干式雙離合自動變速器車輛升擋過程發動機協調控制研究＊

張中威 熊銳 吳堅,2 紀佳圳 張盼望

（1.廣東工業大學，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 發動機協調控制 智能停缸技術 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，保留了其結構簡單、傳動效率高等優點。通過2個離合器之間的自動控制來實現動力換擋，DDCT可避免換擋過程中動力中斷的問題，應用前景更廣闊，市場潛力更大[1]。然而，DDCT 車輛的換擋品質對整車駕駛體驗影響很大，而變速器與發動機的扭矩交互是影響車輛換擋品質的重要因素，是DDCT 換擋過程控制的關鍵點和難點，對車輛的換擋平順性、駕駛品質具有重要影響[2]。

近年來，國內外對DDCT車輛的換擋品質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化展開了研究，但未涉及發動機層面的控制；萬國強等[4]將智能停缸技術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，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在關系，提出了一種針對換擋品質的多目標優化方法，但未對離合器與發動機的交互展開研究。

現階段，國內外在提升DDCT 換擋品質的研究上，對離合器控制的研究較多，而對離合器與發動機的扭矩交互控制研究較少?；诖?，本文提出DDCT車輛換擋過程中發動機的協調控制策略，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，發動機管理系統（Engine Manage?ment System，EMS）根據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的情況下，EMS根據發動機轉速和油門踏板開度計算發動機輸出扭矩，然后控制發動機執行機構，從而響應駕駛員的駕駛意圖。

DDCT 車輛換擋時，變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）會向EMS發出扭矩請求，此時EMS的扭矩計算根據TCU 的期望扭矩進行，即此時發動機的控制取決于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于時間的一階導數：

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為發動機輸出扭矩；Δn為換擋前、后發動機轉速差。

換擋過程應盡量降低滑摩功，以減少離合器滑轉與磨合過程中的沖擊以及摩擦溫升導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、減小發動機輸出扭矩來實現。

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的評價指標之一[11]。

3 升擋過程中的發動機扭矩控制策略

3.1 發動機輸出扭矩

最優扭矩是指在相應的轉速和充氣效率下，以及在不產生爆震等不正常燃燒的前提下，發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所示的最優扭矩MAP。

圖2 發動機最優扭矩

發動機最優扭矩Topt和實際輸出扭矩Tout分別為：

式中，n為發動機轉速；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 發動機最佳點火提前角

發動機最佳點火提前角是指在發動機不發生爆震等不正常燃燒的前提下，發動機在相應的轉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，通常只需通過調節點火提前角減小燃燒效率即可響應TCU 期望扭矩；DDCT 車輛換擋過程中，TCU 的降扭請求量較大，僅通過調節點火提前角的方法不能很好地響應TCU扭矩請求，而且，過多地推遲點火提前角容易造成發動機失火、抖動以及燃燒不完全等不良后果。

因此，根據TCU 的期望扭矩與發動機最優扭矩，提出智能停缸和實際點火提前角聯合控制的策略，使發動機的輸出扭矩精確響應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式（5）～式（8），通過改變點火提前角在小范圍內調節輸出扭矩的控制策略。

換擋過程中智能停缸的缸數N為：

式中，Nmax為發動機總氣缸數。

獲得需要停缸的缸數之后，可以直接將此工況下的最優扭矩降低到TCU 期望扭矩的附近，再結合點火正時的控制，可以很好地將發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合計算出期望的點火提前角，進而對點火系統的執行機構進行點火正時控制。

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動機協調控制模型，包括發動機點火正時預控模塊、點火正時效率模塊、發動機扭矩模塊、智能停缸數計算模塊和目標點火提前角的計算模塊。

智能停缸的缸數和目標點火提前角的計算模型如圖5 所示，仿真結果與試驗結果對比如圖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 個循環之后又停止了1 個氣缸的工作，換擋完成之后迅速恢復發動機正常運行，整個過程仿真與試驗結果相同。由圖6b 可以看出，點火提前角先急劇減小以減小輸出扭矩，換擋結束后又急劇增大以應對扭矩需求的恢復，仿真與試驗結果相同。仿真結果驗證了此聯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合控制仿真與試驗結果對比

4.2 實車試驗驗證

各擋位的升擋過程數據表現相似，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擋過程中加入發動機協調控制策略前、后發動機扭矩響應TCU 期望扭矩的情況，圖8所示為兩種狀態的沖擊度對比結果。

圖7 加入協調控制策略前、后1擋升2擋過程扭矩響應對比

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

圖8 加入協調控制策略前、后1擋升2擋沖擊度對比

因此，加入發動機協調控制策略后，發動機輸出扭矩的響應精度明顯改善，更有利于離合器換擋時滑轉與磨合的控制，從而減小換擋沖擊。

表1所示為2種情況下的換擋時間統計結果，從3組試驗結果來看，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種狀態下發動機轉速與雙離合變速器轉速的關系，從轉速數據來看，加入發動機協調控制策略后，發動機更快地完成了換擋前、后的轉速變化。

圖9 加入控制策略前、后1擋升2擋過程轉速關系對比

根據式（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。加入發動機協調控制策略后，扭矩響應精度、沖擊度表現及轉速的變化與1擋升2擋表現相似，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

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

5 結束語

本文通過對換擋過程以及發動機數值模型進行分析，根據換擋過程中表現出的扭矩變化趨勢，提出了智能停缸和點火提前角聯合控制的控制策略，并進行了仿真與實車試驗，結果表明，發動機協調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，驗證了發動機協調控制策略的可行性與正確性。