輪式谷物聯合收獲機發動機怠速帶載能力分析及優化

寧召歌，楊國濤，楊明波，席永利

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

全喂入履帶式谷物收獲機憑借小巧的機身、良好的通過性，迅速搶占了小地塊市場。雖然輪式谷物聯合收獲機效率在不斷提高，但其使用范圍卻在不斷減小。與此同時，隨著輪式谷物聯合收獲機行業競爭加劇，為了提高競爭力，喂入量高、作業效率高、一機多用的縱軸流機型將成為各主機廠的重點機型[1]。

隨著發動機技術日新月異，小排量發動機可以實現較大功率輸出。例如，四缸柴油發動機額定點功率可以達到162 kW，在功率輸出上足以匹配六缸柴油發動機。這為國內輪式谷物聯合收獲機升級提供了便利條件。

1 背景介紹

某縱軸流輪式谷物聯合收獲機匹配濰柴四缸柴油發動機，在整車適配階段，發動機怠速狀態下主離合結合時出現了熄火現象。而同一款發動機適配橫軸流輪式谷物聯合收獲機時并沒有出現該問題。

2 原因分析

從目前國內收獲機行業來看，各主機廠在整車工作裝置的結合上均采用了同樣的方案，即割臺、輸送裝置、脫粒裝置、清選裝置等主要工作部件均通過主離合控制。主離合通過液壓缸控制張緊輪張緊皮帶實現，結合迅速。整車主離合結合時，主要工作部件同時旋轉。

輪式谷物收獲機喂入量超過8 kg/s需要采用縱軸流脫離分離技術，相較于主流的切流滾筒加橫軸流滾筒脫離分離技術的小麥收獲機，縱軸流機型滾筒更長，清選機構復雜，整車旋轉件轉動慣量有了較大的提升。

發動機熄火問題的出現是由于整車瞬間加載負荷過大，發動機轉速瞬間下降至熄火轉速導致熄火。為了解決該問題，從發動機和整車兩個方面分別提出了解決方案。

3 優化方案

3.1 發動機優化方案

通過分析，有以下幾個因素導致整車主離合結合時發動機出現熄火現象：怠速扭矩不足、發動機怠速過低、發動機響應較慢。針對以上3個因素制定對應解決方案并分別進行了驗證。

3.1.1 提升發動機怠速扭矩

通過調整發動機數據，將發動機怠速時扭矩提高20%，此時在怠速下壓下主離合發動機仍出現了熄火現象。得出結論提升怠速扭矩對怠速下加載熄火影響較小，怠速扭矩過低不是導致發動機熄火的主要原因。

3.1.2 提高發動機怠速

發動機初始怠速為750 rpm，以50 rpm為間隔提高發動機怠速，即750 rpm、800 rpm、850 rpm、900 rpm，采集主離合結合后發動機數據，見圖1。

圖1 不同怠速下結合主離合時發動機轉速變化Fig.1 The change of engine speed in combination with main clutch at different idle speeds

通過數據發現，發動機怠速每提高50 rpm，主離合結合后發動機最低轉速提升約10 rpm。提升怠速可以提高主離合結合時發動機最低轉速，避免熄火。

3.1.3 提高發動機響應

利用高壓共軌系統精確燃油噴射控制技術，調整發動機控制參數，在發動機負荷變化時主動進行噴射，提升發動機響應速度，具體見圖2。

圖2 調整發動機控制參數后結合主離合時發動機轉速變化Fig.2 The change of engine speed in combination with main clutch after adjusting engine control parameters

通過數據分析發現，采用該方案后，主離合結合時發動機最低轉速提高到300 rpm左右，較提升發動機怠速效果更明顯。

假設在發動機響應時間t以前，主離合結合前后遵守動量守恒定律，則整車工作裝置轉動慣量越大，結合后發動機轉速越低。提升發動機怠速能提高初始動量值，在發動機響應前，可以保證發動機最低轉速提升，防止發動機熄火。

另外，盡量縮短發動機響應時間，可以讓發動機提升輸出動力，在轉速未降低至熄火轉速前提升整體的轉速。

而提升怠速扭矩在該案例中不屬于關鍵因素，主要是因為結合主離合速度較快，發動機在短暫的時間內無法發揮出怠速點最大扭矩。

3.2 整車優化方案

經過前面分析，解決該問題可以盡可能地降低整車工作裝置的轉動慣量或者阻力。受限于對聯合收獲機了解，提出以下幾個解決方案。

3.2.1 降低旋轉件轉動慣量

在保證可靠性和抗負荷突變的前提下，在整車設計初期要考慮將整車工作部件的轉動慣量盡可能降低。

將該收獲機割臺換為另一種割臺，新割臺附件減少。經過測試，切換新割臺后，主離合結合時發動機最低轉速達278 rpm，較原狀態有較大提升。

3.2.2 工作裝置分時加載

由于聯合收獲機工作裝置較多，同時旋轉勢必會給發動機較大的負荷。采用分時加載策略可以有效避免負荷過大，如通過控制邏輯先使脫粒裝置結合，待發動機轉速提升至一定轉速后，再使清選等工作裝置結合。

3.2.3 減小工作裝置加載速度

通過控制邏輯，使工作裝置以較小的加速度提升轉速。加速度越小，發動機的負荷就越小，能從一定程度上減小對發動機的沖擊，避免熄火。

4 總結

針對輪式谷物收獲機怠速加載問題，提高發動機響應、提高發動機怠速可以解決發動機熄火問題，提高發動機響應效果最佳。整車方面可以通過優化結構、優化控制策略來降低發動機負荷。

本次處理該機型怠速加載熄火問題，本著雙方改動最小、用戶接受程度高的原則，最終采取了提高發動機響應性的措施。但從長遠來看，整車與發動機要互相配合，在輪式聯合收獲機性能提升之初就將怠速加載問題加以考慮，避免后續改動影響整車可靠性，延長產品使用周期。