液压挖掘机并联式混合动力系统性能分析及其控制策略研究_

1、浙江大学机械工程学系硕士学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统性能分析及其控制策略研究姓名：庹福幸申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：潘双夏20100301浙江大学硕学位论文摘要摘要节能减排计划在全球范围内已经提上日程，采用混合动力系统成为液压挖掘机节能减排的重要途径。近年来国外厂商不遗余力的开发混合动力液压挖掘机，国内也紧跟步伐。掌握液压挖掘机自主知识产权的混合动力技术是一件意义重大的事。本文针对液压挖掘机并联式混合动力系统开展了以下几项研究工作：（）针对目前挖掘机混合动力系统研究的不足之处，进行了混合动力系统柴油发动机，电动发动机等动力学模型研究。重点建立了主动力源柴油发动机基于

2、气缸燃烧动力学的瞬态模型。混合动力系统动力学模型的建立为控制策略的制定和优化提供了良好的基础。（）对液压挖掘机典型负载工况进行了分析，针对挖掘机的负载特点，对挖掘机混合动力并联系统采用了优化的多燃油经济工作点控制策略进行控制，并对动力系统中永磁同步电动发电机采用了空间矢量控制方法对其输出转速和扭矩进行迅速准确地控制。（）在已搭建的挖掘机并联式混合动力系统试验平台上对柴油发动机进行了油门阶跃响应等试验，验证基于气缸燃烧动力学的柴油发动机动态模型的有效性；对混合动力并联系统多燃油经济工作点控制策略进行加载试验，验证液压挖掘机混合动力并联系统节能效果。关键词：液压挖掘机，混合动力，并联系统，动力学模

3、型，控制策略浙江大学硕一学位论文，：（），（），（）；：，浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编

4、入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日浙江人学硕士学位论文致谢致谢在此论文完稿之际，首先要真诚感谢导师潘双夏教授和指导教师管成副教授。虽然与潘老师相处时间并不多，但潘老师严谨的治学态度和认真的工作态度给我留下了深刻的印象。指导教师管成老师从本科毕业设计开始就指导我，在研究生两年多的时间里，管成老师在学术上悉心指导我们，在生活上也时时刻刻关心我们，管成老师和蔼的态度和踏实的工作作风让我们终身难忘，也让我们学会了如何做人、做事、做学问，这一切的一切将使我们终

5、身受益。还要感谢邱清盈老师和高字老师，你们热心的帮助和求是的科研态度让我们受益匪浅。感谢王东云博士、林潇博士、白寒博士和胡晓杭师兄，每每科研上遇到问题向你们请教的时候，你们总是耐心、细致的指导，在混合动力项目研究与调试过程中，更是一点一滴地引导我们不断前进。在生活上，你们也时刻关心我们，热情的给予我们帮助。感谢张敏杰硕士、王向炜硕士、徐振硕士、刘靖伟硕士、张伟谦硕士、任有良硕士、冯继文硕士、来晓靓博士、薛驰博士、室友洪志化和周进，两年半的研究生生活有了你们的陪伴才会如此丰富多彩，与你们一起讨论学术，一起畅游，一起健身，一起唱歌的日子将成为我研究生期间最欢乐的记忆。感谢硬件室所有成员，和你们在一

6、起学习和生活的日子将成为我宝贵的记忆。感谢养我育我的父母，求学路上你们在背后一直默默支持我，成为我坚实的后盾，你们的辛苦我都看在眼里，也会铭记于心。庹福幸年月于求是园绪论液压挖掘机混合动力系统研究意义液压挖掘机在工程机械中属于典型装备，广泛应用于各种土石方作业。在民用里常用于场地挖掘，场地平整，以及改造农田等；在工业里用于土木施工，工业建筑，处理污泥，采掘煤矿等；在军用里用于清除障碍，快速构建道路等。在常见的工程机械设备如液压挖掘机，推土机，装载机，起重机械，以及路面机械中，挖掘机在使用频率和工作量上都占到前，¨。随着我国每年基本以以上的幅度高速增长，我国工业化进程和城市化进程脚步越

7、来越快，在工业化进程和城市化进程中，需要大量的挖掘机去助力，因此液压挖掘机的需求越来越大，销量也越来越高。年液压挖掘机销量突破台大关，年液压挖掘机销量突破台，年液压挖掘机销量再次突破台大关，这些数据无不表明液压挖掘机对我国经济发展的贡献。中国挖掘机历年销量【】如图所示。姐婴图中国挖掘机历年销量液压挖掘机在我国经济发展中做出了如此突出的贡献，然而，随着工业化程度的提高，我国政府和人民对节能、环保越来越重视，日前，我国向世界承诺年二氧化碳排放比年降低到嘣，液压挖掘机等工程机械的能耗和排放逐渐给我国形成较大压力，也因此成为国家重点关注的对象。在这样一个绿色、节能、环保的大环境下，液压挖掘机等工程机械

8、等耗油大户节能、降低排放成为首当其冲的任务。液压挖掘机的能量总利用率较低，液压挖掘机的节能一直成为人们追求的目标【】。自液压挖掘机广泛应用以来，人们对其节能技术的研究一直没有止步，先后针对液压挖掘机的能量损失环节，如液压系统节流损失、溢流损失以及沿程功率损失等【，日立公司开发出装有正流量控制系统【的液压挖掘机，小松公司开发出装有负流量控制系统【】的系列挖掘机，以及小松公司开发出装有负荷传感控制技术系统【】的液压挖掘机等。通过采用这些新型电液一体化控制系统使得液压挖掘机较恒功率系统燃油利用率得到长足进步，但是期望通过采用这些新型电液一体化控制系统更进一步提高液压挖掘机燃油率，降低排放的潜力非常有

9、限，而且更为关键的是，这些技术的改进始终无法解决液压挖掘机动力源柴油发动机工作的恶劣性，不停跟随外负载大幅度的波动，使其转速不停变化，燃油效率得不到根本上的提高，排放问题也得不到很好的解决。液压挖掘机中柴油机是其主动力源，其燃油效率的高低，直接关系到液压挖掘机是否能达到节能环保的要求。混合动力系统由多个动力源组成，通常发动机作为主动力源，其他装置作为辅动力源。混合动力系统中，通过辅动力源与发动机联合工作，使得发动机工作在高效燃油经济点上，从而在根本上实现降低油耗，减少废气排放。浙江大学学者王庆丰【】在混合动力工程机械节能效果评价及液压系统节能的仿真研究中，以液压挖掘机典型液压系统为基础，对串联

10、式挖掘机混合动力系统和并联式挖掘机混合动力系统进行了一个标准工作周期内的能耗仿真，得到如表所示的结果。表混合动力系统能耗仿真浙江大学王冬云【哪在液压挖掘机混合动力系统性能分析一文中，以小型液压挖掘机为蓝本，对液压挖掘机普通动力系统和采用并联式，串联式结构的进行了油耗研究，得到如图所示结果。图液压挖掘机三种动力系统油耗对比神钢建机公司工程师，等在文献中【对液压挖掘机混合动力系统结构进行了研究，并对采用混合动力系统的液压挖掘机能耗进行了分析，结论表明混合动力系统结合能量回收较普通液压挖掘机节能高达。小松公司在年以后在其公司生产的液压挖掘机型号上试装了混合动力系统，经过长期试验得出结论，装有混合动力

11、系统的液压挖掘机比普通机型平均能减少的油耗。其中，通过对其客户数据的收集得到，在某些作业密度比较大的工况下，例如处理污泥等，装有混合动力系统的。节能高达。上述结果，不管是混合动力系统仿真分析，还是样机试验，无不表明液压挖掘机采用混合动力系统在调高能量利用率和降低排放上的优越性。混合动力系统在液压挖掘机上是一项新技术，在我国强调重大装备国产化和掌握核心知识产权的大环境下，我们应该把握住此契机，努力抢占技术制高点，摆脱国外技术的垄断。因此，研究液压挖掘机混合动力技术是非常重要，非常有意义的，而且是很有潜如蚋液压挖掘机混合动力系统研究现状全球范围内，随着工业技术的不断发展，能源需求量越来越大，然而石

12、油、煤炭、天然气等不可再生资源的存有量却越来越少，如果再不采取措施，可以预见在不久的将来，能源将会缺失。在全球工业化进程的另一面，每年燃烧的燃油、煤炭、天然气等越来越多，因此而生成的废气也越来越多，全球温室效应最近几年逐渐显现。能源问题和环境问题已成为全球关注的问题，节能减排计划在全球范围内已逐渐提上日程，在这样一个大环境下，液压挖掘机等工程机械耗油大户节能、降低排放成为首当其冲的任务，在液压挖掘机上采用混合动力系统成为解决油耗和排放的重要途径。混合动力系统最早在汽车上应用，并且已成功商用化，经验证节能效果良好。自丰田汽车于年推出混合动力汽车【以来，因良好的节能效果，市场反响热烈，也从此也加快

13、了各大汽车厂商推出混合动力汽车的步伐，截至年，各大厂商都相继出了多款混合动力车型。采用的是混联式混合动力系统，其他车型多是采用的并联式或串联混合动力系统】。混合动力系统由两种及以上的动力源或储能单元组成。混联式混合动力系统由发动机，电动机，发电机，能量存储单元等组成。混联式混合动力系统中可以以发动机作为直接动力源，也可以以电动机作为直接动力源，还可以以发动机和电动机联合方式驱动负载，混联式混合动力系统根据工况的不同，工作方式可以灵活多变，节能效果也突出，但是动力系统复杂，对可靠性和控制策略都提出了很高的要求。并联式混合动力系统和串联式混合动力系统相对简单。并联式混合动力系统中，发动机、电动机联

14、合驱动负载，发动机作为主动力源，系统所有的能量都是由发动机提供的，电动机作为辅动力源，通过控制策略使得发动机始终工作在高效燃油经济点上，电动机由于工作效率高，用于平衡外负载的波动，电动机的能量来自发动机驱动发电机产生的。在外负载低于发动机输出扭矩时，发动机驱动发电机发电存储于电池中，以供电动机使用；在外负载高于发动机输出扭矩时，由电池中存储的电能驱动电动机共同工作。串联式混合动力系统中，发动机作为唯一动力源，与发动机直接连接的是发电机，负载直接由电动机驱动。在工作工程中，串联式混合动力系统根据不同的工况，可由存储在电池中的电能单独驱动电动机工作，或者由发动机带动发电机发电实时驱动电动机。串联系

15、统中，发动机并不与外负载直接相连，所以能始终高效地保持工作，燃油效率高，然而，串联系统中无论是从发动机到电池到电动机，还是从发动机到发电机到电动机，发动机的能量始终要经历两次以上的转换环节，能量转换环节的损失是不可小觑的。混合动力系统在汽车上成功的应用和良好的节能效果，给液压挖掘机节能减浙江人学硕一学位论文绪论排提供了良好的思路。由于资源的匮乏，混合动力挖掘机的研究日本走在世界的前列，小松公司在年造出世界第一台混合动力样机，目前已经在世界范围内提供混合动力挖掘机给客户适用。此外，卡特彼勒、沃尔沃、日立建机等公司都加快了研发进度，计划在今年开始生产。国内挖掘机厂商不甘落后，也开始积极研究混合动力

16、液压挖掘机。年初上海重工宣布开始研发混合动力挖掘机，年月第十届北京国际工程机械展览会场，三一重机和詹阳动力分别展出了级混合动力液压挖掘机样机。目前，液压挖掘机上混合动力系统研究主要集中于并联式和串联式两种结构。在混合动力汽车上成为成功典范的混联式混合动力系统由于结构和控制的复杂性【，在液压挖掘机上未有学者和公司进行研究。并联式混合动力液压挖掘机，目前国外有日本小松公司【、日立建机【和卡特彼勒三菱【刀采用，串联式混合动力系统主要是由日本神钢建机公司在研究，该公司已申请了多项相关的专利【。国内关于混合动力挖掘机的研究主要以浙江大学机械设计研究所和机械电子控制工程研究所为主，这两个研究所的研究都是以

17、并联式混合动力系统为基础。浙江大学机械设计研究所林潇、潘双夏、管成等针对液压挖掘机并联式混合动力系统提出了基于多工作点和工况自识别的控制方法，并申请了相关的发明专利【¨。浙江大学机械电子控制工程研究所肖清在文献【和文献中，分别针对使用电容器作为储能装置和使用镍氢电池组的并联式混合动力系统提出了相关的控制策略，文章中提到通过的变化，让发动机工作在高效区域，文献中提到的发动机高效区是由多个油门下的工作点组成的，单纯让发动机工作在高效区域，忽略了发动机油门位置频繁波动而造成的燃油燃烧恶劣的情况。本文混合动力并联系统控制策略的制定是建立在浙江大学机械设计研究所林潇的研究成果基础上。要对液压挖

18、掘机混合动力系统进行研究，须首先对挖掘机混合动力系统模型及特性进行研究。张邦基在】混合动力汽车发动机特性的建模方法中采用了查表和三次样条函数建立了发动机数值模型。在文中【采用能量流的方法建立了包括发动机、电动机等在内的混合动力汽车传动链的模型，通过燃油的化学能乘上能量转换的效率直接计算得到发动机的平均指示扭矩。在对并联式混合动力汽车建模与仿真【文中，基于发动机的调速特性和万有特性曲线，采用多段高次函数拟合得到发动机的动力特性方程。冯启山【刁在基于的发动机调速动力学模型文章中建立了发动机的瞬态模型，不过该模型是面向汽车控制的汽油机模型。挖掘机混合动力系统研究起步较晚。浙江大学机械电子控制工程研究

19、所肖清【在文献中建立了液压挖掘机混合动力系统模型，其中，发动机的数值模型是通过机械特性曲线转换而来，电动发电机的模型是效率曲线转换而来。浙江大学机械设计研究所林潇【在文献中采用了一系列特性拟合曲线来作为并联式混合动力液压挖掘机的柴油机模型。目前，在汽车混合动力系统和挖掘机混合动力系统中，发动机的模型都以均值模型为主，虽然均值模型简单，但是该模型往往只能代表一个特定的机型，不具推广性，而且，由于均值模型不能表现出发动机对外负载的动态响应，故对设计和验证混合动力系统控制策略都是不利的。谢迪】在论文中对混合动力液压挖掘机动力系统进行了建模和仿真，其中，建立了四缸柴油发动机基于气缸压力曲轴转速的瞬态模

20、型，该模型中气缸压力模块需要大量在不同油门和负载下的气缸压力数据，这些数据需要专业的发动机厂商提供，不方便得到，此外，该模型并不完善，缺乏调速器、柴油机动态油耗模型。针对以上不足，本文进行了改进和完善，建立了包括调速器、喷油系统在内完整的四缸四冲程高速直喷柴油发动机瞬态动力学模型，该柴油机模型中压力生成模块是通过对缸内燃油燃烧的描述来建立的，适用机型广泛。此前，对于柴油机气缸内燃烧的描述不少学者曾做过相关研究。在对共轨柴油机燃油燃烧和废气排放建模【一文中，将气缸燃烧室分为燃烧区和未燃烧区，分别用相应的化学反应式来进行描述。在文中对气缸燃烧室进行了详细的建模和描述【，其中，气缸燃烧室被分为多个子

21、区域，包括燃油喷射区，燃油蒸发区，空气燃油混合区等。】在柴油发动机燃烧建模及柴油机控制一文中，建立了从变几何涡轮增压器到气缸的气体流动方程，并将气缸内的燃烧划分为两个区域来分别计算燃油的燃烧情况。在直喷柴油机建模及性能分析一文中删，在燃油瞬时蒸发这个假设条件下，将气缸内划分为燃油油液区和燃油油雾区来进行缸内燃烧行为描述。在涡轮增压直喷柴油机建模一文中【，采用人工神经网络对涡轮增压直喷柴油机气缸内的燃烧建模，从而实现对气缸内周壁温度和气缸内气体压力的预测。在柴油机缸内燃烧模拟文中，采用计算流体动力学对气缸内气体紊流流动，燃油喷射，燃油燃烧延时等进行了深入而详细的计算和模拟。上述研究往往用于对缸内

22、燃油与空气的混合情况，燃油的燃烧效率，散热损失，燃烧废气的成份和排放情况预测，因此建立的模型也很复杂。在柴油机瞬奋动力学研究中，只需要对气缸内气体压力进行计算。上述的研究方法用来计算气缸内气体压力太过复杂，而且也追成了模型中其他功能的浪费因此，本文建立了用于柴油机整机动态性能分析的燃烧动力学模型，其中，进气系统和排气系统经简化设定为定温度和定压力，该模型适用各种柴油机型。建立的柴油机瞬态动力学模型，除了气缸燃烧动力学模块以外，还包括柴油机摩擦模块，曲柄连杆动力学模块等。柴油机工作过程中，燃油燃烧产生的能量只有左右的用于做有用功。其余的能量以机件摩擦损失、排气损失和冷却损耗等形式浪费掉，具体比例

23、如图所示。其中，柴油机机件摩擦损失直接影响其性能，对机件摩擦损失正确的预测和计算在柴油机瞬态模型的建立和分析中起着至关重要作用删刊嵌冀却损牦输肯用田燃油燃烧能量在柴油机中的分配不少学者对柴油机机件摩擦损失进行了理论研究和各种试验验证【州。目前在学术界内柴油机机件摩擦模型主要分为两种：均值摩擦模型和瞬态摩擦模型。均值摩擦模型的建立是；【柴油机每个周期平均摩擦扭矩为基础。，在压缩点火武发动机仿真一文中，和“”在柴油发动机摩擦损失一文中，都对柴油机均值摩擦模型进行了研究均值摩擦模型过于简单，与发动机实际过程误差大。瞬态摩擦模型最有影响力的是和】在内燃机瞬态摩擦仿真新方法一文中提出的基于各个组件的详细

24、摩擦模型。随后，和在单缸柴油机动态仿真】一文和发动机瞬态过程中摩擦组件模型【】一文中也建立了柴油机的瞬态摩擦模型，在第一篇文章中，建立了包括活塞环组件，泵件损失，泵件摩擦等五个组件在内的瞬态摩擦模型，第二篇文章中对第一篇的模型进行了完善，并考虑了温度对润滑液粘度的影响。和【】在柴油发动机摩擦损失建模一文中通过求解拉格朗日方程推导出包括活塞组、轴承等在内的瞬态摩擦模型。其中，【】在混合动力汽车内燃机扭矩非线性观察器一文中，引用了和的瞬态摩擦模型，实验结果表明与真实摩擦扭矩吻合度好。冯启】在基于？的发动机调速动力学模型文章中建立了混合动力汽车汽油发动机的模型，其中摩擦扭矩模块也是引用的和模型。瞬态

25、摩擦模型与均值摩擦模型相比，更具真实性，所以本文中引用和模型作为柴油机瞬态摩擦模型，该模型的应用广泛、认知度高。现有研究总结及课题提出鉴于第二节中液压挖掘机混合动力系统的研究现状，目前研究的主要不足之处为：（）挖掘机混合动力系统用柴油机绝大多数采用均值模型对其建模，缺乏详细准确，适用对象广泛的动力学模型描述挖掘机混合动力系统动态性能，也因此不利于混合动力系统控制策略的深入研究。（）缺乏柴油机动态油耗模型详细描述混合动力系统柴油机工作点变化时的实时油耗，也因此不利于混合动力系统在控制策略作用下节能效果的准确评估。（）对挖掘机混合动力系统中采用的电动发电机控制缺乏相应的研究，混合动力系统中电动发电

26、机迅速而准确的动态响应直接影响柴油机工作的平稳性。因此，本论文将从上述的不足切入，进行深入的研究。研究内容与方案混合动力液压挖掘机柴油发动机建模研究（）建立并改进基于气缸压力曲轴转速的柴油发动机瞬态模型基于气缸压力一曲轴转速的柴油发动机瞬态模型，其中气缸压力模块需要大量在不同负载下的气缸压力数据，这些数据需要专业的发动机厂商提供，柴油机用户不便得到。为方便模型的准确建立和广泛的应用性，气缸压力模块需要改进。（）建立柴油发动机动态油耗模型发动机在不同扭矩和不同转速下的油耗通常是通过查表得来，而实际情况中，随着负载的变化柴油机的工作点不断改变，柴油机的动态油耗无法从特性曲线中查询得来。建立柴油发动

27、机动态油耗模型，能详细反映发动机随外负载波动时的动态油耗。（）建立柴油发动机调速器模型调速器是柴油发动机的重要部件，调速器的动态响应直接影响到柴油机的动态性能。混合动力液压挖掘机电动发电机控制方法研究结合液压挖掘机工况，采用合适的控制方法对电动发电机进行实时、准确得扭矩和转速控制。混合动力液压挖掘机控制策略验证在建立的混合动力系统模型基础上，结合液压挖掘机工况，对混合动力液压挖掘机控制策略进行加载验证。本文将以来辅助研究，并在已搭建好的混合动力试验台上进行试验验证。本章小结阐述了液压挖掘机采用混合动力系统节能的重要意义，在对混合动力液压挖掘机研究现状分析的基础上，针对目前动力系统研究的不足之处

28、，提出了相关的研究课题和实施方案。浙江人学硕士学位论文液胝挖掘机并联式混合动力系统模型研究液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究液压挖掘机混合动力并联系统由柴油发动机，永磁同步电动发电机，以及镍氢电池组等组成，其中柴油发动机与电动发电机共同驱动外负载，柴油发动机提供主要动力，电动发电机用于平衡外负载的波动，系统在控制策略的作用下使得柴油发动机稳定工作在高效燃油经济点上，达到节能减排的目的。下图所示为液压挖掘机混合动力并联系统典型结构图。图液压挖掘机混合动力并联系统结构图液压挖掘机混合动力并联系统模型主要包括柴油发动机动力学模型，电动发电机动力学模型，镍氢电池组估算模型。其中，柴油发动机作为液压挖

29、掘机中唯一的能量来源，其燃油效率的高低直接影响到混合动力并联系统节能的效果，因此对混合动力系统中的柴油发动机模型重点进行了研究，建立了基于气缸燃烧动力学的柴油发动机瞬态动力学模型，并基于该模型提出了柴油机动态油耗计算模型。挖掘机混合动力系统柴油机性能参数混合动力系统中动力源柴油机采用的是常柴，是一款常用于工程机械的四缸、四冲程、直列、直喷高速柴油机。这款柴油机由调速系统，燃油系统，润滑系统，冷却系统，活塞连杆总成，以及曲轴飞轮总成等组成。主要技术规格如下表所示：表主要技术规格型号浙江大学硕士学位论文液胝挖掘机并联式混合动力系统模型研究型式直列、水冷、四冲程、直喷式气缸直径（）活塞行程（）活塞总

30、排量（）压缩比气缸工作顺序一标定功，（）】（）标定转速（）燃油消耗率标定功率标定转速时外特性最低点机油消耗率瓜】三烟度（）薹曲轴旋转方向（面向飞轮端）逆时针润滑方式压力、飞溅起动方式电起动净质量（曲三外形尺寸长×宽×高（）××除了上述表格之外，常柴说明书还给出了多项技术数据，这些数据在后面的模型建立中需要。表为柴油机配气定时，表为气缸气门间隙（冷态），表为燃油系统供油参数，图为柴油机配气相位图。表柴油机配气定时进气门开上止点前进气门关下止点后排气门开下止点前排气门关上止点后表气缸气门间隙（冷态）气（）排气门（）表燃油系统供油参数供油提前角士喷油压力】浙江

31、大学硕士学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究上止点进气门开一一一。排气门关一、仃、止点图柴油机配气相位图以上止点作为转角始点，从图柴油机配气相位图中可以得知：（）当曲柄处于。时，进气阀门打开，气缸处于进气阶段。（）当曲柄处于。时，进气阀门和排气阀门关闭，气缸处于压缩气体阶段。（）当曲柄处于。时，进气阀门和排气阀门关闭，燃油燃烧，缸内气体受热膨胀，推动活塞做功。（）当曲柄处于时，排气阀门打开，气缸处于排除废气阶段。挖掘机混合动力系统柴油机模型建立柴油发动机是挖掘机混合动力系统的主要动力源，其燃油效率的高低直接影响到节能效果的好坏，本文重点对其模型进行研究。柴油机瞬态动力学模型包括调速系统

32、模块、气缸燃烧动力学模块、指示扭矩模块、柴油机摩擦模块以及柴油机曲柄连杆动力学模块等组成，如下图所示。浙江大学硕十学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究图混合动力系统柴油发动机模型结构图挖掘机混合动力系统柴油机调速系统建模混合动力系统柴油机调速系统在本文中由图中所示的调速器、喷油系统以及动态燃油消耗三个模块组成。图柴油机调速系统模型结构图其中，喷油系统由喷油泵、高压油管和喷油器等组成。在调速系统中，通过调速器控制供油拉杆的位置，使得每循环供油量发生变化，从而达到调整柴油机功率和转速的目的。柴油机中调速器用于调整柴油机功率和转速，同时，在一定范围内，让柴油机在最大程度上避免受外界负载波动的

33、影响，保持其工作的稳定性，其性能直接影响柴油机的调速和动态特性【。采用的是号喷油泵调速器，该调速器的作用原理图如下图所示。浙江人学砸±学位论立液压挖掘机井瞒式动力系统模型研究卜一飞球一驱动盘推力盘一调速弹簧一支撑轴一调速弹簧照一调速操纵杆供油拉杆图号喷油泵调速器结构图柴油机工作中，顺时针拨动调速操纵杆，调速弹簧座往左移动，受压缩的调速弹簧推动推力盘往左秽动，其中，推力盘和供油拉杆是紧固在一起的，供油拉杆往左移动，使得供油量增加，从而柴油机的功率和转速随之增大；相反，逆时针拨动调速操纵杆，则柴油机的功率和转速减小。一旦调速操纵杆设定好以后，柴油机功率和转速相应的也设定完成。调速器在负载

34、变化时稳定柴油机转速的原理如下：驱动盘凹槽内有个铜球，驱动盘带动铜球旋转，这个钢球分与驱动盘面和推力盘面接触，其中，驱动盘的锥角面为。，推力盘的锥角面为。如果负载突然增大，柴油机功率不能匹配则转速下降，钢球由于转速的下降其离心力减小，紧接着推力盘左移，供油拉杆跟随左移，供油量由于供油拉杆的左移增大，柴油机功率增加，转速也随之回升，这样就完成了负载增大的情况转速的稳定。负载突然减小的话，调速器调解过程则与上相反。浙江大学硕上学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究图喷油泵调速器受力示意图基于型喷油泵调速器的作用原理，对其进行受力分析和建模，如图所（）调速器处于稳态时，推力盘受力为：乓（）露卢

35、其中，：调速弹簧的刚度；调速弹簧起始预压缩量；：调速弹簧座的位移；：推力盘的位移；：调速器内钢球的个数；群：钢球对推力盘锥角面的作用力；：推力盘锥角面角度。钢球的受力为：局昂。昂。局西；其中，：钢球旋转的离心力；昂：驱动盘锥角面对钢球的作用力；：驱动盘锥角面角度；厶：单个钢球的质量；（）（）浙江大学硕士学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究唧：驱动盘旋转角速度。综合公式（）和（），变换得到稳态时，调速弹簧座输入位移和供油拉杆位移以及驱动盘转速间的关系式：（）（）调速器处于瞬态变化时，假设调速器润滑良好，钢球沿驱动盘锥面只做纯滑动，故可忽略其滑动摩擦力。推力盘运动方程为：岛一锄。一钢球沿驱

36、动盘锥角面做平移，其运动方程为：（）最。（一。）一。童西南（）其中，：钢球沿驱动盘锥角面的位移。另外：（）总结如下，调速器动力学模型为：（），（）一够）¨（）一（卢一。）一雪口南卜一（）下图所示为中建立的调速器动态模型。图调速器动态模型图柴油机中喷油泵、高压油管和喷油器用于将高压柴油注射进入气缸内，通过浙江人学颈±学位论文液性挖掘并联式混台动力最绕模型研究改变供油拉杆的位置，使得每循环供油量发生改变，从而调整柴油发动机的功率和转速，下圉所示为供油示意图。卜卅；油拉杆一喷油泵一高压油管喷油器高压柴油围供油示枣图柴油机供油系统非常复杂，要建立准确的喷油模型也是很田难的。由于供油

37、系统在整个柴油机动力学模型中影响不大，故在这里用一个线性表达式来描述每循环供油量与油门拉杆位移之间的关系：（）其中，一：喷油泵供油系数在得到了单缸每循环供油量的计算公式之后，可以推导出混合动力系统四缸柴油机动态燃油消耗计算公式：五。【其中，一：柴油发动机的第个工作周期。下图，所示为中建立的燃油消耗计算模型。浙江大学颈士学位论空液压挖掘机井联式混台动系统模型研究固燃油消耗计算模型挖掘机混合动力系统柴油机气缸燃烧动力学建模四冲程柴油发动机的一个工作周期包括四个阶段，依次包括进气阶段、压缩阶段、燃油燃烧阶段和排气阶段。四冲程柴油发动机工作示意图如下所示：进气阶驻缩阶段空气燃烧阶段燃排气阶段废气髫营髫

38、学图四冲程柴油发动机工作示意田进气阶段中，活塞最开始处于上止点位置，随着曲轴的转动，活塞由上止点开始往下移动，同时，与曲轴相连的驱动机构使得进气阀门打开。由于气缸内容积增大，气缸内气体压力不断降低，外面空气压力大干缸内气体压力，不断充入气缸。压缩阶段中，活塞开始由下止点向上移动，同时由于该阶段中，进气阀门和排气阀门都处于紧闭状态，使得缸内新鲜空气受到压缩，在缸内气体体积不断减小的同时，气体压力和温度不断上升。燃油燃烧阶段中，上一阶段末段喷入的柴油遇到缸内高温的气体开始燃烧，燃烧放出的大量热量加热缸内气体，使得缸内气体压力和温度急剧升高，高温高压气体推动活塞向下移动，推动曲轴转动。排气阶段中，活

39、塞由下止点向上移动，同时与曲轴相连的驱动机构使得排气阀门打开，缸内燃烧后的废气被活塞推动排出。柴油机工作过程中，通过上面的描述可以得知其缸内的变化过程是很复杂的，要用数学模型详细描述气缸内的燃烧过程是一项很困难的任务。因此，在建立柴油机气缸燃烧动力学模型时，我们需要对该过程进行一定的简化。简化后的燃烧动力学模型用仿真较容易，适合混合动力系统柴油发动机及系统控制策略的制定，并且与实际工作过程的误差在可接受的范围之内。以下为对气缸工作过程的基本假设和简化：工作过程中柴油机气缸内气体都处于热平衡状态，即气缸内气体的成分、压力和温度是均匀的。进气过程中，进入柴油机气缸中的新鲜空气与缸内气体实现瞬时完全

40、混合；排气过程中，柴油机气缸内气体始终是均匀分布的，不受排出气体的影响。柴油机气缸内气体在工作过程中都视为理想气体，缸内气体由空气和纯燃烧产物组成。进气阶段通过气阀阀门的气体流入，排气阶段通过气阀阀门的气体流出等过程视为准稳态流动。缸内气体成分定义柴油机气缸内气体如上述假设中提到的，视为由空气和纯燃烧产物组成的混合气体。具体组成如下示意图所示。进气气体质量喷射进入燃烧的燃油质量排气气体质量，上秽，磋气缸内气体空气质建口？。糍：能谚，越？谤值？妇，毹？。嬲槐彘加：如？÷。，缸？毪？矗科：，÷勘施张，：慵囊一，。新鲜空气质量罄叠气缸内残留空气质量一镌锣，髫。鼍并惭哪！鸳哪”。一

41、恸：“节。矿：¨髑“覃缉，喈“鼍”节？群。蟹鬻：”鬻”。雩？。燃烧的燃油质繁耽扫懈新喷入燃烧的燃油质量，；一纛燃油燃烧产物气缸内残留的质量，？缳仃勃毒§，撅，；一觏跨：铎？；，移臀嚣謦擎谤慧粤簪矗彤弘？灏？簪强飘黟褫警糍髀：？霹甜÷，吃矽，图气缸内气体组成示意图为了描述混合气体的组成成分，在这里对其进行了定义，如下所示：讧丝篆去。，（）其中，：为气缸内实际空气质量；：为气缸内的燃油质量；“：为理论空气质量；厂，执：为理论燃油质量。为理论空燃比，即燃油理论上完全燃烧所消耗的空气质量，其定义为：萨鬻（）从而，拓在物理意义上可描述为，燃油燃烧实际供给的空气与燃油完全燃烧

42、所需的理论空气质量的比值。从上面的描述可知，如果在理想情况下，燃油完全燃烧，而空气也未多余，则比例系数谊。有了上面对混合气体成分的定义后，下面对柴油机工作周期内各阶段该比例浙江人学硕士学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究系数的变化进行计算：（）排气阶段，气缸内气体始终是均匀分布，则，。（），口五：鬲，（）工其中，为气缸内残留混合气体的质量。（）进气阶段，进入气缸中的新鲜空气与缸内气体实现瞬时完全混合，则拓磊老啬薏（）随着新鲜空气的不断进入，比例系数断不断增大。等赤。甓，竽）（）上式描述了进气阶段比例系数随曲柄转角的变化量。（）压缩和燃烧阶段，进气阀门关闭，则瓦磊瓦磊忑再而，磊（）瓦磊瓦

43、忑再磊赢习瓦）随着燃油的不断喷入和燃烧，比例系数不断减小。压缩和燃烧阶段比例系数随曲柄转角的变化量如下式所示：一！翌丛，。一而磊磊磊磊警（），扫，扫口口岱缸内气体能量守恒方程由基本的能量方程：（，）可推导出：缸内气体能量守恒方程：瓦一薏一恶一等岫鬻訾式中，：柴油机气缸内气体内能；：气缸内气体对活塞所做的功；：缸内气体向气缸周壁的热传导；：排气气体的焓；：进气气体的焓；（）（）浙江大学硕士学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究：燃油燃烧所释放出的热量。下图所示为气缸能量守恒示意图。圈气缸能重寸但不总图缸内气体能量守恒的物理意义为，气缸内气体的内能变化卷，由缸内气体与气缸周壁传递的热量老，缸

44、内气体推动活塞所做的机械功粤：，排气气体从气缸带走的热量。瓦，进气气体带入气缸内的热量器，和喷入的燃油燃烧所释放出来的热量笔警组成。（）纯进气阶段，排气阀门关闭，只打开进气阀，即曲柄转角为一。，有：无废气排出，故口“专警；无燃油喷入燃烧，故署。老一卷一老岫鬻（棚）（）纯气体压缩阶段，进气阀门和排气阀门均关闭，曲柄转角为。一。，有：无气体进入，故鬻；无废气排出，故。等。旦一业一堕（）、（）燃烧做功阶段，进气阀门和排气阀门均关闭，燃油喷入燃烧，曲柄转角为，右：浙江大学硕士学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究无新鲜空气吸入，故，罂；无废气排出，故。瓦。旦一业一垃一（）。、。（）纯排气阶段，进气阀门关闭，只打开排气阀门，即曲