基于能耗最低仿真優(yōu)化雙泵排量

彭幫亮,付楊成,黃光穎

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司,安徽 合肥 230601）

0 引言

當(dāng)前自動(dòng)變速箱的設(shè)計(jì)趨向于使用較低排量機(jī)械泵MOP，加上輔助電子泵EOP，以解決單泵在高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下過多的流量和能量損失問題。莫凡等提出了四種雙泵系統(tǒng)方案，并通過仿真驗(yàn)證了MOP 提供低壓冷卻潤(rùn)滑油、EOP 提供高壓控制油方案的有效性[1]。

蘇俊元等通過減小內(nèi)轉(zhuǎn)子外徑、增加內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)等具體方案降低油泵排量，對(duì)比單泵，有效降低了油泵損失[2]。

該研究基于某搭載雙泵（機(jī)械泵和電子泵）液壓系統(tǒng)[3]DCT 的乘用車型展開仿真研究，從傳動(dòng)系統(tǒng)能量流的角度，利用參數(shù)掃描的方式分析雙泵排量對(duì)其總能耗的變化規(guī)律，完成各雙泵排量組合下的能耗排序，從而進(jìn)一步確定能耗最低的排量組合，并在極限工況下驗(yàn)證上述組合的有效性。

1 雙泵排量初始組合范圍的確定

1.1 MOP 排量上下限的確定

MOP 排量需滿足在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下，換擋和離合器控制基本功能的壓力和流量需求?；谄谕鲏毫土髁靠刂七壿?，怠速下MOP 排量下限的確定依據(jù)為：

（1）主壓力應(yīng)至少在9 bar 以上。

（2）MOP 基礎(chǔ)流量在4 L/min 以上。

在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速700 rpm、平均容積效率0.85 時(shí)，流量4 L/min 需要的MOP 排量約為6.7 ml/r，經(jīng)仿真確認(rèn)此排量可實(shí)現(xiàn)上述主壓力要求。

MOP 排量上限以某搭載單MOP 液壓系統(tǒng)DCT 的機(jī)械泵排量16.8 ml/r 計(jì)。

1.2 EOP 排量上下限的確定

NEDC 工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速約1 500 rpm，排量6.7 ml/r 的MOP 輸出流量約8.54 L/min，考慮到離合器最大期望冷卻流量為20 L/min，故EOP 約需補(bǔ)充11.56 L/min。

基于某EOP 的測(cè)試結(jié)果，其轉(zhuǎn)速在1 500～2 500 rpm之間有較高的效率。為了囊括更多的排量范圍，EOP 排量上限可按較低轉(zhuǎn)速進(jìn)行確定。即轉(zhuǎn)速1 500 rpm 時(shí)，EOP 排量上限需求約為9 ml/r（容積效率按0.85 計(jì)）。

EOP 排量下限為0，模擬單泵液壓系統(tǒng)。

綜上，以整數(shù)的排量組合進(jìn)行仿真，雙泵初始排量組合范圍如表1 所示。

表1 初始的雙泵排量組合

2 雙泵排量?jī)?yōu)化仿真結(jié)果

基于某搭載雙泵液壓系統(tǒng)[3]DCT 的乘用車型，搭建雙泵排量?jī)?yōu)化仿真模型，如圖1 所示。其中，MOP 向主油路供給流量，而EOP 直接并入離合器冷卻支路中。液壓系統(tǒng)的液壓能由MOP 和EOP 提供，用于實(shí)現(xiàn)離合器冷卻、齒輪潤(rùn)滑，以及離合器和擋位控制功能。根據(jù)需要，液壓系統(tǒng)會(huì)將多余的液壓油回流至油底殼。同時(shí)，液壓油泄漏也予以考慮。

圖1 雙泵液壓系統(tǒng)原理圖

建立仿真模型時(shí)，冷卻與潤(rùn)滑、回油及雙泵等能耗與轉(zhuǎn)速工況及流量強(qiáng)相關(guān)，需根據(jù)實(shí)際工況建模計(jì)算；而離合器和擋位控制的能耗，通過單次動(dòng)作的流量及能耗乘以整個(gè)循環(huán)工況的換擋動(dòng)作次數(shù)；泄漏產(chǎn)生的能耗，按平均泄漏量乘以總時(shí)間，進(jìn)行簡(jiǎn)便計(jì)算。

2.1 WLTC 工況能量分配比例

在MOP 和EOP 排量11-3 ml/r 時(shí)，WLTC 工況下，評(píng)估液壓系統(tǒng)范圍內(nèi)的各項(xiàng)能量分配比例情況，仿真結(jié)果如圖2 所示。在實(shí)際計(jì)算雙泵能耗時(shí)，MOP 考慮其機(jī)械和容積效率，EOP 考慮電機(jī)和泵體兩部分的總成效率(合并至EOP 效率中)。雙泵產(chǎn)生的液壓能，按液壓油流動(dòng)路徑向各模塊進(jìn)行分配。

圖2 WLTC 能量分配比例（MOP-EOP：11-3 ml/r）

其中，COPCV 回油和MPSV 回油部分共占比15.29%，且由MOP 效率導(dǎo)致的能量損耗占比達(dá)30.63%。因此，有必要優(yōu)化雙泵的排量組合，降低能耗損失。

2.2 WLTC 工況雙泵排量對(duì)總能耗的影響

仿真分析當(dāng)單個(gè)泵排量發(fā)生變化時(shí)，雙泵總能耗的變化趨勢(shì)，如圖3 和圖4。

圖3 WLTC 不同MOP 排量的雙泵能耗曲線

圖4 WLTC 不同EOP 排量的雙泵能耗曲線

各MOP 排量下，較低能耗的EOP 排量結(jié)果如表2所示。

表2 WLTC 各MOP 排量下最低能耗組合

從上述結(jié)果可知，隨著MOP 排量的增加，雙泵總能耗顯著增加，EOP 排量對(duì)總能耗的影響相對(duì)較小，故降低MOP 排量是雙泵排量?jī)?yōu)化的主要方向。

當(dāng)MOP 排量確定后，基于冷卻流量需求，EOP 需求流量已確定，則工作在高效率區(qū)間的EOP 排量更具有優(yōu)勢(shì)。從上述結(jié)果中可以看到，當(dāng)EOP 排量在3～5 ml/r時(shí)的雙泵總能耗處于低谷，為EOP 排量的優(yōu)選范圍。

2.3 WLTC 工況雙泵排量?jī)?yōu)化結(jié)果

圖5 給出了WLTC 工況能耗最低雙泵排量組合的分配比例。

圖5 WLTC 能量分配比例（MOP-EOP：7～5 ml/r）

采用MOP 7 ml/r、EOP 5 ml/r 的雙泵排量組合，其MPSV、COPCV 回油損失比例較圖2 組合明顯降低，在WLTC 工況下的能耗最低。

2.4 R 擋30%爬坡工況仿真驗(yàn)證

如圖6 所示，給出了R 擋30%爬坡工況下，各雙泵排量組合的能耗仿真結(jié)果。

圖6 R 擋30%爬坡工況雙泵排量能耗曲線

從上述結(jié)果中可以看到，MOP 排量仍是雙泵能耗的主要影響因素。由于極限工況下冷卻流量需求的增加，為了降低EOP 能耗，使EOP 工作在高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間，相對(duì)于WLTC 工況的雙泵排量組合，需要進(jìn)一步提升EOP 的排量。

圖7 給出了MOP 7 ml/r、EOP 5 ml/r 時(shí)R 擋30%爬坡工況下離合器溫度仿真結(jié)果。

從圖7 仿真結(jié)果中可以看到，在R 擋30%爬坡工況下，MOP 排量7 ml/r、EOP 排量5 ml/r 的內(nèi)、外離合器鋼片溫度均低于350 ℃，滿足鋼片溫度限值要求。

圖7 R 擋30%爬坡離合器溫度（MOP-EOP：7～5 ml/r）

3 結(jié)論

基于整車、HCU 和離合器溫度模型的多系統(tǒng)聯(lián)結(jié)仿真，以滿足離合器期望冷卻流量為要求，以內(nèi)外離合器鋼片溫度低于限值溫度為判斷條件，以雙泵能耗最低為目標(biāo)，在WLTC 和R 擋30%爬坡工況下開展HCU 能耗的仿真工作。

通過對(duì)各排量組合仿真結(jié)果的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）雙泵能耗中MOP 能耗占主要部分，故降低MOP 排量是雙泵排量?jī)?yōu)化的主要方向。

（2）基于降低能耗的目的，在給定的EOP 流量請(qǐng)求下，可按照使EOP 主要工作在高效率轉(zhuǎn)速區(qū)間的方式對(duì)EOP 排量范圍進(jìn)行選擇。

（3）WLTC 工況，各MOP 排量下，EOP 排量均在3～5 ml/r 時(shí)的總能耗較低，是EOP 排量的優(yōu)先選擇范圍。

（4）WLTC 工況下，雙泵能耗最低的排量組合為：MOP 7 ml/r、EOP 5 ml/r。

（5）R 擋30%爬坡工況下，雙泵能耗最低的排量組合為：MOP 7 ml/r、EOP 5 ml/r。

綜上，在不考慮雙泵制造難度及成本等軟硬件限制的前提條件下，考慮到極限工況主要為安全性要求，且與WLTC 工況能耗最低排量組合的能耗相差在1.3%以內(nèi)，故以能耗最低為目標(biāo)的雙泵排量?jī)?yōu)化結(jié)果為：MOP 7 ml/r、EOP 5 ml/r。