李鋒偉　趙　虎（. 龍工（上海）挖掘機(jī)制造有限公司，上?！?6；. 派克漢尼汾液壓（天津）有限公司，天津　300385）

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基于柴油電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)控制

李鋒偉1趙虎2
（1. 龍工（上海）挖掘機(jī)制造有限公司，上海201612；2. 派克漢尼汾液壓（天津）有限公司，天津300385）

摘要本文通過(guò)分析不同的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)控制方式的原理，比較其在現(xiàn)代液壓挖掘機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，得出在提高挖掘效率和改善燃油經(jīng)濟(jì)性方面，更符合中國(guó)市場(chǎng)需求的技術(shù)方向。

關(guān)鍵詞：電噴發(fā)動(dòng)機(jī)；油門(mén)控制方式；電控系統(tǒng)；功率匹配；燃油經(jīng)濟(jì)性；挖掘效率

Throttle Control of Electronic Fuel Injection Diesel Engine

Li Fengwei1Zhao Hu2
（1. Lonking （Shanghai） Excavator Co.， Ltd， Shanghai201612; 2. Parker Hannifin Hydraulics （Tianjin） Co.， Ltd， Tianjin300385）

Abstract According to analyze the theory between different throttle control modes of electronic fuel injection （EFI） engine， and compare their real application data derived from modern hydraulic excavator， results in the more in line with technical direction of China market demand at the aspect of improving digging efficiency and fuel economy.

Keywords：electronic fuel injection （EFI） engine; throttle control mode; electronic control system; power match; fuel economy; digging efficiency

隨著挖掘機(jī)技術(shù)的發(fā)展日漸成熟，多功能化、智能化，網(wǎng)絡(luò)化已成為挖掘機(jī)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。再加上近年來(lái)國(guó)家對(duì)環(huán)保以及能源戰(zhàn)略的要求，還有最終用戶資源最大化的需求，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越多，也越來(lái)越被用戶認(rèn)可。雖然電噴發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油質(zhì)量的要求比機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)要高，但是在燃油消耗量和挖掘效率方面，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)很明顯，特別是在高原地區(qū)，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性更加突出，因?yàn)殡妵姲l(fā)動(dòng)機(jī)只需要調(diào)整其電子控制模塊（ECM）的參數(shù)就可以在高原地區(qū)正常使用，而機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)則很難在高原地區(qū)正常工作。充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高燃油效率區(qū)域，提高整機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，也是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在。

原動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)之間的功率匹配控制是液壓挖掘機(jī)節(jié)能研究的重要方向。電控系統(tǒng)起到橋梁紐帶的作用，將原動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和工作負(fù)載三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集液壓系統(tǒng)各主要壓力參數(shù)的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率和瞬時(shí)油耗的變化，并分析其變化規(guī)律，通過(guò)調(diào)節(jié)電子比例減壓閥的輸入電流，來(lái)及時(shí)調(diào)整液壓系統(tǒng)的輸入功率，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高效工作，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。對(duì)于電噴發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其本身的ECM，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣空燃比和點(diǎn)火提前角的精確控制，特別是在過(guò)渡工況下能進(jìn)行瞬時(shí)精確控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下都能處在最佳狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。相比機(jī)械式柴油機(jī)，ECM的控制效能已大為提高和精準(zhǔn)，不過(guò)要充分發(fā)揮其效能，需要車(chē)載電控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)介入，在挖掘機(jī)不同負(fù)載狀況下選擇不同的控制方式。目前電噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)控制方式有幾種，在非公路設(shè)備上主要以兩種方式為主，一種方式是扭矩轉(zhuǎn)速控制方式，即通常所稱的TSC1方式，二是油門(mén)開(kāi)度方式控制，即通常所稱的油門(mén)百分比方式。本文就這兩種控制方式進(jìn)行對(duì)比分析，從實(shí)際工作中，總結(jié)哪種控制方式的燃油消耗更低，挖掘效率更高，穩(wěn)定性更好。下面以康明斯電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中分析對(duì)比不同油門(mén)控制方式所表現(xiàn)的特性。

1　扭矩轉(zhuǎn)速控制方式-TSC1

在液壓挖掘機(jī)的電子控制系統(tǒng)中，車(chē)載控制器負(fù)責(zé)設(shè)定多種工作模式及各個(gè)擋位和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，車(chē)載控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)ECM之間通過(guò)CAN2.0B總線進(jìn)行通信，具體按標(biāo)準(zhǔn)的SAE J1939協(xié)議規(guī)定執(zhí)行。若電噴式發(fā)動(dòng)機(jī)采用TSC1油門(mén)控制方式，車(chē)載控制器需向發(fā)動(dòng)機(jī)ECM直接發(fā)送轉(zhuǎn)速值，來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在TSC1控制方式下，SAE J1939通信協(xié)議對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制具體規(guī)定要求為，發(fā)動(dòng)機(jī)的掉速率和調(diào)速率都是0%，所以當(dāng)挖掘機(jī)在任何工作模式下，無(wú)論是空載還是負(fù)載狀態(tài)，ECU總是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之在設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速下工作。比如設(shè)定空載轉(zhuǎn)速1500r/min，負(fù)載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間掉50r/min左右，而穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本還是保持在1500r/min。所以在此TSC1轉(zhuǎn)速控制方式下，發(fā)動(dòng)機(jī)基本不在額定功率狀態(tài)下工作，也就是說(shuō)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷率（percent load）加不上去，如果負(fù)荷率達(dá)到80%以上，可以說(shuō)此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗和效率比一定是比較好的，如果達(dá)到95%以上，這時(shí)候的燃油消耗和效率比是最好的，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率幾乎完全被利用，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了最佳燃油消耗點(diǎn)。如果負(fù)荷百分比低于80%，甚至更低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率沒(méi)有被充分利用和發(fā)揮，當(dāng)然要損失一定燃油，燃油消耗和效率比自然降低。

在挖掘機(jī)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集和在不同工作模式下的工作狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速無(wú)論在空載還是在帶載挖掘狀態(tài)，都相對(duì)比較穩(wěn)定，波動(dòng)不是很大，負(fù)荷率相對(duì)較低，燃油消耗相對(duì)會(huì)高些。

圖1　TSC1扭矩轉(zhuǎn)速控制方式-轉(zhuǎn)速變化

2　油門(mén)開(kāi)度控制方式-油門(mén)百分比

電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的另外一種油門(mén)控制方式：油門(mén)開(kāi)度。在此方式下，車(chē)載控制器按標(biāo)準(zhǔn)的SAE J1939協(xié)議向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送油門(mén)百分比命令，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU會(huì)控制與百分比對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速率可以通過(guò)總線進(jìn)行選擇，如7%、9%、12%等，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)一般都提供可供選擇的扭矩設(shè)置，通常為3條，通過(guò)總線向ECM發(fā)送信號(hào)進(jìn)行選擇；如下（某品牌柴油電噴發(fā)動(dòng)機(jī)曲線選擇發(fā)法）：

1）扭矩曲線的選擇：

（1）選擇扭矩曲線1

18FDCB30xTx d 8 FF 01 FF FF FF FF FF FF

（2）選擇扭矩曲線2

18FDCB30xTx d 8 FF 02 FF FF FF FF FF FF

（3）選擇最大的扭矩曲線

18FDCB30xTx d 8 FF 00 FF FF FF FF FF FF

圖2　電噴發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線圖

2）調(diào)速率的選擇

（1）選擇調(diào)試率1

18FDCB30x Tx d 8 FF FF F1 FF FF FF FF FF

（2）選擇調(diào)試率2

18FDCB30x Tx d 8 FF FF F2 FF FF FF FF FF

（3）選擇最小的調(diào)試率

18FDCB30x Tx d 8 FF FF F0 FF FF FF FF FF

圖3　電噴發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速率曲線圖

在適當(dāng)?shù)耐饨缲?fù)載下，自動(dòng)選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線，保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的平穩(wěn)性。調(diào)速率曲線的選擇決定發(fā)動(dòng)機(jī)掉速，發(fā)動(dòng)機(jī)速度下降過(guò)多，影響液壓泵的排量，泵的排量下降，輸出功率也下降，動(dòng)力裝置速度下降。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的7%、9%、12%，進(jìn)行液壓功率越權(quán)控制，保證發(fā)動(dòng)機(jī)掉速在允許的范圍內(nèi)。

電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速率標(biāo)定的是額定轉(zhuǎn)速下的，在非額定轉(zhuǎn)速下的調(diào)試率可進(jìn)行插值計(jì)算，所以當(dāng)選定12%調(diào)速率時(shí)，只是在額定轉(zhuǎn)速下是12%，其他轉(zhuǎn)速下可進(jìn)行差值計(jì)算。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中一般先選用較大的調(diào)速率，把發(fā)動(dòng)機(jī)的最大效率發(fā)揮出來(lái)。當(dāng)然進(jìn)行實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，每選一條扭矩曲線，可選擇不同的調(diào)速率進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，把所有結(jié)果通過(guò)試驗(yàn)的手段記錄下來(lái)，進(jìn)行比較，就很容易找到各模式下、各擋位下哪組對(duì)應(yīng)的調(diào)速率和扭矩曲線是燃油消耗最小、挖掘效率最高的。數(shù)據(jù)都是通過(guò)試驗(yàn)得出的，具有較強(qiáng)的說(shuō)服力。當(dāng)然調(diào)試率選擇的越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的掉速相對(duì)就越大，越能發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，在相同負(fù)荷下（即負(fù)荷率相同）和效率的情況下，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)還最省燃油。

圖4　油門(mén)開(kāi)度控制方式-轉(zhuǎn)速變化

3　控制方式比較

電噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)控制方式還有遠(yuǎn)程油門(mén)、頻率油門(mén)等多種形式，但是在挖掘機(jī)中應(yīng)用較多的是TSC1及開(kāi)度油門(mén)兩種，其他方式不適合于液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品，這里就不一一贅述。

通過(guò)從實(shí)際工況試驗(yàn)中得出的TSC1和油門(mén)開(kāi)度兩種情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

表1　TSC1方式下的油耗效率及轉(zhuǎn)速情況

表2　油門(mén)開(kāi)度方式下的油耗效率及轉(zhuǎn)速情況

對(duì)比可以看出在設(shè)定轉(zhuǎn)速一定的情況下，油門(mén)開(kāi)度的油耗和工作效率相對(duì)TSC1方式要好，這是因?yàn)橛烷T(mén)開(kāi)度控制方式充分發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化稍大些，但是此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的功率匹配良好，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率在80%以上。當(dāng)然TSC1這種方式使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終在設(shè)定轉(zhuǎn)速附近工作，燃油消耗肯定會(huì)稍大，不能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率且負(fù)荷率也相對(duì)較低，所以效率也相對(duì)較低。

4　結(jié)論

綜上，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在挖掘機(jī)的應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先考慮使用油門(mén)開(kāi)度的控制方式，這樣不但能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，減少燃油消耗量，還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率進(jìn)而提高挖掘機(jī)的挖掘效率，這也是適合中國(guó)國(guó)情需求的一種最佳方式。

參考文獻(xiàn)

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李鋒偉（1981-），男，本科，龍工（上海）挖掘機(jī)制造有限公司技術(shù)中心研發(fā)工程師，從事中大型挖掘機(jī)整機(jī)電控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，挖掘機(jī)產(chǎn)品新技術(shù)應(yīng)用，性能質(zhì)量管理分析工作。

作者簡(jiǎn)介