平地机发动机变功率节能控制方法

平地机发动机变功率节能控制方法

0国外平地机使用变功率节能控制技术近年来，节能减排受到越来越多的关注。平地机的节能技术已成为各制造商的主要竞争之一。目前,中国平地机的节能措施集中在分工况对发动机降转速使用、传动系统合理匹配、冷却风扇节能控制等方面。而卡特彼勒(Caterpillar)、沃尔沃(Volvo)和约翰迪尔(JohnDeere)等国外平地机基本上都采用了对电喷发动机进行变功率控制的技术,这种技术是将电喷发动机循环供油量这一可控参数纳入机器的控制过程,在充分考虑实际工况对动力系统输出需求的基础上,使发动机功率、扭矩和转速3个参数得到合理的调节与控制,使其能够有效地节省燃油消耗。中国平地机使用电喷发动机较晚,对变功率节能控制技术的研究较少,尚未出现该技术试验或实际应用的相关文献或报道。变功率节能控制技术虽然在国外平地机产品中已有应用,但尚未发现相关文献,无法给中国变功率控制技术的研究提供理论与方法的直接借鉴,因此,对平地机变功率节能控制技术进行研究具有重要的理论与实际意义。1发动机外特性曲线的二次设计平地机作业负载和作业速度变化范围大,对发动机功率需求范围较宽。在低挡位时,由于行驶速度较低,机器自重产生的附着力有限,使得发动机可提供的功率大于平地机克服最大负载所需功率,平地机在该工况下工作时易出现驱动轮滑转,造成发动机功率浪费和轮胎不必要的磨损。传统平地机依靠操作者降低发动机转速,以减少功率浪费和轮胎磨损,但这种方法人为因素影响大,功率调节范围窄,效果并不理想。采用发动机变功率节能控制技术可通过发动机功率的自动调节,实现发动机功率与负载所需功率的合理匹配,从而减少发动机功率浪费和轮胎磨损。平地机变功率节能控制技术的原理是:通过设计多条电喷发动机功率外特性曲线,使平地机在低速作业时,发动机选择在功率较低的特性曲线上工作,如果负载不大,则发动机工作于调速段;若负载较大,发动机工作在外特性曲线上时,其工作点前移,不仅节省燃油消耗,而且发动机在较低功率曲线上工作时,平地机驱动轮滑转的频率减小,功率损失降低。图1为根据发动机外特性曲线经过二次设计得到的2组发动机功率Ne、扭矩Me、比油耗ge与发动机转速ne的关系。由图1可见:假设负载较小,如在负载扭矩1处,其与2条扭矩曲线都交于调速段b—d—e上的A点,此时比油耗基本一致;但如果负载较大,如在负载扭矩2处,则与扭矩曲线1交于B点,与扭矩曲线2交于C点,C点对应的比油耗和发动机功率较B点低,有效降低了发动机油耗。此外,C点对应的发动机转速比B点小,也降低了驱动轮滑转频率,减少了轮胎磨损。根据实际工况不同,配合机器的挡位设计,一般可预设2～4条发动机特性曲线。采用平地机变功率节能控制技术获得的节能效果可进行理论估算,假设功率较大和较小的2条特性曲线分别为功率曲线1和功率曲线2(图1),2条曲线上某一负载扭矩Me对应的功率分别为Ne1和Ne2,比油耗值分别为ge1和ge2,发动机转速分别为ne1和ne2,则在该点计算出的小时油耗Ge的理论值分别为Ge={ge1Ne1=ge1ne1Me大功率ge2Ne2=ge2ne2Me小功率(1)Ge={ge1Νe1=ge1ne1Μe大功率ge2Νe2=ge2ne2Μe小功率(1)由于ne1>ne2,ge1>ge2,则同样工况下,发动机工作在功率曲线2与工作在功率曲线1时相比,小时油耗降低量约为Me(ne1ge1-ne2ge2)。2变功率节能控制技术实施平地机变功率节能控制技术,首先要计算出平地机各挡位下所需的发动机最大功率,然后按照各挡位对功率的需求设置2条或多条发动机外特性曲线,实际作业时通过控制程序根据挡位自动选择设定的发动机功率曲线工作。由文献可知,各挡位所需发动机最大功率Pmax的计算式为Pmax=9.8GNVmaxf1000η+Pf(2)Ρmax=9.8GΝVmaxf1000η+Ρf(2)式中:Vmax为平地机某挡位最大作业速度;GN为平地机后轮总质量;f为地面附着系数;η为动力传动系统总效率;Pf为平地机辅助功率。Pf一般取发动机功率的15%,f取0.75,则式(2)可简化为Pmax=8.65VmaxGN1000η(3)Ρmax=8.65VmaxGΝ1000η(3)以某厂家生产的PQ190液压平地机为例,阐述平地机变功率节能控制技术的具体实现方法。该平地机行驶驱动系统的动力传递路线为:发动机-液压泵-液压马达-减速平衡箱-驱动轮,发动机功率外特性曲线如图2所示。以该平地机1挡为例,发挥最大牵引力时,Vmax=0.83m·s-1,GN=10500kg,η取0.75,根据式(4)计算得到所需发动机最大功率Pmax为115kW,而该平地机的发动机最大功率为148kW,由此可知,若不进行发动机变功率控制,则该挡位下发动机功率存在33kW的富余,在特定工况下会加剧驱动轮滑转,造成功率损失、油耗增大和轮胎磨损。结合平地机工况需求,采用上述的各挡功率计算方法,根据计算结果对样机设计3条功率曲线(功率曲线1,2,3,分别对应的额定功率为115,130,148kW),如图3所示,其中115kW功率曲线用于1挡,130kW功率曲线用于2挡,148kW功率曲线为发动机原始曲线,用于其他挡位。发动机变功率控制技术的实现可通过发动机电控单元(ECU)自动实现。应用时,由平地机控制系统通过CAN总线向发动机ECU发出相应的切换指令,发动机ECU根据指令要求对发动机功率曲线进行自动切换。平地机变功率节能控制系统采用总线式控制网络,总线式控制网络的基本模式为,CAN总线加专用控制器加彩色液晶屏(虚拟仪表)加发动机ECU等其他节点单元。平地机变功率节能控制过程为,专用控制器采集平地机当前工作挡位信号,根据预设的每个挡位所对应发动机功率曲线,判断发动机当前应工作的功率曲线,并确定该功率曲线的CAN总线指令代码,将该代码发送至发动机ECU,使发动机按各挡位对应的功率曲线工作,控制流程如图4所示。3试验结果及分析为了验证平地机变功率节能控制技术的节能效果,对PQ190液压平地机发动机设置的115,130,148kW三条功率曲线进行极限负载油耗试验,试验样机相关性能参数如表1所示。试验方法为:将试验样机置于1挡工作(该挡位为变功率节能效果较明显的挡位),施加同等大小负载,分别在3条不同的功率曲线上工作相同时间,对比其耗油量,同时采用数据采集仪记录牵引力、液压系统压力、发动机理论转速和发动机实际转速等参数变化情况。测量仪器设备包括数据采集仪(图5)、拉力传感器(图6)、压力传感器及电子秤等,各仪器的型号及量程如表2所示。变功率节能控制试验现场如图7所示,为了使不同功率曲线工作时的负载完全相同,采用牵引固定桩模拟最大相同负载。试验过程中将发动机的柴油进、回油管均接入柴油桶内,并在该柴油桶下安放电子秤,实时显示柴油质量,油耗测量如图8所示。在油耗试验开始和结束时分别读取电子秤上显示的柴油质量,两者相减即可得出发动机在一定时间内的耗油量。样机在1挡相同极限负载工况下,115,130,148kW三条发动机功率曲线的小时耗油量分别为25.1,28.5,30.8L·h-1。各变功率曲线下样机的相关参数测试结果如图9～11所示。由图9～11可知,3条发动机功率曲线的发动机理论转速范围均为0～2300r·min-1,即采用变功率节能控制技术后,发动机的输出转速范围不变,正常作业时对平地机作业装置的工作效率没有影响。表3为各功率曲线下平地机相关性能参数对比(数据为发动机理论转速达最大值后的统计分析数据)。从表3可知,采用变功率控制技术后,在大负载工况下,发动机工作在外特性曲线上时发动机工作点前移,转速有所下降。115,130kW功率曲线的发动机平均转速分别降至1806,2006r·min-1,与理论分析结果一致。平地机作业时,超出负载需求的部分发动机功率以驱动轮打滑的形式损失掉,而功率损失的同时会带来驱动轮的滑转和磨损。采用变功率节能控制技术后,在极限负载工况下,驱动轮平均滑转转速由17r·min-1分别降低至15,13r·min-1,有效减少了驱动轮的滑转和磨损,提高了发动机功率利用率。4变功率节能控制技术(1)通过分析发动机变功率节能控制技术原理,研究了该技术对平地机燃油消耗、驱动轮滑转频率和轮胎磨损等参数的影响,提出了平地机发动机变功率曲线设计计算方法,并针对某样机设计了3条发动机功率曲线,给出了变功率节能控制技术具体实现步骤。试验结果表明,变功率节能控制技术提高了发动机功率利用率,在平地机极限工况下节能7.3%～