拖拉机用电控柴油机油门控制策略

　　摘要:结合电控柴油机的一般油门控制模式和拖拉机试验工作经验，以及技术服务工作中遇到的真实案例，分析并提出拖拉机电控燃油系统控制策略的一般要求和电子油门标定工作中的注意事项。

　　关键词:电控柴油机;电子油门;控制策略;调速特性

　　驾驶员通过发动机油门机构控制发动机供油量的大小，从而实现动力机械调速、变扭。随着国家大气法的实施和排放法规的不断升级，工程机械和农业装备行业用柴油机逐渐由机械泵切换为电控高压共轨系统，各行业也对油门控制、功率输出方面提出多种个性化需求。电子油门的主要功能是把驾驶员踩下油门踏板的相对转角或手油门操纵杆相对转角信号转换成与其成正比的电压信号，同时把油门踏板的各种特殊位置制成接触开关，把怠速、高负荷、加减速等发动机工况变成电脉冲信号输给电控发动机的控制器(ECU)，以达到供油、喷油与变速等的优化自动控制。笔者依据实际工作经验对供油系统电控技术的发展进行了相关的研究和探讨。

　　1柴油发动机油门控制模式分类

　　不同行业因操作方式的区别，对油门的控制方式也不同，目前常见的油门控制方式包含以下4种模式。1)模式1，面向装载机、叉车等行业，同卡车、客车等道路机械产品一致，配备普通的单一油门，只有一路控制信号，不存在信号的比较或者切换。2)模式2，面向农业装备、压路机行业，配备手油门、脚油门两个控制输入端，要求两个油门同时起作用，信号比较，大者有效。3)模式3，面向推土机行业，配备手油门、脚油门两个控制输入端，要求两个油门同时起作用，信号比较，小者有效。4)模式4，面向汽车起重机行业，配备上车、下车油门两个控制输入端，两个油门信号之间是互斥关系，不能同时起作用，需要转换信号实现两者之间的切换。

　　2柴油发动机油门控制调速特性

　　不同行业或者车辆，除对油门信号的输入模式需求不同外，对油门控制的调速特性要求也不尽相同。机械泵产品主要利用调速器实现油门控制，但受调速器机械特性限制，结构相对复杂，调整精度有限。现在升级采用电控高压共轨技术路线后，可充分利用ECU数据标定实现更加精准和多样的调速特性。

　　2．1转矩控制特性

　　发动机不同的油门开度大小，对应不同的发动机调速特性。转矩控制特性适应发动机负载变化的能力较强，几乎体会不到转速变化的冲击，对驾驶员而言，驾乘舒适性好。该特性比较适合运输车辆、装载机、叉车等对转速突变不敏感的行业或车辆，控制逻辑如图1所示。该控制特性，驾驶员操作油门时转矩变化明显，但发动机转速变化较小，随着负荷变化，没有明显的顿挫感，驾驶性能良好，适应于脚油门。

　　2．2转速控制特性

　　发动机在一定的油门开度大小下对应一个稳定的发动机转速，在不超过发动机外特性的情况下，发动机转速不随发动机负载变化而变化。该特性比较适合液压控制需求及负载突变较快但转速需求稳定的行业，比如挖掘机、推土机、履带起重机等以工作装置输出为主、行驶车速较小的车辆，控制逻辑如图2所示。该控制特性，驾驶员将油门固定在某一位置时，只要外部载荷不大于外特性上输出能力，随着负荷变化，发动机快速适应而不改变转速，适应于手油门。

　　3拖拉机用柴油机油门控制一般要求

　　传统拖拉机由于既要从事一般农田作业，又要实现作业转场，从事道路运输作业，在其发动机供油控制系统设计时，既要兼顾田间作业工作时克服土壤阻力不确定性因素，又要充分考虑作业转场、道路运输作业过程中的驾驶舒适性。因此，采用了全程调速模式，脚油门控制模式介于转速模式与转矩模式之间，如图3所示。实际田间作业时，驾驶员能够感知作业负荷的变化而随时调整油门大小，即有“路感”，起到节油效果;而道路运输作业时(小负荷状态运行)，随驾驶员操纵油门，转矩负荷变化大，而车辆行驶顿挫感不明显。但转速控制模式的手油门一般还保留，主要用在中负荷且对转速比较敏感的农田作业中。

　　4典型案例分析

　　随着电控发动机技术的日臻完善，柴油机油门控制策略不再受燃油泵机械物理特性的限制，控制模式可根据需要任意标定，还可进行组合控制。但是一旦电子油门标定不到位，将直接给驾驶员操作时带来意想不到的不适。下面笔者就工作中遇到的几种典型案例进行分析，以供借鉴。1)案例一，在某型号拖拉机田间道路运输作业试验中，随着道路不平或者遇到田埂时拖拉机不可避免地发生轻微颠簸，此时驾驶员操作脚油门会发生一定的波动，由此引起发动机转速不稳，进而造成拖拉机行进过程中发生耸动现象，驾驶舒适性明显变差。这是笔者前期在从事电控拖拉机试验中遇到的典型电子油门标定问题。经分析，主要是该系统脚油门全行程内踏板转角与输出电压信号呈单一线性关系，输入输出关系如图4所示，整个油门操控行程内灵敏度是唯一的。在田间道路运输工况下，脚油门踏板受驾驶员的颠簸不可避免地发生角度变化，引起发动机转速波动。实践中我们对该拖拉机脚油门控制策略做了必要的修正，使得油门踏板前半段行程(中小负荷)信号输入输出比减小，而后半行程信号输入输出比增大，如图5所示。同时要求增加输入信号滤波，输出信号适当滞后，虑去非驾驶员意愿的抖动信号，并加入必要的逻辑判断。该方法效果非常明显，值得相关标定工作借鉴。2)案例二，一般的拖拉机电控供油系统，配备手油门、脚油门两个控制输入端，脚油门采取转矩模式，标定方式如图3所示，手油门采用转速模式，标定方式如图2所示。工作中要求进行两种信号比较，大者有效。实际田间耕作中，驾驶员为了提高作业效率，增加驾驶舒适性，多数在中小负荷时采用手油门操作，需要克服田间作业负荷的不断变化，遇到大负荷时通过脚油门补充，越障后再收回脚油门，又由手油门接管。但由于两油门工作模式不同，运行不同的MAP程序，实际工作中笔者还遇到油门系统标定工作不完善，导致两种油门相互切换时出现交接盲区，发动机发生瞬间失速，随后才能正常工作，造成不必要的冲击。需要引起重视，并在程序标定中设法消除。3)案例三，笔者参与多次拖拉机产品的技术服务工作中遇到的典型案例是，东北、山东用户反映各自所购买的拖拉机田间作业动力不足，田间旋耕等驱动作业时，初始采用中大油门(手油门)，当农具达到要求的耕深时，发动机转速急速下降至1300～1400r/min，此时快速加大脚油门，但转速很难再回到较高的工作转速，导致农田作业质量差、作业效率下降，用户普遍认为发动机动力性不足。经分析认为以上用户所使用的拖拉机均匹配某品牌的电控高压共轨柴油机，以笔者的工作经验来看，出现此类情况本质上还是作业负荷与发动机动力不匹配。现场做了如下尝试:①要求驾驶员缓慢下降农具并观察发动机转速变化情况，并通过听发动机声音判断负荷状态，结果前半程发动机转数几乎没有任何变化，但发动机噪声逐步加大，表明农具作业负荷在不断增加，供油系统自动加大供油量，发动机输出功率随之加大;当耕深进一步增加时，发动机的输出转矩无法支撑此时的负载，转速快速被降至1400r/min左右而达到新的平衡。②要求驾驶员直接将手油门推至最大供油状态，即希望发动机在外特性曲线上工作，仍然缓慢下降农具，结果随着农具逐步下降增加作业负荷，前半段发动机转速缓慢下降，运行噪声明显提高;随着负荷进一步加大，发动机转速快速越过标定转速，最后同样被降至1400r/min附近。以上试验基本证实了拖拉机动力与机具不匹配的观点。笔者就农具配套问题做了必要的处理后，状况明显改善，这里不必详细说明。但是以上用户在使用机械泵燃油系统的拖拉机时，并未出现以上情况，只是在使用该电控供油系统的拖拉机过程中却出现了如此状况。分析认为该型号拖拉机电控柴油机油门控制策略中脚油门、手油门控制策略均为转速特性模式，如图2所示。驾驶员作业时无负荷变换的“路感”，一旦作业负荷过大，发动机进入外特性曲线上工作并快速降低转速，从而主动降低作业负荷，此时供油系统实际已经自动处于全油门状态，无论再增加脚油门还是手油门，均无济于事。由于笔者现场无法进行油门控制策略的修正，只能通过调整旋耕机传动比，适当降低作业负荷来解决问题。但由此看来，对于一般从事农业生产的拖拉机，若对发动机转速变化不十分敏感，作业负荷“路感”还是有必要的。

　　5结束语

　　结合电控柴油机一般油门控制模式和笔者工作中遇到的真实案例，可以得出以下结论:一般农业拖拉机，常常处于田间作业和道路运输作业运行工况，油门控制策略中作业负荷“路感”很有必要;低负荷道路运输作业要保证驾驶舒适性，减少不必要的耸动现象，应充分考虑中小油门的转矩特性，必要时增加踏板抖动信号滤波功能。

　　作者：查正维 闫杰 尤寒 刘包锋 单位：洛阳拖拉机研究所有限公司