發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的合理匹配研究

趙金悅，蘇天晨，曹雪飛，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

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發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的合理匹配研究

趙金悅，蘇天晨，曹雪飛，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

摘 要：文章通過研究某轎車發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器的共同工作特性，討論分析了發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配方法。根據(jù)車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性提出了匹配計(jì)算的評價(jià)指標(biāo)及其量化方法。并將該方法應(yīng)用于該車開發(fā)初期的匹配分析，同時(shí)在整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型中驗(yàn)證了該評價(jià)方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：液力變矩器；發(fā)動(dòng)機(jī)；匹配方析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.026

CLC NO.: U464.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-77-03

前言

液力變矩器以液體為媒介，使得機(jī)械能與液體動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。液力變矩器具有良好的自適應(yīng)性、良好的低速性能、減振隔振，且無機(jī)械摩擦損耗，能改善車輛的起步性能、操縱性能等，故對裝有自動(dòng)變速器的車型應(yīng)用廣泛。[1]發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配后，其共同輸出特性對整車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大。

1、液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作特性

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性、液力變矩器原始特性得出發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作特性，此共同工作特性是研究發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的基礎(chǔ)。

1.1 液力變矩器工作特性

通常用液力變矩器的無因次特性表示液力變矩器的工作特性。無因次特性給出了變矩比K、泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)pλ、效率η隨速比i的變化特性。以上參數(shù)與液力變矩器渦輪、泵輪轉(zhuǎn)矩Tt、Tp和轉(zhuǎn)速nt、np的關(guān)系如下：

其中，ρ為液力變矩器工作油的密度；D為變矩器有效半徑。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性常用速度特性來表示，可分為評價(jià)經(jīng)濟(jì)性的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性，評價(jià)動(dòng)力性的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性及部分負(fù)荷特性。速度特性即為發(fā)動(dòng)機(jī)功率eP、扭矩Te、燃油消耗率ge隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne變化的關(guān)系。

在發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配過程中，使用的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線均為發(fā)動(dòng)機(jī)的凈功率特性曲線，即發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出到液力變矩器泵輪的功率。

1.3 液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作特性

1.3.1 共同工作的輸入特性

對于本車型發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器間前傳動(dòng)比為iq=1，即其共同工作輸入特性為發(fā)動(dòng)機(jī)凈工作特性；當(dāng)前傳動(dòng)比iq≠1時(shí)，則有如下關(guān)系：

發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的共同工作的輸入特性是研究其共同工作的輸出特性的基礎(chǔ)。

1.3.2 共同工作的輸出特性

共同輸出特性指液力變矩器渦輪軸輸出的扭矩Tt、功率tP、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率ge隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne變化的關(guān)系。求解方法如式（1.1）（1.2）所示。發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的共同工作特性是研究發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器合理匹配的基礎(chǔ)。

2、匹配分析評價(jià)指標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配的共同輸出特性對整車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大，尤其是近年來法規(guī)及市場需求對燃油經(jīng)濟(jì)性要求越來越嚴(yán)格。故其評價(jià)指標(biāo)總結(jié)后有如下幾點(diǎn)。

2.1 平均燃油消耗率

根據(jù)駕駛員駕駛習(xí)慣，發(fā)動(dòng)機(jī)中低負(fù)荷時(shí)駕駛員更看重車輛的經(jīng)濟(jì)性，故可根據(jù)共同工作的輸出特性，求出高效范圍（液力變矩器工作效率高于70%）內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)中低負(fù)荷時(shí)的不同節(jié)氣門開度下的平均燃油消耗率。

如某一負(fù)荷j下，共同工作輸出特性燃油消耗率與轉(zhuǎn)速關(guān)系根據(jù)最小二乘法可擬合出二者關(guān)系曲線轉(zhuǎn)速范圍為則可得出平均燃油消耗率的求解公式如下：

根據(jù)駕駛習(xí)慣可取j = {20%，35%，50%，70%}，根據(jù)三者計(jì)算結(jié)果，按比例可求得中低負(fù)荷下的平均燃油消耗率

2.2 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和液力變矩器基本參數(shù)可得到二者在100%節(jié)氣門開度下的共同工作輸出特性，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩指在此輸出特性中轉(zhuǎn)速為0時(shí)，液力變矩器渦輪軸輸出轉(zhuǎn)矩T0。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能夠使車輛獲得良好的起步性能，以及加速、克服重負(fù)荷的能力。

2.3 液力變矩器扭矩、轉(zhuǎn)速工作范圍

2.4 平均輸出扭矩

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)，駕駛員通常追求較高動(dòng)力性，故可根據(jù)共同工作輸出特性，求出高效區(qū)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)不同節(jié)氣門開度下的平均輸出扭矩。

應(yīng)用最小二乘法擬合出某一負(fù)荷下渦輪軸輸出扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線則可求出在轉(zhuǎn)速在范圍內(nèi)的平均輸出扭矩求解公式如下：

取j ={ 80%，90%，100%}，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按比例可求得高負(fù)荷下的平均輸出扭矩

由于環(huán)境、節(jié)能、燃料成本等方面的要求，目前對車輛經(jīng)濟(jì)性日益重視，于是在匹配過程中動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性按4:6的比例進(jìn)行匹配計(jì)算。則動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性綜合指標(biāo)為

3、應(yīng)用及仿真驗(yàn)證

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器基本參數(shù)

基于某在開發(fā)車型，其液力變矩器前傳動(dòng)比iq=1。為得到發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器在不同節(jié)氣門開度下的共同工作的輸出特性，需發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、部分負(fù)荷特性和液力變矩器的基本性能參數(shù)。

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

根據(jù)某2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性（如圖1），基于Matlab軟件可得出發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷特性，以50%負(fù)荷下的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性為例，如表1所示：

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)50%負(fù)荷特性

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性

3.1.2 液力變矩器基本參數(shù)

現(xiàn)有兩個(gè)液力變矩器與該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對比匹配，記液力變矩器Cf29/Tr2.0為TC1，液力變矩器Cf33.3/Tr1.83為TC2，兩者基本特性參數(shù)如下：

表2　液力變矩器TC1參數(shù)

表3　液力變矩器TC2參數(shù)

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器匹配特性

圖2　共同工作輸入特性

以液力變矩器Cf29/Tr2.0與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配為例，二者在發(fā)動(dòng)機(jī)100%節(jié)氣門開度下的共同工作輸入特性即為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與液力變矩器不同速比下的負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)（如圖2），根據(jù)共同輸入特性，可得到渦輪軸的輸出轉(zhuǎn)速、扭矩，進(jìn)而得到共同輸出特性。

在發(fā)動(dòng)機(jī)50%節(jié)氣門開度下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作的輸入特性及公式（1.1）（1.2）可得出共同工作的輸出特性，如圖3所示。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器匹配結(jié)果分析

根據(jù)3.2中提到的方法及匹配分析評價(jià)指標(biāo)，通過該發(fā)動(dòng)機(jī)與兩個(gè)液力變矩器匹配對比結(jié)果如下所示：

通過以上整車仿真結(jié)果可知，TC1起動(dòng)扭矩和轉(zhuǎn)速、扭矩的工作范圍均優(yōu)于TC2；且I1=0.83、I2=0.819，即I1>I2，可知液力變矩器TC1優(yōu)于TC2。

3.4 仿真驗(yàn)證

基于AVL Cruise仿真軟件，建立該車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型，通過調(diào)試驗(yàn)證能夠滿足當(dāng)前項(xiàng)目階段精度要求。將兩個(gè)液力變矩器帶入該模型后，其整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果如下表所示：

表5　整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

通過以上整車仿真結(jié)果可知，最高車速相當(dāng)，根據(jù)加速時(shí)間、綜合油耗與扭矩、燃油消耗率的關(guān)系，相應(yīng)得出即I1>I2，可知液力變矩器TC1優(yōu)于TC2。本文中所提出匹配方法的計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

4、結(jié)論

本文提出了液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配方法及評價(jià)指標(biāo)，該匹配方法能夠根據(jù)設(shè)計(jì)人員對整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的要求選擇合適的液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配。同時(shí)，運(yùn)用相關(guān)軟件工具對匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，及匹配方法的仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了該匹配方法的可行性、正確性。

參考文獻(xiàn)

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Simulation Study of the Handling and Stability of Distributed Driven Electric Vehicle

Zhao Jinyue, Su Tianchen, Cao Xuefei, Qiao Xin
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Abstract:This paper studied the working property of engine and torque converter, discussed the matching of engine and torque converter.According to the vehicle performance and fuel economy, proposed evaluation and quantization method to matching calculation.Applied the method to pre-project of a car, and verified the correctness and feasibility of the evaluation methods.

Keywords:Torque Converter; Engine; Matching Analysis

作者簡介：趙金悅，就職于華晨汽車工程研究院。

中圖分類號：U464.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-77-03