基于电喷发动机的挖掘机降烟度控制策略研究与应用

2021-06-29董必成黄志军林圣文蓝莎莎

科学与信息化 2021年16期

董必成黄志军林圣文蓝莎莎

广西柳工机械股份有限公司广西柳州 545007

引言

非道路工程机械如挖掘机、装载机等大部分所使用的都是电喷柴油发动机。发动机连接液压泵、风扇、发电机等一系列组件，带动各组件的运转，为整机的运行提供源源不断的动力输出。发动机的烟度的大小与发动机的响应以及外负载的变化密切相关。当发动机响应较快时，动力输出大，此时整机的响应会随之变快，但由于喷油量的突然加大导致燃油燃烧的不充分，从而会出现冒黑烟的现象；同样的，外负载的突然增大，发动机会同样的加大喷油量来快速的响应外负载的变化，防止出现掉速大甚至熄火的问题，但随之而来就会产生冒黑烟的现象。机器产生黑烟不仅无法满足环保政策的要求，而且黑烟也会让机器的油耗变差。由于挖掘机工况复杂、负载变化频繁并且剧烈，冒黑烟问题尤为明显。通常来说发动机的扭矩输出在外负载加载的时候是比较稳定的，不易产生黑烟，在突然加载时最易产生黑烟，因此需要解决的是外负载突然变大时的黑烟问题。本文从整机控制角度出发，开发一种装配电喷发动机的挖掘机在突然加载时降烟度的控制策略，在发动机外负载突然变大的工况下，实现发动机烟度的下降，达到环保的要求和油耗的下降。

1 整机控制原理简介

挖掘机的主要控制模块为控制器，主要承担发动机-液压泵的匹配控制、泵-阀的匹配控制以及其他整机功能，如图1 所示为挖掘机控制器对泵、发动机的控制框图。控制器对发动机的控制主要体现在控制发动机的转速、调速率曲线和扭矩曲线，通过上述三个参数的控制达到控制发动机的功率输出和响应的目的；控制器对主泵的控制主要是通过控制泵比例阀的电流来控制泵的排量进而达到控制泵的输出功率的目的。控制器选定好发动机的一系列参数后即可理论计算出发动机的负载转速和输出功率的大小，控制器依据发动机的理论输出功率的大小计算出泵的理论输出功率进而计算出泵的排量的大小，根据泵的排量和比例阀电流的关系来计算泵比例阀的电流的值，将其输出给泵比例阀，达到控制发动机和液压泵的功率匹配的目的。控制器对发动机的烟度的控制体现在对发动机-液压泵的匹配控制上，即对液压泵的功率控制和发动机的转速控制来实现的。

图1 挖掘机控制器对发动机、液压泵控制框图

本文针对现有挖掘机发动机-液压泵功率控制在外负载突然增大时中烟度控制效果较差的问题，开发了一种结合现有功率匹配控制的负载突变时降烟度的控制策略，能够在发动机负载突然加大时有效降低烟度，改善发动机冒黑烟的现象[1]。

2 控制策略说明

2.1 转速控制策略

挖掘机整车控制中有怠速功能，即整车在不工作一段时间后，控制器发送低油门开度指令给发动机控制器，降低发动机转速，节省燃油，当整机处于怠速时突然做动作时，整机快速地从怠速状态走出，很容易造成烟度超标的问题，首先研究转速控制原理，如图2所示为控制流程图。

图2 转速控制流程图

该控制策略主要目的有两个，一是延缓转速上升，降低发动机的响应，确保发动机的烟度的下降，二是在降低烟度的时候防止因为外负载的增大，发动机转速恢复时间就甚至熄火。具体如下：当系统运行后，控制器检测整机是否处于怠速状态并且先导压力有效，若条件成立，则控制器按照缺省上升步长k1将油门开度由怠速油门开度上升到当前挡位的油门开度，在过程中，控制器实时检测实际发动机转速n0并计算当前发送的油门开度理论上的发动机转速n，当n＞n0+e0时（e0为预设的允许转速差），发动机掉速严重，需要加快发动机转速的恢复速度，则将油门开度恢复步长调整为k2，若n＞n0+e1时（e1为预设的允许最大转速差），则将控制器发送给发动机的调速率减小，进一步加快发动机的响应。以上方法兼顾了烟度控制和防止发动机转速从怠速恢复到正常转速时间过久的问题，而不是单纯的只为了降低发动机的响应来控制烟度。

2.2 液压泵功率控制策略

除了对发动机转速控制之外还需要对泵功率进行控制，防止功率上升过快导致烟度过大和掉速甚至熄火，其具体控制流程图如图3所示。

图3 液压泵功率控制流程图

具体说明如下：当整机处于自动怠速且突然有先导动作时，主泵输出功率按照步长k1上升至目标功率，当前整机不处于怠速状态且突然液压动作时，主泵输出功率步长为k01，其中k1＜k01；当实际的发动机转速n0上升到一定的转速后，此时认为发动机响应已经满足系统要求，为加快系统的响应性，将功率上升步长调整为k2，其中k1＜k2；当发动机转速低于当前油门开度理论的转速一定值时，放慢功率上升步长至k3，其中k1＞k3；否则，系统维持功率上升步长；在功率上升过程中实时依据转速偏差对功率进行PID控制，防止由于依据转速值导致的功率下降的滞后。当整机处于无动作状态时，系统以主泵最小输出功率Pmin运行[2]。

3 试验验证

3.1 试验方法

为验证策略的有效性，本文以22吨液压挖掘机为例，整机控制端采用增加降烟度控制策略和不增加该策略进行对比。根据GB 36886-2018的要求制定测试方案如下：运用自由加速法进行烟度测量，主要分为两种工况进行测量，一是在怠速状态下将油门档位快速地从最低挡扭到最高档以及在最大功率档位下，快速的做抬动臂和憋压动作；二是在关闭怠速状态下重复上述动作，数据采集使用不透光烟度计，烟度衡量指标是不透光法烟度（光吸收系数），以下简称烟度。

3.2 测试结果

从烟度实测结果（表1、表2）可以看出，当对不增加降烟度控制策略的整机来进行烟度测量时，在自动怠速开启的情况下，所有做动作的烟度值均超过0.8m-1，不满足国标中的Ⅱ类限值（＜0.8m-1），在自动怠速关系的情况下，所有做动作的烟度值均超过0.5m-1，不满足国标中的Ⅲ类限值（＜0.5m-1），实际测试可以明显观察到在刚开始动作烟度较大。而增加降烟度控制策略的整机的烟度无论是在开启还是关闭自动怠速的工况下，所有动作的烟度值均低于0.5m-1，烟度明显的下降，且满足国标中的Ⅲ类限值，同时由于增加了转速的控制策略，扭油门的烟度也出现明显的下降[3]。