梁成奇1,2
1. 內燃機可靠性國家重點試驗室 濰坊 261205 2. 濰柴動力股份有限公司 濰坊 261205
摘 要：叉車用柴油機怠速執行工況十分複雜，怠速過程具有顯著的非線性和不確定性。5—10 t 叉車用柴油機排放由非道路二階段升為非道路三階段，所選用的柴油機由六缸機改為四缸機，由於發動機排量變小，出現怠速載入工況熄火問題。文中採用PI 控制方法對柴油機怠速響應控制進行了研究，並結合最佳化前的資料進行了對比，結果表明，透過怠速PI 控制最佳化，可以實現怠速載入工況穩定運轉不熄火，證明四缸柴油機應用於5—10 t 叉車是可行的。
關鍵詞：叉車; 柴油機;PI 控制; 怠速; 響應性
中圖分類號：TK421+.6 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）23-0057-03
0 引言
叉車是一種工業搬運車輛，它可將貨物提升和下降，進行堆垛、裝卸和搬運作業。廣泛應用於港口、貨場、工廠車間、倉庫、流通中心和配送中心等。
叉車新產品開發時，要進行動力性檢測，除了牽引力、車速、爬坡、貨叉起升、下降速度等外，還有怠速載入工況檢測。該工況與柴油機的效能引數息息相關。本文以WP4.1 型柴油機和某10 t 叉車為研究物件，重點評估怠速載入響應問題，透過PI 最佳化控制，實現怠速載入不熄火併能穩定運轉，滿足10 t 叉車效能需求。
1 問題描述
在非道路二階段，5 ～ 10 t 叉車普遍使用朝柴CY6102BG 六缸柴油機，排量5.795 L，噴油泵為機械泵，排量大，怠速700 r/min，載入響應性好。2016 年4 月1日，非道路三階段在全國實施，各大叉車廠普遍切換錫柴CA4DF3 四缸柴油機，排量4.75 L，單體泵+ 增壓中冷技術，85 kW-2 200 r/min，最大扭矩460 N m，效能可滿足5 ～ 10 t 叉車的需求，但存在怠速載入熄火問題，怠速調整至900 r/min 才剛剛滿足不熄火的需求，但存在換擋衝擊大和油耗高的問題。
WP4.1 柴油機2017 年首次進入5 ～ 10 t 叉車市場，排量4.088 L，採用高壓共軌+ 中冷技術，排量同比CA4DF3 更小，怠速800 r/min，整車下線檢測怠速載入熄火。如圖1 所示，在怠速工況下油門為零，當負載扭矩增大時，轉速急劇下降直至熄火。
2 怠速載入工況分析
根據叉車的使用環境，保證安全的前提下，叉車出廠檢測要求：1) 怠速工況下，快速將貨叉操縱桿拉到底，發動機不能熄火；2) 滿油門工況下，貨叉操縱桿拉到底，憋壓，然後突然鬆開油門，發動機不能熄火；3) 滿油門工況下，突然鬆油門，同時快速將貨叉操縱桿拉到底，發動機不能熄火。
圖 1 WP4.1 配叉車怠速載入熄火過程
三個工況下負載均為液壓泵的負載，由圖1 載入過程分析，負荷載入過程時間為0.2 s 左右，時間非常短。
由此可以看出叉車的怠速載入過程重點考核發動機在突加負荷時的響應性。液壓泵的需求扭矩可以透過式（1）計算
式中: Ty 為液壓泵的消耗扭矩；P 為系統工作壓力；Q 為液壓泵每轉排量，ηr 為容積效率；η 為機械效率；iy為速比。
該10 t 叉車的工作泵為齒輪泵，額定流量為72 mL/r，額定壓力為25 MPa，速比為0.783 8，總效率為0.92，可求得需求扭矩為396.9 N m。按經驗還需要增加風扇等附件扭矩約7% ～ 10%，總需求扭矩約425 N m。
工況2) 和工況3) 均為滿油門工況下突鬆油門，區別為帶載或突載入，工況3）為鬆油門突載入，工況相對更惡劣。兩種工況一定程度上還是考核怠速載入能力。電控柴油機鬆油門時，停止噴油，快速回怠速，僅臨近怠速時噴少量的燃油來維持怠速，但噴油不能回到怠速才開始噴油，容易造成怠速維持不住造成熄火，故而噴油都是在怠速之上的某個轉速開始噴油。要解決工況2）和工況3）的問題，僅需在怠速載入能力足夠的前提下，最佳化噴油轉速即可，提高鬆油門工況下的怠速載入響應能力。
3 PI 怠速控制最佳化
電控發動機對怠速的控制最典型的控制模型就是基於PID 控制理論的模型。PID 控制器的典型結構如圖2所示。
圖 2 PID 控制器的典型結構
從圖2 可知，PID 控制器的作用就是對誤差訊號e(t) 進行比例、積分和微分計算，並將計算結果的加權和組合起來構成系統的控制訊號u(t)，送給物件模型加以控制，將上述過程用公式進行描述就構成PID 控制器的數學模型。
式中：u(t) 為PID 控制器的輸出訊號；e(t) 為誤差訊號，即反饋訊號Ur(t) 與輸入訊號Uc(t) 之間的差值；Kp 為比例係數；KI 為積分系數；KD 為微分系數。系統設計時如果使用了PID 控制器，那麼控制器中的比例、積分和微分環節將相互作用影響著系統輸出響應，以實現系統的最優控制。
控制系統加入PID 控制器後，一般的設計目標是實現最短的上升時間、最小的超調量和最小的穩態誤差。設計之前，需要了解受控物件的特點，觀察受控物件在開環狀態下的輸出響應，然後再根據系統特點依次加入比例作用縮短響應時間，微分作用降低超調量，積分控制減小穩態誤差，最後綜合調節 Kp、KI、KD 各項引數，使得控制系統的動態效能和穩態效能達到最優。
PID 控制器是整個怠速控制系統的核心，在不同的工況條件下它可以動態呼叫不同的PID 調節引數。它有兩個輸入引數，即當前的轉速偏差及轉速偏差的變化。控制系統的設計中可以根據受控物件的數學模型自由組合PID 控制器，比如，在系統中可以單獨使用P 控制器、I 控制器或PI 組合控制器等。發動機怠速的控制一般採用PI 控制就可以滿足使用要求了。
10 t 叉車怠速載入工況下，除了要標定電控發動機怠速點的外特性扭矩要大於液壓泵的需求扭矩外，還要根據PI 控制特點來最佳化PI 控制引數，根據負載大小加快響應速度，並減小穩態誤差，提高怠速響應能力，避免怠速載入熄火。
4 試驗驗證
叉車用怠速效能主要考察怠速載入能力，這主要與發動機的排量、怠速轉速及怠速響應性有關。本文主要討論排放升級後選用四缸柴油機配套5 ～ 10 t 叉車，排量不佔優勢；怠速轉速根據主機換擋衝擊情況最大可允許850r/min；怠速響應性主要根據PI 控制特點最佳化PI 引數。按怠速850 r/min，進行怠速載入試驗，此時怠速下降到550 r/min 左右，轉速偏低，而且不能響應回到怠速。如圖3 所示。
圖 3 怠速850 r/min 時的怠速載入過程
怠速850 r/min 時，提高比例（P）控制值，加快噴油，提高響應速度。同時觀察穩態轉速變化適時調整積分（I）控制值，最終可實現怠速載入不熄火，轉速下降至650r/min，且在2 s 內能夠響應恢復到怠速850 r/min（見圖4）。同時也滿足了鬆油門載入工況不熄火（見圖5）。
圖 4 最佳化PI 後的怠速載入過程（怠速850 r/min）
圖 5 怠速反覆載入及鬆油門載入驗證過程
以上證明，採用四缸機WP4.1 高壓共軌柴油機經過實車驗證是滿足10 t 叉車使用要求的。
5 結論
本文透過對WP4.1 共軌配套10 t 叉車怠速載入響應性進行最佳化，經驗證能夠滿足10 t 叉車的怠速載入需求。經過最佳化PI 標定，可以提高發動機的怠速響應，提高怠速載入能力，證明5 ～ 10 t 叉車選用四缸柴油機是可行的，對提高排放，降低燃油消耗有極其重要的意義。在排放升級過程中，發動機和工程機械整機的動力匹配很重要，應相互結合進行合理匹配最佳化標定，必須瞭解各類機械的實際需求，在各工況點進行反覆驗證。在滿足排放效能的前提下，進行發動機的最佳化匹配選擇，獲得較好的動力性和經濟性。
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