一種全電控挖機液壓泵最大吸收功率控制方法

【摘" 要】在挖掘機日常作業時，柴油機在負載突增、高原作業等情形下，因瞬態噴油量增加，或實際進氣量不足，會致使燃料燃燒不充分，進而易使排放煙度升高。文章提出一種液壓泵最大吸收功率控制法，該方法依據整機反饋信息，修正液壓泵最大吸收功率，讓液壓端最大吸收功率始終契合柴油機的最大功率輸出能力，減少挖掘機工作時煙度超限的情況。

【關鍵詞】全電控挖掘機；煙度；液壓泵；最大吸收功率

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）02-0063-02

The Invention Relates to a Method for Controlling the Maximum Absorbed Power of

Hydraulic Pump of a Fully Electric Control Excavator

CHEN Zhicheng，HU Yonghui，SUN Xiaopeng，HOU Xuanhui

（Institute of Electronic Control and Software，Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】In the daily operation of excavator，diesel engine will not burn fully due to the increase of transient fuel injection or insufficient actual air intake in the case of sudden load increase and plateau operation，which will easily increase the emission smoke. This paper presents a control method of maximum absorbed power of hydraulic pump，which modifies the maximum absorbed power of hydraulic pump according to the feedback information of the whole machine，so that the maximum absorbed power of hydraulic end always conforms to the maximum power output capacity of diesel engine，and reduces the smoke overlimit during the work of excavator.

【Key words】fully electronically controlled excavator；smoke intensity；hydraulic pump；maximum absorbed power

0" 引言

非道路移動機械尾氣含CO、HC、NOx、SO2、PM等污染物，其中NOx和PM危害較大。中國《非道路柴油移動機械排氣煙度限值及測量方法》（GB 36886—2018）規定了非道路柴油移動機械排氣煙度限值，包括不透光法煙度（光吸收系數）和林格曼黑度級數，對應類別和額定功率的發動機排氣不得超過規定的限值。為提升過量空氣系數，改善柴油機煙度排放，廢氣渦輪增壓技術被廣泛應用。但挖掘機作業時，渦輪增壓器在負荷突變的瞬態工況下響應遲滯，致使柴油機排氣冒黑煙。濰柴動力李光輝等研究了高原柴油機煙度超限因素與改善法；廣西柳工董必成等通過控制轉速和功率變化速率降低煙度；中石油濟柴吳瑞斌等通過調整瞬態過量空氣系數和噴油提前角改善排放。然而通過調整液壓泵最大吸收功率降低煙度排放的研究較少。本文提出調整液壓泵最大允許吸收功率的方法，基于大氣壓力、進氣壓力、先導壓力、轉速等信息修正液壓泵最大允許吸收功率，改善柴油機排放，減少整機冒黑煙現象。

1" 挖掘機煙度超限原因分析

柴油機煙度超限主因是燃料不完全燃燒，即缸內空氣與燃油混合比例不當。挖掘機在正常作業過程中常見的煙度超限工況有以下兩種。

1）挖掘循環負荷突增。挖掘中，工況會從低負荷突轉高負荷，負載突增使系統壓力劇升，泵需求轉矩和吸收功率增大。柴油機為滿足功率需求增加噴油量，但增壓器響應遲滯，進氣量增速慢于噴油量，過量空氣系數低，缸內進氣不足，混合氣濃，空燃比小，導致燃油燃燒不充分，排放煙度升高。此工況在整機由怠速轉正常工作模式時常見。

2）高原環境作業。高原地區海拔高，大氣壓力低，空氣稀薄，含氧量少，柴油機缸內進氣量減少，燃燒不充分致煙度超限。此外，高原環境還影響柴油質量，降低冷卻能力，惡化排放。

2" 液壓泵最大吸收功率調整策略方案設計

基于上述煙度超限原因，本文通過大氣壓力、進氣壓力、先導壓力、轉速等信息對液壓泵最大允許吸收功率進行調節，避免煙度超限情況的發生，具體控制策略如下。

2.1" 基于大氣壓力的泵最大吸收功率控制策略

大氣壓力可直觀判斷整機是否處于高原環境。研究表明，海拔每升高100m，大氣壓力約降0.67kPa。海拔越高，氧含量和進氣量越少，不利于柴油機缸內燃燒和功率輸出。通過大氣壓力限制泵的最大允許吸收功率，能使液壓端更好匹配柴油機功率輸出，降低高原作業負荷，延長柴油機壽命。具體通過大氣壓力修正系數[facBaro]來對最大允許吸收功率進行修正，計算公式如下：

P_Inmax[=P_max×fac_Baro]

式中：P_Inmax——計算得到的泵最大允許吸收功率；[P_max]——對應擋位下預設的液壓泵最大吸收功率，大氣壓力越低說明海拔越高，此時[fac_Baro]越小，限制液壓泵的最大吸收功率，減少煙度超限的情況發生。

2.2" 基于進氣壓力的泵最大吸收功率控制策略

為了使液壓泵更精準地與柴油機進行功率匹配，考慮到挖掘工況具有較高的復雜性，基于進氣壓力對不同先導組合的挖掘工況進行最大吸收功率修正。例如，整機由無動作突然進行單動作時，初期會有較高的壓力超調，此時挖掘機液壓端瞬態吸收功率突增，柴油機突增負荷容易導致空燃比過小排氣質量降低。針對類似的工況需要根據進氣壓力評估柴油機進氣量，進而調整液壓端的最大吸收功率，優化整機功率匹配。具體通過修正系數[facAirIn]來對最大允許吸收功率進行修正，計算公式如下：

P_Inmax[=P_max×fac_AirIn（p）]

式中：[P]——發動機進氣壓力。進氣壓力越高說明實際進氣量越大，過量空氣系數越大，越有利于燃料的充分燃燒，此時不對最大功率進行限制。如果進氣壓力低于閾值，則通過修正系數[fac_AirIn]修正液壓泵最大吸收功率，限制液壓泵最大吸收功率，降低發動機負載，實現發動機與液壓泵的功率匹配，改善煙度排放。

2.3" 針對轉速提升時的泵最大吸收功率控制策略

挖掘機有怠速功能，整機上電點火后長時間無動作會進入怠速模式，柴油機轉速降低，減少燃油消耗。當整機從怠速突入正常作業模式，負載突增，柴油機需提供更多功率，可能導致瞬態燃油混合氣濃、燃燒不充分、煙度超限。針對此工況，本文基于設定轉速變化率調整泵最大吸收功率。若整機處于怠速狀態，應用基于轉速變化率的功率限制策略。當整機突然工作，柴油機設定轉速變化率超閾值時，限制發動機最大輸出功率。因轉速上升階段持續時間短，需給定合適修正系數[kn]以保證系統穩定。液壓泵最大吸收功率調整策略的原理流程圖如圖1所示。

3" 策略結果驗證

為驗證上述方案的可靠性，基于MATLAB/Simulink進行控制策略模型搭建，并導入某80t挖掘機挖掘循環路譜數據進行仿真結果驗證。路譜數據和策略應用前后對比仿真結果分別如圖2和圖3所示。圖中，大氣壓力與進氣壓力單位為kPa，設定轉速單位為r/min，最大吸收功率單位為kW。結果顯示，應用最大吸收功率調整策略后，液壓泵最大吸收功率得到合理調整，與作業環境和柴油機形成良好功率匹配，減少了煙度超限情況。

4" 結論

本方案基于大氣壓力、進氣壓力、先導壓力、轉速等整機反饋信息，在挖掘機各工況下修正液壓泵最大吸收功率。通過監測外界環境和進氣壓力，使液壓泵更好匹配發動機最大功率輸出，減少煙度超限工況，對挖掘機排放優化有參考意義。

參考文獻

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-06-03

作者簡介：陳治澄，男，主要從事挖掘機電控策略開發工作。