基于YC2105小型農(nóng)用柴油機(jī)電控調(diào)速器控制策略研究

程 艷，黃亦其

（1. 廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530226；2.廣西大學(xué)，南寧 530001）

0 引言

柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是運(yùn)行調(diào)節(jié)中重要的控制內(nèi)容之一。YC2105柴油機(jī)使用的調(diào)速器為離心式機(jī)械調(diào)速器，這種調(diào)速器單純的依靠彈簧力和離心力之間的不平衡作用，通過驅(qū)動機(jī)械機(jī)構(gòu)——油量調(diào)節(jié)齒桿來改變供油量以達(dá)到調(diào)速的目的，由于這種形式的調(diào)速器借助機(jī)械元件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差信號的測量和放大，則著慣性滯后、摩擦阻力大等先天缺陷不可避免的存在，當(dāng)發(fā)生外界負(fù)荷變化時，較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)規(guī)律和控制功能較難實(shí)現(xiàn)，同時，機(jī)械式調(diào)速系統(tǒng)也無法滿足降低油耗、提高調(diào)節(jié)精度、減少有害排放等要求，故對該柴油機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行電控化改進(jìn)是迫在眉睫的。

1 YC2105型柴油機(jī)電控調(diào)速器工作原理

柴油機(jī)要穩(wěn)定運(yùn)行，就需要改變循環(huán)供油量來使輸出力矩與外界負(fù)荷力矩相平衡[1]。由于柴油機(jī)其扭矩相對轉(zhuǎn)速的變化適應(yīng)系數(shù)比較低，故柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速較容易受到外界負(fù)荷的影響，因此負(fù)荷變化較大時便可能導(dǎo)致柴油機(jī)熄火或者飛車。此外，由于外界負(fù)荷的變化不可預(yù)料，因而由人來控制柴油機(jī)的供油量來適應(yīng)負(fù)荷的變化是不現(xiàn)實(shí)的，柴油機(jī)必須具備調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)荷增加、轉(zhuǎn)速下降時，調(diào)速系統(tǒng)增大燃油輸出使轉(zhuǎn)速上升，保證柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，反之同理。

電子調(diào)速器工作原理就是先通過傳感器測量柴油機(jī)轉(zhuǎn)速等信號，然后將各信號送至控制器（ECU）中與原設(shè)定值進(jìn)行比較，ECU按控制規(guī)則、運(yùn)算放大后發(fā)命令到執(zhí)行器，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)齒桿，調(diào)節(jié)供油量，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的目的[2]。

調(diào)速系統(tǒng)是否完善很大程度上決定了一臺柴油機(jī)性能的優(yōu)劣。柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成一般包括傳感器、控制裝置及驅(qū)動執(zhí)行裝置。其調(diào)速系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)示意圖

2 YC2105柴油機(jī)電控調(diào)速器控制策略

為了能在小型柴油機(jī)上，特別是農(nóng)用柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)電子控制燃油供給，本研究將位置控制式直列泵進(jìn)行改進(jìn)，升級目前YC2105型柴油機(jī)的技術(shù)性能、降污減排。以玉柴動力機(jī)械有限公司的YC2105型柴油機(jī)為研究對象，進(jìn)行電控直列泵模糊PID控制試驗(yàn)研究，以電控系統(tǒng)改變齒桿行程位置控制油量[3]。

YC2105型柴油機(jī)電控調(diào)速器控制的內(nèi)容包括YC2105基本噴油量的控制，啟動噴油量以及怠速轉(zhuǎn)速的控制等。

2.1 柴油機(jī)基本噴油量的控制

柴油機(jī)基本噴油量的控制框圖如圖2所示。發(fā)動機(jī)油門踏板傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的信號傳送至ECU，ECU根據(jù)這些信息來確定基本噴油量，并根據(jù)進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度等外界條件進(jìn)行修正后，確定對應(yīng)的目標(biāo)齒桿位置Rwr；然后將驅(qū)動電路中目標(biāo)位置與傳感器的實(shí)測位置進(jìn)行比較，輸出按兩者之差對應(yīng)比例的驅(qū)動電流IA到執(zhí)行器，執(zhí)行器按驅(qū)動電流的大小，調(diào)整齒桿位置并噴射實(shí)際的油量到發(fā)動機(jī)。

圖2 基本噴油量控制框圖

圖3 啟動噴油量控制原理圖

2.2 柴油機(jī)起動噴油量控制

柴油機(jī)根據(jù)起動速度的快慢，冷起動性能好壞，起動時有害氣體的排放量等控制噴油量。采用電控后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)能隨冷卻液及環(huán)境溫度的變化合理組織起動時的噴油量和噴油始點(diǎn)，發(fā)動機(jī)既能快速起動，又能解決起動排放差，冒黑煙等問題。柴油機(jī)需要正常啟動，就需控制 “不同啟動條件下所對應(yīng)的最佳起動噴油量”，因此，首先要判斷當(dāng)前是否為啟動工況，并滿足已下幾個條件：

1）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n=0；

2）怠速開關(guān)ON狀態(tài)；

3）啟動開關(guān)ON狀態(tài)；

4）變速器處于空檔位置；

5）駐車制動器處于制動[4]。

確認(rèn)是啟動工況后，開始實(shí)施啟動噴油量的控制，冷卻液溫度的修正量和基本啟動噴油量來確定啟動噴油量。即

其中qv——基本噴油量；

qv——修正噴油量。

如圖3所示為啟動噴油量控制原理圖。第一步：ECU根據(jù)啟動開關(guān)SW、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和怠速開關(guān)的狀態(tài)來判斷柴油機(jī)是否為啟動工況；第二步：根據(jù)怠速開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速信號在基本啟動噴油量模型中得出對應(yīng)工況的基本噴油量；第三步：根據(jù)起動時冷卻液的溫度值，將目標(biāo)啟動噴油量進(jìn)行修正。

當(dāng)啟動柴油機(jī)后，怠速開關(guān)則閉合，起動開關(guān)斷開；或者啟動轉(zhuǎn)速nvq＜nstvr時，解除啟動工況控制，進(jìn)入其他控制狀態(tài)。

2.3 柴油機(jī)怠速控制系統(tǒng)

怠速運(yùn)轉(zhuǎn)是不踩加速踏板時的空轉(zhuǎn)運(yùn)行，是發(fā)動機(jī)最為常見的工況之一，最佳怠速轉(zhuǎn)速是變化的，如當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度變化、空調(diào)開啟等，怠速轉(zhuǎn)速的控制則不盡相同。

油門踏板傳感器的怠速開關(guān)、電控單元ECU以及空調(diào)開關(guān)等主要部件組成了柴油機(jī)怠速控制系統(tǒng)。怠速開關(guān)通常設(shè)在油門傳感器踏板最大位置處，當(dāng)踏板處于最大位置時怠速開關(guān)閉合，此時噴油量的絕對值很小，踩下油門踏板后怠速開關(guān)斷開。如圖4所示為怠速轉(zhuǎn)速控制原理框圖。1）電控單元ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器信號和怠速開關(guān)信號判斷柴油機(jī)處于什么狀態(tài)，是否為怠速狀態(tài)；2）根據(jù)此時的冷卻液溫度高低和空調(diào)開關(guān)等相關(guān)信息來確定目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速[5]；3）將目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速與實(shí)際怠速轉(zhuǎn)速相比較，計算出要達(dá)到目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速所需的噴油量；4）通過對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制使之獲取實(shí)際怠速噴油量，從而達(dá)到對行怠速轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的目的，使控制怠速轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速一致的目的。由于此控制在在怠速開關(guān)閉合時進(jìn)行的怠速轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，故油門踏板一旦踩下、怠速開關(guān)斷開，怠速控制則停止。

圖4 怠速轉(zhuǎn)速控制原理框圖

怠速控制過程中，1）電控單元（ECU）判斷發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況，發(fā)動機(jī)起動狀態(tài)按起動工況噴油量進(jìn)行控制；當(dāng)發(fā)動機(jī)怠速工況時，檢測實(shí)測轉(zhuǎn)速，并將此轉(zhuǎn)速與目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較；2）將實(shí)測轉(zhuǎn)速與目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速兩者比較相差超過±10r/min時，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始調(diào)節(jié)齒桿位置達(dá)到控制怠速噴油量的目的。為適應(yīng)在較低冷卻液溫度條件下快速暖車，設(shè)定怠速轉(zhuǎn)速高一些，隨著冷卻液溫度增高而逐漸降低怠速轉(zhuǎn)速。此外，根據(jù)怠速時帶空調(diào)負(fù)荷、電器負(fù)荷以及轉(zhuǎn)向助力負(fù)荷等情況，修正目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，提高怠速轉(zhuǎn)速的控制。

3 結(jié)束語

柴油機(jī)性能的好壞很大程度上取決于該調(diào)速系統(tǒng)的完善程度[6]，80年代開始，柴油機(jī)電子調(diào)速技術(shù)的研究荷應(yīng)用在國外快速發(fā)展，在我國，國內(nèi)各大科研院校紛紛投入研究，已取得一些階段性成果，但是各種方法與國外相比還存在差距，特別是小型農(nóng)用柴油機(jī)的電控調(diào)速技術(shù)還需要投入大量人力物力。本文以YC2105型小型農(nóng)用柴油機(jī)目前存在的缺陷進(jìn)行電控調(diào)速控制策略研究，對下一步實(shí)現(xiàn)控制模型的建立打下良好的基礎(chǔ)。

[1] 張華.模糊集理論在大功率電子控制柴油機(jī)上的應(yīng)用[A].第二屆大功率柴油機(jī)學(xué)術(shù)年會論文集[C],1996:260-264.

[2] 騰萬慶. 柴油機(jī)數(shù)字式電子調(diào)速系統(tǒng)智能控制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué), 1997.

[3] 王芝秋. 采用動穩(wěn)態(tài)模式分離PID調(diào)速算法進(jìn)一步改進(jìn)柴油機(jī)調(diào)速性能[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 1993, 14(1): 57-60.

[4] YC2108/YC2115/YC2105/YC2100系列柴油機(jī)使用維護(hù)說明書[Z]. 廣西玉柴動力機(jī)械有限公司, 15.

[5] 王尚勇, 楊青. 柴油機(jī)電子控制技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 203-205.

[6] 騰萬慶. 柴油機(jī)調(diào)速新技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2000: 1-2.