一種全電控挖機(jī)液壓泵最大吸收功率控制方法

【摘" 要】在挖掘機(jī)日常作業(yè)時(shí)，柴油機(jī)在負(fù)載突增、高原作業(yè)等情形下，因瞬態(tài)噴油量增加，或?qū)嶋H進(jìn)氣量不足，會(huì)致使燃料燃燒不充分，進(jìn)而易使排放煙度升高。文章提出一種液壓泵最大吸收功率控制法，該方法依據(jù)整機(jī)反饋信息，修正液壓泵最大吸收功率，讓液壓端最大吸收功率始終契合柴油機(jī)的最大功率輸出能力，減少挖掘機(jī)工作時(shí)煙度超限的情況。

【關(guān)鍵詞】全電控挖掘機(jī)；煙度；液壓泵；最大吸收功率

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）02-0063-02

The Invention Relates to a Method for Controlling the Maximum Absorbed Power of

Hydraulic Pump of a Fully Electric Control Excavator

CHEN Zhicheng，HU Yonghui，SUN Xiaopeng，HOU Xuanhui

（Institute of Electronic Control and Software，Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】In the daily operation of excavator，diesel engine will not burn fully due to the increase of transient fuel injection or insufficient actual air intake in the case of sudden load increase and plateau operation，which will easily increase the emission smoke. This paper presents a control method of maximum absorbed power of hydraulic pump，which modifies the maximum absorbed power of hydraulic pump according to the feedback information of the whole machine，so that the maximum absorbed power of hydraulic end always conforms to the maximum power output capacity of diesel engine，and reduces the smoke overlimit during the work of excavator.

【Key words】fully electronically controlled excavator；smoke intensity；hydraulic pump；maximum absorbed power

0" 引言

非道路移動(dòng)機(jī)械尾氣含CO、HC、NOx、SO2、PM等污染物，其中NOx和PM危害較大。中國(guó)《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械排氣煙度限值及測(cè)量方法》（GB 36886—2018）規(guī)定了非道路柴油移動(dòng)機(jī)械排氣煙度限值，包括不透光法煙度（光吸收系數(shù)）和林格曼黑度級(jí)數(shù)，對(duì)應(yīng)類(lèi)別和額定功率的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣不得超過(guò)規(guī)定的限值。為提升過(guò)量空氣系數(shù)，改善柴油機(jī)煙度排放，廢氣渦輪增壓技術(shù)被廣泛應(yīng)用。但挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)，渦輪增壓器在負(fù)荷突變的瞬態(tài)工況下響應(yīng)遲滯，致使柴油機(jī)排氣冒黑煙。濰柴動(dòng)力李光輝等研究了高原柴油機(jī)煙度超限因素與改善法；廣西柳工董必成等通過(guò)控制轉(zhuǎn)速和功率變化速率降低煙度；中石油濟(jì)柴吳瑞斌等通過(guò)調(diào)整瞬態(tài)過(guò)量空氣系數(shù)和噴油提前角改善排放。然而通過(guò)調(diào)整液壓泵最大吸收功率降低煙度排放的研究較少。本文提出調(diào)整液壓泵最大允許吸收功率的方法，基于大氣壓力、進(jìn)氣壓力、先導(dǎo)壓力、轉(zhuǎn)速等信息修正液壓泵最大允許吸收功率，改善柴油機(jī)排放，減少整機(jī)冒黑煙現(xiàn)象。

1" 挖掘機(jī)煙度超限原因分析

柴油機(jī)煙度超限主因是燃料不完全燃燒，即缸內(nèi)空氣與燃油混合比例不當(dāng)。挖掘機(jī)在正常作業(yè)過(guò)程中常見(jiàn)的煙度超限工況有以下兩種。

1）挖掘循環(huán)負(fù)荷突增。挖掘中，工況會(huì)從低負(fù)荷突轉(zhuǎn)高負(fù)荷，負(fù)載突增使系統(tǒng)壓力劇升，泵需求轉(zhuǎn)矩和吸收功率增大。柴油機(jī)為滿(mǎn)足功率需求增加噴油量，但增壓器響應(yīng)遲滯，進(jìn)氣量增速慢于噴油量，過(guò)量空氣系數(shù)低，缸內(nèi)進(jìn)氣不足，混合氣濃，空燃比小，導(dǎo)致燃油燃燒不充分，排放煙度升高。此工況在整機(jī)由怠速轉(zhuǎn)正常工作模式時(shí)常見(jiàn)。

2）高原環(huán)境作業(yè)。高原地區(qū)海拔高，大氣壓力低，空氣稀薄，含氧量少，柴油機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣量減少，燃燒不充分致煙度超限。此外，高原環(huán)境還影響柴油質(zhì)量，降低冷卻能力，惡化排放。

2" 液壓泵最大吸收功率調(diào)整策略方案設(shè)計(jì)

基于上述煙度超限原因，本文通過(guò)大氣壓力、進(jìn)氣壓力、先導(dǎo)壓力、轉(zhuǎn)速等信息對(duì)液壓泵最大允許吸收功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免煙度超限情況的發(fā)生，具體控制策略如下。

2.1" 基于大氣壓力的泵最大吸收功率控制策略

大氣壓力可直觀判斷整機(jī)是否處于高原環(huán)境。研究表明，海拔每升高100m，大氣壓力約降0.67kPa。海拔越高，氧含量和進(jìn)氣量越少，不利于柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒和功率輸出。通過(guò)大氣壓力限制泵的最大允許吸收功率，能使液壓端更好匹配柴油機(jī)功率輸出，降低高原作業(yè)負(fù)荷，延長(zhǎng)柴油機(jī)壽命。具體通過(guò)大氣壓力修正系數(shù)[facBaro]來(lái)對(duì)最大允許吸收功率進(jìn)行修正，計(jì)算公式如下：

P_Inmax[=P_max×fac_Baro]

式中：P_Inmax——計(jì)算得到的泵最大允許吸收功率；[P_max]——對(duì)應(yīng)擋位下預(yù)設(shè)的液壓泵最大吸收功率，大氣壓力越低說(shuō)明海拔越高，此時(shí)[fac_Baro]越小，限制液壓泵的最大吸收功率，減少煙度超限的情況發(fā)生。

2.2" 基于進(jìn)氣壓力的泵最大吸收功率控制策略

為了使液壓泵更精準(zhǔn)地與柴油機(jī)進(jìn)行功率匹配，考慮到挖掘工況具有較高的復(fù)雜性，基于進(jìn)氣壓力對(duì)不同先導(dǎo)組合的挖掘工況進(jìn)行最大吸收功率修正。例如，整機(jī)由無(wú)動(dòng)作突然進(jìn)行單動(dòng)作時(shí)，初期會(huì)有較高的壓力超調(diào)，此時(shí)挖掘機(jī)液壓端瞬態(tài)吸收功率突增，柴油機(jī)突增負(fù)荷容易導(dǎo)致空燃比過(guò)小排氣質(zhì)量降低。針對(duì)類(lèi)似的工況需要根據(jù)進(jìn)氣壓力評(píng)估柴油機(jī)進(jìn)氣量，進(jìn)而調(diào)整液壓端的最大吸收功率，優(yōu)化整機(jī)功率匹配。具體通過(guò)修正系數(shù)[facAirIn]來(lái)對(duì)最大允許吸收功率進(jìn)行修正，計(jì)算公式如下：

P_Inmax[=P_max×fac_AirIn（p）]

式中：[P]——發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力。進(jìn)氣壓力越高說(shuō)明實(shí)際進(jìn)氣量越大，過(guò)量空氣系數(shù)越大，越有利于燃料的充分燃燒，此時(shí)不對(duì)最大功率進(jìn)行限制。如果進(jìn)氣壓力低于閾值，則通過(guò)修正系數(shù)[fac_AirIn]修正液壓泵最大吸收功率，限制液壓泵最大吸收功率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的功率匹配，改善煙度排放。

2.3" 針對(duì)轉(zhuǎn)速提升時(shí)的泵最大吸收功率控制策略

挖掘機(jī)有怠速功能，整機(jī)上電點(diǎn)火后長(zhǎng)時(shí)間無(wú)動(dòng)作會(huì)進(jìn)入怠速模式，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低，減少燃油消耗。當(dāng)整機(jī)從怠速突入正常作業(yè)模式，負(fù)載突增，柴油機(jī)需提供更多功率，可能導(dǎo)致瞬態(tài)燃油混合氣濃、燃燒不充分、煙度超限。針對(duì)此工況，本文基于設(shè)定轉(zhuǎn)速變化率調(diào)整泵最大吸收功率。若整機(jī)處于怠速狀態(tài)，應(yīng)用基于轉(zhuǎn)速變化率的功率限制策略。當(dāng)整機(jī)突然工作，柴油機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速變化率超閾值時(shí)，限制發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率。因轉(zhuǎn)速上升階段持續(xù)時(shí)間短，需給定合適修正系數(shù)[kn]以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。液壓泵最大吸收功率調(diào)整策略的原理流程圖如圖1所示。

3" 策略結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述方案的可靠性，基于MATLAB/Simulink進(jìn)行控制策略模型搭建，并導(dǎo)入某80t挖掘機(jī)挖掘循環(huán)路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真結(jié)果驗(yàn)證。路譜數(shù)據(jù)和策略應(yīng)用前后對(duì)比仿真結(jié)果分別如圖2和圖3所示。圖中，大氣壓力與進(jìn)氣壓力單位為kPa，設(shè)定轉(zhuǎn)速單位為r/min，最大吸收功率單位為kW。結(jié)果顯示，應(yīng)用最大吸收功率調(diào)整策略后，液壓泵最大吸收功率得到合理調(diào)整，與作業(yè)環(huán)境和柴油機(jī)形成良好功率匹配，減少了煙度超限情況。

4" 結(jié)論

本方案基于大氣壓力、進(jìn)氣壓力、先導(dǎo)壓力、轉(zhuǎn)速等整機(jī)反饋信息，在挖掘機(jī)各工況下修正液壓泵最大吸收功率。通過(guò)監(jiān)測(cè)外界環(huán)境和進(jìn)氣壓力，使液壓泵更好匹配發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率輸出，減少煙度超限工況，對(duì)挖掘機(jī)排放優(yōu)化有參考意義。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-06-03

作者簡(jiǎn)介：陳治澄，男，主要從事挖掘機(jī)電控策略開(kāi)發(fā)工作。