許宏昌，洪萬年

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

某車輛動力裝置為廢氣渦輪增壓水冷電控柴油機，傳動裝置為液力機械綜合傳動裝置 (采用行星變速機構(gòu)，配置有液力變矩器).在高原地區(qū)行駛時，出現(xiàn)車輛起步困難的現(xiàn)象.具體表現(xiàn)為:車輛掛擋起步時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速持續(xù)下降，有時會降至500～600 r/min(該機怠速為800 r/min)，松開制動踏下油門，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升緩慢，車輛起步加速緩慢.

車輛起步過程，其實就是發(fā)動機的動力經(jīng)過傳動、行動等裝置損耗后傳輸?shù)街鲃虞喩?，克服地面阻力的過程.高原與平原地區(qū)相比，由于車輛參數(shù)未變，地面阻力和機構(gòu)內(nèi)阻力基本不會有太大變化.則起步困難問題的根源就在于高原環(huán)境下，動力與傳動裝置的工作特性或其匹配特性產(chǎn)生了變化，下面就從分析動力、傳動裝置的特性及其匹配入手，分析問題原因.

1 原因分析

車輛可以迅速起步平穩(wěn)行駛的前提條件是發(fā)動機扭矩要克服傳動反饋的阻力矩 (包括地面阻力、各機構(gòu)內(nèi)部阻力).在平原地區(qū)，該車可以順利起步行駛，在高原起步困難說明發(fā)動機在高原地區(qū)怠速扭矩不足以驅(qū)動車輛前進.進一步分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機高原地區(qū)的扭矩下降幅值并不是簡單的隨空氣密度降低等比例下降，而是在低速段扭矩下降幅值最大.這是因為隨著海拔高度的升高，盡管大氣密度降低，導(dǎo)致柴油機進氣量減小，但同時渦輪背壓也隨之降低，膨脹比增加，使渦輪增壓器做功能力相對提高，起到了一定的空氣補償?shù)淖饔?在高轉(zhuǎn)速時，渦輪增壓補償效果較好，而在低轉(zhuǎn)速時，柴油機廢氣能量不足，渦輪增壓器工作能量迅速下降，由此導(dǎo)致渦輪增壓柴油機在高海拔地區(qū)低速時動力性能銳減［1］.就該車而言，在起步階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速基本在1100～1200 r/min時，增壓器才開始介入工作.也就是說，在低速時，發(fā)動機只相當(dāng)于自然進氣的非增壓發(fā)動機，其功率完全取決于發(fā)動機缸徑和活塞沖程.因此，發(fā)動機扭矩曲線在800～1100 r/min階段出現(xiàn)了較大誤差.

通過發(fā)動機和傳動裝置的臺架試驗，對發(fā)動機高原地區(qū)低速扭矩特性曲線進行了修正，并實測得到了傳動裝置的空載損耗，優(yōu)化匹配出修正后的動力傳動匹配曲線.通過對修正后的動力傳動匹配曲線分析，與平原地區(qū)相比，受到高原地區(qū)空氣稀薄、含氧量低的影響，發(fā)動機功率與扭矩均有較大幅度的下降，特別是在低速段增壓器不介入工作時，扭矩曲線已經(jīng)低于液力變矩器傳動比為0時的負荷拋物線.也就是說，發(fā)動機輸出扭矩不能克服傳動反饋的阻力矩，發(fā)動機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯下降，直至發(fā)動機轉(zhuǎn)速與液力變矩器達到合適的匹配工作點(約為500～600r/min).這是造成高原地區(qū)車輛起步困難的根本原因.在平原地區(qū)，由于發(fā)動機輸出能力足夠，此問題不會出現(xiàn).

2 采取措施及驗證情況

解決措施可以從以下幾方面入手:1)優(yōu)化發(fā)動機低速下匹配標(biāo)定，提高低速扭矩.由于低速下增壓器不介入工作，發(fā)動機可用氣量僅等于缸內(nèi)容量，無法從根本上解決問題;2)增加傳動裝置前傳動比，使車輛在較小的發(fā)動機扭矩下也可以完成起步.但這項措施意味著動力傳動整個匹配工作區(qū)域右移，高轉(zhuǎn)速下車輛特性變差.而且增加前傳動比會直接導(dǎo)致整車最大速度的降低，如果在增加前傳動比的同時調(diào)整行星變速機構(gòu)，保證最高擋總傳動比不變，這就需要重新設(shè)計行星變速機構(gòu);3)提高發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速.比如將怠速轉(zhuǎn)速從800 r/min提高到1000 r/min，直接避開發(fā)動機低速區(qū).但此措施會導(dǎo)致在平原地區(qū)動力充足時起步容易沖車，車輛操縱性更差且易發(fā)生危險.

理論上，上述幾種措施均可解決起步困難問題，但有的實施難度很大，有的會帶來其它影響，都不是最佳解決方案.因此，我們繼續(xù)深入分析在起步過程中發(fā)動機運轉(zhuǎn)及噴油控制的動態(tài)過程.該發(fā)動機為全程調(diào)速模式，電控單體泵噴油.其噴油控制策略為:首先，主控制器通過比較發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與油門踏板給出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，獲得兩者的轉(zhuǎn)速差，再經(jīng)過PID控制器得到基本油量輸出值;然后，通過功率限值、保護功能 (冷卻水溫保護、排氣溫度保護等)、空燃比限值對基本輸出值進行進一步修正得到最終輸出的噴油量;最后，主控制器根據(jù)噴油泵的流量特性換算出實際噴油脈寬，以驅(qū)動執(zhí)行器工作.具體分析車輛起步這一過程:駕駛員踏下制動踏板，將擋位從空擋掛到一擋，此時油門開度為0，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在負荷的作用下迅速下降，主控制器開始提高噴油量，大約2 s后，噴油量提高到空燃比限值油量，發(fā)動機扭矩開始得以發(fā)揮，但此時在負載作用下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速已經(jīng)被壓低至600 r/min，由此再恢復(fù)是需要較長時間的.

通過上述分析，產(chǎn)生了另外一種解決問題的思路，即通過在起步瞬間，提高發(fā)動機的控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速.根據(jù)控制策略提前開始主動噴油，避免或縮短發(fā)動機轉(zhuǎn)速被負荷壓低這2 s的時間，實現(xiàn)車輛起步與發(fā)動機噴油的協(xié)調(diào)控制，提高轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度，進而改善車輛起步特性.按照這種思路，分別設(shè)計了以800 r/min、1000 r/min為目標(biāo)轉(zhuǎn)速的兩種優(yōu)化控制策略，具體為:傳動裝置換擋手柄由空擋結(jié)合1擋后 (表明意圖起步)，換擋信息同時通過總線傳輸給發(fā)動機ECU.當(dāng)ECU接到起步指令時，提前開始按照設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速增加噴油量，由于從換擋手柄發(fā)出換擋指令到實際完成換擋動作約需1.5 s，在此時間段內(nèi)，發(fā)動機噴油量已經(jīng)提前增加，相應(yīng)發(fā)出的扭矩也已經(jīng)增加，所以避免了由于怠速扭矩過低導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低的過程.

上述兩種優(yōu)化控制策略在平原地區(qū)環(huán)境下進行了樣車試驗測試，與原控制策略對比結(jié)果如下:

1)原控制程序的結(jié)果是:掛擋加載后發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速降至595 r/min，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間經(jīng)歷4.5 s;

2)起步階段設(shè)定發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)速為800 r/min的結(jié)果是:掛擋加載后發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速降至727 r/min，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間經(jīng)歷4.5 s.雖然轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間沒有變化，但是發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速得到大幅度提高.

3)起步階段設(shè)定發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1000 r/min的結(jié)果是:掛擋加載后發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速為880 r/min，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間經(jīng)歷3.7 s，起步過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速始終高于怠速值.

實測發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化對比曲線見圖1.試驗結(jié)果表明:采用提高發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)速的優(yōu)化控制策略后，起步過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速明顯升高，從而提高了起步過程發(fā)動機的輸出扭矩，有效地改善了起步性能，起步過程平穩(wěn)，未發(fā)生沖車現(xiàn)象.

圖1 平原地區(qū)不同控制策略起步過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化對比曲線

采用目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1000 r/min的優(yōu)化控制策略后，車輛在高原地區(qū)起步過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速最低為862 r/min，整個起步過程轉(zhuǎn)速始終在怠速之上，發(fā)動機扭矩可以順利克服阻力矩，完成車輛平穩(wěn)起步.實測起步過程中的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化見圖2.

圖2 高原地區(qū)優(yōu)化控制策略起步過程中各參數(shù)變化曲線

3 結(jié)束語

通過對某車輛在高原地區(qū)動力傳動工作匹配情況、增壓器介入工作時間、起步過程中噴油控制策略的詳細分析，制定了起步時提高發(fā)動機目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速的措施.經(jīng)過高原地區(qū)試驗表明，該措施可以有效解決高原環(huán)境下裝甲車輛起步困難的問題，且無需對車輛硬件結(jié)構(gòu)做修改，可行性和推廣應(yīng)用性較好.由此問題引起以下兩點啟示:

1)柴油機的發(fā)展趨勢是更高的功率密度，在較小的排量下得到較高的功率.但對于廢氣渦輪增壓柴油機來說，隨著排量的減小，低速階段增壓器不介入工作時能發(fā)出的扭矩必然隨之減小，特別是在高原地區(qū)，該問題可能會導(dǎo)致車輛完全無法起步，值得加以關(guān)注.

2)對于采用液力機械綜合傳動裝置的車輛，以往的動力傳動匹配更多關(guān)注在發(fā)動機常用工作區(qū)即高轉(zhuǎn)速區(qū)，對起步等低轉(zhuǎn)速區(qū)過程以合格為主.在以后的設(shè)計中，應(yīng)更多關(guān)注發(fā)動機高低轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)匹配優(yōu)化問題.

［1］劉瑞林.柴油機高原環(huán)境適應(yīng)性研究 ［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2013:103.