基于YC2105小型农用柴油机电控调速器控制策略研究

程 艳，黄亦其

（1. 广西职业技术学院，南宁 530226；2.广西大学，南宁 530001）

0 引言

柴油机的转速调节是运行调节中重要的控制内容之一。YC2105柴油机使用的调速器为离心式机械调速器，这种调速器单纯的依靠弹簧力和离心力之间的不平衡作用，通过驱动机械机构——油量调节齿杆来改变供油量以达到调速的目的，由于这种形式的调速器借助机械元件实现转速偏差信号的测量和放大，则着惯性滞后、摩擦阻力大等先天缺陷不可避免的存在，当发生外界负荷变化时，较为复杂的调节规律和控制功能较难实现，同时，机械式调速系统也无法满足降低油耗、提高调节精度、减少有害排放等要求，故对该柴油机调速控制系统进行电控化改进是迫在眉睫的。

1 YC2105型柴油机电控调速器工作原理

柴油机要稳定运行，就需要改变循环供油量来使输出力矩与外界负荷力矩相平衡[1]。由于柴油机其扭矩相对转速的变化适应系数比较低，故柴油机的转速较容易受到外界负荷的影响，因此负荷变化较大时便可能导致柴油机熄火或者飞车。此外，由于外界负荷的变化不可预料，因而由人来控制柴油机的供油量来适应负荷的变化是不现实的，柴油机必须具备调速系统。当负荷增加、转速下降时，调速系统增大燃油输出使转速上升，保证柴油机稳定运行，反之同理。

电子调速器工作原理就是先通过传感器测量柴油机转速等信号，然后将各信号送至控制器（ECU）中与原设定值进行比较，ECU按控制规则、运算放大后发命令到执行器，通过执行器调节齿杆，调节供油量，达到稳定转速的目的[2]。

调速系统是否完善很大程度上决定了一台柴油机性能的优劣。柴油机调速系统的组成一般包括传感器、控制装置及驱动执行装置。其调速系统组成图如图1所示。

图1 柴油机调速系统示意图

2 YC2105柴油机电控调速器控制策略

为了能在小型柴油机上，特别是农用柴油机上实现电子控制燃油供给，本研究将位置控制式直列泵进行改进，升级目前YC2105型柴油机的技术性能、降污减排。以玉柴动力机械有限公司的YC2105型柴油机为研究对象，进行电控直列泵模糊PID控制试验研究，以电控系统改变齿杆行程位置控制油量[3]。

YC2105型柴油机电控调速器控制的内容包括YC2105基本喷油量的控制，启动喷油量以及怠速转速的控制等。

2.1 柴油机基本喷油量的控制

柴油机基本喷油量的控制框图如图2所示。发动机油门踏板传感器和转速传感器的信号传送至ECU，ECU根据这些信息来确定基本喷油量，并根据进气压力、进气温度等外界条件进行修正后，确定对应的目标齿杆位置Rwr；然后将驱动电路中目标位置与传感器的实测位置进行比较，输出按两者之差对应比例的驱动电流IA到执行器，执行器按驱动电流的大小，调整齿杆位置并喷射实际的油量到发动机。

图2 基本喷油量控制框图

图3 启动喷油量控制原理图

2.2 柴油机起动喷油量控制

柴油机根据起动速度的快慢，冷起动性能好坏，起动时有害气体的排放量等控制喷油量。采用电控后，调节系统能随冷却液及环境温度的变化合理组织起动时的喷油量和喷油始点，发动机既能快速起动，又能解决起动排放差，冒黑烟等问题。柴油机需要正常启动，就需控制 “不同启动条件下所对应的最佳起动喷油量”，因此，首先要判断当前是否为启动工况，并满足已下几个条件：

1）发动机转速n=0；

2）怠速开关ON状态；

3）启动开关ON状态；

4）变速器处于空档位置；

5）驻车制动器处于制动[4]。

确认是启动工况后，开始实施启动喷油量的控制，冷却液温度的修正量和基本启动喷油量来确定启动喷油量。即

其中qv——基本喷油量；

qv——修正喷油量。

如图3所示为启动喷油量控制原理图。第一步：ECU根据启动开关SW、发动机转速和怠速开关的状态来判断柴油机是否为启动工况；第二步：根据怠速开关状态和转速信号在基本启动喷油量模型中得出对应工况的基本喷油量；第三步：根据起动时冷却液的温度值，将目标启动喷油量进行修正。

当启动柴油机后，怠速开关则闭合，起动开关断开；或者启动转速nvq＜nstvr时，解除启动工况控制，进入其他控制状态。

2.3 柴油机怠速控制系统

怠速运转是不踩加速踏板时的空转运行，是发动机最为常见的工况之一，最佳怠速转速是变化的，如当发动机冷却液温度变化、空调开启等，怠速转速的控制则不尽相同。

油门踏板传感器的怠速开关、电控单元ECU以及空调开关等主要部件组成了柴油机怠速控制系统。怠速开关通常设在油门传感器踏板最大位置处，当踏板处于最大位置时怠速开关闭合，此时喷油量的绝对值很小，踩下油门踏板后怠速开关断开。如图4所示为怠速转速控制原理框图。1）电控单元ECU根据转速传感器信号和怠速开关信号判断柴油机处于什么状态，是否为怠速状态；2）根据此时的冷却液温度高低和空调开关等相关信息来确定目标怠速转速[5]；3）将目标怠速转速与实际怠速转速相比较，计算出要达到目标怠速转速所需的喷油量；4）通过对执行机构进行控制使之获取实际怠速喷油量，从而达到对行怠速转速闭环控制的目的，使控制怠速转速与目标转速一致的目的。由于此控制在在怠速开关闭合时进行的怠速转速闭环控制，故油门踏板一旦踩下、怠速开关断开，怠速控制则停止。

图4 怠速转速控制原理框图

怠速控制过程中，1）电控单元（ECU）判断发动机运行工况，发动机起动状态按起动工况喷油量进行控制；当发动机怠速工况时，检测实测转速，并将此转速与目标怠速转速进行比较；2）将实测转速与目标怠速转速两者比较相差超过±10r/min时，则执行机构开始调节齿杆位置达到控制怠速喷油量的目的。为适应在较低冷却液温度条件下快速暖车，设定怠速转速高一些，随着冷却液温度增高而逐渐降低怠速转速。此外，根据怠速时带空调负荷、电器负荷以及转向助力负荷等情况，修正目标怠速转速，提高怠速转速的控制。

3 结束语

柴油机性能的好坏很大程度上取决于该调速系统的完善程度[6]，80年代开始，柴油机电子调速技术的研究荷应用在国外快速发展，在我国，国内各大科研院校纷纷投入研究，已取得一些阶段性成果，但是各种方法与国外相比还存在差距，特别是小型农用柴油机的电控调速技术还需要投入大量人力物力。本文以YC2105型小型农用柴油机目前存在的缺陷进行电控调速控制策略研究，对下一步实现控制模型的建立打下良好的基础。

[1] 张华.模糊集理论在大功率电子控制柴油机上的应用[A].第二届大功率柴油机学术年会论文集[C],1996:260-264.

[2] 腾万庆. 柴油机数字式电子调速系统智能控制技术研究[D]. 哈尔滨工程大学, 1997.

[3] 王芝秋. 采用动稳态模式分离PID调速算法进一步改进柴油机调速性能[J]. 内燃机工程, 1993, 14(1): 57-60.

[4] YC2108/YC2115/YC2105/YC2100系列柴油机使用维护说明书[Z]. 广西玉柴动力机械有限公司, 15.

[5] 王尚勇, 杨青. 柴油机电子控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005: 203-205.

[6] 腾万庆. 柴油机调速新技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2000: 1-2.