基于柴油電噴發(fā)動機的油門控制

李鋒偉　趙　虎（. 龍工（上海）挖掘機制造有限公司，上?！?6；. 派克漢尼汾液壓（天津）有限公司，天津　300385）

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基于柴油電噴發(fā)動機的油門控制

李鋒偉1趙虎2
（1. 龍工（上海）挖掘機制造有限公司，上海201612；2. 派克漢尼汾液壓（天津）有限公司，天津300385）

摘要本文通過分析不同的電噴發(fā)動機油門控制方式的原理，比較其在現(xiàn)代液壓挖掘機上的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)，得出在提高挖掘效率和改善燃油經(jīng)濟性方面，更符合中國市場需求的技術(shù)方向。

關(guān)鍵詞：電噴發(fā)動機；油門控制方式；電控系統(tǒng)；功率匹配；燃油經(jīng)濟性；挖掘效率

Throttle Control of Electronic Fuel Injection Diesel Engine

Li Fengwei1Zhao Hu2
（1. Lonking （Shanghai） Excavator Co.， Ltd， Shanghai201612; 2. Parker Hannifin Hydraulics （Tianjin） Co.， Ltd， Tianjin300385）

Abstract According to analyze the theory between different throttle control modes of electronic fuel injection （EFI） engine， and compare their real application data derived from modern hydraulic excavator， results in the more in line with technical direction of China market demand at the aspect of improving digging efficiency and fuel economy.

Keywords：electronic fuel injection （EFI） engine; throttle control mode; electronic control system; power match; fuel economy; digging efficiency

隨著挖掘機技術(shù)的發(fā)展日漸成熟，多功能化、智能化，網(wǎng)絡(luò)化已成為挖掘機發(fā)展的一個趨勢。再加上近年來國家對環(huán)保以及能源戰(zhàn)略的要求，還有最終用戶資源最大化的需求，電噴發(fā)動機在液壓挖掘機上的應(yīng)用越來越多，也越來越被用戶認可。雖然電噴發(fā)動機對燃油質(zhì)量的要求比機械式發(fā)動機要高，但是在燃油消耗量和挖掘效率方面，電噴發(fā)動機的優(yōu)勢很明顯，特別是在高原地區(qū)，電噴發(fā)動機的優(yōu)越性更加突出，因為電噴發(fā)動機只需要調(diào)整其電子控制模塊（ECM）的參數(shù)就可以在高原地區(qū)正常使用，而機械式發(fā)動機則很難在高原地區(qū)正常工作。充分利用發(fā)動機功率，使發(fā)動機工作在高燃油效率區(qū)域，提高整機的燃油經(jīng)濟性，也是電噴發(fā)動機的優(yōu)勢所在。

原動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)之間的功率匹配控制是液壓挖掘機節(jié)能研究的重要方向。電控系統(tǒng)起到橋梁紐帶的作用，將原動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和工作負載三者有機地結(jié)合起來，通過實時采集液壓系統(tǒng)各主要壓力參數(shù)的變化，發(fā)動機負荷率和瞬時油耗的變化，并分析其變化規(guī)律，通過調(diào)節(jié)電子比例減壓閥的輸入電流，來及時調(diào)整液壓系統(tǒng)的輸入功率，也就是發(fā)動機的輸出功率來實現(xiàn)發(fā)動機的高效工作，提高發(fā)動機的燃油效率。對于電噴發(fā)動機來說，其本身的ECM，實現(xiàn)了對發(fā)動機混合氣空燃比和點火提前角的精確控制，特別是在過渡工況下能進行瞬時精確控制，使發(fā)動機在任何工況下都能處在最佳狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。相比機械式柴油機，ECM的控制效能已大為提高和精準，不過要充分發(fā)揮其效能，需要車載電控系統(tǒng)的實時介入，在挖掘機不同負載狀況下選擇不同的控制方式。目前電噴式柴油發(fā)動機的油門控制方式有幾種，在非公路設(shè)備上主要以兩種方式為主，一種方式是扭矩轉(zhuǎn)速控制方式，即通常所稱的TSC1方式，二是油門開度方式控制，即通常所稱的油門百分比方式。本文就這兩種控制方式進行對比分析，從實際工作中，總結(jié)哪種控制方式的燃油消耗更低，挖掘效率更高，穩(wěn)定性更好。下面以康明斯電噴柴油發(fā)動機為例，在實際的應(yīng)用過程中分析對比不同油門控制方式所表現(xiàn)的特性。

1　扭矩轉(zhuǎn)速控制方式-TSC1

在液壓挖掘機的電子控制系統(tǒng)中，車載控制器負責設(shè)定多種工作模式及各個擋位和對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，車載控制器和發(fā)動機ECM之間通過CAN2.0B總線進行通信，具體按標準的SAE J1939協(xié)議規(guī)定執(zhí)行。若電噴式發(fā)動機采用TSC1油門控制方式，車載控制器需向發(fā)動機ECM直接發(fā)送轉(zhuǎn)速值，來控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。在TSC1控制方式下，SAE J1939通信協(xié)議對發(fā)動機速度控制具體規(guī)定要求為，發(fā)動機的掉速率和調(diào)速率都是0%，所以當挖掘機在任何工作模式下，無論是空載還是負載狀態(tài)，ECU總是控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，使之在設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速下工作。比如設(shè)定空載轉(zhuǎn)速1500r/min，負載時發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬間掉50r/min左右，而穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速基本還是保持在1500r/min。所以在此TSC1轉(zhuǎn)速控制方式下，發(fā)動機基本不在額定功率狀態(tài)下工作，也就是說整個系統(tǒng)的負荷率（percent load）加不上去，如果負荷率達到80%以上，可以說此時發(fā)動機的燃油消耗和效率比一定是比較好的，如果達到95%以上，這時候的燃油消耗和效率比是最好的，因為此時發(fā)動機的功率幾乎完全被利用，發(fā)動機達到了最佳燃油消耗點。如果負荷百分比低于80%，甚至更低時，發(fā)動機的功率沒有被充分利用和發(fā)揮，當然要損失一定燃油，燃油消耗和效率比自然降低。

在挖掘機的實際應(yīng)用過程中，通過數(shù)據(jù)采集和在不同工作模式下的工作狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速無論在空載還是在帶載挖掘狀態(tài)，都相對比較穩(wěn)定，波動不是很大，負荷率相對較低，燃油消耗相對會高些。

圖1　TSC1扭矩轉(zhuǎn)速控制方式-轉(zhuǎn)速變化

2　油門開度控制方式-油門百分比

電噴發(fā)動機的另外一種油門控制方式：油門開度。在此方式下，車載控制器按標準的SAE J1939協(xié)議向發(fā)動機ECU發(fā)送油門百分比命令，發(fā)動機ECU會控制與百分比對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。發(fā)動機的調(diào)速率可以通過總線進行選擇，如7%、9%、12%等，電噴發(fā)動機一般都提供可供選擇的扭矩設(shè)置，通常為3條，通過總線向ECM發(fā)送信號進行選擇；如下（某品牌柴油電噴發(fā)動機曲線選擇發(fā)法）：

1）扭矩曲線的選擇：

（1）選擇扭矩曲線1

18FDCB30xTx d 8 FF 01 FF FF FF FF FF FF

（2）選擇扭矩曲線2

18FDCB30xTx d 8 FF 02 FF FF FF FF FF FF

（3）選擇最大的扭矩曲線

18FDCB30xTx d 8 FF 00 FF FF FF FF FF FF

圖2　電噴發(fā)動機扭矩曲線圖

2）調(diào)速率的選擇

（1）選擇調(diào)試率1

18FDCB30x Tx d 8 FF FF F1 FF FF FF FF FF

（2）選擇調(diào)試率2

18FDCB30x Tx d 8 FF FF F2 FF FF FF FF FF

（3）選擇最小的調(diào)試率

18FDCB30x Tx d 8 FF FF F0 FF FF FF FF FF

圖3　電噴發(fā)動機調(diào)速率曲線圖

在適當?shù)耐饨缲撦d下，自動選擇合適的發(fā)動機扭矩曲線，保證發(fā)動機輸出功率的平穩(wěn)性。調(diào)速率曲線的選擇決定發(fā)動機掉速，發(fā)動機速度下降過多，影響液壓泵的排量，泵的排量下降，輸出功率也下降，動力裝置速度下降。因此，實時監(jiān)控發(fā)動機轉(zhuǎn)速，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于目標轉(zhuǎn)速的7%、9%、12%，進行液壓功率越權(quán)控制，保證發(fā)動機掉速在允許的范圍內(nèi)。

電噴發(fā)動機的調(diào)速率標定的是額定轉(zhuǎn)速下的，在非額定轉(zhuǎn)速下的調(diào)試率可進行插值計算，所以當選定12%調(diào)速率時，只是在額定轉(zhuǎn)速下是12%，其他轉(zhuǎn)速下可進行差值計算。在實際調(diào)試過程中一般先選用較大的調(diào)速率，把發(fā)動機的最大效率發(fā)揮出來。當然進行實際調(diào)試過程中，每選一條扭矩曲線，可選擇不同的調(diào)速率進行相應(yīng)的試驗，把所有結(jié)果通過試驗的手段記錄下來，進行比較，就很容易找到各模式下、各擋位下哪組對應(yīng)的調(diào)速率和扭矩曲線是燃油消耗最小、挖掘效率最高的。數(shù)據(jù)都是通過試驗得出的，具有較強的說服力。當然調(diào)試率選擇的越大，發(fā)動機的掉速相對就越大，越能發(fā)揮發(fā)動機的功率，在相同負荷下（即負荷率相同）和效率的情況下，此時發(fā)動機還最省燃油。

圖4　油門開度控制方式-轉(zhuǎn)速變化

3　控制方式比較

電噴式發(fā)動機的油門控制方式還有遠程油門、頻率油門等多種形式，但是在挖掘機中應(yīng)用較多的是TSC1及開度油門兩種，其他方式不適合于液壓挖掘機產(chǎn)品，這里就不一一贅述。

通過從實際工況試驗中得出的TSC1和油門開度兩種情況下的試驗數(shù)據(jù)如下：

表1　TSC1方式下的油耗效率及轉(zhuǎn)速情況

表2　油門開度方式下的油耗效率及轉(zhuǎn)速情況

對比可以看出在設(shè)定轉(zhuǎn)速一定的情況下，油門開度的油耗和工作效率相對TSC1方式要好，這是因為油門開度控制方式充分發(fā)揮了發(fā)動機的功率，雖然發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化稍大些，但是此時的發(fā)動機和泵的功率匹配良好，發(fā)動機負荷率在80%以上。當然TSC1這種方式使發(fā)動機轉(zhuǎn)速始終在設(shè)定轉(zhuǎn)速附近工作，燃油消耗肯定會稍大，不能充分利用發(fā)動機的有效功率且負荷率也相對較低，所以效率也相對較低。

4　結(jié)論

綜上，電噴發(fā)動機在挖掘機的應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先考慮使用油門開度的控制方式，這樣不但能充分利用發(fā)動機的有效功率，減少燃油消耗量，還能提高發(fā)動機的負荷率進而提高挖掘機的挖掘效率，這也是適合中國國情需求的一種最佳方式。

參考文獻

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李鋒偉（1981-），男，本科，龍工（上海）挖掘機制造有限公司技術(shù)中心研發(fā)工程師，從事中大型挖掘機整機電控系統(tǒng)集成設(shè)計，挖掘機產(chǎn)品新技術(shù)應(yīng)用，性能質(zhì)量管理分析工作。

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