平地機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)變功率節(jié)能控制方法

平地機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)變功率節(jié)能控制方法

0國(guó)外平地機(jī)使用變功率節(jié)能控制技術(shù)近年來(lái)，節(jié)能減排受到越來(lái)越多的關(guān)注。平地機(jī)的節(jié)能技術(shù)已成為各制造商的主要競(jìng)爭(zhēng)之一。目前,中國(guó)平地機(jī)的節(jié)能措施集中在分工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)速使用、傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配、冷卻風(fēng)扇節(jié)能控制等方面。而卡特彼勒(Caterpillar)、沃爾沃(Volvo)和約翰迪爾(JohnDeere)等國(guó)外平地機(jī)基本上都采用了對(duì)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變功率控制的技術(shù),這種技術(shù)是將電噴發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)供油量這一可控參數(shù)納入機(jī)器的控制過(guò)程,在充分考慮實(shí)際工況對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)輸出需求的基礎(chǔ)上,使發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩和轉(zhuǎn)速3個(gè)參數(shù)得到合理的調(diào)節(jié)與控制,使其能夠有效地節(jié)省燃油消耗。中國(guó)平地機(jī)使用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)較晚,對(duì)變功率節(jié)能控制技術(shù)的研究較少,尚未出現(xiàn)該技術(shù)試驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)或報(bào)道。變功率節(jié)能控制技術(shù)雖然在國(guó)外平地機(jī)產(chǎn)品中已有應(yīng)用,但尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn),無(wú)法給中國(guó)變功率控制技術(shù)的研究提供理論與方法的直接借鑒,因此,對(duì)平地機(jī)變功率節(jié)能控制技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的理論與實(shí)際意義。1發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線(xiàn)的二次設(shè)計(jì)平地機(jī)作業(yè)負(fù)載和作業(yè)速度變化范圍大,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求范圍較寬。在低擋位時(shí),由于行駛速度較低,機(jī)器自重產(chǎn)生的附著力有限,使得發(fā)動(dòng)機(jī)可提供的功率大于平地機(jī)克服最大負(fù)載所需功率,平地機(jī)在該工況下工作時(shí)易出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn),造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率浪費(fèi)和輪胎不必要的磨損。傳統(tǒng)平地機(jī)依靠操作者降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以減少功率浪費(fèi)和輪胎磨損,但這種方法人為因素影響大,功率調(diào)節(jié)范圍窄,效果并不理想。采用發(fā)動(dòng)機(jī)變功率節(jié)能控制技術(shù)可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的自動(dòng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與負(fù)載所需功率的合理匹配,從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率浪費(fèi)和輪胎磨損。平地機(jī)變功率節(jié)能控制技術(shù)的原理是:通過(guò)設(shè)計(jì)多條電噴發(fā)動(dòng)機(jī)功率外特性曲線(xiàn),使平地機(jī)在低速作業(yè)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)選擇在功率較低的特性曲線(xiàn)上工作,如果負(fù)載不大,則發(fā)動(dòng)機(jī)工作于調(diào)速段;若負(fù)載較大,發(fā)動(dòng)機(jī)工作在外特性曲線(xiàn)上時(shí),其工作點(diǎn)前移,不僅節(jié)省燃油消耗,而且發(fā)動(dòng)機(jī)在較低功率曲線(xiàn)上工作時(shí),平地機(jī)驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)的頻率減小,功率損失降低。圖1為根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)二次設(shè)計(jì)得到的2組發(fā)動(dòng)機(jī)功率Ne、扭矩Me、比油耗ge與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne的關(guān)系。由圖1可見(jiàn):假設(shè)負(fù)載較小,如在負(fù)載扭矩1處,其與2條扭矩曲線(xiàn)都交于調(diào)速段b—d—e上的A點(diǎn),此時(shí)比油耗基本一致;但如果負(fù)載較大,如在負(fù)載扭矩2處,則與扭矩曲線(xiàn)1交于B點(diǎn),與扭矩曲線(xiàn)2交于C點(diǎn),C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的比油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)功率較B點(diǎn)低,有效降低了發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。此外,C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比B點(diǎn)小,也降低了驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)頻率,減少了輪胎磨損。根據(jù)實(shí)際工況不同,配合機(jī)器的擋位設(shè)計(jì),一般可預(yù)設(shè)2～4條發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)。采用平地機(jī)變功率節(jié)能控制技術(shù)獲得的節(jié)能效果可進(jìn)行理論估算,假設(shè)功率較大和較小的2條特性曲線(xiàn)分別為功率曲線(xiàn)1和功率曲線(xiàn)2(圖1),2條曲線(xiàn)上某一負(fù)載扭矩Me對(duì)應(yīng)的功率分別為Ne1和Ne2,比油耗值分別為ge1和ge2,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為ne1和ne2,則在該點(diǎn)計(jì)算出的小時(shí)油耗Ge的理論值分別為Ge={ge1Ne1=ge1ne1Me大功率ge2Ne2=ge2ne2Me小功率(1)Ge={ge1Νe1=ge1ne1Μe大功率ge2Νe2=ge2ne2Μe小功率(1)由于ne1>ne2,ge1>ge2,則同樣工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)工作在功率曲線(xiàn)2與工作在功率曲線(xiàn)1時(shí)相比,小時(shí)油耗降低量約為Me(ne1ge1-ne2ge2)。2變功率節(jié)能控制技術(shù)實(shí)施平地機(jī)變功率節(jié)能控制技術(shù),首先要計(jì)算出平地機(jī)各擋位下所需的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率,然后按照各擋位對(duì)功率的需求設(shè)置2條或多條發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線(xiàn),實(shí)際作業(yè)時(shí)通過(guò)控制程序根據(jù)擋位自動(dòng)選擇設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線(xiàn)工作。由文獻(xiàn)可知,各擋位所需發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pmax的計(jì)算式為Pmax=9.8GNVmaxf1000η+Pf(2)Ρmax=9.8GΝVmaxf1000η+Ρf(2)式中:Vmax為平地機(jī)某擋位最大作業(yè)速度;GN為平地機(jī)后輪總質(zhì)量;f為地面附著系數(shù);η為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總效率;Pf為平地機(jī)輔助功率。Pf一般取發(fā)動(dòng)機(jī)功率的15%,f取0.75,則式(2)可簡(jiǎn)化為Pmax=8.65VmaxGN1000η(3)Ρmax=8.65VmaxGΝ1000η(3)以某廠家生產(chǎn)的PQ190液壓平地機(jī)為例,闡述平地機(jī)變功率節(jié)能控制技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法。該平地機(jī)行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞路線(xiàn)為:發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵-液壓馬達(dá)-減速平衡箱-驅(qū)動(dòng)輪,發(fā)動(dòng)機(jī)功率外特性曲線(xiàn)如圖2所示。以該平地機(jī)1擋為例,發(fā)揮最大牽引力時(shí),Vmax=0.83m·s-1,GN=10500kg,η取0.75,根據(jù)式(4)計(jì)算得到所需發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pmax為115kW,而該平地機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為148kW,由此可知,若不進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)變功率控制,則該擋位下發(fā)動(dòng)機(jī)功率存在33kW的富余,在特定工況下會(huì)加劇驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn),造成功率損失、油耗增大和輪胎磨損。結(jié)合平地機(jī)工況需求,采用上述的各擋功率計(jì)算方法,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)樣機(jī)設(shè)計(jì)3條功率曲線(xiàn)(功率曲線(xiàn)1,2,3,分別對(duì)應(yīng)的額定功率為115,130,148kW),如圖3所示,其中115kW功率曲線(xiàn)用于1擋,130kW功率曲線(xiàn)用于2擋,148kW功率曲線(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)原始曲線(xiàn),用于其他擋位。發(fā)動(dòng)機(jī)變功率控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用時(shí),由平地機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線(xiàn)向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)出相應(yīng)的切換指令,發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)指令要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)切換。平地機(jī)變功率節(jié)能控制系統(tǒng)采用總線(xiàn)式控制網(wǎng)絡(luò),總線(xiàn)式控制網(wǎng)絡(luò)的基本模式為,CAN總線(xiàn)加專(zhuān)用控制器加彩色液晶屏(虛擬儀表)加發(fā)動(dòng)機(jī)ECU等其他節(jié)點(diǎn)單元。平地機(jī)變功率節(jié)能控制過(guò)程為,專(zhuān)用控制器采集平地機(jī)當(dāng)前工作擋位信號(hào),根據(jù)預(yù)設(shè)的每個(gè)擋位所對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線(xiàn),判斷發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前應(yīng)工作的功率曲線(xiàn),并確定該功率曲線(xiàn)的CAN總線(xiàn)指令代碼,將該代碼發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU,使發(fā)動(dòng)機(jī)按各擋位對(duì)應(yīng)的功率曲線(xiàn)工作,控制流程如圖4所示。3試驗(yàn)結(jié)果及分析為了驗(yàn)證平地機(jī)變功率節(jié)能控制技術(shù)的節(jié)能效果,對(duì)PQ190液壓平地機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置的115,130,148kW三條功率曲線(xiàn)進(jìn)行極限負(fù)載油耗試驗(yàn),試驗(yàn)樣機(jī)相關(guān)性能參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)方法為:將試驗(yàn)樣機(jī)置于1擋工作(該擋位為變功率節(jié)能效果較明顯的擋位),施加同等大小負(fù)載,分別在3條不同的功率曲線(xiàn)上工作相同時(shí)間,對(duì)比其耗油量,同時(shí)采用數(shù)據(jù)采集儀記錄牽引力、液壓系統(tǒng)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)理論轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化情況。測(cè)量?jī)x器設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集儀(圖5)、拉力傳感器(圖6)、壓力傳感器及電子秤等,各儀器的型號(hào)及量程如表2所示。變功率節(jié)能控制試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示,為了使不同功率曲線(xiàn)工作時(shí)的負(fù)載完全相同,采用牽引固定樁模擬最大相同負(fù)載。試驗(yàn)過(guò)程中將發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油進(jìn)、回油管均接入柴油桶內(nèi),并在該柴油桶下安放電子秤,實(shí)時(shí)顯示柴油質(zhì)量,油耗測(cè)量如圖8所示。在油耗試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)分別讀取電子秤上顯示的柴油質(zhì)量,兩者相減即可得出發(fā)動(dòng)機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)的耗油量。樣機(jī)在1擋相同極限負(fù)載工況下,115,130,148kW三條發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線(xiàn)的小時(shí)耗油量分別為25.1,28.5,30.8L·h-1。各變功率曲線(xiàn)下樣機(jī)的相關(guān)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖9～11所示。由圖9～11可知,3條發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)理論轉(zhuǎn)速范圍均為0～2300r·min-1,即采用變功率節(jié)能控制技術(shù)后,發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速范圍不變,正常作業(yè)時(shí)對(duì)平地機(jī)作業(yè)裝置的工作效率沒(méi)有影響。表3為各功率曲線(xiàn)下平地機(jī)相關(guān)性能參數(shù)對(duì)比(數(shù)據(jù)為發(fā)動(dòng)機(jī)理論轉(zhuǎn)速達(dá)最大值后的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù))。從表3可知,采用變功率控制技術(shù)后,在大負(fù)載工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)工作在外特性曲線(xiàn)上時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)前移,轉(zhuǎn)速有所下降。115,130kW功率曲線(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速分別降至1806,2006r·min-1,與理論分析結(jié)果一致。平地機(jī)作業(yè)時(shí),超出負(fù)載需求的部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率以驅(qū)動(dòng)輪打滑的形式損失掉,而功率損失的同時(shí)會(huì)帶來(lái)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)和磨損。采用變功率節(jié)能控制技術(shù)后,在極限負(fù)載工況下,驅(qū)動(dòng)輪平均滑轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速由17r·min-1分別降低至15,13r·min-1,有效減少了驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)和磨損,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率。4變功率節(jié)能控制技術(shù)(1)通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)變功率節(jié)能控制技術(shù)原理,研究了該技術(shù)對(duì)平地機(jī)燃油消耗、驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)頻率和輪胎磨損等參數(shù)的影響,提出了平地機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)變功率曲線(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法,并針對(duì)某樣機(jī)設(shè)計(jì)了3條發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線(xiàn),給出了變功率節(jié)能控制技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)步驟。試驗(yàn)結(jié)果表明,變功率節(jié)能控制技術(shù)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率,在平地機(jī)極限工況下節(jié)能7.3%～