轮式谷物联合收获机发动机怠速带载能力分析及优化

宁召歌，杨国涛，杨明波，席永利

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000）

全喂入履带式谷物收获机凭借小巧的机身、良好的通过性，迅速抢占了小地块市场。虽然轮式谷物联合收获机效率在不断提高，但其使用范围却在不断减小。与此同时，随着轮式谷物联合收获机行业竞争加剧，为了提高竞争力，喂入量高、作业效率高、一机多用的纵轴流机型将成为各主机厂的重点机型[1]。

随着发动机技术日新月异，小排量发动机可以实现较大功率输出。例如，四缸柴油发动机额定点功率可以达到162 kW，在功率输出上足以匹配六缸柴油发动机。这为国内轮式谷物联合收获机升级提供了便利条件。

1 背景介绍

某纵轴流轮式谷物联合收获机匹配潍柴四缸柴油发动机，在整车适配阶段，发动机怠速状态下主离合结合时出现了熄火现象。而同一款发动机适配横轴流轮式谷物联合收获机时并没有出现该问题。

2 原因分析

从目前国内收获机行业来看，各主机厂在整车工作装置的结合上均采用了同样的方案，即割台、输送装置、脱粒装置、清选装置等主要工作部件均通过主离合控制。主离合通过液压缸控制张紧轮张紧皮带实现，结合迅速。整车主离合结合时，主要工作部件同时旋转。

轮式谷物收获机喂入量超过8 kg/s需要采用纵轴流脱离分离技术，相较于主流的切流滚筒加横轴流滚筒脱离分离技术的小麦收获机，纵轴流机型滚筒更长，清选机构复杂，整车旋转件转动惯量有了较大的提升。

发动机熄火问题的出现是由于整车瞬间加载负荷过大，发动机转速瞬间下降至熄火转速导致熄火。为了解决该问题，从发动机和整车两个方面分别提出了解决方案。

3 优化方案

3.1 发动机优化方案

通过分析，有以下几个因素导致整车主离合结合时发动机出现熄火现象：怠速扭矩不足、发动机怠速过低、发动机响应较慢。针对以上3个因素制定对应解决方案并分别进行了验证。

3.1.1 提升发动机怠速扭矩

通过调整发动机数据，将发动机怠速时扭矩提高20%，此时在怠速下压下主离合发动机仍出现了熄火现象。得出结论提升怠速扭矩对怠速下加载熄火影响较小，怠速扭矩过低不是导致发动机熄火的主要原因。

3.1.2 提高发动机怠速

发动机初始怠速为750 rpm，以50 rpm为间隔提高发动机怠速，即750 rpm、800 rpm、850 rpm、900 rpm，采集主离合结合后发动机数据，见图1。

图1 不同怠速下结合主离合时发动机转速变化Fig.1 The change of engine speed in combination with main clutch at different idle speeds

通过数据发现，发动机怠速每提高50 rpm，主离合结合后发动机最低转速提升约10 rpm。提升怠速可以提高主离合结合时发动机最低转速，避免熄火。

3.1.3 提高发动机响应

利用高压共轨系统精确燃油喷射控制技术，调整发动机控制参数，在发动机负荷变化时主动进行喷射，提升发动机响应速度，具体见图2。

图2 调整发动机控制参数后结合主离合时发动机转速变化Fig.2 The change of engine speed in combination with main clutch after adjusting engine control parameters

通过数据分析发现，采用该方案后，主离合结合时发动机最低转速提高到300 rpm左右，较提升发动机怠速效果更明显。

假设在发动机响应时间t以前，主离合结合前后遵守动量守恒定律，则整车工作装置转动惯量越大，结合后发动机转速越低。提升发动机怠速能提高初始动量值，在发动机响应前，可以保证发动机最低转速提升，防止发动机熄火。

另外，尽量缩短发动机响应时间，可以让发动机提升输出动力，在转速未降低至熄火转速前提升整体的转速。

而提升怠速扭矩在该案例中不属于关键因素，主要是因为结合主离合速度较快，发动机在短暂的时间内无法发挥出怠速点最大扭矩。

3.2 整车优化方案

经过前面分析，解决该问题可以尽可能地降低整车工作装置的转动惯量或者阻力。受限于对联合收获机了解，提出以下几个解决方案。

3.2.1 降低旋转件转动惯量

在保证可靠性和抗负荷突变的前提下，在整车设计初期要考虑将整车工作部件的转动惯量尽可能降低。

将该收获机割台换为另一种割台，新割台附件减少。经过测试，切换新割台后，主离合结合时发动机最低转速达278 rpm，较原状态有较大提升。

3.2.2 工作装置分时加载

由于联合收获机工作装置较多，同时旋转势必会给发动机较大的负荷。采用分时加载策略可以有效避免负荷过大，如通过控制逻辑先使脱粒装置结合，待发动机转速提升至一定转速后，再使清选等工作装置结合。

3.2.3 减小工作装置加载速度

通过控制逻辑，使工作装置以较小的加速度提升转速。加速度越小，发动机的负荷就越小，能从一定程度上减小对发动机的冲击，避免熄火。

4 总结

针对轮式谷物收获机怠速加载问题，提高发动机响应、提高发动机怠速可以解决发动机熄火问题，提高发动机响应效果最佳。整车方面可以通过优化结构、优化控制策略来降低发动机负荷。

本次处理该机型怠速加载熄火问题，本着双方改动最小、用户接受程度高的原则，最终采取了提高发动机响应性的措施。但从长远来看，整车与发动机要互相配合，在轮式联合收获机性能提升之初就将怠速加载问题加以考虑，避免后续改动影响整车可靠性，延长产品使用周期。