基于柴油電噴發動機的油門控制

李鋒偉　趙　虎（. 龍工（上海）挖掘機制造有限公司，上海　06；. 派克漢尼汾液壓（天津）有限公司，天津　300385）

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基于柴油電噴發動機的油門控制

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

摘要本文通過分析不同的電噴發動機油門控制方式的原理，比較其在現代液壓挖掘機上的實際應用數據，得出在提高挖掘效率和改善燃油經濟性方面，更符合中國市場需求的技術方向。

關鍵詞：電噴發動機；油門控制方式；電控系統；功率匹配；燃油經濟性；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

隨著挖掘機技術的發展日漸成熟，多功能化、智能化，網絡化已成為挖掘機發展的一個趨勢。再加上近年來國家對環保以及能源戰略的要求，還有最終用戶資源最大化的需求，電噴發動機在液壓挖掘機上的應用越來越多，也越來越被用戶認可。雖然電噴發動機對燃油質量的要求比機械式發動機要高，但是在燃油消耗量和挖掘效率方面，電噴發動機的優勢很明顯，特別是在高原地區，電噴發動機的優越性更加突出，因為電噴發動機只需要調整其電子控制模塊（ECM）的參數就可以在高原地區正常使用，而機械式發動機則很難在高原地區正常工作。充分利用發動機功率，使發動機工作在高燃油效率區域，提高整機的燃油經濟性，也是電噴發動機的優勢所在。

原動力系統、液壓系統之間的功率匹配控制是液壓挖掘機節能研究的重要方向。電控系統起到橋梁紐帶的作用，將原動力系統、液壓系統和工作負載三者有機地結合起來，通過實時采集液壓系統各主要壓力參數的變化，發動機負荷率和瞬時油耗的變化，并分析其變化規律，通過調節電子比例減壓閥的輸入電流，來及時調整液壓系統的輸入功率，也就是發動機的輸出功率來實現發動機的高效工作，提高發動機的燃油效率。對于電噴發動機來說，其本身的ECM，實現了對發動機混合氣空燃比和點火提前角的精確控制，特別是在過渡工況下能進行瞬時精確控制，使發動機在任何工況下都能處在最佳狀態下運轉。相比機械式柴油機，ECM的控制效能已大為提高和精準，不過要充分發揮其效能，需要車載電控系統的實時介入，在挖掘機不同負載狀況下選擇不同的控制方式。目前電噴式柴油發動機的油門控制方式有幾種，在非公路設備上主要以兩種方式為主，一種方式是扭矩轉速控制方式，即通常所稱的TSC1方式，二是油門開度方式控制，即通常所稱的油門百分比方式。本文就這兩種控制方式進行對比分析，從實際工作中，總結哪種控制方式的燃油消耗更低，挖掘效率更高，穩定性更好。下面以康明斯電噴柴油發動機為例，在實際的應用過程中分析對比不同油門控制方式所表現的特性。

1　扭矩轉速控制方式-TSC1

在液壓挖掘機的電子控制系統中，車載控制器負責設定多種工作模式及各個擋位和對應的轉速，車載控制器和發動機ECM之間通過CAN2.0B總線進行通信，具體按標準的SAE J1939協議規定執行。若電噴式發動機采用TSC1油門控制方式，車載控制器需向發動機ECM直接發送轉速值，來控制發動機的轉速。在TSC1控制方式下，SAE J1939通信協議對發動機速度控制具體規定要求為，發動機的掉速率和調速率都是0%，所以當挖掘機在任何工作模式下，無論是空載還是負載狀態，ECU總是控制發動機的轉速，使之在設定的工作轉速下工作。比如設定空載轉速1500r/min，負載時發動機轉速瞬間掉50r/min左右，而穩定狀態下發動機的轉速基本還是保持在1500r/min。所以在此TSC1轉速控制方式下，發動機基本不在額定功率狀態下工作，也就是說整個系統的負荷率（percent load）加不上去，如果負荷率達到80%以上，可以說此時發動機的燃油消耗和效率比一定是比較好的，如果達到95%以上，這時候的燃油消耗和效率比是最好的，因為此時發動機的功率幾乎完全被利用，發動機達到了最佳燃油消耗點。如果負荷百分比低于80%，甚至更低時，發動機的功率沒有被充分利用和發揮，當然要損失一定燃油，燃油消耗和效率比自然降低。

在挖掘機的實際應用過程中，通過數據采集和在不同工作模式下的工作狀態發現，轉速無論在空載還是在帶載挖掘狀態，都相對比較穩定，波動不是很大，負荷率相對較低，燃油消耗相對會高些。

圖1　TSC1扭矩轉速控制方式-轉速變化

2　油門開度控制方式-油門百分比

電噴發動機的另外一種油門控制方式：油門開度。在此方式下，車載控制器按標準的SAE J1939協議向發動機ECU發送油門百分比命令，發動機ECU會控制與百分比對應的發動機轉速。發動機的調速率可以通過總線進行選擇，如7%、9%、12%等，電噴發動機一般都提供可供選擇的扭矩設置，通常為3條，通過總線向ECM發送信號進行選擇；如下（某品牌柴油電噴發動機曲線選擇發法）：

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　電噴發動機扭矩曲線圖

2）調速率的選擇

（1）選擇調試率1

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

（2）選擇調試率2

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

（3）選擇最小的調試率

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

圖3　電噴發動機調速率曲線圖

在適當的外界負載下，自動選擇合適的發動機扭矩曲線，保證發動機輸出功率的平穩性。調速率曲線的選擇決定發動機掉速，發動機速度下降過多，影響液壓泵的排量，泵的排量下降，輸出功率也下降，動力裝置速度下降。因此，實時監控發動機轉速，當發動機轉速低于目標轉速的7%、9%、12%，進行液壓功率越權控制，保證發動機掉速在允許的范圍內。

電噴發動機的調速率標定的是額定轉速下的，在非額定轉速下的調試率可進行插值計算，所以當選定12%調速率時，只是在額定轉速下是12%，其他轉速下可進行差值計算。在實際調試過程中一般先選用較大的調速率，把發動機的最大效率發揮出來。當然進行實際調試過程中，每選一條扭矩曲線，可選擇不同的調速率進行相應的試驗，把所有結果通過試驗的手段記錄下來，進行比較，就很容易找到各模式下、各擋位下哪組對應的調速率和扭矩曲線是燃油消耗最小、挖掘效率最高的。數據都是通過試驗得出的，具有較強的說服力。當然調試率選擇的越大，發動機的掉速相對就越大，越能發揮發動機的功率，在相同負荷下（即負荷率相同）和效率的情況下，此時發動機還最省燃油。

圖4　油門開度控制方式-轉速變化

3　控制方式比較

電噴式發動機的油門控制方式還有遠程油門、頻率油門等多種形式，但是在挖掘機中應用較多的是TSC1及開度油門兩種，其他方式不適合于液壓挖掘機產品，這里就不一一贅述。

通過從實際工況試驗中得出的TSC1和油門開度兩種情況下的試驗數據如下：

表1　TSC1方式下的油耗效率及轉速情況

表2　油門開度方式下的油耗效率及轉速情況

對比可以看出在設定轉速一定的情況下，油門開度的油耗和工作效率相對TSC1方式要好，這是因為油門開度控制方式充分發揮了發動機的功率，雖然發動機的轉速變化稍大些，但是此時的發動機和泵的功率匹配良好，發動機負荷率在80%以上。當然TSC1這種方式使發動機轉速始終在設定轉速附近工作，燃油消耗肯定會稍大，不能充分利用發動機的有效功率且負荷率也相對較低，所以效率也相對較低。

4　結論

綜上，電噴發動機在挖掘機的應用中應優先考慮使用油門開度的控制方式，這樣不但能充分利用發動機的有效功率，減少燃油消耗量，還能提高發動機的負荷率進而提高挖掘機的挖掘效率，這也是適合中國國情需求的一種最佳方式。

參考文獻

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[2]劉立祥， 邢則成， 高達. 一種電噴柴油機油門控制方法在挖掘機上的應用液壓[J]. 建設機械技術與管理， 2013（9）: 81-82.

李鋒偉（1981-），男，本科，龍工（上海）挖掘機制造有限公司技術中心研發工程師，從事中大型挖掘機整機電控系統集成設計，挖掘機產品新技術應用，性能質量管理分析工作。

作者簡介