針對(duì)高原環(huán)境下車輛起步困難問(wèn)題的研究

許宏昌，洪萬(wàn)年

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

某車輛動(dòng)力裝置為廢氣渦輪增壓水冷電控柴油機(jī)，傳動(dòng)裝置為液力機(jī)械綜合傳動(dòng)裝置 (采用行星變速機(jī)構(gòu)，配置有液力變矩器).在高原地區(qū)行駛時(shí)，出現(xiàn)車輛起步困難的現(xiàn)象.具體表現(xiàn)為:車輛掛擋起步時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)下降，有時(shí)會(huì)降至500～600 r/min(該機(jī)怠速為800 r/min)，松開制動(dòng)踏下油門，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升緩慢，車輛起步加速緩慢.

車輛起步過(guò)程，其實(shí)就是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)傳動(dòng)、行動(dòng)等裝置損耗后傳輸?shù)街鲃?dòng)輪上，克服地面阻力的過(guò)程.高原與平原地區(qū)相比，由于車輛參數(shù)未變，地面阻力和機(jī)構(gòu)內(nèi)阻力基本不會(huì)有太大變化.則起步困難問(wèn)題的根源就在于高原環(huán)境下，動(dòng)力與傳動(dòng)裝置的工作特性或其匹配特性產(chǎn)生了變化，下面就從分析動(dòng)力、傳動(dòng)裝置的特性及其匹配入手，分析問(wèn)題原因.

1 原因分析

車輛可以迅速起步平穩(wěn)行駛的前提條件是發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩要克服傳動(dòng)反饋的阻力矩 (包括地面阻力、各機(jī)構(gòu)內(nèi)部阻力).在平原地區(qū)，該車可以順利起步行駛，在高原起步困難說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)怠速扭矩不足以驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn).進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)高原地區(qū)的扭矩下降幅值并不是簡(jiǎn)單的隨空氣密度降低等比例下降，而是在低速段扭矩下降幅值最大.這是因?yàn)殡S著海拔高度的升高，盡管大氣密度降低，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣量減小，但同時(shí)渦輪背壓也隨之降低，膨脹比增加，使渦輪增壓器做功能力相對(duì)提高，起到了一定的空氣補(bǔ)償?shù)淖饔?在高轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓補(bǔ)償效果較好，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)廢氣能量不足，渦輪增壓器工作能量迅速下降，由此導(dǎo)致渦輪增壓柴油機(jī)在高海拔地區(qū)低速時(shí)動(dòng)力性能銳減［1］.就該車而言，在起步階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本在1100～1200 r/min時(shí)，增壓器才開始介入工作.也就是說(shuō)，在低速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)只相當(dāng)于自然進(jìn)氣的非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率完全取決于發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑和活塞沖程.因此，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線在800～1100 r/min階段出現(xiàn)了較大誤差.

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高原地區(qū)低速扭矩特性曲線進(jìn)行了修正，并實(shí)測(cè)得到了傳動(dòng)裝置的空載損耗，優(yōu)化匹配出修正后的動(dòng)力傳動(dòng)匹配曲線.通過(guò)對(duì)修正后的動(dòng)力傳動(dòng)匹配曲線分析，與平原地區(qū)相比，受到高原地區(qū)空氣稀薄、含氧量低的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)功率與扭矩均有較大幅度的下降，特別是在低速段增壓器不介入工作時(shí)，扭矩曲線已經(jīng)低于液力變矩器傳動(dòng)比為0時(shí)的負(fù)荷拋物線.也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩不能克服傳動(dòng)反饋的阻力矩，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯下降，直至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與液力變矩器達(dá)到合適的匹配工作點(diǎn)(約為500～600r/min).這是造成高原地區(qū)車輛起步困難的根本原因.在平原地區(qū)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能力足夠，此問(wèn)題不會(huì)出現(xiàn).

2 采取措施及驗(yàn)證情況

解決措施可以從以下幾方面入手:1)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)低速下匹配標(biāo)定，提高低速扭矩.由于低速下增壓器不介入工作，發(fā)動(dòng)機(jī)可用氣量?jī)H等于缸內(nèi)容量，無(wú)法從根本上解決問(wèn)題;2)增加傳動(dòng)裝置前傳動(dòng)比，使車輛在較小的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下也可以完成起步.但這項(xiàng)措施意味著動(dòng)力傳動(dòng)整個(gè)匹配工作區(qū)域右移，高轉(zhuǎn)速下車輛特性變差.而且增加前傳動(dòng)比會(huì)直接導(dǎo)致整車最大速度的降低，如果在增加前傳動(dòng)比的同時(shí)調(diào)整行星變速機(jī)構(gòu)，保證最高擋總傳動(dòng)比不變，這就需要重新設(shè)計(jì)行星變速機(jī)構(gòu);3)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速.比如將怠速轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min提高到1000 r/min，直接避開發(fā)動(dòng)機(jī)低速區(qū).但此措施會(huì)導(dǎo)致在平原地區(qū)動(dòng)力充足時(shí)起步容易沖車，車輛操縱性更差且易發(fā)生危險(xiǎn).

理論上，上述幾種措施均可解決起步困難問(wèn)題，但有的實(shí)施難度很大，有的會(huì)帶來(lái)其它影響，都不是最佳解決方案.因此，我們繼續(xù)深入分析在起步過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及噴油控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程.該發(fā)動(dòng)機(jī)為全程調(diào)速模式，電控單體泵噴油.其噴油控制策略為:首先，主控制器通過(guò)比較發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與油門踏板給出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，獲得兩者的轉(zhuǎn)速差，再經(jīng)過(guò)PID控制器得到基本油量輸出值;然后，通過(guò)功率限值、保護(hù)功能 (冷卻水溫保護(hù)、排氣溫度保護(hù)等)、空燃比限值對(duì)基本輸出值進(jìn)行進(jìn)一步修正得到最終輸出的噴油量;最后，主控制器根據(jù)噴油泵的流量特性換算出實(shí)際噴油脈寬，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作.具體分析車輛起步這一過(guò)程:駕駛員踏下制動(dòng)踏板，將擋位從空擋掛到一擋，此時(shí)油門開度為0，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)荷的作用下迅速下降，主控制器開始提高噴油量，大約2 s后，噴油量提高到空燃比限值油量，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩開始得以發(fā)揮，但此時(shí)在負(fù)載作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)被壓低至600 r/min，由此再恢復(fù)是需要較長(zhǎng)時(shí)間的.

通過(guò)上述分析，產(chǎn)生了另外一種解決問(wèn)題的思路，即通過(guò)在起步瞬間，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速.根據(jù)控制策略提前開始主動(dòng)噴油，避免或縮短發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被負(fù)荷壓低這2 s的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)車輛起步與發(fā)動(dòng)機(jī)噴油的協(xié)調(diào)控制，提高轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度，進(jìn)而改善車輛起步特性.按照這種思路，分別設(shè)計(jì)了以800 r/min、1000 r/min為目標(biāo)轉(zhuǎn)速的兩種優(yōu)化控制策略，具體為:傳動(dòng)裝置換擋手柄由空擋結(jié)合1擋后 (表明意圖起步)，換擋信息同時(shí)通過(guò)總線傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU.當(dāng)ECU接到起步指令時(shí)，提前開始按照設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速增加噴油量，由于從換擋手柄發(fā)出換擋指令到實(shí)際完成換擋動(dòng)作約需1.5 s，在此時(shí)間段內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量已經(jīng)提前增加，相應(yīng)發(fā)出的扭矩也已經(jīng)增加，所以避免了由于怠速扭矩過(guò)低導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低的過(guò)程.

上述兩種優(yōu)化控制策略在平原地區(qū)環(huán)境下進(jìn)行了樣車試驗(yàn)測(cè)試，與原控制策略對(duì)比結(jié)果如下:

1)原控制程序的結(jié)果是:掛擋加載后發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速降至595 r/min，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間經(jīng)歷4.5 s;

2)起步階段設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為800 r/min的結(jié)果是:掛擋加載后發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速降至727 r/min，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間經(jīng)歷4.5 s.雖然轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間沒(méi)有變化，但是發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速得到大幅度提高.

3)起步階段設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1000 r/min的結(jié)果是:掛擋加載后發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為880 r/min，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間經(jīng)歷3.7 s，起步過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終高于怠速值.

實(shí)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)比曲線見(jiàn)圖1.試驗(yàn)結(jié)果表明:采用提高發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的優(yōu)化控制策略后，起步過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速明顯升高，從而提高了起步過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，有效地改善了起步性能，起步過(guò)程平穩(wěn)，未發(fā)生沖車現(xiàn)象.

圖1 平原地區(qū)不同控制策略起步過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)比曲線

采用目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1000 r/min的優(yōu)化控制策略后，車輛在高原地區(qū)起步過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最低為862 r/min，整個(gè)起步過(guò)程轉(zhuǎn)速始終在怠速之上，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩可以順利克服阻力矩，完成車輛平穩(wěn)起步.實(shí)測(cè)起步過(guò)程中的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化見(jiàn)圖2.

圖2 高原地區(qū)優(yōu)化控制策略起步過(guò)程中各參數(shù)變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某車輛在高原地區(qū)動(dòng)力傳動(dòng)工作匹配情況、增壓器介入工作時(shí)間、起步過(guò)程中噴油控制策略的詳細(xì)分析，制定了起步時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速的措施.經(jīng)過(guò)高原地區(qū)試驗(yàn)表明，該措施可以有效解決高原環(huán)境下裝甲車輛起步困難的問(wèn)題，且無(wú)需對(duì)車輛硬件結(jié)構(gòu)做修改，可行性和推廣應(yīng)用性較好.由此問(wèn)題引起以下兩點(diǎn)啟示:

1)柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是更高的功率密度，在較小的排量下得到較高的功率.但對(duì)于廢氣渦輪增壓柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，隨著排量的減小，低速階段增壓器不介入工作時(shí)能發(fā)出的扭矩必然隨之減小，特別是在高原地區(qū)，該問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致車輛完全無(wú)法起步，值得加以關(guān)注.

2)對(duì)于采用液力機(jī)械綜合傳動(dòng)裝置的車輛，以往的動(dòng)力傳動(dòng)匹配更多關(guān)注在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作區(qū)即高轉(zhuǎn)速區(qū)，對(duì)起步等低轉(zhuǎn)速區(qū)過(guò)程以合格為主.在以后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)更多關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)高低轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)匹配優(yōu)化問(wèn)題.

［1］劉瑞林.柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究 ［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2013:103.