汤振周

(福建船政交职业学院,福州 350007)

挖掘机电控柴油机与电控变量泵的合理匹配研究

汤振周

(福建船政交职业学院,福州 350007)

通过对液压挖掘机电子控制系统和挖掘机电控变量泵的分析，改变电控变量泵的输出电流来平衡电控柴油机功率和泵的消耗功率。另外，对挖掘机电控柴油机功率模式设定与细化，增加挖掘机电控柴油机的经济模式，达到电控柴油机与电控变量泵的合理匹配，优化机器性能和燃油效率，并通过实验进行验证。

电控柴油机；电控液压泵；合理匹配

0 概述

电控柴油机能根据挖掘机作业过程中不同的功率要求实现喷油量、喷油定时、喷油压力以及喷油速率的综合控制,在满足排放法规的同时获得最佳的经济性,而现在挖掘机电控柴油机与电控变量泵的合理匹配主要是通过将驾驶员的要求转换成相应的控制信号,借助于各种传感器和执行器自动地实现发动机的管理,比如实现挖掘机怠速控制、模式工况最佳控制等；电控泵主要是根据负载工况来及时有效地调控泵的排量,使液压泵功率能适应外负载的要求,同时充分利用发动机的功率。

1 挖掘机电子控制系统

本文研究采用VOLVOD13F型号电控柴油机，其最大功率/转速为:215 kW/1700 r·min-1，最大扭矩为:1 580 Nm/1 300 r·min-1。它具有良好的动力性和可靠性，功率储备也较为理想，电控柴油机控制单元采用E-ECU,电控柴油机(E-ECU)可根据各种传感器实时检测到的柴油机运行参数,与E-ECU中预先已经存储的参数值或参数图谱相比较,按其最佳值或计算后的目标值,把指令输送到执行器。执行器根据E-ECU指令,控制喷油量和喷油定时。如图1所示，挖掘机的电子控制系统中发动机控制单元(E-ECU)还可和挖掘机车载控制单元V-ECU、仪表显示IECU,以及其他系统的ECU交换数据,从而实现整车的电子控制，使电控柴油机功率适合于自动调节，如V-ECU可以实现挖掘机模式的选择、电控发动机的转速感应控制、自动怠速控制等功能，实现速度的精确控制。

EECU.发动机电子控制单元； VECU.车辆电子控制单元；IECU.仪表盘电子控制单元；ECC.空调系统控制；KEYPAD.键盘图1 挖掘机电子控制系统

2 挖掘机电控变量泵的分析

本文研究采用川崎公司生产的K5V200DTH15×R-9N2Y-V电控液压泵，该液压泵的主要参数为：最大排量：199×2(mL/min)；额定转速：1 800(r·min-1)；压力：31.4(MPa)；最大流量：358×2(L/min)。

2.1 电控变量泵的排量调节原理

电控变量泵的排量调节是由电控泵调节器控制的，调节器控制原理如图2所示，全功率控制根据负载变化控制泵斜盘盘角；功率切换控制是V-ECU持续从E-ECU接收关于当前发动机速度的信息，根据获得的信息改变比例电磁阀的电流，电液比例阀输出的二次压力决定了液压泵的变量起调压力点的大小，也就决定了液压泵的输出功率大小。所以，通过改变电液比例阀的大小，挖掘机液压系统可以选择合适的发动机转速，以保持泵扭矩低于发动机的扭矩。负流量控制是随着负流量压力的增加而降低输送流量，以便防止不必要的功率消耗。

图2 电控变量泵调节器控制原理

2.2 电控泵数学模型

电控变量泵其主要的控制方式为负流量控制、恒功率控制、转速传感控制和功率切换控制，其中K3V变量泵负流量控制和恒功率控制P、H、G、F、I模式恒功模型如下所述：

1)负流量控制模型：

2)恒功率控制模型

3 挖掘机电控柴油机功率模式的合理设定与细化

3.1 挖掘机电控柴油机功率模式的合理设定

图3为挖掘机电控柴油机的功率扭矩曲线，从图3可以知道，在转速为1 400 r·min-1时，该电控柴油机的输出功率最大。根据不同的追求目标，选定某几个典型工作点作为设定的档位，即成为固定的工作模式。通常在控制系统中设定5种工作模式，最大功率模式(P模式)，重载模式(H模式)，通用模式(G模式)，精确作业模式(F模式),怠速模式(I)。

图3 发动机功率扭矩功率曲线

3.2 挖掘机电控柴油机工作模式的细化

为了提高挖掘机的燃油经济性，可以将某些工作模式进一步细化。档级分得越细，功率利用越合理。考虑操作者的因素和挖掘机通用工作模式，我们将其通用工作模式进一步细化成G1、G2、G3和G4模式。精确作业模式(F模式)也进一步分成F1模式和F2模式，怠速模式(I)可以设置发动机启动时设的低怠速I1和液压挖掘机的自动待命工作方式所设定的怠速I2，各种模式对应的发动机转速见表1所示。

表1 挖掘机各种模式下对应的转速

3.3 增加挖掘机电控柴油机的经济模式

根据操作条件和环境选择发动机的速度和操作模式，从而使挖掘机性能和燃油效率达到最优化。由电控发动机的外特性曲线(图3)可知,在电控发动机的转速高于最大输出功率转速npmax时，随着转速的增加，最大泵输入扭矩、燃油效率下降。所以，在挖掘机正常工作模式控制中，即在H、P、G模式中，发动机转速高于1 400 r·min-1时，转速增加，扭矩减小，电控发动机输出功率降低。为了达到挖掘机节能控制，可以增设经济模式(ECO),即在原来H、P、G模式中转速设置中，将转速降低。

表2 挖掘机经济模式下对应的转速

4 电控柴油机与电控液压泵的协调控制

电控柴油机与电控液压泵的控制目标核心最终归结为选定合适的发动机负荷率。为了充分利用柴油机的功率，在进行柴油机与液压泵的功率匹配时，将液压泵的最大功率曲线设定在柴油机的功率曲线之上，如图4所示。电控柴油机与电控变量泵的协调控制主要通过电控柴油机的转速传感器检测柴油机的实际转速，与目标转速对比，通过挖掘机的车载控制单元EECU控制电控变量泵的比例减压阀的电流来改变其输出压力，调节液压泵的排量，使液压泵的功率曲线总是从折线段拉向恒功率曲线段(柴油机的功率曲线)，这样可使液压泵始终在不低于柴油机功率的状态下工作，因而可以完全吸收柴油机的功率，从而达到节能的目的。

图4 电控液压泵的功率曲线

5 采用电控发动机与电控变量泵控制的实验研究

本实验在型号为VOLVO480D的挖掘机上进行试验，挖掘机在发动机转速和功率模式控制时，电控变量泵的切换电流、功率切换压力、泵的最大输入转矩及泵的消耗功率的关系见表3和表4，表3是在正常的工作模式下的实验数据，表4是增设经济模式实验数据。

通过对表3和表4中实验结果的共性分析可知：1)发动机在P、F、I模式工作时，功率切换电流相同；2)随着功率切换电流IS的增大，电控变量泵的功率切换压力pf降低，将液压泵的排量变小，使泵的输出功率降低。3)挖掘机车载控制单元V-ECU总是从电控发动机控制单元E-ECU接收发动机的当前转速。它通过改变至电控变量泵比例电磁阀的输出电流来平衡发动机功率和泵的消耗功率。通过比例电磁阀改变旋转斜盘角度并最终改变泵的流量，这样系统可以在设定的发动机转速下保持泵扭矩低于发动机扭矩，达到合理匹配。

通过表3和表4的对比分析可知：1)在经济模式下的P、H、G工作模式，与标准模式相比，发动机转速降低100 r·min-1，功率切换电流不变，泵的最大排量保持不变；2)表4在H模式和G模式中泵最大输入扭矩与表3最大输入扭矩相比大概增加了5%，由于发动机转速降低了100 r·min-1，泵吸收发动机的功率降低，发动机的燃油比率降低，提高了燃油效率，达到节能目的。

表3 正常模式发动机转速和工作模式控制

表4 经济模式下发动机转速和工作模式控制

6 结语

应用电喷柴油机，在高速低负荷工况下依然有较低的比油耗，可对某喷油量下的任意扭矩与泵进行匹配，通过改变电控变量泵比例电磁阀的输出电流来平衡发动机功率和泵的消耗功率，比例电磁阀改变旋转斜盘角度并最终改变泵的流量，挖掘机可以在设置好的发动机转速下保持泵扭矩低于发动机扭矩，达到合理匹配；另外，可以通过发动机转速和模式的合理设定，如对某些工作模式进行细化，并增加经济模式,优化挖掘机的性能和燃油效率。

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The Research on Reasonable Matching between Electronic Control Diesel Engine and Electronically Controlled Variable Pump for Excavator

TANG Zhen-zhou

(FujianChuanzhengCommunicationsCollege，Fuzhou350007，China)

Through the analysis to the hydraulic excavator electronic control system and the excavator electronic variable control pumps，the output flow of the electronic control variable pump is changed to balance the power of the electronically controlled diesel engine and the power consumption of the pump.In addition，the setting and refinement to the power mode of excavator electronic control diesel engine can increase the economic model of excavator electronic control diesel engine to reach the purpose of reasonable match between the electronic control diesel engine and the electronically controlled variable pump，optimize the machine performance and fuel efficiency.This has been verified by experiment.

electronic control diesel engine；electronically controlled hydraulic pump；reasonable match

2016-12-30

福建省教育厅资助(JB14143)

汤振周(1970-)，男(汉)，福建上杭，副教授 主要研究工程机械等。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.011

TD422.2

A

1009-8984(2017)02-0047-04