拖拉機用電控柴油機油門控制策略

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摘要:結合電控柴油機的一般油門控制模式和拖拉機試驗工作經驗，以及技術服務工作中遇到的真實案例，分析并提出拖拉機電控燃油系統控制策略的一般要求和電子油門標定工作中的注意事項。

關鍵詞:電控柴油機;電子油門;控制策略;調速特性

駕駛員通過發動機油門機構控制發動機供油量的大小，從而實現動力機械調速、變扭。隨著國家大氣法的實施和排放法規的不斷升級，工程機械和農業裝備行業用柴油機逐漸由機械泵切換為電控高壓共軌系統，各行業也對油門控制、功率輸出方面提出多種個性化需求。電子油門的主要功能是把駕駛員踩下油門踏板的相對轉角或手油門操縱桿相對轉角信號轉換成與其成正比的電壓信號，同時把油門踏板的各種特殊位置制成接觸開關，把怠速、高負荷、加減速等發動機工況變成電脈沖信號輸給電控發動機的控制器(ECU)，以達到供油、噴油與變速等的優化自動控制。筆者依據實際工作經驗對供油系統電控技術的發展進行了相關的研究和探討。

1柴油發動機油門控制模式分類

不同行業因操作方式的區別，對油門的控制方式也不同，目前常見的油門控制方式包含以下4種模式。1)模式1，面向裝載機、叉車等行業，同卡車、客車等道路機械產品一致，配備普通的單一油門，只有一路控制信號，不存在信號的比較或者切換。2)模式2，面向農業裝備、壓路機行業，配備手油門、腳油門兩個控制輸入端，要求兩個油門同時起作用，信號比較，大者有效。3)模式3，面向推土機行業，配備手油門、腳油門兩個控制輸入端，要求兩個油門同時起作用，信號比較，小者有效。4)模式4，面向汽車起重機行業，配備上車、下車油門兩個控制輸入端，兩個油門信號之間是互斥關系，不能同時起作用，需要轉換信號實現兩者之間的切換。

2柴油發動機油門控制調速特性

不同行業或者車輛，除對油門信號的輸入模式需求不同外，對油門控制的調速特性要求也不盡相同。機械泵產品主要利用調速器實現油門控制，但受調速器機械特性限制，結構相對復雜，調整精度有限。現在升級采用電控高壓共軌技術路線后，可充分利用ECU數據標定實現更加精準和多樣的調速特性。

2．1轉矩控制特性

發動機不同的油門開度大小，對應不同的發動機調速特性。轉矩控制特性適應發動機負載變化的能力較強，幾乎體會不到轉速變化的沖擊，對駕駛員而言，駕乘舒適性好。該特性比較適合運輸車輛、裝載機、叉車等對轉速突變不敏感的行業或車輛，控制邏輯如圖1所示。該控制特性，駕駛員操作油門時轉矩變化明顯，但發動機轉速變化較小，隨著負荷變化，沒有明顯的頓挫感，駕駛性能良好，適應于腳油門。

2．2轉速控制特性

發動機在一定的油門開度大小下對應一個穩定的發動機轉速，在不超過發動機外特性的情況下，發動機轉速不隨發動機負載變化而變化。該特性比較適合液壓控制需求及負載突變較快但轉速需求穩定的行業，比如挖掘機、推土機、履帶起重機等以工作裝置輸出為主、行駛車速較小的車輛，控制邏輯如圖2所示。該控制特性，駕駛員將油門固定在某一位置時，只要外部載荷不大于外特性上輸出能力，隨著負荷變化，發動機快速適應而不改變轉速，適應于手油門。

3拖拉機用柴油機油門控制一般要求

傳統拖拉機由于既要從事一般農田作業，又要實現作業轉場，從事道路運輸作業，在其發動機供油控制系統設計時，既要兼顧田間作業工作時克服土壤阻力不確定性因素，又要充分考慮作業轉場、道路運輸作業過程中的駕駛舒適性。因此，采用了全程調速模式，腳油門控制模式介于轉速模式與轉矩模式之間，如圖3所示。實際田間作業時，駕駛員能夠感知作業負荷的變化而隨時調整油門大小，即有“路感”，起到節油效果;而道路運輸作業時(小負荷狀態運行)，隨駕駛員操縱油門，轉矩負荷變化大，而車輛行駛頓挫感不明顯。但轉速控制模式的手油門一般還保留，主要用在中負荷且對轉速比較敏感的農田作業中。

4典型案例分析

隨著電控發動機技術的日臻完善，柴油機油門控制策略不再受燃油泵機械物理特性的限制，控制模式可根據需要任意標定，還可進行組合控制。但是一旦電子油門標定不到位，將直接給駕駛員操作時帶來意想不到的不適。下面筆者就工作中遇到的幾種典型案例進行分析，以供借鑒。1)案例一，在某型號拖拉機田間道路運輸作業試驗中，隨著道路不平或者遇到田埂時拖拉機不可避免地發生輕微顛簸，此時駕駛員操作腳油門會發生一定的波動，由此引起發動機轉速不穩，進而造成拖拉機行進過程中發生聳動現象，駕駛舒適性明顯變差。這是筆者前期在從事電控拖拉機試驗中遇到的典型電子油門標定問題。經分析，主要是該系統腳油門全行程內踏板轉角與輸出電壓信號呈單一線性關系，輸入輸出關系如圖4所示，整個油門操控行程內靈敏度是唯一的。在田間道路運輸工況下，腳油門踏板受駕駛員的顛簸不可避免地發生角度變化，引起發動機轉速波動。實踐中我們對該拖拉機腳油門控制策略做了必要的修正，使得油門踏板前半段行程(中小負荷)信號輸入輸出比減小，而后半行程信號輸入輸出比增大，如圖5所示。同時要求增加輸入信號濾波，輸出信號適當滯后，慮去非駕駛員意愿的抖動信號，并加入必要的邏輯判斷。該方法效果非常明顯，值得相關標定工作借鑒。2)案例二，一般的拖拉機電控供油系統，配備手油門、腳油門兩個控制輸入端，腳油門采取轉矩模式，標定方式如圖3所示，手油門采用轉速模式，標定方式如圖2所示。工作中要求進行兩種信號比較，大者有效。實際田間耕作中，駕駛員為了提高作業效率，增加駕駛舒適性，多數在中小負荷時采用手油門操作，需要克服田間作業負荷的不斷變化，遇到大負荷時通過腳油門補充，越障后再收回腳油門，又由手油門接管。但由于兩油門工作模式不同，運行不同的MAP程序，實際工作中筆者還遇到油門系統標定工作不完善，導致兩種油門相互切換時出現交接盲區，發動機發生瞬間失速，隨后才能正常工作，造成不必要的沖擊。需要引起重視，并在程序標定中設法消除。3)案例三，筆者參與多次拖拉機產品的技術服務工作中遇到的典型案例是，東北、山東用戶反映各自所購買的拖拉機田間作業動力不足，田間旋耕等驅動作業時，初始采用中大油門(手油門)，當農具達到要求的耕深時，發動機轉速急速下降至1300～1400r/min，此時快速加大腳油門，但轉速很難再回到較高的工作轉速，導致農田作業質量差、作業效率下降，用戶普遍認為發動機動力性不足。經分析認為以上用戶所使用的拖拉機均匹配某品牌的電控高壓共軌柴油機，以筆者的工作經驗來看，出現此類情況本質上還是作業負荷與發動機動力不匹配。現場做了如下嘗試:①要求駕駛員緩慢下降農具并觀察發動機轉速變化情況，并通過聽發動機聲音判斷負荷狀態，結果前半程發動機轉數幾乎沒有任何變化，但發動機噪聲逐步加大，表明農具作業負荷在不斷增加，供油系統自動加大供油量，發動機輸出功率隨之加大;當耕深進一步增加時，發動機的輸出轉矩無法支撐此時的負載，轉速快速被降至1400r/min左右而達到新的平衡。②要求駕駛員直接將手油門推至最大供油狀態，即希望發動機在外特性曲線上工作，仍然緩慢下降農具，結果隨著農具逐步下降增加作業負荷，前半段發動機轉速緩慢下降，運行噪聲明顯提高;隨著負荷進一步加大，發動機轉速快速越過標定轉速，最后同樣被降至1400r/min附近。以上試驗基本證實了拖拉機動力與機具不匹配的觀點。筆者就農具配套問題做了必要的處理后，狀況明顯改善，這里不必詳細說明。但是以上用戶在使用機械泵燃油系統的拖拉機時，并未出現以上情況，只是在使用該電控供油系統的拖拉機過程中卻出現了如此狀況。分析認為該型號拖拉機電控柴油機油門控制策略中腳油門、手油門控制策略均為轉速特性模式，如圖2所示。駕駛員作業時無負荷變換的“路感”，一旦作業負荷過大，發動機進入外特性曲線上工作并快速降低轉速，從而主動降低作業負荷，此時供油系統實際已經自動處于全油門狀態，無論再增加腳油門還是手油門，均無濟于事。由于筆者現場無法進行油門控制策略的修正，只能通過調整旋耕機傳動比，適當降低作業負荷來解決問題。但由此看來，對于一般從事農業生產的拖拉機，若對發動機轉速變化不十分敏感，作業負荷“路感”還是有必要的。

5結束語

結合電控柴油機一般油門控制模式和筆者工作中遇到的真實案例，可以得出以下結論:一般農業拖拉機，常常處于田間作業和道路運輸作業運行工況，油門控制策略中作業負荷“路感”很有必要;低負荷道路運輸作業要保證駕駛舒適性，減少不必要的聳動現象，應充分考慮中小油門的轉矩特性，必要時增加踏板抖動信號濾波功能。

作者：查正維 閆杰 尤寒 劉包鋒 單位：洛陽拖拉機研究所有限公司