智能停缸和點火提前角聯(lián)合控制的控制策略，并進行了仿真與實車試驗，結(jié)果表明，發(fā)動機協(xié)調(diào)控制策略有效減小了DDCT車輛換擋過程中的滑摩損失，縮短了換擋時間，減小了換擋沖擊，提高了換擋品質(zhì)，驗證了發(fā)動機協(xié)調(diào)控制策略的可行性與正確性。