輪式裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制研究

楊智宇， 陸佳紅， 柳少康

(1.重慶工商大學(xué) 制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067；2. 北京車和家信息技術(shù)有限公司 整車功能與軟件中心，北京 101300)

0 引 言

輪式裝載機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、港口、建筑和基礎(chǔ)設(shè)施等工程領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外均已將節(jié)能減排指標(biāo)作為裝載機(jī)產(chǎn)品許可強(qiáng)制規(guī)定[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)作為傳統(tǒng)動(dòng)力裝載機(jī)的唯一動(dòng)力來(lái)源，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)裝載機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響很大。對(duì)國(guó)內(nèi)某型輪式裝載機(jī)開展了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：當(dāng)駕駛員突然踩下加速踏板，排氣管有黑煙冒出，表明發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒不充分，瞬時(shí)油耗較高[3]；在V字形工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工作點(diǎn)分布在燃油消耗率較高區(qū)域，相比國(guó)外的同級(jí)別機(jī)型，經(jīng)濟(jì)性欠佳；把加速踏板開度作為單一變量控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，未對(duì)裝載機(jī)的工況進(jìn)行識(shí)別。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種輪式裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制方法，主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)節(jié)能控制，通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度，降低加速踏板行程突然增大時(shí)的瞬時(shí)油耗；整機(jī)兩作業(yè)模式節(jié)能控制，通過(guò)模式選擇開關(guān)設(shè)置作業(yè)模式，在實(shí)現(xiàn)工況識(shí)別的同時(shí)，也盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布在燃油消耗率較低的區(qū)域，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。最后開展了實(shí)車實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：控制策略在動(dòng)力模式下保證了與原車控制策略相同的動(dòng)力性，且燃油經(jīng)濟(jì)性有所提高；在經(jīng)濟(jì)模式下具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 原型機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制策略是基于某型傳統(tǒng)動(dòng)力輪式裝載機(jī)開發(fā)的，由減速系統(tǒng)、液力變矩器、發(fā)動(dòng)機(jī)及其管理系統(tǒng)(EMS)、工作變量泵、手自一體變速器及其控制單元(TCU)和轉(zhuǎn)向變量泵等核心零部件組成其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。各系統(tǒng)獨(dú)立工作，其狀態(tài)信息通過(guò)CAN總線發(fā)送到VCU(Vehicle Control Unit，整車控制器)，VCU根據(jù)駕駛員的輸入及各系統(tǒng)狀態(tài)信息，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制。根據(jù)液力變矩器的工作特性，裝載機(jī)在工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)。

圖1 原型機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)節(jié)能控制

當(dāng)駕駛員有急加速或鏟裝工作需求時(shí)，會(huì)急速踩下加速踏板。為了滿足動(dòng)力性需求，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需迅速提升。此時(shí)電控噴射系統(tǒng)立刻增加噴油量，燃油混合氣瞬間加濃，內(nèi)部燃燒條件變差，導(dǎo)致整機(jī)瞬時(shí)油耗增加和排放惡化[4-6]。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)廠商多采用變參數(shù)PID(Proportional integral derivative，比例積分微分)方法控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)駕駛員急速踩下加速踏板時(shí)，若不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度進(jìn)行限制，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到期望轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間未必最短[7-8]。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試

為了驗(yàn)證上述思想，在相同車輛狀態(tài)、相同測(cè)試環(huán)境下，針對(duì)原型機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中的總油耗及響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試研究，測(cè)試方案：設(shè)定其實(shí)轉(zhuǎn)速為800 rpm，采用不同的角加速度進(jìn)行加速，直至目標(biāo)轉(zhuǎn)速為2 000 rpm記錄其油耗。

發(fā)動(dòng)機(jī)在不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中的總油耗如圖2所示。當(dāng)角加速度為700 rpm/s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中的總油耗最低，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況下燃油經(jīng)濟(jì)性最好。因此，當(dāng)駕駛員不追求動(dòng)力性時(shí)，應(yīng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的角加速度限制在700 rpm/s。

圖2 不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中的總油耗

發(fā)動(dòng)機(jī)在不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中的上升時(shí)間如圖3所示。當(dāng)角加速度為1 000 rpm/s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中的上升時(shí)間最短，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況下動(dòng)力性最好。因此，當(dāng)駕駛員追求動(dòng)力性時(shí)，應(yīng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的角加速度限制在1 000 rpm/s。

圖3 不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中的上升時(shí)間

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)節(jié)能控制策略

針對(duì)急加速或鏟裝工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速提升過(guò)程中瞬時(shí)油耗增加和排放惡化的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)節(jié)能控制策略，架構(gòu)如圖4所示，包括信號(hào)采集模塊、駕駛員意圖、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略、瞬態(tài)節(jié)能控制策略、信號(hào)輸出模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)及其EMS。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)節(jié)能控制策略架構(gòu)

圖4中：nr為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略的期望轉(zhuǎn)速；nc為瞬態(tài)節(jié)能控制策略的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制命令。

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)節(jié)能控制策略包括進(jìn)入/退出控制策略和基于角加速度限制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略。進(jìn)入退出控制策略用于判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否需要進(jìn)行瞬態(tài)節(jié)能控制；基于角加速度限制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略，在響應(yīng)駕駛員意圖的前提下，盡可能地降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速提升過(guò)程中的瞬時(shí)油耗。

2.2.1 進(jìn)入退出控制策略

設(shè)計(jì)的進(jìn)入退出控制策略如圖5所示。圖5中：nr為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望轉(zhuǎn)速；Cd為駕駛員追求動(dòng)力性時(shí)的角加速度門限值；Ce為駕駛員不追求動(dòng)力性時(shí)的角加速度門限值。

圖5 進(jìn)入退出控制策略

在裝載機(jī)工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)按照轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望轉(zhuǎn)速nr運(yùn)行，并根據(jù)駕駛員的動(dòng)力性意圖進(jìn)行瞬態(tài)節(jié)能控制。當(dāng)駕駛員追求動(dòng)力性時(shí)，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望角加速度大于Cd時(shí)，進(jìn)入動(dòng)力模式下的瞬態(tài)節(jié)能控制策略；當(dāng)駕駛員不追求動(dòng)力性時(shí)，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望角加速度大于Ce時(shí)，進(jìn)入經(jīng)濟(jì)模式下的瞬態(tài)節(jié)能控制策略。在瞬態(tài)節(jié)能控制策略中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望角加速度小于對(duì)應(yīng)的門限值(Cd或Ce)時(shí)，退出瞬態(tài)節(jié)能控制策略。

2.2.2 瞬態(tài)節(jié)能控制策略

根據(jù)2.1測(cè)試結(jié)論可知，通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)的角加速度，可以降低其瞬時(shí)油耗。根據(jù)以上分析結(jié)果，考慮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的角加速度進(jìn)行限制，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)節(jié)能控制，計(jì)算公式如下：

式(1)中：nc(i)為當(dāng)前瞬態(tài)節(jié)能控制下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速命令；nr(i)為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望轉(zhuǎn)速；i為控制周期計(jì)數(shù)；Clim為角加速度門限值；δ為單位時(shí)間步長(zhǎng)。

在瞬態(tài)節(jié)能控制過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度控制在Clim以內(nèi)，如式(2)，直至退出瞬態(tài)節(jié)能控制。未進(jìn)入瞬態(tài)節(jié)能控制時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望轉(zhuǎn)速，如式(1)。其中，當(dāng)駕駛員追求動(dòng)力性時(shí)設(shè)定為Cd，駕駛員不追求動(dòng)力性時(shí)設(shè)定為Ce，根據(jù)2.1測(cè)試結(jié)論，Cd取1 000 rpm/s，Ce取7 000 rpm/s。

3 整機(jī)兩作業(yè)模式節(jié)能控制

裝載機(jī)作為一種多用途工程機(jī)械，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，工況、任務(wù)、作業(yè)對(duì)象和功率流分配都擁有復(fù)雜多變的特點(diǎn)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)經(jīng)常偏離燃油消耗率較低區(qū)域。對(duì)原型機(jī)在V字形工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，大部分工作點(diǎn)集中在2 000 rpm以上燃油消耗率較高的區(qū)域，導(dǎo)致整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性較差。為了應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題，提出整機(jī)兩作業(yè)模式控制的方案，即通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)模式，包括動(dòng)力模式和經(jīng)濟(jì)模式，使得裝載機(jī)能夠適應(yīng)不同工況下的行走和鏟裝等工作[9-10]，以提高整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖6 原型機(jī)在V字形工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)

由圖6可知，當(dāng)原型機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 000 rpm時(shí)，工作點(diǎn)偏離燃油消耗率較低區(qū)域，燃油經(jīng)濟(jì)性較差?？紤]裝載機(jī)V字形工況循環(huán)時(shí)間、加速能力等因素，控制策略在動(dòng)力模式下，不限制發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速；在經(jīng)濟(jì)模式下，將發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速限制在2 000 rpm。此外，根據(jù)2.1結(jié)論，整機(jī)處于經(jīng)濟(jì)模式時(shí)，駕駛員不追求動(dòng)力性，發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度限制在700 rpm/s；整機(jī)處于動(dòng)力模式時(shí)，駕駛員追求動(dòng)力性，發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度限制在1 000 rpm/s。

整機(jī)兩作業(yè)模式節(jié)能控制切換邏輯如圖7所示。圖7中：Eco為模式選擇開關(guān)信號(hào)，由駕駛員根據(jù)裝載機(jī)所處工況進(jìn)行手動(dòng)選擇。

圖7 整機(jī)兩作業(yè)模式節(jié)能控制切換邏輯

4 實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證節(jié)能控制方法的有效性，基于VCU Link控制器搭建了實(shí)車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖8所示，對(duì)控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 基于VCU Link控制器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了實(shí)車實(shí)驗(yàn)方案。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度及可重復(fù)性，對(duì)以下實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了實(shí)車實(shí)驗(yàn)：在測(cè)試工作開始前對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開展若干組V字形工況作業(yè)，使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度和壓力、液力變矩器油溫以及液壓系統(tǒng)油溫均等參數(shù)均處于正常工作范圍內(nèi)；每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次V字形工況作業(yè)循環(huán)，盡可能減小駕駛員操作偶然性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到原車控制策略，控制策略的動(dòng)力模式以及經(jīng)濟(jì)模式在V字形工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布，分別如圖9、圖10和圖11。

圖9 原車控制策略發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)

圖10 本文控制策略動(dòng)力模式下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)

圖11 本文控制策略經(jīng)濟(jì)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)

對(duì)比原車控制策略與控制策略動(dòng)力模式的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在800～1 600 rpm中低轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩明顯降低；大部分工作點(diǎn)仍分布在1 900 rpm以上的高轉(zhuǎn)速區(qū)域，與原車控制策略相同。因此，瞬態(tài)節(jié)能控制策略成功限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的角加速度，同時(shí)保證了較好的動(dòng)力性。

對(duì)比原車控制策略與控制策略經(jīng)濟(jì)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在800～1 600 rpm中低轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩明顯降低；大部分工作點(diǎn)分布在1 700～2 000 rpm的燃油消耗率較低區(qū)域?？梢?jiàn)本文瞬態(tài)節(jié)能控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度以及最高轉(zhuǎn)速的限制，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油消耗率較高的區(qū)域。

原車控制策略、控制策略的動(dòng)力模式以及經(jīng)濟(jì)模式在V字形工況下的平均循環(huán)時(shí)間如圖12所示，平均油耗如圖13所示。

圖12 V字形工況下的平均循環(huán)時(shí)間對(duì)比

圖13 V字形工況下的平均油耗對(duì)比

控制策略在動(dòng)力模式下，V字形工況的平均循環(huán)時(shí)間與原車控制策略相比增加了1.4%，可忽略不計(jì)，即保證了整機(jī)有較好的動(dòng)力性；平均油耗與原車控制策略相比降低了3.8%，燃油經(jīng)濟(jì)性有所提升。因此，當(dāng)面對(duì)高速鏟裝工作或硬實(shí)物料的鏟裝工作時(shí)，控制策略的動(dòng)力模式相比原車控制策略有明顯優(yōu)勢(shì)。

控制策略在經(jīng)濟(jì)模式下，V字形工況的平均循環(huán)時(shí)間與原車控制策略相比增加了14.2%，動(dòng)力性有所降低；平均油耗與原車控制策略相比降低了8.9%，燃油經(jīng)濟(jì)性有較大提升。因此控制策略的經(jīng)濟(jì)模式適用于對(duì)作業(yè)速度要求不高的鏟裝工作或松散物料的鏟裝工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

以國(guó)內(nèi)某型輪式裝載機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)其油耗高、排放差以及控制粗放等問(wèn)題，提出了一種輪式裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制方法：設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)節(jié)能控制策略，通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度，降低了加速踏板行程突然增大時(shí)的瞬時(shí)油耗；設(shè)計(jì)了整機(jī)兩作業(yè)模式節(jié)能控制策略，通過(guò)模式選擇開關(guān)設(shè)置整機(jī)作業(yè)模式，盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布在燃油消耗率較低的區(qū)域，提高了整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。實(shí)車實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：控制策略在動(dòng)力模式下保證了動(dòng)力性與原車控制策略相同，且燃油經(jīng)濟(jì)性有所提高；在經(jīng)濟(jì)模式下具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。