柴油机多油门控制和多功率输出研究.pdf

第3 4 卷第4 期 2 0 1 7 年8 月内燃机与动力装置I C E P o w e r p l a n t V 0 1 3 4N o 4 A u g 2 0 1 7 检测与控制 柴油机多油门控制和多功率输出研究 马东岭1 2 李尧k 2 张超1 2 金钊1 2 1 内燃机可靠性国家重点实验室 山东潍坊2 6 1 0 6 1 2 潍柴动力股份有限公司 山东潍坊2 6 1 0 6 1 摘要 本文基于电控高压共轨柴油机 根据各行业实际应用特点 总结了多种柴油机油门 控制模式 分析了电子油门的扭矩控制和转速控制特性 并和机械泵柴油机调速器的应用效果 进行了对比 同时介绍了柴油机智能多功率输出功能的基本原理 关键词 油门 控制模式 控制特性 D O I 1 0 1 9 4 7 1 j e n k i 1 6 7 3 6 3 9 7 2 0 1 7 0 4 0 1 7 中图分类号 T K 4 2 1 4 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 6 3 9 7 2 0 1 7 0 4 0 0 7 2 0 3 R e s e a r chf o rM u l t iA cce l e r a t o ra n dP o w e rO u t p u to fD i e s e lE n g i n e M AD o n g l i n 9 1 一 L IY a 0 1 一 Z H A N GC h a 0 1 一 J I NZ h a 0 1 2 1 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE n g i n eR e l i a b i l i t y W e i f a n g2 6 10 61 C h i n a 2 W e i ch a iP o w e rC o L t d W e i f a n g2 6 1 0 6 1 C h i n a A b s t r a ct T h i sp a p e rs u m m a r i z e sd i f f e r e n tco n t r o lm o d eo ft h ea cce l e r a t o r a n a l y z e sco n t r o l ch a r a ct e r i s t i co ft h ea cce l e r a t o rb a s e do ne l e ct r o n i ca l l yco n t r o l l e dh i g hp r e s s u r eco m m o nr a i ld i e s e l a n dco n t r a s tt h ea p p l i ca t i o ne f f e ctw i t ht r a d i t i o n a lco n t r o lm o d e A tt h es a m et i m et h ef u n ct i o no f m u l t ip o w e ro u t p u to fd i e s e le n g i n ei sa l s oi n t r o d u ce d K e yW o r d s A cce l e r a t o r C o n t r o lM o d e C o n t r o lC h a r a ct e r i s t i c 引言 随着国家大气法的实施和排放法规的不断升 级 工程机械和农业装备行业用柴油机逐渐由机械 泵切换为电控高压共轨系统 各行业也对油门控制 功率输出方面提出多种个性化需求 本文对此进行 了相关的研究和探讨 1 油门控制模式 不同行业因操作方式的区别 对油门的控制方 式也不同 目前常见的油门控制方式包含以下四种 模式 1 I 模式1 面向装载机 叉车等行业 同卡车 客车 等道路车机产品一致 配备普通的单一油门 只有一 路控制信号 不存在信号的比较或者切换 模式2 面向农业装备 压路机行业 配备手油 门 脚油门两个控制输入端 要求两个油门同时起作 用 信号比较 大者有效 模式3 面向推土机行业 配备手油门 脚油门 两个控制输入端 要求两个油门同时起作用 信号比 较 小者有效 模式4 面向汽车起重机行业 配备上车 下车 油门两个控制输入端 两个油门信号之间是互斥关 系 不能同时起作用 需要转换信号实现两者之间的 切换 2 油门控制特性 不同行业或者车辆 除对油门信号的输入模式 作者简介 马东岭 1 9 8 1 一 男 本科 工程师 主要研究方向为内燃机应用开发 收稿日期 2 0 1 7 0 6 2 1 2 0 1 7 年第4 期马东岭 等 柴油机多油门控制和多功率输出研究 7 3 需求不同外 对油门控制的调速特性要求也不尽相 同 机械泵产品主要利用调速器实现油门控制 但受 调速器机械特性限制 结构相对复杂 调整精度有 限 现在升级采用电控高压共轨技术路线后 可充分 利用E C U 数据标定实现更加精准和多样的调速特 性 2 2 1 扭矩控制特性 发动机不同的油门开度大小 对应不同的发动 机调速特性 扭矩控制特性适应发动机负载变化的 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 E 1 2 0 0 堇1 0 0 0 曩8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 蕊警 掣 弋 6 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 2 2 0 0 转速 r m i n 能力较强 几乎体会不到转速变化的冲击 对司机而 言 驾乘舒适性好 该特性比较适合装载机 叉车等 对转速突变不敏感的行业或车辆 本文以装载机为例 对比了机械泵柴油机和电 控柴油机应用扭矩控制模式后的调速特性 如图1 所示 在相同转速下增加同样负载 机械调速器发动 机转速下降约3 0 0 r m i n 切换电控柴油机并采用扭 矩控制模式后 则只下降了约5 0r m i n 有效提高了 机器响应性和工作效率 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 苫1 0 0 0 堇8 0 0 涮 曩6 0 0 4 0 0 2 0 0 O 渺 由 蘸 一 哪 一 9 1 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 2 2 0 0 转速 r m i n 图1装载机用柴油机油门响应性能对比 2 2 转速控制特性 发动机在一定的油门开度大小下对应一个稳定 的发动机转速 在不超过发动机外特性的情况下 发 动机转速不随发动机负载变化而变化 该特性比较 适合液压控制需求及负载突变较快但转速需求稳定 的行业 比如挖掘机 推土机 履带起重机等以工作 装置输出为主 行驶车速较小的整车 9 0 0 8 0 0 8 O O 7 0 0 述6 0 0 赫5 0 0 霉4 0 0 鬟3 0 0 2O O 1 O O O O O 机械泵 0 0 0 电控泵 扭矩控制模式 图2 推土机油门调速率对比分析 图2 以推土机为例 对比了机械泵柴油机和电控 柴油机应用转速控制模式后的稳态调速率 采用转速 控制模式的电控柴油机 可将稳态调速率由8 降低 为O 转速波动时间缩短 响应更加迅速 3 发动机多功率输出控制 整车运行过程中面临多种工况 负荷变化较大 通常按照最大负荷选配的发动机 在中低负荷工况 存在油耗较高的情况 为解决此种问题 通过实时 检测发动机运行的转速 扭矩 负荷率 油门踏板开 度 车速等信息 可准确判断发动机功率需求 然后 调用程序内设定的对应功率曲线 可实现基于整车 工况的功率输出控制 从而实现一台机器满足多种 不同工况 同时多条功率曲线的设置 也避免了大马 拉小车造成的高油耗问题 多功率输出控制曲线如图3 拥钳 网3 多功率曲线示意图 内燃机与动力装置2 0 1 7 年8 月 以搭载W I S E 多功能控制系统的某5 吨装载机 V 型作业工况为例 根据轻载工况铲运物料的不同 开启多功率输出功能前后 可实现省油5 1 5 节能效果明显 柴油机各种油门控制方式的应用范围见表1 表1W I S E 控制器新功能列表 4 结论 参考文献 随着排放法规的升级 柴油机技术路线由机械 泵升级为电控高压共轨 为我们提升产品性能并统 一柴油机配置提供了可能性 某公司自主研发的 W I S E 控制器较好的兼顾了对油门控制形式及多功 率输出功能的需求 现已在批量配套的非道路三阶 段柴油机上得到应用 1 周龙宝 内燃机学 M 机械工业出版社 2 0 0 9 0 1 2 张成国 魏志友等 工程机械的油门控制系统及控制方法 P 2 0 1 6 3 赵福芹 刘彬等等 一种发动机控制方法及装置 P 2 0 1 3 上接第6 0 页 利用有限元计算 在试验载荷下 连杆轴颈与曲 柄结合处最大主应力为4 8 0 M P a 通过静态应力检 测 在试验载荷下 此处的最大主应力为5 4 5 6 9 0 M P a 但是由于圆角处加工质量较差的原因 导 致存在尖角应力集中 根据试验经验 材料为 4 2 C r M o A 的曲轴 经过表面处理 能够承受的最大圆 角应力为6 8 5 M P a 而该试件在疲劳测试中出现断 裂 加工质量不是主要原因 两根样件曲轴的疲劳断裂源均为位于连杆轴颈 与曲柄臂连接处近表面的非金属夹杂物颗粒 在疲 劳试验交变应力作用下 在夹杂物部位引发疲劳裂 纹核 形核裂纹直径约1 m m 后迅速与表面结合 裂 纹加速扩展 最终导致曲轴疲劳断裂失效 4 结论 曲轴连杆轴颈和曲柄臂过渡圆角处高应力集中 和该区域内存在大颗粒非金属夹杂物是造成曲轴疲 劳断裂的主要原因 建议控制加工材料中非金属夹 杂物的含量 通过工艺手段提高曲轴圆角加工质量 避免应力集中 提高曲轴安全系数 两根曲轴基体组织不均匀 芯部