发动机与液力变矩器的合理匹配研究

赵金悦，苏天晨，曹雪飞，乔鑫

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）



发动机与液力变矩器的合理匹配研究

赵金悦，苏天晨，曹雪飞，乔鑫

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

摘 要：文章通过研究某轿车发动机、液力变矩器的共同工作特性，讨论分析了发动机与液力变矩器匹配方法。根据车辆的动力性、燃油经济性提出了匹配计算的评价指标及其量化方法。并将该方法应用于该车开发初期的匹配分析，同时在整车动力性经济性仿真模型中验证了该评价方法的正确性和可行性。

关键词：液力变矩器；发动机；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

液力变矩器以液体为媒介，使得机械能与液体动能相互转换，实现动力传递。液力变矩器具有良好的自适应性、良好的低速性能、减振隔振，且无机械摩擦损耗，能改善车辆的起步性能、操纵性能等，故对装有自动变速器的车型应用广泛。[1]发动机与液力变矩器匹配后，其共同输出特性对整车的动力性、燃油经济性影响很大。

1、液力变矩器与发动机共同工作特性

根据发动机工作特性、液力变矩器原始特性得出发动机与液力变矩器共同工作特性，此共同工作特性是研究发动机与液力变矩器匹配的基础。

1.1 液力变矩器工作特性

通常用液力变矩器的无因次特性表示液力变矩器的工作特性。无因次特性给出了变矩比K、泵轮转矩系数pλ、效率η随速比i的变化特性。以上参数与液力变矩器涡轮、泵轮转矩Tt、Tp和转速nt、np的关系如下：

其中，ρ为液力变矩器工作油的密度；D为变矩器有效半径。

1.2 发动机工作特性

发动机的工作特性常用速度特性来表示，可分为评价经济性的发动机万有特性，评价动力性的发动机外特性及部分负荷特性。速度特性即为发动机功率eP、扭矩Te、燃油消耗率ge随发动机转速ne变化的关系。

在发动机与液力变矩器匹配过程中，使用的发动机特性曲线均为发动机的净功率特性曲线，即发动机实际输出到液力变矩器泵轮的功率。

1.3 液力变矩器与发动机共同工作特性

1.3.1 共同工作的输入特性

对于本车型发动机与变矩器间前传动比为iq=1，即其共同工作输入特性为发动机净工作特性；当前传动比iq≠1时，则有如下关系：

发动机与液力变矩器匹配的共同工作的输入特性是研究其共同工作的输出特性的基础。

1.3.2 共同工作的输出特性

共同输出特性指液力变矩器涡轮轴输出的扭矩Tt、功率tP、发动机燃油消耗率ge随发动机转速ne变化的关系。求解方法如式（1.1）（1.2）所示。发动机与液力变矩器的共同工作特性是研究发动机与液力变矩器合理匹配的基础。

2、匹配分析评价指标

发动机与液力变矩器匹配的共同输出特性对整车的动力性、燃油经济性影响很大，尤其是近年来法规及市场需求对燃油经济性要求越来越严格。故其评价指标总结后有如下几点。

2.1 平均燃油消耗率

根据驾驶员驾驶习惯，发动机中低负荷时驾驶员更看重车辆的经济性，故可根据共同工作的输出特性，求出高效范围（液力变矩器工作效率高于70%）内，发动机中低负荷时的不同节气门开度下的平均燃油消耗率。

如某一负荷j下，共同工作输出特性燃油消耗率与转速关系根据最小二乘法可拟合出二者关系曲线转速范围为则可得出平均燃油消耗率的求解公式如下：

根据驾驶习惯可取j = {20%，35%，50%，70%}，根据三者计算结果，按比例可求得中低负荷下的平均燃油消耗率

2.2 起动转矩

根据发动机外特性和液力变矩器基本参数可得到二者在100%节气门开度下的共同工作输出特性，起动转矩指在此输出特性中转速为0时，液力变矩器涡轮轴输出转矩T0。起动转矩大，能够使车辆获得良好的起步性能，以及加速、克服重负荷的能力。

2.3 液力变矩器扭矩、转速工作范围

2.4 平均输出扭矩

当发动机处于高负荷工作状态时，驾驶员通常追求较高动力性，故可根据共同工作输出特性，求出高效区内发动机高负荷时不同节气门开度下的平均输出扭矩。

应用最小二乘法拟合出某一负荷下涡轮轴输出扭矩与转速的关系曲线则可求出在转速在范围内的平均输出扭矩求解公式如下：

取j ={ 80%，90%，100%}，根据计算结果，按比例可求得高负荷下的平均输出扭矩

由于环境、节能、燃料成本等方面的要求，目前对车辆经济性日益重视，于是在匹配过程中动力性、经济性按4:6的比例进行匹配计算。则动力性经济性综合指标为

3、应用及仿真验证

3.1 发动机、液力变矩器基本参数

基于某在开发车型，其液力变矩器前传动比iq=1。为得到发动机、液力变矩器在不同节气门开度下的共同工作的输出特性，需发动机外特性、部分负荷特性和液力变矩器的基本性能参数。

3.1.1 发动机参数

根据某2.0T发动机万有特性（如图1），基于Matlab软件可得出发动机部分负荷特性，以50%负荷下的发动机负荷特性为例，如表1所示：

表1　发动机50%负荷特性

图1　发动机万有特性

3.1.2 液力变矩器基本参数

现有两个液力变矩器与该发动机进行对比匹配，记液力变矩器Cf29/Tr2.0为TC1，液力变矩器Cf33.3/Tr1.83为TC2，两者基本特性参数如下：

表2　液力变矩器TC1参数

表3　液力变矩器TC2参数

3.2 发动机、液力变矩器匹配特性

图2　共同工作输入特性

以液力变矩器Cf29/Tr2.0与发动机匹配为例，二者在发动机100%节气门开度下的共同工作输入特性即为发动机外特性与液力变矩器不同速比下的负载特性曲线的交点（如图2），根据共同输入特性，可得到涡轮轴的输出转速、扭矩，进而得到共同输出特性。

在发动机50%节气门开度下，根据发动机与液力变矩器共同工作的输入特性及公式（1.1）（1.2）可得出共同工作的输出特性，如图3所示。

3.3 发动机与液力变矩器匹配结果分析

根据3.2中提到的方法及匹配分析评价指标，通过该发动机与两个液力变矩器匹配对比结果如下所示：

通过以上整车仿真结果可知，TC1起动扭矩和转速、扭矩的工作范围均优于TC2；且I1=0.83、I2=0.819，即I1>I2，可知液力变矩器TC1优于TC2。

3.4 仿真验证

基于AVL Cruise仿真软件，建立该车动力性经济性仿真模型，通过调试验证能够满足当前项目阶段精度要求。将两个液力变矩器带入该模型后，其整车动力性经济性仿真结果如下表所示：

表5　整车动力性经济性仿真结果

通过以上整车仿真结果可知，最高车速相当，根据加速时间、综合油耗与扭矩、燃油消耗率的关系，相应得出即I1>I2，可知液力变矩器TC1优于TC2。本文中所提出匹配方法的计算结果与仿真结果吻合。

4、结论

本文提出了液力变矩器与发动机的匹配方法及评价指标，该匹配方法能够根据设计人员对整车动力性、经济性的要求选择合适的液力变矩器与发动机进行匹配。同时，运用相关软件工具对匹配数据进行处理，及匹配方法的仿真验证，验证了该匹配方法的可行性、正确性。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论[M].机械工业出版社,2006.5.

[2] 华柯伟,等.发动机与液力变矩器的匹配计算[J].科技信息,2007.

[3] 葛安林.车辆自动变速器理论与设计[M].机械工业出版社,1991.

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

作者简介：赵金悦，就职于华晨汽车工程研究院。

中图分类号：U464.3

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-77-03