（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机并联式混合动力系统性能分析及其控制策略研究.pdf

浙江大学硕l 学位论文摘要 摘要 节能减排计划在全球范围内已经提上日程，采用混合动力系统成为液压挖掘 机节能减排的重要途径。近年来国外厂商不遗余力的开发混合动力液压挖掘机， 国内也紧跟步伐。掌握液压挖掘机自主知识产权的混合动力技术是一件意义重大 的事。本文针对液压挖掘机并联式混合动力系统开展了以下几项研究工作： ( 1 ) 针对目前挖掘机混合动力系统研究的不足之处，进行了混合动力系统柴 油发动机，电动发动机等动力学模型研究。重点建立了主动力源柴油发动机基 于气缸燃烧动力学的瞬态模型。混合动力系统动力学模型的建立为控制策略的制 定和优化提供了良好的基础。 ( 2 ) 对液压挖掘机典型负载工况进行了分析，针对挖掘机的负载特点，对挖 掘机混合动力并联系统采用了优化的多燃油经济工作点控制策略进行控制，并对 动力系统中永磁同步电动发电机采用了空间矢量控制方法对其输出转速和扭矩 进行迅速准确地控制。 ( 3 ) 在已搭建的挖掘机并联式混合动力系统试验平台上对柴油发动机进行了 油门阶跃响应等试验，验证基于气缸燃烧动力学的柴油发动机动态模型的有效性； 对混合动力并联系统多燃油经济工作点控制策略进行加载试验，验证液压挖掘机 混合动力并联系统节能效果。 关键词：液压挖掘机，混合动力，并联系统，动力学模型，控制策略 n 浙江大学硕一l - 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nh a sb e e np u to nt h ea g e n d ao nag l o b a l s c a l e ，u s i n gah y b r i dp o w e rs y s t e mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta n de f f e c t i v ew a yf o r h y d r a u l i ce x c a v a t o rt os a v ee n e r g ya n dr e d u c ee m i s s i o n s i nr e c e n ty e a r s ，f o r e i g n m a n u f a c t u r e r ss p a r e dn oe f f o r ti nt h ed e v e l o p m e n to fh y b r i dh y d r a u l i ce x c a v a t o r ，t h e c o m p a n ya n dr e s e a r c hi n s t i t u t ei n0 1 1 1 c o u n t r ya l s ok e e pp a c e m a s t e rt h eh y b r i d t e c h n o l o g yo fh y d r a u l i ce x c a v a t o rw h i c hh a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s i sas i g n i f i c a n tt h i n g i nt h i sp a p e r , s e v e r a ls t u d i e sf o rp a r a l l e lh y b r i dp o w e rs y s t e mi n h y d r a u l i ce x c a v a t o rc a r r i e do u t ： ( 1 ) f o rt h es h o r t c o m i n g so fc u r r e n tr e s e a r c hi nh y b r i dp o w e rs y s t e m ，ad y n a m i c m o d e lo fe n t i r eh y b r i dp o w e rs y s t e mi n c l u d i n gd i e s e le n g i n ea n d m o t o r g e n e r a t o rw a s b u i l t b a s e do nt h ec y l i n d e rc o m b u s t i o nd y n a m i c s ，t h et r a n s i e n tm o d e lo ff o u r c y l i n d e rd i e s e le n g i n ew a sb u i l te m p h a t i c a l l y t h ed y n a m i cm o d e lo fh y b r i dp o w e r s y s t e mp r o v i d e dag o o df o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n ta n do p t i m i z a t i o no fc o n t r o l s t r a t e g y ( 2 ) t h et y p i c a ll o a do fh y a r a u l i ce x c a v a t o r sw a sa n a l y z e d b a s e do nt h et y p i c a l l o a d ，o p t i m i z e dm u l t i f u e le c o n o m yw o r kp o i n tc o n t r o ls t r a t e g yw a su s e d ，a n df o rt h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r g e n e r a t o r ，s p a c ev e c t o rc o n t r o lm e t h o dw a s u s e dt oc o n t r o li t so u t p u ts p e e da n dt o r q u eq u i c k l ya n da c c u r a t e l y ( 3 ) t h et h r o t t l es t e pr e s p o n s eo fd i e s e le n g i n ew a st e s t e do nt h ep l a t f o r mt ov e n f y t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed y n a m i cm o d e lo fd i e s e le n g i n e ；m u l t i f u e le c o n o m yw o r k p o i n tc o n t r o ls t r a t e g yo fp a r a l l e lh y b r i dp o w e rs y s t e mw a st e s t e do nt h ep l a t f o r mt o v e r i f yt h ee f f e c to fe n e r g ys a v i n g k e y w o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r ，h y b r i d ，p a r a l l e lp o w e rs y s t e m ，d y n a m i cm o d e l ， c o n t r o ls t r a t e g y i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月日 浙江人学硕士学位论文致谢 致谢 在此论文完稿之际，首先要真诚感谢导师潘双夏教授和指导教师管成副教授。 虽然与潘老师相处时间并不多，但潘老师严谨的治学态度和认真的工作态度给我 留下了深刻的印象。指导教师管成老师从本科毕业设计开始就指导我，在研究生 两年多的时间里，管成老师在学术上悉心指导我们，在生活上也时时刻刻关心我 们，管成老师和蔼的态度和踏实的工作作风让我们终身难忘，也让我们学会了如 何做人、做事、做学问，这一切的一切将使我们终身受益。 还要感谢邱清盈老师和高字老师，你们热心的帮助和求是的科研态度让我们 受益匪浅。 感谢王东云博士、林潇博士、白寒博士和胡晓杭师兄，每每科研上遇到问题 向你们请教的时候，你们总是耐心、细致的指导，在混合动力项目研究与调试过 程中，更是一点一滴地引导我们不断前进。在生活上，你们也时刻关心我们，热 情的给予我们帮助。 感谢张敏杰硕士、王向炜硕士、徐振硕士、刘靖伟硕士、张伟谦硕士、任有 良硕士、冯继文硕士、来晓靓博士、薛驰博士、室友洪志化和周进，两年半的研 究生生活有了你们的陪伴才会如此丰富多彩，与你们一起讨论学术，一起畅游， 一起健身，一起唱歌的日子将成为我研究生期间最欢乐的记忆。 感谢硬件室所有成员，和你们在一起学习和生活的日子将成为我宝贵的记忆。 感谢养我育我的父母，求学路上你们在背后一直默默支持我，成为我坚实的 后盾，你们的辛苦我都看在眼里，也会铭记于心。 庹福幸 2 0 1 0 年3 月于求是园 浙江人学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 液压挖掘机混合动力系统研究意义 液压挖掘机在工程机械中属于典型装备，广泛应用于各种土石方作业。在民 用里常用于场地挖掘，场地平整，以及改造农田等；在工业里用于土木施工，工 业建筑，处理污泥，采掘煤矿等；在军用里用于清除障碍，快速构建道路等。在 常见的工程机械设备如液压挖掘机，推土机，装载机，起重机械，以及路面机械 中，挖掘机在使用频率和工作量上都占到前y , j t 。 随着我国g d p 每年基本以9 以上的幅度高速增长，我国工业化进程和城市 化进程脚步越来越快，在工业化进程和城市化进程中，需要大量的挖掘机去助力， 因此液压挖掘机的需求越来越大，销量也越来越高。2 0 0 6 年液压挖掘机销量突 破4 5 0 0 0 台大关，2 0 0 7 年液压挖掘机销量突破6 6 0 0 0 台，2 0 0 8 年液压挖掘机销 量再次突破7 5 0 0 0 台大关，这些数据无不表明液压挖掘机对我国经济发展的贡献。 中国挖掘机历年销量【2 】如图1 1 所示。 8 0 7 0 6 0 姐5 0 e4 0 婴3 0 2 0 l o o 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 图1 1 中国挖掘机历年销量 液压挖掘机在我国经济发展中做出了如此突出的贡献，然而，随着工业化程 度的提高，我国政府和人民对节能、环保越来越重视，日前，我国向世界承诺 2 0 2 0 年g d p 二氧化碳排放比2 0 0 5 年降低4 0 到4 5 嘣3 1 ，液压挖掘机等工程机 械的能耗和排放逐渐给我国形成较大压力，也因此成为国家重点关注的对象。在 这样一个绿色、节能、环保的大环境下，液压挖掘机等工程机械等耗油大户节能、 降低排放成为首当其冲的任务。 浙江大学硕士学位论文绪论 液压挖掘机的能量总利用率较低，液压挖掘机的节能一直成为人们追求的目 标【4 】。自液压挖掘机广泛应用以来，人们对其节能技术的研究一直没有止步，先 后针对液压挖掘机的能量损失环节，如液压系统节流损失、溢流损失以及沿程功 率损失等【5 1 ，日立公司开发出装有正流量控制系统【6 1 的e x 4 0 0 液压挖掘机，小松 公司开发出装有负流量控制系统【7 】的p c 系列挖掘机，以及小松公司开发出装有 负荷传感控制技术系统【8 】的p c 2 0 0 6 液压挖掘机等。通过采用这些新型电液一体 化控制系统使得液压挖掘机较恒功率系统燃油利用率得到长足进步，但是期望通 过采用这些新型电液一体化控制系统更进一步提高液压挖掘机燃油率，降低排放 的潜力非常有限，而且更为关键的是，这些技术的改进始终无法解决液压挖掘机 动力源柴油发动机工作的恶劣性，不停跟随外负载大幅度的波动，使其转速不停 变化，燃油效率得不到根本上的提高，排放问题也得不到很好的解决。 液压挖掘机中柴油机是其主动力源，其燃油效率的高低，直接关系到液压挖 掘机是否能达到节能环保的要求。混合动力系统由多个动力源组成，通常发动机 作为主动力源，其他装置作为辅动力源。混合动力系统中，通过辅动力源与发动 机联合工作，使得发动机工作在高效燃油经济点上，从而在根本上实现降低油耗， 减少废气排放。 浙江大学学者王庆丰【9 】在混合动力工程机械节能效果评价及液压系统节能 的仿真研究中，以液压挖掘机典型液压系统为基础，对串联式挖掘机混合动力系 统和并联式挖掘机混合动力系统进行了一个标准工作周期内的能耗仿真，得到如 表1 1 所示的结果。 表1 1 混合动力系统能耗仿真 浙江大学王冬云【1 哪在液压挖掘机混合动力系统性能分析一文中，以5 t 小型 液压挖掘机为蓝本，对液压挖掘机普通动力系统和采用并联式，串联式结构的进 行了油耗研究，得到如图1 2 所示结果。 浙江人学硕士学位论文 绪论 图1 2 液压挖掘机三种动力系统油耗对比 神钢建机公司工程师k a g o s h i m am a s a y u k i ，t s u t s u ia k i r a ，t a k a on a n j o 等在 文献中【1 1 - 1 5 1 对液压挖掘机混合动力系统结构进行了研究，并对采用混合动力系统 的液压挖掘机能耗进行了分析，结论表明混合动力系统结合能量回收较普通液压 挖掘机节能高达4 0 。 小松公司在2 0 0 4 年以后在其公司生产的液压挖掘机p c 2 0 0 型号上试装了混 合动力系统，经过长期试验得出结论，装有混合动力系统的液压挖掘机p c 2 0 0 比普通p c 2 0 0 机型平均能减少2 5 的油耗。其中，通过对其客户数据的收集得 到，在某些作业密度比较大的工况下，例如处理污泥等，装有混合动力系统的 p c 。2 0 0 节能高达4 1 t 16 1 。 上述结果，不管是混合动力系统仿真分析，还是样机试验，无不表明液压挖 掘机采用混合动力系统在调高能量利用率和降低排放上的优越性。 混合动力系统在液压挖掘机上是一项新技术，在我国强调重大装备国产化和 掌握核心知识产权的大环境下，我们应该把握住此契机，努力抢占技术制高点， 摆脱国外技术的垄断。 因此，研究液压挖掘机混合动力技术是非常重要，非常有意义的，而且是很 有潜如蚋o 1 2 液压挖掘机混合动力系统研究现状 全球范围内，随着工业技术的不断发展，能源需求量越来越大，然而石油、 煤炭、天然气等不可再生资源的存有量却越来越少，如果再不采取措施，可以预 见在不久的将来，能源将会缺失。在全球工业化进程的另一面，每年燃烧的燃油、 浙江人学硕上学位论文绪论 煤炭、天然气等越来越多，因此而生成的废气也越来越多，全球温室效应最近几 年逐渐显现。能源问题和环境问题已成为全球关注的问题，节能减排计划在全球 范围内已逐渐提上日程，在这样一个大环境下，液压挖掘机等工程机械耗油大户 节能、降低排放成为首当其冲的任务，在液压挖掘机上采用混合动力系统成为解 决油耗和排放的重要途径。混合动力系统最早在汽车上应用，并且已成功商用化， 经验证节能效果良好。自丰田汽车于1 9 9 7 年推出p r i u s 混合动力汽车【1 7 以来， 因良好的节能效果，市场反响热烈，也从此也加快了各大汽车厂商推出混合动力 汽车的步伐，截至2 0 0 9 年，各大厂商都相继出了多款混合动力车型。p r i u s 采用 的是混联式混合动力系统，其他车型多是采用的并联式或串联混合动力系统 1 8 - 2 3 】。 混合动力系统由两种及以上的动力源或储能单元组成。混联式混合动力系统 由发动机，电动机，发电机，能量存储单元等组成。混联式混合动力系统中可以 以发动机作为直接动力源，也可以以电动机作为直接动力源，还可以以发动机和 电动机联合方式驱动负载，混联式混合动力系统根据工况的不同，工作方式可以 灵活多变，节能效果也突出，但是动力系统复杂，对可靠性和控制策略都提出了 很高的要求。并联式混合动力系统和串联式混合动力系统相对简单。并联式混合 动力系统中，发动机、电动机联合驱动负载，发动机作为主动力源，系统所有的 能量都是由发动机提供的，电动机作为辅动力源，通过控制策略使得发动机始终 工作在高效燃油经济点上，电动机由于工作效率高，用于平衡外负载的波动，电 动机的能量来自发动机驱动发电机产生的。在外负载低于发动机输出扭矩时，发 动机驱动发电机发电存储于电池中，以供电动机使用；在外负载高于发动机输出 扭矩时，由电池中存储的电能驱动电动机共同工作。串联式混合动力系统中，发 动机作为唯一动力源，与发动机直接连接的是发电机，负载直接由电动机驱动。 在工作工程中，串联式混合动力系统根据不同的工况，可由存储在电池中的电能 单独驱动电动机工作，或者由发动机带动发电机发电实时驱动电动机。串联系统 中，发动机并不与外负载直接相连，所以能始终高效地保持工作，燃油效率高， 然而，串联系统中无论是从发动机到电池到电动机，还是从发动机到发电机到电 动机，发动机的能量始终要经历两次以上的转换环节，能量转换环节的损失是不 可小觑的。 混合动力系统在汽车上成功的应用和良好的节能效果，给液压挖掘机节能减 4 浙江人学硕一l - 学位论文绪论 排提供了良好的思路。由于资源的匮乏，混合动力挖掘机的研究日本走在世界的 前列，小松公司在2 0 0 4 年造出世界第一台混合动力样机，目前已经在世界范围 内提供混合动力挖掘机给客户适用。此外，卡特彼勒、沃尔沃、日立建机等公司 都加快了研发进度，计划在今年开始生产。国内挖掘机厂商不甘落后，也开始积 极研究混合动力液压挖掘机。2 0 0 9 年初上海重工宣布开始研发混合动力挖掘机， 2 0 0 9 年1 1 月第十届北京国际工程机械展览会场，三一重机和詹阳动力分别展出 了2 0 t 级混合动力液压挖掘机样机。 目前，液压挖掘机上混合动力系统研究主要集中于并联式和串联式两种结 构。在混合动力汽车上成为成功典范的混联式混合动力系统由于结构和控制的复 杂性【2 4 1 ，在液压挖掘机上未有学者和公司进行研究。并联式混合动力液压挖掘 机，目前国外有日本小松公司【2 5 1 、日立建机【2 6 1 和卡特彼勒三菱【2 刀采用，串联式 混合动力系统主要是由日本神钢建机公司在研究，该公司已申请了多项相关的专 利【2 8 。3 0 1 。国内关于混合动力挖掘机的研究主要以浙江大学机械设计研究所和机械 电子控制工程研究所为主，这两个研究所的研究都是以并联式混合动力系统为基 础。浙江大学机械设计研究所林潇、潘双夏、管成等针对液压挖掘机并联式混合 动力系统提出了基于多工作点和工况自识别的控制方法，并申请了相关的发明专 利【3 。浙江大学机械电子控制工程研究所肖清在文献l 【3 2 1 和文献2 t 3 3 1 中，分别针 对使用电容器作为储能装置和使用镍氢电池组的并联式混合动力系统提出了相 关的控制策略，文章中提到通过s o c 的变化，让发动机工作在高效区域，文献 中提到的发动机高效区是由多个油门下的工作点组成的，单纯让发动机工作在高 效区域，忽略了发动机油门位置频繁波动而造成的燃油燃烧恶劣的情况。本文混 合动力并联系统控制策略的制定是建立在浙江大学机械设计研究所林潇的研究 成果基础上。 要对液压挖掘机混合动力系统进行研究，须首先对挖掘机混合动力系统模 型及特性进行研究。张邦基在 3 4 】混合动力汽车发动机特性的建模方法中采用了 查表和三次样条函数建立了发动机数值模型。g i o r g i or i z z o n i 在文中【3 5 1 采用能量 流的方法建立了包括发动机、电动机等在内的混合动力汽车传动链的模型，通过 燃油的化学能乘上能量转换的效率直接计算得到发动机的平均指示扭矩。j e f f r e y w h o d g s o n 在对并联式混合动力汽车建模与仿真【3 6 l 文中，基于发动机的调速 浙江大学硕士学位论文绪论 特性和万有特性曲线，采用多段高次函数拟合得到发动机的动力特性方程。冯启 山【3 刁在基于p 7 的发动机调速动力学模型文章中建立了发动机的瞬态模型，不 过该模型是面向汽车控制的汽油机模型。挖掘机混合动力系统研究起步较晚。浙 江大学机械电子控制工程研究所肖清【3 8 1 在文献中建立了液压挖掘机混合动力系 统模型，其中，发动机的数值模型是通过机械特性曲线转换而来，电动发电机 的模型是效率曲线转换而来。浙江大学机械设计研究所林潇【3 9 l 在文献中采用了 一系列特性拟合曲线来作为并联式混合动力液压挖掘机的柴油机模型。目前，在 汽车混合动力系统和挖掘机混合动力系统中，发动机的模型都以均值模型为主， 虽然均值模型简单，但是该模型往往只能代表一个特定的机型，不具推广性，而 且，由于均值模型不能表现出发动机对外负载的动态响应，故对设计和验证混合 动力系统控制策略都是不利的。谢迪m 】在论文中对混合动力液压挖掘机动力系 统进行了建模和仿真，其中，建立了四缸柴油发动机基于气缸压力曲轴转速的 瞬态模型，该模型中气缸压力模块需要大量在不同油门和负载下的气缸压力数据， 这些数据需要专业的发动机厂商提供，不方便得到，此外，该模型并不完善，缺 乏调速器、柴油机动态油耗模型。针对以上不足，本文进行了改进和完善，建立 了包括调速器、喷油系统在内完整的四缸四冲程高速直喷柴油发动机瞬态动力学 模型，该柴油机模型中压力生成模块是通过对缸内燃油燃烧的描述来建立的，适 用机型广泛。 此前，对于柴油机气缸内燃烧的描述不少学者曾做过相关研究。d a r ad t o r k z a d e h 在对共轨柴油机燃油燃烧和废气排放建模【4 1 l 一文中，将气缸燃烧室分 为燃烧区和未燃烧区，分别用相应的化学反应式来进行描述。yc u i 在文中对气 缸燃烧室进行了详细的建模和描述【4 2 1 ，其中，气缸燃烧室被分为多个子区域， 包括燃油喷射区，燃油蒸发区，空气燃油混合区等。c l a e se r i c s o n 4 3 】在柴油发动 机燃烧建模及柴油机控制一文中，建立了从变几何涡轮增压器到气缸的气体流动 方程，并将气缸内的燃烧划分为两个区域来分别计算燃油的燃烧情况。d o h o y j u n g 在直喷柴油机建模及性能分析一文中 删，在燃油瞬时蒸发这个假设条件下， 将气缸内划分为燃油油液区和燃油油雾区来进行缸内燃烧行为描述。y o n g s h e n g h e 在涡轮增压直喷柴油机建模一文中【4 5 1 ，采用人工神经网络对涡轮增压直喷柴 油机气缸内的燃烧建模，从而实现对气缸内周壁温度和气缸内气体压力的预测。 淅江大学硕士学位论文 绪论 p k s e n e e a l 在柴油机缸内燃烧模拟 4 6 1 文中，采用计算流体动力学对气缸内气 体紊流流动，燃油喷射，燃油燃烧延时等进行了深入而详细的计算和模拟。上述 研究往往用于对缸内燃油与空气的混合情况，燃油的燃烧效率，散热损失，燃烧 废气的成份和排放情况预测，因此建立的模型也很复杂。在柴油机瞬奋动力学研 究中，只需要对气缸内气体压力进行计算。上述的研究方法用来计算气缸内气体 压力太过复杂，而且也追成了模型中其他功能的浪费因此，本文建立了用于柴 油机整机动态性能分析的燃烧动力学模型，其中，进气系统和排气系统经简化设 定为定温度和定压力，该模型适用各种柴油机型。 建立的柴油机瞬态动力学模型，除了气缸燃烧动力学模块以外，还包括柴油 机摩擦模块，曲柄连杆动力学模块等。柴油机工作过程中，燃油燃烧产生的能量 只有3 9 左右的用于做有用功m 。其余6 1 的能量以机件摩擦损失、排气损失 和冷却损耗等形式浪费掉，具体比例如图1 3 所示。其中，柴油机机件摩擦损失 直接影响其性能，对机件摩擦损失正确的预测和计算在柴油机瞬态模型的建立和 分析中起着至关重要作用 删 刊7l 嵌冀 | 却损牦 输肯用1 田1 3 燃油燃烧能量在柴油机中的分配 不少学者对柴油机机件摩擦损失进行了理论研究和各种试验验证【4 9 州。目前 在学术界内柴油机机件摩擦模型主要分为两种：均值摩擦模型和瞬态摩擦模型。 均值摩擦模型的建立是l ；【柴油机每个周期平均摩擦扭矩为基础。m c a u l a ，5 1 1 在压 缩点火武发动机仿真一文中，m i l l i n g t o n 和h a r t l “”1 在柴油发动机摩擦损失一文 中，都对柴油机均值摩擦模型进行了研究均值摩擦模型过于简单，与发动机实 际过程误差大。 浙江人学硕士学位论文绪论 瞬态摩擦模型最有影响力的是r e z e k a 和h e n e i n 5 3 】在内燃机瞬态摩擦仿真新 方法一文中提出的基于各个组件的详细摩擦模型。随后，z w e i r i 和w h i d b o m e 在 单缸柴油机动态仿真 5 4 】一文和发动机瞬态过程中摩擦组件模型【s 5 】一文中也建立 了柴油机的瞬态摩擦模型，在第一篇文章中，z w e i r i 建立了包括活塞环组件，泵 件损失，泵件摩擦等五个组件在内的瞬态摩擦模型，第二篇文章中对第一篇的模 型进行了完善，并考虑了温度对润滑液粘度的影响。g e o r g el i v a n o s 和n i k o l a o s 【5 6 】 在柴油发动机摩擦损失建模一文中通过求解拉格朗日方程推导出包括活塞组、轴 承等在内的瞬态摩擦模型。 其中，d a v i sr o y 【5 7 】在混合动力汽车内燃机扭矩非线性观察器一文中，引用 了r e z e k a 和h e n e i n 的瞬态摩擦模型，实验结果表明与真实摩擦扭矩吻合度好。 冯启t h t 3 7 】在基于p ? 的发动机调速动力学模型文章中建立了混合动力汽车汽油 发动机的模型，其中摩擦扭矩模块也是引用的r e z e k a 和h e n e i n 模型。瞬态摩擦 模型与均值摩擦模型相比，更具真实性，所以本文中引用r e z e k a 和h e n e i n 模型 作为柴油机瞬态摩擦模型，该模型的应用广泛、认知度高。 1 3 现有研究总结及课题提出 鉴于第二节中液压挖掘机混合动力系统的研究现状，目前研究的主要不足之 处为： ( 1 )挖掘机混合动力系统用柴油机绝大多数采用均值模型对其建模，缺乏详 细准确，适用对象广泛的动力学模型描述挖掘机混合动力系统动态性能， 也因此不利于混合动力系统控制策略的深入研究。 ( 2 )缺乏柴油机动态油耗模型详细描述混合动力系统柴油机工作点变化时的 实时油耗，也因此不利于混合动力系统在控制策略作用下节能效果的准 确评估。 ( 3 )对挖掘机混合动力系统中采用的电动发电机控制缺乏相应的研究，混合 动力系统中电动发电机迅速而准确的动态响应直接影响柴油机工作的 平稳性。 因此，本论文将从上述的不足切入，进行深入的研究。 浙江人学硕上学位论文绪论 1 4 研究内容与方案 1 混合动力液压挖掘机柴油发动机建模研究 ( 1 ) 建立并改进基于气缸压力曲轴转速的柴油发动机瞬态模型 基于气缸压力一曲轴转速的柴油发动机瞬态模型，其中气缸压力模块需要大 量在不同负载下的气缸压力数据，这些数据需要专业的发动机厂商提供，柴油机 用户不便得到。为方便模型的准确建立和广泛的应用性，气缸压力模块需要改进。 ( 2 ) 建立柴油发动机动态油耗模型 发动机在不同扭矩和不同转速下的油耗通常是通过查表得来，而实际情况 中，随着负载的变化柴油机的工作点不断改变，柴油机的动态油耗无法从特性曲 线中查询得来。建立柴油发动机动态油耗模型，能详细反映发动机随外负载波动 时的动态油耗。 ( 3 ) 建立柴油发动机调速器模型 调速器是柴油发动机的重要部件，调速器的动态响应直接影响到柴油机的动 态性能。 2 混合动力液压挖掘机电动发电机控制方法研究 结合液压挖掘机工况，采用合适的控制方法对电动发电机进行实时、准确 得扭矩和转速控制。 3 混合动力液压挖掘机控制策略验证 在建立的混合动力系统模型基础上，结合液压挖掘机工况，对混合动力液压 挖掘机控制策略进行加载验证。 本文将以m a t l a b s i m u l i n k 来辅助研究，并在已搭建好的混合动力试验台上 进行试验验证。 1 5 本章小结 阐述了液压挖掘机采用混合动力系统节能的重要意义，在对混合动力液压挖 掘机研究现状分析的基础上，针对目前动力系统研究的不足之处，提出了相关的 研究课题和实施方案。 浙江人学硕士学位论文液胝挖掘机并联式混合动力系统模型研究 2 液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究 液压挖掘机混合动力并联系统由柴油发动机，永磁同步电动发电机，以及 镍氢电池组等组成，其中柴油发动机与电动发电机共同驱动外负载，柴油发动 机提供主要动力，电动发电机用于平衡外负载的波动，系统在控制策略的作用 下使得柴油发动机稳定工作在高效燃油经济点上，达到节能减排的目的。下图 2 i 所示为液压挖掘机混合动力并联系统典型结构图。 图2 1 液压挖掘机混合动力并联系统结构图 液压挖掘机混合动力并联系统模型主要包括柴油发动机动力学模型，电动 发电机动力学模型，镍氢电池组s o c 估算模型。其中，柴油发动机作为液压挖 掘机中唯一的能量来源，其燃油效率的高低直接影响到混合动力并联系统节能的 效果，因此对混合动力系统中的柴油发动机模型重点进行了研究，建立了基于气 缸燃烧动力学的柴油发动机瞬态动力学模型，并基于该模型提出了柴油机动态油 耗计算模型。 2 1 挖掘机混合动力系统柴油机性能参数 混合动力系统中动力源柴油机采用的是常柴z n 4 8 5 q ，z n 4 8 5 q 是一款常用 于工程机械的四缸、四冲程、直列、直喷高速柴油机。这款柴油机由调速系统， 燃油系统，润滑系统，冷却系统，活塞连杆总成，以及曲轴飞轮总成等组成。 z n 4 8 5 q 主要技术规格如下表2 1 所示： 表2 1z n 4 8 5 q 主要技术规格 i 型号l z n 4 8 5 q 浙江大学硕士学位论文液胝挖掘机并联式混合动力系统模型研究 型式 直列、水冷、四冲程、直喷式 气缸直径( m m ) 8 5 活塞行程( m m ) 9 5 活塞总排量( l ) 2 1 5 6 压缩比 1 8 气缸工作顺序 l 一3 - 4 2 标定功- , k w ( p s ) 】2 9 4 ( 4 0 ) 标定转速( r m i n ) 2 6 0 0 燃油消耗率 g k w h 标定功率标定转速时 2 5 0 外特性最低点 2 4 0 机油消耗率 g 瓜w h 】 三2 7 2 烟度( f s u ) 薹4 5 曲轴旋转方向( 面向飞轮端) 逆时针 润滑方式 压力、飞溅 起动方式电起动 净质量( k 曲 三2 0 5 外形尺寸长宽高( m m ) 6 9 6 4 9 2 6 5 0 除了上述表格之外，常柴说明书还给出了多项技术数据，这些数据在后面的 模型建立中需要。表2 2 为柴油机配气定时，表2 3 为气缸气门间隙( 冷态) ，表 2 4 为燃油系统供油参数，图2 2 为柴油机配气相位图。 表2 2 柴油机配气定时 进气门开上止点前1 2 0 进气门关下止点后3 8 0 排气门开 下止点前5 0 0 排气门关上止点后1 4 0 表2 3 气缸气门间隙( 冷态) l 气i 1 ( r a m ) 0 2 5 o 3 0 l 排气门( m m ) 0 2 5 o 3 0 表2 4 燃油系统供油参数 l 供油提前角 2 0 士l l 喷油压力 m p a 】 1 9 6 2 浙江大学硕士学位论文 液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究 上止点 1 2 o o 1 4 0 0 进气门开一 一 一。 排气门关 一 、 仃7 、 r 止点 图2 2 柴油机配气相位图 以上止点作为转角始点，从图2 2 柴油机配气相位图中可以得知： ( 1 )当曲柄处于1 2 0 2 1 8 。时，进气阀门打开，气缸处于进气阶段。 ( 2 )当曲柄处于2 1 8 。3 6 0 。时，进气阀门和排气阀门关闭，气缸处于压缩气体 阶段。 ( 3 )当曲柄处于3 6 0 0 4 9 0 。时，进气阀门和排气阀门关闭，燃油燃烧，缸内气 体受热膨胀，推动活塞做功。 ( 4 ) 当曲柄处于4 9 0 0 7 3 4 0 时，排气阀门打开，气缸处于排除废气阶段。 2 2 挖掘机混合动力系统柴油机模型建立 柴油发动机是挖掘机混合动力系统的主要动力源，其燃油效率的高低直接影 响到节能效果的好坏，本文重点对其模型进行研究。 柴油机瞬态动力学模型包括调速系统模块、气缸燃烧动力学模块、指示扭矩 模块、柴油机摩擦模块以及柴油机曲柄连杆动力学模块等组成，如下图2 3 所示。 浙江大学硕十学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究 图2 3 混合动力系统柴油发动机模型结构图 2 2 1 挖掘机混合动力系统柴油机调速系统建模 混合动力系统柴油机调速系统在本文中由图2 4 中所示的调速器、喷油系统 以及动态燃油消耗三个模块组成。 图2 4 柴油机调速系统模型结构图 其中，喷油系统由喷油泵、高压油管和喷油器等组成。在调速系统中，通过 调速器控制供油拉杆的位置，使得每循环供油量发生变化，从而达到调整柴油机 功率和转速的目的。 柴油机中调速器用于调整柴油机功率和转速，同时，在一定范围内，让柴油 机在最大程度上避免受外界负载波动的影响，保持其工作的稳定性，其性能直接 影响柴油机的调速和动态特性【5 8 1 。z n 4 8 5 q 采用的是i 号喷油泵调速器，该调速 器的作用原理图如下图2 5 所示。 浙江人学砸学位论立液压挖掘机井瞒式* e 动力系统模型研究 卜一飞球2 一驱动盘3 推力盘4 一调速弹簧5 一支撑轴6 一调速弹簧照 7 一调速操纵杆8 供油拉杆 图2 5i 号喷油泵调速器结构图 柴油机工作中，顺时针拨动调速操纵杆7 ，调速弹簧座6 往左移动，受压缩 的调速弹簧4 推动推力盘3 往左秽动，其中，推力盘3 和供油拉杆8 是紧固在一 起的，供油拉杆8 往左移动，使得供油量增加，从而柴油机的功率和转速随之增 大；相反，逆时针拨动调速操纵杆7 ，则柴油机的功率和转速减小。 一旦调速操纵杆7 设定好以后，柴油机功率和转速相应的也设定完成。调速 器在负载变化时稳定柴油机转速的原理如下：驱动盘凹槽内有6 个铜球，驱动盘 带动铜球旋转，这6 个钢球分5 4 与驱动盘面和推力盘面接触，其中，驱动盘的锥 角面为6 0 。，推力盘的锥角面为4 5 。如果负载突然增大，柴油机功率不能匹配 则转速下降，钢球1 由于转速的下降其离心力减小，紧接着推力盘3 左移，供油 拉杆8 跟随左移，供油量由于供油拉杆的左移增大，柴油机功率增加，转速也随 之回升，这样就完成了负载增大的情况转速的稳定。负载突然减小的话，调速器 调解过程则与上相反。 浙江大学硕上学位论文 液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究 图2 6 喷油泵调速器受力示意图 基于i 型喷油泵调速器的作用原理，对其进行受力分析和建模，如图2 6 所 ( 1 ) 调速器处于稳态时，推力盘3 受力为： 乓p = | i c s ( s i n c + s z s t ) = t t b 露s i n 卢 其中，k s ：调速弹簧的刚度； s i n g 调速弹簧起始预压缩量； ：调速弹簧座的位移； & ：推力盘的位移； t t 6 ：调速器内钢球的个数； 群：钢球对推力盘锥角面的作用力； p ：推力盘锥角面角度。 钢球1 的受力为： r 局= r c o s + 昂。c o sy 昂s i n y = f 。s i n 3 l 局= m 西c l j ；r 其中，f f ：钢球旋转的离心力； 昂：驱动盘锥角面对钢球的作用力； y ：驱动盘锥角面角度； m 厶：单个钢球的质量； ( 2 1 ) ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究 唧：驱动盘旋转角速度。 综合公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，变换得到稳态时，调速弹簧座输入位移和供油拉杆位 移以及驱动盘转速间的关系式： ( 2 3 ) ( 2 ) 调速器处于瞬态变化时，假设调速器润滑良好，钢球沿驱动盘锥面只做 纯滑动，故可忽略其滑动摩擦力。推力盘3 运动方程为： 岛一锄e l 。s i n # 一c s t = m t s t 钢球1 沿驱动盘锥角面做平移，其运动方程为： ( 2 - 4 ) 最。s i n y r 。c o s ( # + y 一9 0 。) 一c 。童q z = m 西南z ( 2 - 5 ) 其中，s q z ：钢球沿驱动盘锥角面的位移。 另外：= - - s q z ( c o s7 4 - s i ny c o t f l ) 总结如下，调速器动力学模型为： ( 2 - 6 ) f ，f s p = k s ( s i n t + s z s t ) rfsp-nby一fsinfl够-cyst=mo)-rgtsin f t c o s4-90 q z = m b ( 2 - 7 ) lr y 一( 卢y 一 。) 一c 雪口z =南z 卜v i & = 一s q z ( c o s y + s i n y c o t f l ) 下图2 7 所示为s i m u l i n k 中建立的调速器动态模型。 图2 7 调速器动态模型图 柴油机中喷油泵、高压油管和喷油器用于将高压柴油注射进入气缸内，通过 浙江人学颈学位论文 液性挖掘# l 并联式混台动力最绕模型研究 改变供油拉杆的位置，使得每循环供油量发生改变，从而调整柴油发动机的功率 和转速，下圉28 所示为供油示意图。 3 卜卅；油拉杆2 一喷油泵3 一高压油管4 _ 喷油器5 高压柴油 围2 8 供油示枣图 柴油机供油系统非常复杂，要建立准确的喷油模型也是很田难的。由于供油 系统在整个柴油机动力学模型中影响不大，故在这里用一个线性表达式来描述每 循环供油量与油门拉杆位移之间的关系： m t n c y c f e 2 k p m p ( 2 8 ) 其中，k p 一：喷油泵供油系数 在得到了单缸每循环供油量的计算公式之后，可以推导出混合动力系统四缸 柴油机动态燃油消耗计算公式： 五。4 m 【= 1 其中，一：柴油发动机的第n 个工作周期。 下图2 , 9 所示为s i m u l i n k 中建立的燃油消耗计算模型。 浙江大学颈士学位论空液压挖掘机井联式混台动j j 系统模型研究 固2 9 燃油消耗计算模型 2 2 2 挖掘机混合动力系统柴油机气缸燃烧动力学建模 四冲程柴油发动机的一个工作周期包括四个阶段，依次包括进气阶段、压缩 阶段、燃油燃烧阶段和排气阶段。四冲程柴油发动机工作示意图如下21 0 所示： 进气阶驻 缩阶段 空气 燃烧阶段 燃* 排气阶段 废气 髫营髫学 图21 0 四冲程柴油发动机工作示意田 l 进气阶段中，活塞最开始处于上止点位置，随着曲轴的转动，活塞由上止 点开始往下移动，同时，与曲轴相连的驱动机构使得进气阀门打开。由于 气缸内容积增大，气缸内气体压力不断降低，外面空气压力大干缸内气体 压力，不断充入气缸。 2 压缩阶段中，活塞开始由下止点向上移动，同时由于该阶段中，进气阀门 和排气阀门都处于紧闭状态，使得缸内新鲜空气受到压缩，在缸内气体体 浙江大学硕十学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究 积不断减小的同时，气体压力和温度不断上升。 3 燃油燃烧阶段中，上一阶段末段喷入的柴油遇到缸内高温的气体开始燃烧， 燃烧放出的大量热量加热缸内气体，使得缸内气体压力和温度急剧升高， 高温高压气体推动活塞向下移动，推动曲轴转动。 4 排气阶段中，活塞由下止点向上移动，同时与曲轴相连的驱动机构使得排 气阀门打开，缸内燃烧后的废气被活塞推动排出。 柴油机工作过程中，通过上面的描述可以得知其缸内的变化过程是很复杂 的，要用数学模型详细描述气缸内的燃烧过程是一项很困难的任务。因此，在建 立柴油机气缸燃烧动力学模型时，我们需要对该过程进行一定的简化。简化后的 燃烧动力学模型用s i m u l i n k 仿真较容易，适合混合动力系统柴油发动机及系统 控制策略的制定，并且与实际工作过程的误差在可接受的范围之内。 以下为对气缸工作过程的基本假设和简化： 1 工作过程中柴油机气缸内气体都处于热平衡状态，即气缸内气体的成分、 压力和温度是均匀的。 2 进气过程中，进入柴油机气缸中的新鲜空气与缸内气体实现瞬时完全混合； 3 排气过程中，柴油机气缸内气体始终是均匀分布的，不受排出气体的影响。 4 柴油机气缸内气体在工作过程中都视为理想气体，缸内气体由空气和纯燃 烧产物组成。 5 进气阶段通过气阀阀门的气体流入，排气阶段通过气阀阀门的气体流出等 过程视为准稳态流动。 2 2 2 1 缸内气体成分定义 柴油机气缸内气体如上述假设中提到的，视为由空气和纯燃烧产物组成的混 合气体。 具体组成如下示意图2 1 1 所示。 浙江大学硕 学位论文液压挖掘机并联式混合动力系统模型研究 进气气体质量喷射进入燃烧的燃油质量 排气气体质量 m i n m i