基于經(jīng)濟(jì)線的柴油機(jī)節(jié)能控制方法研究

陳建華，穆希輝，杜峰坡，呂 凱

(1.軍械工程學(xué)院機(jī)電系，河北石家莊050000;2.中國人民解放軍總裝備部軍械技術(shù)研究所，河北石家莊050000)

0 引 言

工程機(jī)械工況復(fù)雜、負(fù)載變化頻繁而引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。研究柴油機(jī)的節(jié)能控制是有效防止柴油機(jī)熄火、改善燃油效率的一種途徑［1］。發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性是發(fā)動(dòng)機(jī)幾個(gè)主要特性參數(shù)之間相互關(guān)系的一種綜合特性，研究柴油機(jī)參數(shù)控制能為工程車傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力匹配和優(yōu)化提供分析依據(jù)［2］。蘇秀平等人［3］針對不同工況挖掘機(jī)功率損失形式提出了柴油機(jī)恒阻力矩控制節(jié)能控制原理;李仲興等人［4］通過對混凝土泵車恒功率節(jié)能研究提出了柴油機(jī)與HST的匹配區(qū)間設(shè)定法，一定程度促進(jìn)了柴油機(jī)節(jié)能控制在實(shí)際工程中的應(yīng)用;陳豐峰等人［5］研究了基于負(fù)荷傳感控制的泵控定量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以負(fù)荷閥為感應(yīng)元件，自動(dòng)控制泵流量和柴油機(jī)參數(shù)以減少了能量浪費(fèi)，董寧寧等人［6］總結(jié)了工程機(jī)械混合動(dòng)力的結(jié)束特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，提出了不同的能量回收率和燃油利用率解決策略。

上述研究大多數(shù)局限于理論研究，難以在工程實(shí)際中得到實(shí)際的應(yīng)用。為此，基于Matlab的某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線，本研究通過曲線推導(dǎo)出基經(jīng)濟(jì)工作線節(jié)能控制方法，并將之應(yīng)用于小型履帶搬運(yùn)車上，用實(shí)驗(yàn)方法證明該法在實(shí)際應(yīng)用中可以簡化控制系統(tǒng)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 萬有特性優(yōu)化模擬

1.1 萬有特性在遙操作中的應(yīng)用

遙操作系統(tǒng)使駕駛員的工作從隨車駕駛室解放成定點(diǎn)操作。然而這樣的遙控操作也自然地使人脫離了具體的駕駛體驗(yàn)，發(fā)揮不了已有的豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)，容易使發(fā)動(dòng)機(jī)加油過度或者不足，造成動(dòng)力浪費(fèi)或者熄火。在遙操作系統(tǒng)中，電磁信號通常被轉(zhuǎn)化成車載控制器的電信號，以控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣的機(jī)電控制為遙操作系統(tǒng)的動(dòng)力匹配和電子節(jié)能控制提供了便利［7］。

具體的柴油機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力匹配如圖1所示，無線發(fā)射器給定油門信號，通過無線傳播傳遞到控制器上，控制器按照預(yù)設(shè)最佳經(jīng)濟(jì)工作線確定柴油機(jī)輸出到傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和扭矩，并且通過閉環(huán)反饋實(shí)時(shí)修正偏差，保持輸出特性［8］。最佳經(jīng)濟(jì)工作線往往需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的等耗油率曲線來確定，也就是萬有特性曲線。

1.2 萬有特性數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)

本研究在二維坐標(biāo)內(nèi)做出若干條等耗油率曲線(也有等功率曲線)，組成曲線族，它可以用于分析各種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)型。應(yīng)用最廣的發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性是將發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，其關(guān)系式如式(1)所示:

圖1 遙操作中節(jié)能控制系統(tǒng)框圖

式中:ge—燃油消耗量，g/(kW·h);ne—轉(zhuǎn)速，r/min;Te—轉(zhuǎn)矩，N·m;Ai—多項(xiàng)式系數(shù);s—多項(xiàng)式階數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)采集每個(gè)三維對應(yīng)點(diǎn)然后輸入到計(jì)算機(jī)獲得萬有特性是不可能的，為此需要優(yōu)化萬有特性曲線模擬方法。在不增加工作量的前提下，本研究測試從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速、最小扭矩到最大扭矩典型工況下的具有代表性數(shù)據(jù)，采用曲面擬合的方法求取式中參數(shù)。在多項(xiàng)式擬合中，通常每一個(gè)變量的階次均不宜超過5。

1.3 萬有特性的繪制

柴油機(jī)通常通過負(fù)荷特性采用曲面擬合方法做出萬有特性圖，其實(shí)質(zhì)是擬線性回歸問題，確定平面觀測點(diǎn)的回歸模式為［9］:

式(2)中，Z的每行數(shù)值代表某轉(zhuǎn)速下的燃油特性曲線，整個(gè)Z即為坐標(biāo)(x，y)的函數(shù)。Z的行列數(shù)d與多項(xiàng)式階數(shù)s關(guān)系如式(3)所示:

在Matlab進(jìn)行插值計(jì)算時(shí)，首先需要通過試驗(yàn)測定發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的扭矩和對應(yīng)的燃油消耗。本研究建立表格數(shù)據(jù)，通過Matlab的讀取文件命令把試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，計(jì)算回歸參數(shù)矩陣Z，利用mesh命令繪制的萬有特性三維曲面圖如圖2所示。本研究利用contour命令繪制不同燃油率的等高線，其中等高差值可以自由定義，僅影響行程疏密程度而已。

圖2 萬有特性三維曲面

等高線在轉(zhuǎn)速—壓力坐標(biāo)中投射就形成了萬有特性燃油等高曲線圖，如圖3所示。

圖3 萬有特性燃油等高曲線

根據(jù)萬有特性等高曲線圖，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的經(jīng)濟(jì)性，其經(jīng)濟(jì)性實(shí)質(zhì)就是萬有特性曲面圖的等高線的形狀及分布情況:

(1)最內(nèi)層的等油耗曲線包圍區(qū)域是燃油最經(jīng)濟(jì)區(qū)域，曲線越向外，經(jīng)濟(jì)性越差。一般地，柴油機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域總是在扭矩最高和轉(zhuǎn)速中高區(qū)域，并非在額定轉(zhuǎn)速附近。

(2)等油耗封閉曲線橫向?qū)挾乳L，說明在相當(dāng)?shù)娜加吐氏戮哂休^寬的轉(zhuǎn)速范圍，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性好。

(3)等油耗封閉曲線縱向?qū)挾乳L，說明在相當(dāng)?shù)娜加吐氏缕渚哂休^寬的負(fù)荷范圍，扭矩適應(yīng)性好。

2 基于經(jīng)濟(jì)工作線節(jié)能控制法

2.1 最佳工作曲線的意義

一般地，柴油機(jī)可以在萬有特性曲線外特性內(nèi)的任一點(diǎn)工作，可是為了提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性，就要規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)軌跡，使工作點(diǎn)沿著一條最佳經(jīng)濟(jì)工作線工作。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)運(yùn)行功率下，等功率曲線和等油耗曲線的切點(diǎn)為該功率下的經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)，各經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)的連線即為發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)工作曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，將工作點(diǎn)設(shè)在經(jīng)濟(jì)工作曲線附近，就會提高燃油利用率，達(dá)到節(jié)能目的。

2.2 最佳工作曲線的繪制

理論上，最佳經(jīng)濟(jì)曲線是等功率曲線和等油耗曲線切點(diǎn)連線，這樣的連線可能是十分復(fù)雜曲折的，無法指導(dǎo)實(shí)際工作。為此需要對最佳工作線進(jìn)行優(yōu)化，考慮到某些工況并不是常用工況，如能快速穿過這類區(qū)域，更加符合常用工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性控制，避免了長期在非經(jīng)濟(jì)區(qū)工作，達(dá)到了工程機(jī)械實(shí)際使用要求［10-11］。

在萬有特性曲線中，筆者通過繪制等功率曲線，在完整的萬有特性曲線中標(biāo)定典型的最佳工作點(diǎn)，并對這些點(diǎn)插值來求出最佳經(jīng)濟(jì)線，等功率曲線和最佳經(jīng)濟(jì)工作線如圖4所示。

圖4 等功率曲線和最佳經(jīng)濟(jì)工作線

(1)在發(fā)動(dòng)機(jī)低速低功率區(qū)域，即怠速1000 r/min～1 500 r/min之間、功率在3 kW～9.04 kW，最佳經(jīng)濟(jì)線沿著366耗油曲線工作，這樣避免陷入402和439高耗油區(qū)中。

(2)在發(fā)動(dòng)機(jī)中速中高功率區(qū)域，即1 500 r/min～3 500 r/min之間、功率在9.04 kW ～51.2 kW，這是常用工況，基本沿著切點(diǎn)連線工作，使得功率上升總能盡量早地進(jìn)入到更加節(jié)能的燃油區(qū)域，如圖4所示，基本落在了最經(jīng)濟(jì)區(qū)域。

(3)在發(fā)動(dòng)機(jī)高速高功率區(qū)域，即高于2 500 r/min和功率在51.2 kW～65 kW，考慮到扭矩隨轉(zhuǎn)速下降，筆者采用稍降低扭矩的控制策略，但是總體仍能保證落在經(jīng)濟(jì)區(qū)域附近。

(4)有時(shí)候?yàn)榱朔奖阆乱徊娇刂坪途幊坦ぷ?，也可以用分段的線段來作為經(jīng)濟(jì)工作線，可以使加油過程直觀方便，又能在大部分工況保持在經(jīng)濟(jì)區(qū)，如圖4中的多段線組成的工作線所示。

3 燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)比較

本研究采用上述方法，HST排量和柴油機(jī)油門根據(jù)控制曲線自動(dòng)匹配。實(shí)驗(yàn)中用一輛1.4 t重載重500 Kg履帶車，加注20 L柴油，先后用人工操作和自動(dòng)控制進(jìn)行強(qiáng)度跑車實(shí)驗(yàn)，直到油箱耗油結(jié)束，記錄時(shí)間。本研究在記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓系統(tǒng)壓力進(jìn)行燃油換算時(shí)，每隔15 s記錄一次測試速度和測試扭矩，總共記錄時(shí)間為整車行駛一圈的時(shí)間(假設(shè)每圈行駛情況相同)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燃油消耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

行駛履帶車在環(huán)形實(shí)驗(yàn)廠跑車，由于地形和坡度原因，外負(fù)載變化頻繁。手工操作當(dāng)然還與操作員本身的駕駛經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，該實(shí)驗(yàn)中駕駛員為培訓(xùn)2個(gè)月的中級駕駛員，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，由于抖動(dòng)和對地形判斷失誤造成的不匹配，引起了燃油大大增加，相對于自動(dòng)控制燃油消耗增加了18.7%，而由于采用基于經(jīng)濟(jì)工作線節(jié)能控制法，系統(tǒng)能根據(jù)外界負(fù)載實(shí)時(shí)查詢微機(jī)儲存數(shù)據(jù)，通過對比，達(dá)到了較好的節(jié)能控制結(jié)果。

4 結(jié)束語

本研究通過曲線回歸法優(yōu)化了工程車輛用柴油機(jī)萬有特性曲線模擬仿真求取方法，其具有原理直觀、物理意義明確、工作量小、模擬精度高等優(yōu)點(diǎn)。本研究解決了柴油機(jī)工況復(fù)雜、非線性度高、難以準(zhǔn)確提取萬有特性的難題，通過多段一維折線改進(jìn)了柴油機(jī)工作油耗，確立了經(jīng)濟(jì)工作線，為工程機(jī)械燃油控制提供了指導(dǎo)。通過基于經(jīng)濟(jì)工作線節(jié)能控制法，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)在各種工況下的電子節(jié)能控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過閉環(huán)反饋控制，自動(dòng)匹配柴油機(jī)油門，提高了柴油機(jī)的燃油效率。

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