楊智宇， 陸佳紅， 柳少康

(1.重慶工商大學(xué) 制造裝備機構(gòu)設(shè)計與控制重慶市重點實驗室，重慶 400067；2. 北京車和家信息技術(shù)有限公司 整車功能與軟件中心，北京 101300)

0 引 言

輪式裝載機廣泛應(yīng)用于礦山、港口、建筑和基礎(chǔ)設(shè)施等工程領(lǐng)域，國內(nèi)外均已將節(jié)能減排指標(biāo)作為裝載機產(chǎn)品許可強制規(guī)定[1-2]。發(fā)動機作為傳統(tǒng)動力裝載機的唯一動力來源，其運行狀態(tài)對裝載機經(jīng)濟性影響很大。對國內(nèi)某型輪式裝載機開展了試驗研究，發(fā)現(xiàn)以下問題：當(dāng)駕駛員突然踩下加速踏板，排氣管有黑煙冒出，表明發(fā)動機內(nèi)部燃燒不充分，瞬時油耗較高[3]；在V字形工況下，發(fā)動機大部分工作點分布在燃油消耗率較高區(qū)域，相比國外的同級別機型，經(jīng)濟性欠佳；把加速踏板開度作為單一變量控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，未對裝載機的工況進行識別。

針對上述問題，提出了一種輪式裝載機發(fā)動機節(jié)能控制方法，主要包括：發(fā)動機瞬態(tài)節(jié)能控制，通過限制發(fā)動機角加速度，降低加速踏板行程突然增大時的瞬時油耗；整機兩作業(yè)模式節(jié)能控制，通過模式選擇開關(guān)設(shè)置作業(yè)模式，在實現(xiàn)工況識別的同時，也盡可能使發(fā)動機工作點分布在燃油消耗率較低的區(qū)域，提高燃油經(jīng)濟性。最后開展了實車實驗，結(jié)果表明：控制策略在動力模式下保證了與原車控制策略相同的動力性，且燃油經(jīng)濟性有所提高；在經(jīng)濟模式下具有較好的燃油經(jīng)濟性。

1 原型機動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)動機節(jié)能控制策略是基于某型傳統(tǒng)動力輪式裝載機開發(fā)的，由減速系統(tǒng)、液力變矩器、發(fā)動機及其管理系統(tǒng)(EMS)、工作變量泵、手自一體變速器及其控制單元(TCU)和轉(zhuǎn)向變量泵等核心零部件組成其動力傳動系統(tǒng)，如圖1所示。各系統(tǒng)獨立工作，其狀態(tài)信息通過CAN總線發(fā)送到VCU(Vehicle Control Unit，整車控制器)，VCU根據(jù)駕駛員的輸入及各系統(tǒng)狀態(tài)信息，對發(fā)動機進行節(jié)能控制。根據(jù)液力變矩器的工作特性，裝載機在工作時發(fā)動機采用轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)。

圖1 原型機動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 發(fā)動機瞬態(tài)節(jié)能控制

當(dāng)駕駛員有急加速或鏟裝工作需求時，會急速踩下加速踏板。為了滿足動力性需求，發(fā)動機轉(zhuǎn)速需迅速提升。此時電控噴射系統(tǒng)立刻增加噴油量，燃油混合氣瞬間加濃，內(nèi)部燃燒條件變差，導(dǎo)致整機瞬時油耗增加和排放惡化[4-6]。此外，發(fā)動機廠商多采用變參數(shù)PID(Proportional integral derivative，比例積分微分)方法控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，當(dāng)駕駛員急速踩下加速踏板時，若不對發(fā)動機角加速度進行限制，發(fā)動機達到期望轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時間未必最短[7-8]。

2.1 發(fā)動機瞬時油耗及動態(tài)響應(yīng)特性測試

為了驗證上述思想，在相同車輛狀態(tài)、相同測試環(huán)境下，針對原型機發(fā)動機在不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過程中的總油耗及響應(yīng)時間進行了實車測試研究，測試方案：設(shè)定其實轉(zhuǎn)速為800 rpm，采用不同的角加速度進行加速，直至目標(biāo)轉(zhuǎn)速為2 000 rpm記錄其油耗。

發(fā)動機在不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過程中的總油耗如圖2所示。當(dāng)角加速度為700 rpm/s時，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速上升過程中的總油耗最低，此時發(fā)動機在該工況下燃油經(jīng)濟性最好。因此，當(dāng)駕駛員不追求動力性時，應(yīng)將發(fā)動機的角加速度限制在700 rpm/s。

圖2 不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過程中的總油耗

發(fā)動機在不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過程中的上升時間如圖3所示。當(dāng)角加速度為1 000 rpm/s時，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速上升過程中的上升時間最短，此時發(fā)動機在該工況下動力性最好。因此，當(dāng)駕駛員追求動力性時，應(yīng)將發(fā)動機的角加速度限制在1 000 rpm/s。

圖3 不同角加速度下轉(zhuǎn)速上升過程中的上升時間

2.2 發(fā)動機瞬態(tài)節(jié)能控制策略

針對急加速或鏟裝工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速提升過程中瞬時油耗增加和排放惡化的問題，設(shè)計了發(fā)動機瞬態(tài)節(jié)能控制策略，架構(gòu)如圖4所示，包括信號采集模塊、駕駛員意圖、發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略、瞬態(tài)節(jié)能控制策略、信號輸出模塊和發(fā)動機及其EMS。

圖4 發(fā)動機瞬態(tài)節(jié)能控制策略架構(gòu)

圖4中：nr為發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略的期望轉(zhuǎn)速；nc為瞬態(tài)節(jié)能控制策略的發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制命令。

其中，發(fā)動機瞬態(tài)節(jié)能控制策略包括進入/退出控制策略和基于角加速度限制的發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略。進入退出控制策略用于判斷發(fā)動機是否需要進行瞬態(tài)節(jié)能控制；基于角加速度限制的發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略，在響應(yīng)駕駛員意圖的前提下，盡可能地降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速提升過程中的瞬時油耗。

2.2.1 進入退出控制策略

設(shè)計的進入退出控制策略如圖5所示。圖5中：nr為發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望轉(zhuǎn)速；Cd為駕駛員追求動力性時的角加速度門限值；Ce為駕駛員不追求動力性時的角加速度門限值。

圖5 進入退出控制策略

在裝載機工作過程中，發(fā)動機按照轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望轉(zhuǎn)速nr運行，并根據(jù)駕駛員的動力性意圖進行瞬態(tài)節(jié)能控制。當(dāng)駕駛員追求動力性時，若發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望角加速度大于Cd時，進入動力模式下的瞬態(tài)節(jié)能控制策略；當(dāng)駕駛員不追求動力性時，若發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望角加速度大于Ce時，進入經(jīng)濟模式下的瞬態(tài)節(jié)能控制策略。在瞬態(tài)節(jié)能控制策略中，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望角加速度小于對應(yīng)的門限值(Cd或Ce)時，退出瞬態(tài)節(jié)能控制策略。

2.2.2 瞬態(tài)節(jié)能控制策略

根據(jù)2.1測試結(jié)論可知，通過限制發(fā)動機的角加速度，可以降低其瞬時油耗。根據(jù)以上分析結(jié)果，考慮對發(fā)動機的角加速度進行限制，從而實現(xiàn)發(fā)動機的瞬態(tài)節(jié)能控制，計算公式如下：

式(1)中：nc(i)為當(dāng)前瞬態(tài)節(jié)能控制下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速命令；nr(i)為當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望轉(zhuǎn)速；i為控制周期計數(shù)；Clim為角加速度門限值；δ為單位時間步長。

在瞬態(tài)節(jié)能控制過程中，發(fā)動機角加速度控制在Clim以內(nèi)，如式(2)，直至退出瞬態(tài)節(jié)能控制。未進入瞬態(tài)節(jié)能控制時，發(fā)動機執(zhí)行轉(zhuǎn)速控制策略制定的期望轉(zhuǎn)速，如式(1)。其中，當(dāng)駕駛員追求動力性時設(shè)定為Cd，駕駛員不追求動力性時設(shè)定為Ce，根據(jù)2.1測試結(jié)論，Cd取1 000 rpm/s，Ce取7 000 rpm/s。

3 整機兩作業(yè)模式節(jié)能控制

裝載機作為一種多用途工程機械，在進行作業(yè)時，工況、任務(wù)、作業(yè)對象和功率流分配都擁有復(fù)雜多變的特點，導(dǎo)致發(fā)動機工作點經(jīng)常偏離燃油消耗率較低區(qū)域。對原型機在V字形工況下發(fā)動機的工作點進行統(tǒng)計，如圖6所示，大部分工作點集中在2 000 rpm以上燃油消耗率較高的區(qū)域，導(dǎo)致整機燃油經(jīng)濟性較差。為了應(yīng)對以上問題，提出整機兩作業(yè)模式控制的方案，即通過改變發(fā)動機的輸出特性實現(xiàn)多種作業(yè)模式，包括動力模式和經(jīng)濟模式，使得裝載機能夠適應(yīng)不同工況下的行走和鏟裝等工作[9-10]，以提高整機燃油經(jīng)濟性。

圖6 原型機在V字形工況下的發(fā)動機工作點

由圖6可知，當(dāng)原型機發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于2 000 rpm時，工作點偏離燃油消耗率較低區(qū)域，燃油經(jīng)濟性較差?？紤]裝載機V字形工況循環(huán)時間、加速能力等因素，控制策略在動力模式下，不限制發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速；在經(jīng)濟模式下，將發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速限制在2 000 rpm。此外，根據(jù)2.1結(jié)論，整機處于經(jīng)濟模式時，駕駛員不追求動力性，發(fā)動機角加速度限制在700 rpm/s；整機處于動力模式時，駕駛員追求動力性，發(fā)動機角加速度限制在1 000 rpm/s。

整機兩作業(yè)模式節(jié)能控制切換邏輯如圖7所示。圖7中：Eco為模式選擇開關(guān)信號，由駕駛員根據(jù)裝載機所處工況進行手動選擇。

圖7 整機兩作業(yè)模式節(jié)能控制切換邏輯

4 實車實驗驗證

為了驗證節(jié)能控制方法的有效性，基于VCU Link控制器搭建了實車實驗系統(tǒng)，如圖8所示，對控制策略進行實驗驗證。

圖8 基于VCU Link控制器的實驗系統(tǒng)

基于上述實驗系統(tǒng)，設(shè)計了實車實驗方案。為了確保實驗結(jié)果的可信度及可重復(fù)性，對以下實驗工況進行了實車實驗：在測試工作開始前對實驗樣機開展若干組V字形工況作業(yè)，使發(fā)動機冷卻液溫度、發(fā)動機機油溫度和壓力、液力變矩器油溫以及液壓系統(tǒng)油溫均等參數(shù)均處于正常工作范圍內(nèi)；每組實驗進行10次V字形工況作業(yè)循環(huán)，盡可能減小駕駛員操作偶然性對實驗結(jié)果的影響。

對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到原車控制策略，控制策略的動力模式以及經(jīng)濟模式在V字形工況下發(fā)動機工作點分布，分別如圖9、圖10和圖11。

圖9 原車控制策略發(fā)動機工作點

圖10 本文控制策略動力模式下發(fā)動機工作點

圖11 本文控制策略經(jīng)濟模式下發(fā)動機工作點

對比原車控制策略與控制策略動力模式的發(fā)動機工作點分布可知，發(fā)動機在800～1 600 rpm中低轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩明顯降低；大部分工作點仍分布在1 900 rpm以上的高轉(zhuǎn)速區(qū)域，與原車控制策略相同。因此，瞬態(tài)節(jié)能控制策略成功限制了發(fā)動機的角加速度，同時保證了較好的動力性。

對比原車控制策略與控制策略經(jīng)濟模式下發(fā)動機工作點分布可知，發(fā)動機在800～1 600 rpm中低轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩明顯降低；大部分工作點分布在1 700～2 000 rpm的燃油消耗率較低區(qū)域?？梢姳疚乃矐B(tài)節(jié)能控制策略實現(xiàn)了對發(fā)動機角加速度以及最高轉(zhuǎn)速的限制，避免了發(fā)動機工作在燃油消耗率較高的區(qū)域。

原車控制策略、控制策略的動力模式以及經(jīng)濟模式在V字形工況下的平均循環(huán)時間如圖12所示，平均油耗如圖13所示。

圖12 V字形工況下的平均循環(huán)時間對比

圖13 V字形工況下的平均油耗對比

控制策略在動力模式下，V字形工況的平均循環(huán)時間與原車控制策略相比增加了1.4%，可忽略不計，即保證了整機有較好的動力性；平均油耗與原車控制策略相比降低了3.8%，燃油經(jīng)濟性有所提升。因此，當(dāng)面對高速鏟裝工作或硬實物料的鏟裝工作時，控制策略的動力模式相比原車控制策略有明顯優(yōu)勢。

控制策略在經(jīng)濟模式下，V字形工況的平均循環(huán)時間與原車控制策略相比增加了14.2%，動力性有所降低；平均油耗與原車控制策略相比降低了8.9%，燃油經(jīng)濟性有較大提升。因此控制策略的經(jīng)濟模式適用于對作業(yè)速度要求不高的鏟裝工作或松散物料的鏟裝工作。

5 結(jié)束語

以國內(nèi)某型輪式裝載機為研究對象，針對其油耗高、排放差以及控制粗放等問題，提出了一種輪式裝載機發(fā)動機節(jié)能控制方法：設(shè)計了發(fā)動機瞬態(tài)節(jié)能控制策略，通過限制發(fā)動機角加速度，降低了加速踏板行程突然增大時的瞬時油耗；設(shè)計了整機兩作業(yè)模式節(jié)能控制策略，通過模式選擇開關(guān)設(shè)置整機作業(yè)模式，盡可能使發(fā)動機工作點分布在燃油消耗率較低的區(qū)域，提高了整機燃油經(jīng)濟性。實車實驗結(jié)果表明：控制策略在動力模式下保證了動力性與原車控制策略相同，且燃油經(jīng)濟性有所提高；在經(jīng)濟模式下具有較好的燃油經(jīng)濟性。