针对高原环境下车辆起步困难问题的研究

许宏昌，洪万年

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

某车辆动力装置为废气涡轮增压水冷电控柴油机，传动装置为液力机械综合传动装置 (采用行星变速机构，配置有液力变矩器).在高原地区行驶时，出现车辆起步困难的现象.具体表现为:车辆挂挡起步时，发动机转速持续下降，有时会降至500～600 r/min(该机怠速为800 r/min)，松开制动踏下油门，发动机转速上升缓慢，车辆起步加速缓慢.

车辆起步过程，其实就是发动机的动力经过传动、行动等装置损耗后传输到主动轮上，克服地面阻力的过程.高原与平原地区相比，由于车辆参数未变，地面阻力和机构内阻力基本不会有太大变化.则起步困难问题的根源就在于高原环境下，动力与传动装置的工作特性或其匹配特性产生了变化，下面就从分析动力、传动装置的特性及其匹配入手，分析问题原因.

1 原因分析

车辆可以迅速起步平稳行驶的前提条件是发动机扭矩要克服传动反馈的阻力矩 (包括地面阻力、各机构内部阻力).在平原地区，该车可以顺利起步行驶，在高原起步困难说明发动机在高原地区怠速扭矩不足以驱动车辆前进.进一步分析发现，发动机高原地区的扭矩下降幅值并不是简单的随空气密度降低等比例下降，而是在低速段扭矩下降幅值最大.这是因为随着海拔高度的升高，尽管大气密度降低，导致柴油机进气量减小，但同时涡轮背压也随之降低，膨胀比增加，使涡轮增压器做功能力相对提高，起到了一定的空气补偿的作用.在高转速时，涡轮增压补偿效果较好，而在低转速时，柴油机废气能量不足，涡轮增压器工作能量迅速下降，由此导致涡轮增压柴油机在高海拔地区低速时动力性能锐减［1］.就该车而言，在起步阶段，发动机转速基本在1100～1200 r/min时，增压器才开始介入工作.也就是说，在低速时，发动机只相当于自然进气的非增压发动机，其功率完全取决于发动机缸径和活塞冲程.因此，发动机扭矩曲线在800～1100 r/min阶段出现了较大误差.

通过发动机和传动装置的台架试验，对发动机高原地区低速扭矩特性曲线进行了修正，并实测得到了传动装置的空载损耗，优化匹配出修正后的动力传动匹配曲线.通过对修正后的动力传动匹配曲线分析，与平原地区相比，受到高原地区空气稀薄、含氧量低的影响，发动机功率与扭矩均有较大幅度的下降，特别是在低速段增压器不介入工作时，扭矩曲线已经低于液力变矩器传动比为0时的负荷抛物线.也就是说，发动机输出扭矩不能克服传动反馈的阻力矩，发动机转速出现明显下降，直至发动机转速与液力变矩器达到合适的匹配工作点(约为500～600r/min).这是造成高原地区车辆起步困难的根本原因.在平原地区，由于发动机输出能力足够，此问题不会出现.

2 采取措施及验证情况

解决措施可以从以下几方面入手:1)优化发动机低速下匹配标定，提高低速扭矩.由于低速下增压器不介入工作，发动机可用气量仅等于缸内容量，无法从根本上解决问题;2)增加传动装置前传动比，使车辆在较小的发动机扭矩下也可以完成起步.但这项措施意味着动力传动整个匹配工作区域右移，高转速下车辆特性变差.而且增加前传动比会直接导致整车最大速度的降低，如果在增加前传动比的同时调整行星变速机构，保证最高挡总传动比不变，这就需要重新设计行星变速机构;3)提高发动机的怠速转速.比如将怠速转速从800 r/min提高到1000 r/min，直接避开发动机低速区.但此措施会导致在平原地区动力充足时起步容易冲车，车辆操纵性更差且易发生危险.

理论上，上述几种措施均可解决起步困难问题，但有的实施难度很大，有的会带来其它影响，都不是最佳解决方案.因此，我们继续深入分析在起步过程中发动机运转及喷油控制的动态过程.该发动机为全程调速模式，电控单体泵喷油.其喷油控制策略为:首先，主控制器通过比较发动机实际转速与油门踏板给出的目标转速，获得两者的转速差，再经过PID控制器得到基本油量输出值;然后，通过功率限值、保护功能 (冷却水温保护、排气温度保护等)、空燃比限值对基本输出值进行进一步修正得到最终输出的喷油量;最后，主控制器根据喷油泵的流量特性换算出实际喷油脉宽，以驱动执行器工作.具体分析车辆起步这一过程:驾驶员踏下制动踏板，将挡位从空挡挂到一挡，此时油门开度为0，发动机转速在负荷的作用下迅速下降，主控制器开始提高喷油量，大约2 s后，喷油量提高到空燃比限值油量，发动机扭矩开始得以发挥，但此时在负载作用下，发动机转速已经被压低至600 r/min，由此再恢复是需要较长时间的.

通过上述分析，产生了另外一种解决问题的思路，即通过在起步瞬间，提高发动机的控制目标转速.根据控制策略提前开始主动喷油，避免或缩短发动机转速被负荷压低这2 s的时间，实现车辆起步与发动机喷油的协调控制，提高转速恢复速度，进而改善车辆起步特性.按照这种思路，分别设计了以800 r/min、1000 r/min为目标转速的两种优化控制策略，具体为:传动装置换挡手柄由空挡结合1挡后 (表明意图起步)，换挡信息同时通过总线传输给发动机ECU.当ECU接到起步指令时，提前开始按照设定的目标转速增加喷油量，由于从换挡手柄发出换挡指令到实际完成换挡动作约需1.5 s，在此时间段内，发动机喷油量已经提前增加，相应发出的扭矩也已经增加，所以避免了由于怠速扭矩过低导致转速降低的过程.

上述两种优化控制策略在平原地区环境下进行了样车试验测试，与原控制策略对比结果如下:

1)原控制程序的结果是:挂挡加载后发动机最低转速降至595 r/min，转速恢复时间经历4.5 s;

2)起步阶段设定发动机目标转速为800 r/min的结果是:挂挡加载后发动机最低转速降至727 r/min，转速恢复时间经历4.5 s.虽然转速恢复时间没有变化，但是发动机最低转速得到大幅度提高.

3)起步阶段设定发动机目标转速为1000 r/min的结果是:挂挡加载后发动机最低转速为880 r/min，转速恢复时间经历3.7 s，起步过程中发动机转速始终高于怠速值.

实测发动机转速变化对比曲线见图1.试验结果表明:采用提高发动机目标转速的优化控制策略后，起步过程中发动机转速明显升高，从而提高了起步过程发动机的输出扭矩，有效地改善了起步性能，起步过程平稳，未发生冲车现象.

图1 平原地区不同控制策略起步过程中发动机转速变化对比曲线

采用目标转速为1000 r/min的优化控制策略后，车辆在高原地区起步过程中发动机转速最低为862 r/min，整个起步过程转速始终在怠速之上，发动机扭矩可以顺利克服阻力矩，完成车辆平稳起步.实测起步过程中的车速、发动机转速变化见图2.

图2 高原地区优化控制策略起步过程中各参数变化曲线

3 结束语

通过对某车辆在高原地区动力传动工作匹配情况、增压器介入工作时间、起步过程中喷油控制策略的详细分析，制定了起步时提高发动机目标控制转速的措施.经过高原地区试验表明，该措施可以有效解决高原环境下装甲车辆起步困难的问题，且无需对车辆硬件结构做修改，可行性和推广应用性较好.由此问题引起以下两点启示:

1)柴油机的发展趋势是更高的功率密度，在较小的排量下得到较高的功率.但对于废气涡轮增压柴油机来说，随着排量的减小，低速阶段增压器不介入工作时能发出的扭矩必然随之减小，特别是在高原地区，该问题可能会导致车辆完全无法起步，值得加以关注.

2)对于采用液力机械综合传动装置的车辆，以往的动力传动匹配更多关注在发动机常用工作区即高转速区，对起步等低转速区过程以合格为主.在以后的设计中，应更多关注发动机高低转速的协调匹配优化问题.

［1］刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究 ［M］.北京:北京理工大学出版社，2013:103.