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SC8DK柴油機(jī)在汽車起重機(jī)上匹配的優(yōu)化研究

張勝藍(lán)，姜鋒

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

摘要為改善配SC8DK柴油機(jī)的汽車起重機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，采集了起重機(jī)的行駛和作業(yè)路譜，分析出其影響動(dòng)力性的關(guān)鍵因素。從改善動(dòng)力性的角度，借助發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬軟件，優(yōu)化增壓器匹配，并在整車上得到驗(yàn)證，很好地滿足客戶的使用需求。

關(guān)鍵詞：汽車起重機(jī)增壓器匹配動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性

來(lái)稿日期：2015-01-26

1　前言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈和用戶對(duì)產(chǎn)品使用專業(yè)化程度的不斷提高，要求發(fā)動(dòng)機(jī)更好地適應(yīng)汽車起重機(jī)的工作變化，動(dòng)力配套需要進(jìn)行更深入的研究。針對(duì)山區(qū)、高原用戶爬坡能力不足的問題，借助先進(jìn)的測(cè)試儀器記錄和路譜分析，針對(duì)影響起重機(jī)動(dòng)力性的關(guān)鍵因素及常用工況，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

汽車起重機(jī)是裝在普通汽車底盤或特制汽車底盤上的一種起重機(jī)，其行駛駕駛室與起重操縱室分開設(shè)置。本文研究的25K汽車起重機(jī)，采用三橋底盤、專用變速箱、13噸級(jí)車橋和專用懸架，是徐工重型產(chǎn)量最大，也是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)使用最廣泛的起重機(jī)類型。

SC8DK系列是上柴2005年推出的產(chǎn)品，2006年首次配套使用在汽車起重機(jī)上，目前SC8DK系列發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)毫無(wú)爭(zhēng)議的成為了國(guó)內(nèi)汽車起重機(jī)配套動(dòng)力的領(lǐng)軍者。2011年，SC8DK配套汽車起重機(jī)的銷量突破2萬(wàn)輛，在銷量不斷逆勢(shì)上升的背后，是8DK一直以好品質(zhì)形成的強(qiáng)大口碑積淀。目前，8DK的市場(chǎng)保有量已超過10萬(wàn)臺(tái)。

2　路譜采集和分析

汽車起重機(jī)使用工況可分為以下3種類型：行駛工況、支腿模式和作業(yè)工況，如圖1所示。我們對(duì)典型用戶的部分樣本就這3種模式的使用時(shí)間、燃油消耗量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見圖2和圖3。從樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，汽車起重機(jī)使用工況有下列兩個(gè)特點(diǎn)：（1）總使用時(shí)間中，行駛時(shí)間大于作業(yè)時(shí)間；（2）總使用油耗量中，行駛油耗量大于作業(yè)油耗量，且噸位越大（發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大），這個(gè)比例越高。

我們對(duì)配SC8DK柴油機(jī)的汽車起重機(jī)各種道路行駛工況和作業(yè)工況進(jìn)行了載荷采集，不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布如圖4所示。由該分布圖可以看出：

（1）高速路況，整車使用高檔位，而發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在中高速。超出部分的油耗主要用于克服外界阻力和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的加速；

（2）山區(qū)路況，整車在上坡，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高負(fù)荷區(qū)域；整車在下坡，基本靠滑行，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷很小。車輛處于反復(fù)的上、下坡狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油多消耗在高速高負(fù)荷段；

（3）工地路況，整車工地行駛，多用于低檔位的高速中低負(fù)荷；

（4）作業(yè)工況，主要以怠速轉(zhuǎn)速工作為主，在大臂伸縮、吊散料時(shí)才在油門模式下工作。

同時(shí)，在采集樣本數(shù)據(jù)過程中發(fā)現(xiàn)，用戶更關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性表現(xiàn)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)加速響應(yīng)性要快。因此，本次優(yōu)化中，目標(biāo)為綜合油耗相當(dāng)?shù)那闆r下，尋找發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性最優(yōu)的方案。起重機(jī)的常用工況，既有中高速的中高負(fù)荷區(qū)域，也有低轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷區(qū)域。

3　發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真優(yōu)化

此次優(yōu)化的目標(biāo)是綜合油耗相當(dāng)?shù)那闆r下，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，因此改進(jìn)措施是主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的中低速區(qū)域，即優(yōu)化增壓器。

首先建立GT-Power發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型，并對(duì)軟件的模擬精度和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上對(duì)8DK發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器選型。通過仿真分析，以改善中低速的動(dòng)力性，并得到更好的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，優(yōu)選增壓器方案。8DK發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見表1，8DK整機(jī)模型見圖5。

圖1　汽車起重機(jī)工況分類

圖2　汽車起重機(jī)工作模式時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖3　汽車起重機(jī)工作模式燃油消耗量統(tǒng)計(jì)

圖4　汽車起重機(jī)不同工況下負(fù)荷分布圖

表1　8DK發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)

圖5　8DK整機(jī)模型

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證及校正。計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律基本一致，模擬誤差在工程允許范圍內(nèi)，可以用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2　模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

包括原機(jī)所配的增壓器A，共選出4種增壓器方案，見表3。在這4種方案中，A方案和D方案的渦輪端參數(shù)相同，壓氣機(jī)葉輪直徑不同；B方案和C方案的壓氣機(jī)葉輪直徑相同，渦輪端流道的0-0截面積不同，B方案更小。

表3　增壓器方案

分別將4種增壓器模型參數(shù)化，使用到發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)模型中，模擬對(duì)比結(jié)果見圖6，外特性在增壓器壓氣機(jī)特性圖上的運(yùn)行線見圖7，在渦輪機(jī)特性圖上的運(yùn)行線對(duì)比見圖8。

由對(duì)比結(jié)果可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面，B增壓器的中低速部分燃油消耗率最優(yōu)，且增壓壓力最高，渦前壓力相對(duì)較低；壓氣機(jī)工作能力方面，中高速穿過壓氣機(jī)高效區(qū)，低速喘振裕度足夠，高速離堵塞線較遠(yuǎn)，高原能力富余；渦輪機(jī)工作能力方面，原配置增壓器渦端參數(shù)相對(duì)較大，B渦輪機(jī)特性圖上外特性運(yùn)行線的低速部分效率有所提高，匹配合適。因此，選用B增壓器作為改進(jìn)方案。

4　用戶整車驗(yàn)證

4.1動(dòng)力性驗(yàn)證

采用原地起步連續(xù)換擋加速（0 km/h加速到40 km/h）和最高檔加速（20 km/h加速到40 km/h）的時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性改進(jìn)的有效性，原地起步連續(xù)換擋加速測(cè)試結(jié)果分別見表4和圖9，最高檔加速測(cè)試結(jié)果見表5和圖10。

由表4和圖9可以看出，原地起步連續(xù)換擋加速時(shí)，車速?gòu)? km/h加速到40 km/h，B方案的加速時(shí)間及增壓壓力建立時(shí)間均快于A方案，動(dòng)力性較好。

由表5和圖10可以看出，7檔加速時(shí)，車速?gòu)?0 km/h加速到40 km/h，增壓器B方案的加速時(shí)間為29.5 s，而A方案的加速時(shí)間為37.5 s，且B方案的增壓壓力在加速過程中均高于A方案，增壓器B方案動(dòng)力性較好。

4.2經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

分別從行駛工況和作業(yè)工況兩個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證改進(jìn)措施對(duì)車輛經(jīng)濟(jì)性的影響。

行駛工況是通過在綜合路況上跑車對(duì)油耗進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合路況包括高速路況、市區(qū)路況、郊區(qū)路況，全程約135 km，試驗(yàn)結(jié)果見表6。增壓器B方案雖然在外特性上高速部分燃油消耗率稍差，見圖6（a），但是其中低速性能更佳，綜合下來(lái)，平均百公里油耗比方案A稍優(yōu)。

圖6　增壓器對(duì)比試驗(yàn)

作業(yè)工況經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)按照怠速作業(yè)和有油門作業(yè)兩種工況進(jìn)行試驗(yàn)，分基本臂和中長(zhǎng)臂+全伸臂兩種情況來(lái)作業(yè)，油耗量結(jié)果見表7。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，增壓器B方案的作業(yè)油耗量均比A方案小，油耗量節(jié)省7%~11%。

圖7　增壓器壓氣機(jī)特性圖上外特性運(yùn)行線

5　結(jié)論

（1）通過采集25噸起重機(jī)的路譜，并建立發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power模型進(jìn)行性能模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律基本一致，可以用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8　4種增壓器的渦輪機(jī)特性圖

圖9　原地起步連續(xù)換擋加速增壓壓力-時(shí)間圖

表4　原地起步連續(xù)換擋試驗(yàn)

表5　7檔加速試驗(yàn)

圖10　7檔加速試驗(yàn)增壓壓力-時(shí)間圖

表6　行駛工況油耗量

表7　作業(yè)油耗量對(duì)比

（2）通過對(duì)增壓器的優(yōu)化匹配（減小壓氣機(jī)葉輪直徑、渦輪直徑和渦殼零零截面積），改善中低速動(dòng)力性，從而優(yōu)化了起重機(jī)配套用發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。

（3）采用新的配置后，通過整車驗(yàn)證，加速時(shí)間有效縮短，動(dòng)力性得到明顯提升；同時(shí)也在一定程度上改善了經(jīng)濟(jì)性，行駛工況油耗小幅改善，作業(yè)工況油耗降低了8%~10%，達(dá)到了改進(jìn)的目標(biāo)，得到用戶的認(rèn)可。

Study on Optimization of SC8DK Engine in Truck Crane

Zhang Shenglan, Jiang Feng

（Shanghai Diesel Engine Co., Ltd., Shanghai 200438, China）

Abstract:To improve the power and fuel economy performance of truck crane with the SC8DK engine，get the truck crane's running and operation of load map，analyse the key factors to affect the power performance。For improving power performance, with the engine performance simulation, optimize Turbocharger matching, and verified in the vehicle, satisfy the customer's demand very well.

Key words:truck crane, turbocharger matching, power, fuel economy

作者簡(jiǎn)介：張勝藍(lán)(1983-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)與整車匹配技術(shù)。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.005