基于PI 的叉车用柴油机怠速响应性优化

梁成奇1,2

1. 内燃机可靠性国家重点试验室 潍坊 261205 2. 潍柴动力股份有限公司 潍坊 261205

摘 要：叉车用柴油机怠速运行工况十分复杂，怠速过程具有显著的非线性和不确定性。5—10 t 叉车用柴油机排放由非道路二阶段升为非道路三阶段，所选用的柴油机由六缸机改为四缸机，由于发动机排量变小，出现怠速加载工况熄火问题。文中采用PI 控制方法对柴油机怠速响应控制进行了研究，并结合优化前的数据进行了对比，结果表明，通过怠速PI 控制优化，可以实现怠速加载工况稳定运转不熄火，证明四缸柴油机应用于5—10 t 叉车是可行的。

关键词：叉车; 柴油机;PI 控制; 怠速; 响应性

中图分类号：TK421+.6 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）23-0057-03

0 引言

叉车是一种工业搬运车辆，它可将货物提升和下降，进行堆垛、装卸和搬运作业。广泛应用于港口、货场、工厂车间、仓库、流通中心和配送中心等。

叉车新产品开发时，要进行动力性检测，除了牵引力、车速、爬坡、货叉起升、下降速度等外，还有怠速加载工况检测。该工况与柴油机的性能参数息息相关。本文以WP4.1 型柴油机和某10 t 叉车为研究对象，重点评估怠速加载响应问题，通过PI 优化控制，实现怠速加载不熄火并能稳定运转，满足10 t 叉车性能需求。

1 问题描述

在非道路二阶段，5 ～ 10 t 叉车普遍使用朝柴CY6102BG 六缸柴油机，排量5.795 L，喷油泵为机械泵，排量大，怠速700 r/min，加载响应性好。2016 年4 月1日，非道路三阶段在全国实施，各大叉车厂普遍切换锡柴CA4DF3 四缸柴油机，排量4.75 L，单体泵+ 增压中冷技术，85 kW-2 200 r/min，最大扭矩460 N m，性能可满足5 ～ 10 t 叉车的需求，但存在怠速加载熄火问题，怠速调整至900 r/min 才刚刚满足不熄火的需求，但存在换挡冲击大和油耗高的问题。

WP4.1 柴油机2017 年首次进入5 ～ 10 t 叉车市场，排量4.088 L，采用高压共轨+ 中冷技术，排量同比CA4DF3 更小，怠速800 r/min，整车下线检测怠速加载熄火。如图1 所示，在怠速工况下油门为零，当负载扭矩增大时，转速急剧下降直至熄火。

2 怠速加载工况分析

根据叉车的使用环境，保证安全的前提下，叉车出厂检测要求：1) 怠速工况下，快速将货叉操纵杆拉到底，发动机不能熄火；2) 满油门工况下，货叉操纵杆拉到底，憋压，然后突然松开油门，发动机不能熄火；3) 满油门工况下，突然松油门，同时快速将货叉操纵杆拉到底，发动机不能熄火。

图 1 WP4.1 配叉车怠速加载熄火过程

三个工况下负载均为液压泵的负载，由图1 加载过程分析，负荷加载过程时间为0.2 s 左右，时间非常短。

由此可以看出叉车的怠速加载过程重点考核发动机在突加负荷时的响应性。液压泵的需求扭矩可以通过式（1）计算

式中: Ty 为液压泵的消耗扭矩；P 为系统工作压力；Q 为液压泵每转排量，ηr 为容积效率；η 为机械效率；iy为速比。

该10 t 叉车的工作泵为齿轮泵，额定流量为72 mL/r，额定压力为25 MPa，速比为0.783 8，总效率为0.92，可求得需求扭矩为396.9 N m。按经验还需要增加风扇等附件扭矩约7% ～ 10%，总需求扭矩约425 N m。

工况2) 和工况3) 均为满油门工况下突松油门，区别为带载或突加载，工况3）为松油门突加载，工况相对更恶劣。两种工况一定程度上还是考核怠速加载能力。电控柴油机松油门时，停止喷油，快速回怠速，仅临近怠速时喷少量的燃油来维持怠速，但喷油不能回到怠速才开始喷油，容易造成怠速维持不住造成熄火，故而喷油都是在怠速之上的某个转速开始喷油。要解决工况2）和工况3）的问题，仅需在怠速加载能力足够的前提下，优化喷油转速即可，提高松油门工况下的怠速加载响应能力。

3 PI 怠速控制优化

电控发动机对怠速的控制最典型的控制模型就是基于PID 控制理论的模型。PID 控制器的典型结构如图2所示。

图 2 PID 控制器的典型结构

从图2 可知，PID 控制器的作用就是对误差信号e(t) 进行比例、积分和微分计算，并将计算结果的加权和组合起来构成系统的控制信号u(t)，送给对象模型加以控制，将上述过程用公式进行描述就构成PID 控制器的数学模型。

式中：u(t) 为PID 控制器的输出信号；e(t) 为误差信号，即反馈信号Ur(t) 与输入信号Uc(t) 之间的差值；Kp 为比例系数；KI 为积分系数；KD 为微分系数。系统设计时如果使用了PID 控制器，那么控制器中的比例、积分和微分环节将相互作用影响着系统输出响应，以实现系统的最优控制。

控制系统加入PID 控制器后，一般的设计目标是实现最短的上升时间、最小的超调量和最小的稳态误差。设计之前，需要了解受控对象的特点，观察受控对象在开环状态下的输出响应，然后再根据系统特点依次加入比例作用缩短响应时间，微分作用降低超调量，积分控制减小稳态误差，最后综合调节 Kp、KI、KD 各项参数，使得控制系统的动态性能和稳态性能达到最优。

PID 控制器是整个怠速控制系统的核心，在不同的工况条件下它可以动态调用不同的PID 调节参数。它有两个输入参数，即当前的转速偏差及转速偏差的变化。控制系统的设计中可以根据受控对象的数学模型自由组合PID 控制器，比如，在系统中可以单独使用P 控制器、I 控制器或PI 组合控制器等。发动机怠速的控制一般采用PI 控制就可以满足使用要求了。

10 t 叉车怠速加载工况下，除了要标定电控发动机怠速点的外特性扭矩要大于液压泵的需求扭矩外，还要根据PI 控制特点来优化PI 控制参数，根据负载大小加快响应速度，并减小稳态误差，提高怠速响应能力，避免怠速加载熄火。

4 试验验证

叉车用怠速性能主要考察怠速加载能力，这主要与发动机的排量、怠速转速及怠速响应性有关。本文主要讨论排放升级后选用四缸柴油机配套5 ～ 10 t 叉车，排量不占优势；怠速转速根据主机换挡冲击情况最大可允许850r/min；怠速响应性主要根据PI 控制特点优化PI 参数。按怠速850 r/min，进行怠速加载试验，此时怠速下降到550 r/min 左右，转速偏低，而且不能响应回到怠速。如图3 所示。

图 3 怠速850 r/min 时的怠速加载过程

怠速850 r/min 时，提高比例（P）控制值，加快喷油，提高响应速度。同时观察稳态转速变化适时调整积分（I）控制值，最终可实现怠速加载不熄火，转速下降至650r/min，且在2 s 内能够响应恢复到怠速850 r/min（见图4）。同时也满足了松油门加载工况不熄火（见图5）。

图 4 优化PI 后的怠速加载过程（怠速850 r/min）

图 5 怠速反复加载及松油门加载验证过程

以上证明，采用四缸机WP4.1 高压共轨柴油机经过实车验证是满足10 t 叉车使用要求的。

5 结论

本文通过对WP4.1 共轨配套10 t 叉车怠速加载响应性进行优化，经验证能够满足10 t 叉车的怠速加载需求。经过优化PI 标定，可以提高发动机的怠速响应，提高怠速加载能力，证明5 ～ 10 t 叉车选用四缸柴油机是可行的，对提高排放，降低燃油消耗有极其重要的意义。在排放升级过程中，发动机和工程机械整机的动力匹配很重要，应相互结合进行合理匹配优化标定，必须了解各类机械的实际需求，在各工况点进行反复验证。在满足排放性能的前提下，进行发动机的优化匹配选择，获得较好的动力性和经济性。

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