基于電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的挖掘機(jī)降煙度控制策略研究與應(yīng)用

董必成 黃志軍 林圣文 藍(lán)莎莎

廣西柳工機(jī)械股份有限公司 廣西 柳州 545007

引言

非道路工程機(jī)械如挖掘機(jī)、裝載機(jī)等大部分所使用的都是電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)連接液壓泵、風(fēng)扇、發(fā)電機(jī)等一系列組件，帶動(dòng)各組件的運(yùn)轉(zhuǎn)，為整機(jī)的運(yùn)行提供源源不斷的動(dòng)力輸出。發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)以及外負(fù)載的變化密切相關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)較快時(shí)，動(dòng)力輸出大，此時(shí)整機(jī)的響應(yīng)會(huì)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(huì)出現(xiàn)冒黑煙的現(xiàn)象；同樣的，外負(fù)載的突然增大，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)同樣的加大噴油量來快速的響應(yīng)外負(fù)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(huì)產(chǎn)生冒黑煙的現(xiàn)象。機(jī)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(huì)讓機(jī)器的油耗變差。由于挖掘機(jī)工況復(fù)雜、負(fù)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(dòng)機(jī)的扭矩輸出在外負(fù)載加載的時(shí)候是比較穩(wěn)定的，不易產(chǎn)生黑煙，在突然加載時(shí)最易產(chǎn)生黑煙，因此需要解決的是外負(fù)載突然變大時(shí)的黑煙問題。本文從整機(jī)控制角度出發(fā)，開發(fā)一種裝配電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的挖掘機(jī)在突然加載時(shí)降煙度的控制策略，在發(fā)動(dòng)機(jī)外負(fù)載突然變大的工況下，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)煙度的下降，達(dá)到環(huán)保的要求和油耗的下降。

1 整機(jī)控制原理簡介

挖掘機(jī)的主要控制模塊為控制器，主要承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵的匹配控制、泵-閥的匹配控制以及其他整機(jī)功能，如圖1 所示為挖掘機(jī)控制器對(duì)泵、發(fā)動(dòng)機(jī)的控制框圖。控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制主要體現(xiàn)在控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、調(diào)速率曲線和扭矩曲線，通過上述三個(gè)參數(shù)的控制達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出和響應(yīng)的目的；控制器對(duì)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(jìn)而達(dá)到控制泵的輸出功率的目的?？刂破鬟x定好發(fā)動(dòng)機(jī)的一系列參數(shù)后即可理論計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)速和輸出功率的大小，控制器依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的理論輸出功率的大小計(jì)算出泵的理論輸出功率進(jìn)而計(jì)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(jì)算泵比例閥的電流的值，將其輸出給泵比例閥，達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵的功率匹配的目的?？刂破鲗?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度的控制體現(xiàn)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵的匹配控制上，即對(duì)液壓泵的功率控制和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 挖掘機(jī)控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵控制框圖

本文針對(duì)現(xiàn)有挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵功率控制在外負(fù)載突然增大時(shí)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(fù)載突變時(shí)降煙度的控制策略，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載突然加大時(shí)有效降低煙度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)整車控制中有怠速功能，即整車在不工作一段時(shí)間后，控制器發(fā)送低油門開度指令給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)省燃油，當(dāng)整機(jī)處于怠速時(shí)突然做動(dòng)作時(shí)，整機(jī)快速地從怠速狀態(tài)走出，很容易造成煙度超標(biāo)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(gè)，一是延緩轉(zhuǎn)速上升，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度的下降，二是在降低煙度的時(shí)候防止因?yàn)橥庳?fù)載的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間就甚至熄火。具體如下：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，控制器檢測整機(jī)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(shí)時(shí)檢測實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0并計(jì)算當(dāng)前發(fā)送的油門開度理論上的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，當(dāng)n＞n0+e0時(shí)（e0為預(yù)設(shè)的允許轉(zhuǎn)速差），發(fā)動(dòng)機(jī)掉速嚴(yán)重，需要加快發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)（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(dòng)機(jī)的調(diào)速率減小，進(jìn)一步加快發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)。以上方法兼顧了煙度控制和防止發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速時(shí)間過久的問題，而不是單純的只為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)來控制煙度。

2.2 液壓泵功率控制策略

除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制之外還需要對(duì)泵功率進(jìn)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(jī)處于自動(dòng)怠速且突然有先導(dǎo)動(dòng)作時(shí)，主泵輸出功率按照步長k1上升至目標(biāo)功率，當(dāng)前整機(jī)不處于怠速狀態(tài)且突然液壓動(dòng)作時(shí)，主泵輸出功率步長為k01，其中k1＜k01；當(dāng)實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0上升到一定的轉(zhuǎn)速后，此時(shí)認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于當(dāng)前油門開度理論的轉(zhuǎn)速一定值時(shí)，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(shí)時(shí)依據(jù)轉(zhuǎn)速偏差對(duì)功率進(jìn)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(jī)處于無動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)以主泵最小輸出功率Pmin運(yùn)行[2]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證策略的有效性，本文以22噸液壓挖掘機(jī)為例，整機(jī)控制端采用增加降煙度控制策略和不增加該策略進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)GB 36886-2018的要求制定測試方案如下：運(yùn)用自由加速法進(jìn)行煙度測量，主要分為兩種工況進(jìn)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(dòng)臂和憋壓動(dòng)作；二是在關(guān)閉怠速狀態(tài)下重復(fù)上述動(dòng)作，數(shù)據(jù)采集使用不透光煙度計(jì)，煙度衡量指標(biāo)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(shí)測結(jié)果（表1、表2）可以看出，當(dāng)對(duì)不增加降煙度控制策略的整機(jī)來進(jìn)行煙度測量時(shí)，在自動(dòng)怠速開啟的情況下，所有做動(dòng)作的煙度值均超過0.8m-1，不滿足國標(biāo)中的Ⅱ類限值（＜0.8m-1），在自動(dòng)怠速關(guān)系的情況下，所有做動(dòng)作的煙度值均超過0.5m-1，不滿足國標(biāo)中的Ⅲ類限值（＜0.5m-1），實(shí)際測試可以明顯觀察到在剛開始動(dòng)作煙度較大。而增加降煙度控制策略的整機(jī)的煙度無論是在開啟還是關(guān)閉自動(dòng)怠速的工況下，所有動(dòng)作的煙度值均低于0.5m-1，煙度明顯的下降，且滿足國標(biāo)中的Ⅲ類限值，同時(shí)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(dòng)作煙度值

表2 增加降煙度控制策略各動(dòng)作煙度值

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了挖掘機(jī)整機(jī)控制端針對(duì)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)降煙度的控制策略，并且該控制策略已在柳工挖掘機(jī)上實(shí)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(jī)突然動(dòng)作煙度值，滿足整機(jī)控制需要。