基于電噴發(fā)動機的挖掘機降煙度控制策略研究與應(yīng)用

董必成 黃志軍 林圣文 藍莎莎

廣西柳工機械股份有限公司 廣西 柳州 545007

引言

非道路工程機械如挖掘機、裝載機等大部分所使用的都是電噴柴油發(fā)動機。發(fā)動機連接液壓泵、風(fēng)扇、發(fā)電機等一系列組件，帶動各組件的運轉(zhuǎn)，為整機的運行提供源源不斷的動力輸出。發(fā)動機的煙度的大小與發(fā)動機的響應(yīng)以及外負載的變化密切相關(guān)。當(dāng)發(fā)動機響應(yīng)較快時，動力輸出大，此時整機的響應(yīng)會隨之變快，但由于噴油量的突然加大導(dǎo)致燃油燃燒的不充分，從而會出現(xiàn)冒黑煙的現(xiàn)象；同樣的，外負載的突然增大，發(fā)動機會同樣的加大噴油量來快速的響應(yīng)外負載的變化，防止出現(xiàn)掉速大甚至熄火的問題，但隨之而來就會產(chǎn)生冒黑煙的現(xiàn)象。機器產(chǎn)生黑煙不僅無法滿足環(huán)保政策的要求，而且黑煙也會讓機器的油耗變差。由于挖掘機工況復(fù)雜、負載變化頻繁并且劇烈，冒黑煙問題尤為明顯。通常來說發(fā)動機的扭矩輸出在外負載加載的時候是比較穩(wěn)定的，不易產(chǎn)生黑煙，在突然加載時最易產(chǎn)生黑煙，因此需要解決的是外負載突然變大時的黑煙問題。本文從整機控制角度出發(fā)，開發(fā)一種裝配電噴發(fā)動機的挖掘機在突然加載時降煙度的控制策略，在發(fā)動機外負載突然變大的工況下，實現(xiàn)發(fā)動機煙度的下降，達到環(huán)保的要求和油耗的下降。

1 整機控制原理簡介

挖掘機的主要控制模塊為控制器，主要承擔(dān)發(fā)動機-液壓泵的匹配控制、泵-閥的匹配控制以及其他整機功能，如圖1 所示為挖掘機控制器對泵、發(fā)動機的控制框圖。控制器對發(fā)動機的控制主要體現(xiàn)在控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、調(diào)速率曲線和扭矩曲線，通過上述三個參數(shù)的控制達到控制發(fā)動機的功率輸出和響應(yīng)的目的；控制器對主泵的控制主要是通過控制泵比例閥的電流來控制泵的排量進而達到控制泵的輸出功率的目的。控制器選定好發(fā)動機的一系列參數(shù)后即可理論計算出發(fā)動機的負載轉(zhuǎn)速和輸出功率的大小，控制器依據(jù)發(fā)動機的理論輸出功率的大小計算出泵的理論輸出功率進而計算出泵的排量的大小，根據(jù)泵的排量和比例閥電流的關(guān)系來計算泵比例閥的電流的值，將其輸出給泵比例閥，達到控制發(fā)動機和液壓泵的功率匹配的目的。控制器對發(fā)動機的煙度的控制體現(xiàn)在對發(fā)動機-液壓泵的匹配控制上，即對液壓泵的功率控制和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)的。

圖1 挖掘機控制器對發(fā)動機、液壓泵控制框圖

本文針對現(xiàn)有挖掘機發(fā)動機-液壓泵功率控制在外負載突然增大時中煙度控制效果較差的問題，開發(fā)了一種結(jié)合現(xiàn)有功率匹配控制的負載突變時降煙度的控制策略，能夠在發(fā)動機負載突然加大時有效降低煙度，改善發(fā)動機冒黑煙的現(xiàn)象[1]。

2 控制策略說明

2.1 轉(zhuǎn)速控制策略

挖掘機整車控制中有怠速功能，即整車在不工作一段時間后，控制器發(fā)送低油門開度指令給發(fā)動機控制器，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，節(jié)省燃油，當(dāng)整機處于怠速時突然做動作時，整機快速地從怠速狀態(tài)走出，很容易造成煙度超標的問題，首先研究轉(zhuǎn)速控制原理，如圖2所示為控制流程圖。

圖2 轉(zhuǎn)速控制流程圖

該控制策略主要目的有兩個，一是延緩轉(zhuǎn)速上升，降低發(fā)動機的響應(yīng)，確保發(fā)動機的煙度的下降，二是在降低煙度的時候防止因為外負載的增大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間就甚至熄火。具體如下：當(dāng)系統(tǒng)運行后，控制器檢測整機是否處于怠速狀態(tài)并且先導(dǎo)壓力有效，若條件成立，則控制器按照缺省上升步長k1將油門開度由怠速油門開度上升到當(dāng)前擋位的油門開度，在過程中，控制器實時檢測實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速n0并計算當(dāng)前發(fā)送的油門開度理論上的發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，當(dāng)n＞n0+e0時（e0為預(yù)設(shè)的允許轉(zhuǎn)速差），發(fā)動機掉速嚴重，需要加快發(fā)動機轉(zhuǎn)速的恢復(fù)速度，則將油門開度恢復(fù)步長調(diào)整為k2，若n＞n0+e1時（e1為預(yù)設(shè)的允許最大轉(zhuǎn)速差），則將控制器發(fā)送給發(fā)動機的調(diào)速率減小，進一步加快發(fā)動機的響應(yīng)。以上方法兼顧了煙度控制和防止發(fā)動機轉(zhuǎn)速從怠速恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速時間過久的問題，而不是單純的只為了降低發(fā)動機的響應(yīng)來控制煙度。

2.2 液壓泵功率控制策略

除了對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制之外還需要對泵功率進行控制，防止功率上升過快導(dǎo)致煙度過大和掉速甚至熄火，其具體控制流程圖如圖3所示。

圖3 液壓泵功率控制流程圖

具體說明如下：當(dāng)整機處于自動怠速且突然有先導(dǎo)動作時，主泵輸出功率按照步長k1上升至目標功率，當(dāng)前整機不處于怠速狀態(tài)且突然液壓動作時，主泵輸出功率步長為k01，其中k1＜k01；當(dāng)實際的發(fā)動機轉(zhuǎn)速n0上升到一定的轉(zhuǎn)速后，此時認為發(fā)動機響應(yīng)已經(jīng)滿足系統(tǒng)要求，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)性，將功率上升步長調(diào)整為k2，其中k1＜k2；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于當(dāng)前油門開度理論的轉(zhuǎn)速一定值時，放慢功率上升步長至k3，其中k1＞k3；否則，系統(tǒng)維持功率上升步長；在功率上升過程中實時依據(jù)轉(zhuǎn)速偏差對功率進行PID控制，防止由于依據(jù)轉(zhuǎn)速值導(dǎo)致的功率下降的滯后。當(dāng)整機處于無動作狀態(tài)時，系統(tǒng)以主泵最小輸出功率Pmin運行[2]。

3 試驗驗證

3.1 試驗方法

為驗證策略的有效性，本文以22噸液壓挖掘機為例，整機控制端采用增加降煙度控制策略和不增加該策略進行對比。根據(jù)GB 36886-2018的要求制定測試方案如下：運用自由加速法進行煙度測量，主要分為兩種工況進行測量，一是在怠速狀態(tài)下將油門檔位快速地從最低擋扭到最高檔以及在最大功率檔位下，快速的做抬動臂和憋壓動作；二是在關(guān)閉怠速狀態(tài)下重復(fù)上述動作，數(shù)據(jù)采集使用不透光煙度計，煙度衡量指標是不透光法煙度（光吸收系數(shù)），以下簡稱煙度。

3.2 測試結(jié)果

從煙度實測結(jié)果（表1、表2）可以看出，當(dāng)對不增加降煙度控制策略的整機來進行煙度測量時，在自動怠速開啟的情況下，所有做動作的煙度值均超過0.8m-1，不滿足國標中的Ⅱ類限值（＜0.8m-1），在自動怠速關(guān)系的情況下，所有做動作的煙度值均超過0.5m-1，不滿足國標中的Ⅲ類限值（＜0.5m-1），實際測試可以明顯觀察到在剛開始動作煙度較大。而增加降煙度控制策略的整機的煙度無論是在開啟還是關(guān)閉自動怠速的工況下，所有動作的煙度值均低于0.5m-1，煙度明顯的下降，且滿足國標中的Ⅲ類限值，同時由于增加了轉(zhuǎn)速的控制策略，扭油門的煙度也出現(xiàn)明顯的下降[3]。

表1 未增加降煙度控制策略各動作煙度值

表2 增加降煙度控制策略各動作煙度值

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了挖掘機整機控制端針對電噴發(fā)動機機降煙度的控制策略，并且該控制策略已在柳工挖掘機上實際應(yīng)用。測試結(jié)果表明，該策略可在系統(tǒng)相同的情況下顯著降低整機突然動作煙度值，滿足整機控制需要。