謝文奇，楊迪新

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545007）

裝載機(jī)整機(jī)油耗優(yōu)化分析

謝文奇，楊迪新

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545007）

通過(guò)分析裝載機(jī)工作過(guò)程中各系統(tǒng)的功率消耗情況，在現(xiàn)有系統(tǒng)上進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)減少?zèng)]必要的能量消耗，減少重要環(huán)節(jié)損失，合理匹配等手段來(lái)降低油耗并驗(yàn)證效果。

裝載機(jī)；油耗；效率

在節(jié)能環(huán)保的今天，特別是燃油成本已成為裝載機(jī)生命周期里支出最多的一項(xiàng)時(shí)，油耗已成為客戶最關(guān)注的事情，油耗低即意味著經(jīng)濟(jì)效益好。目前裝載機(jī)新系列產(chǎn)品都采用了許多可行的降油耗的手段，比如靜液壓技術(shù)、全變量液壓系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)等。但是市場(chǎng)上大量的舊系列產(chǎn)品的油耗問(wèn)題也是整機(jī)廠必須面對(duì)的，如何用較小的成本低的改動(dòng)把老系列產(chǎn)品的油耗降下來(lái)，也是個(gè)值得研究的課題，利用舊系列產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)繼續(xù)發(fā)揮其余熱。本文在柳工出口機(jī)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，驗(yàn)證、探討可行的降油耗手段。

1　裝載機(jī)的能量使用情況

從裝載機(jī)的能量傳遞來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油，轉(zhuǎn)化為熱能，熱能轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能，再通過(guò)變速系統(tǒng)傳給輪胎行駛，液壓系統(tǒng)傳給機(jī)構(gòu)做生產(chǎn)，其中每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有損失，見(jiàn)圖1.從圖上看，能量的主要損失在發(fā)動(dòng)機(jī)熱轉(zhuǎn)換過(guò)程，液壓系統(tǒng)，傳動(dòng)過(guò)程，下面就從這三方面來(lái)探討［1］。

圖1　裝載機(jī)整機(jī)能量傳遞圖

2　發(fā)動(dòng)機(jī)熱轉(zhuǎn)換過(guò)程

受熱力學(xué)第二定律的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中大部分能量以熱的形式流失了，約占整個(gè)燃料化學(xué)能的70%.內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，已使發(fā)動(dòng)機(jī)效率從最初的10%提高到約30%，再提升的難度很大。而且國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)與國(guó)外的相比還有一定的差距，引進(jìn)并消化國(guó)外的技術(shù)可以提高我們發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平；比如電控高壓共軌技術(shù)，可以提升燃油利用率約10%，這里僅從現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)討論如何減少發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)［1］。

2.1進(jìn)排氣系統(tǒng)

進(jìn)排氣系統(tǒng)包括進(jìn)氣系統(tǒng)、與排氣系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)提供清潔、干燥、溫度適當(dāng)?shù)目諝膺M(jìn)行燃燒以最大限度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)磨損并保持最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。進(jìn)氣越多，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩扭矩越大，隨著進(jìn)氣阻力的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率逐漸下降，油耗升高，因此要盡可能的減少進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力。圖2與圖3為在上柴D9-220基礎(chǔ)上測(cè)量的進(jìn)氣系統(tǒng)阻力對(duì)功率與油耗的影響［2］。

圖2　進(jìn)氣系統(tǒng)阻力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響

圖3　進(jìn)氣系統(tǒng)阻力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響

如果空間允許，要選擇大容量，低阻力的空濾，因?yàn)槿萘吭酱螅諡V處于低阻力的時(shí)間長(zhǎng)，在延長(zhǎng)了空濾更換時(shí)間的同時(shí)，也保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率與功率，降低燃油消耗。如果空濾容量偏低，則空濾處于高阻力的時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加，功率下降。進(jìn)氣阻力超過(guò)6.2 KPa后阻力增加對(duì)油耗的影響明顯加劇，所以一般進(jìn)氣系統(tǒng)阻力到6.2 KPa時(shí)就應(yīng)維護(hù)濾芯。

進(jìn)氣溫度也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗與性能，過(guò)高何過(guò)低都會(huì)使性能降低，油耗增加，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）進(jìn)氣溫度會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度與冷卻液溫度，影響機(jī)油粘度與零件間隙與剛度，形成不同的潤(rùn)滑情況，并影響其使用壽命。

（2）進(jìn)氣溫度越高，充氣量減少，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，但進(jìn)氣溫度過(guò)低會(huì)降低最高爆發(fā)溫度與壓力，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩與功率，過(guò)低的情況下甚至影響啟動(dòng)。

燃油供給系統(tǒng)與進(jìn)氣系統(tǒng)類似，因盡量降低供油阻力，控制合理的進(jìn)油溫度。

排氣阻力也是影響發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與油耗的主要因素，理論上排氣背壓越低，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率越高，比油耗低。體現(xiàn)在圖4的PV圖上就是1點(diǎn)越低，循環(huán)所包圍的面積越大。圖5為東方康明斯6CTA8.3-10發(fā)動(dòng)機(jī)不同排氣背壓下的比油耗值，排氣背壓越小，比油耗越低。但是考慮到制造及噪音的要求，整車的排氣背壓不可能做到很低，且排氣噪音與排氣背壓是相矛盾的，必須把排氣噪聲消減到符合法令、標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)上公認(rèn)的要求水平。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)理論循環(huán)PV圖

圖5　排氣背壓對(duì)油耗的影響

冷去系統(tǒng)的能量使用主要體現(xiàn)在風(fēng)扇效率上，在滿足散熱的情況下盡量降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫不高時(shí)，即使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高，也要能使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降下來(lái)。部分裝載機(jī)使用了硅油風(fēng)扇與液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇可以實(shí)現(xiàn)這種效果。

另外，磨損也是影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率的重要因素。應(yīng)使用正確牌號(hào)的機(jī)油，定期保養(yǎng)，更換機(jī)油，降低機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦消耗。如果部件磨損嚴(yán)重則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，比如活塞、缸套、活塞環(huán)的磨損會(huì)引起氣缸竄氣量增加，燃燒爆發(fā)壓力降低、功率、扭矩不足，油耗大幅增加；氣門間隙增加會(huì)導(dǎo)致進(jìn)排氣時(shí)間縮短，引起進(jìn)氣量不足，熱效率降低，比油耗增加。而燃燒室內(nèi)的積炭會(huì)使燃燒過(guò)程惡化，影響其熱效率，同時(shí)加劇活塞與缸套的磨損。因此發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)定時(shí)保養(yǎng)，確保其性能［1］。

3　液壓系統(tǒng)的損失

式中：Q1為泄露能量損失，P為系統(tǒng)壓力，q為泵/馬達(dá)單轉(zhuǎn)排量，n為轉(zhuǎn)速，η為容積效率。

管路的沿程與閥節(jié)流損失與系統(tǒng)流量成正比，與系統(tǒng)壓力成反比［3］。

液壓系統(tǒng)是裝載機(jī)工作的能量輸送線，通過(guò)液壓，能量傳遞到工作裝置，完成鏟裝作業(yè)。液壓損失主要有泵、馬達(dá)/油缸的泄露損失（容積效率），管路沿程磨擦與閥節(jié)流損失，閥的溢流損失［3］。

泵、馬達(dá)/油缸的泄露無(wú)法避免，泄露量越大，容積效率越低，反之容積效率越高，但成本也高。一般齒輪泵/馬達(dá)的容積效率最低，葉片泵次之，柱塞泵最高，泵/馬達(dá)的損失可以用公式（1）計(jì)算［3］。

式中：K為比例系數(shù)，Q為泵消耗能量。

閥的溢流損失占液壓系統(tǒng)損失的大部分，解決溢流損失的方法主要是合理匹配泵與馬達(dá)排量，盡量提高系統(tǒng)壓力。以液壓風(fēng)扇為例說(shuō)明，當(dāng)風(fēng)扇設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速為1 600 rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為2 200 rpm時(shí)，最初設(shè)計(jì)泵排量35 ml，馬達(dá)排量31 ml，系統(tǒng)壓力16 MPa，馬達(dá)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速正比的增大，但當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)置的最大轉(zhuǎn)速1 600 rpm時(shí)，溢流閥開(kāi)啟，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 420 rpm，此后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也不變，多余的流量卸壓回油箱，全部損失掉。忽略管路損失，系統(tǒng)效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：η1=馬達(dá)輸出/泵齒輪輸入［3］。

當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在1 600 rpm之前時(shí)系統(tǒng)效率為：

η1=η泵×η馬達(dá)

當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到1 600 rpm時(shí)系統(tǒng)效率為：

η1=1600×q泵/n×q馬達(dá)

忽略不同轉(zhuǎn)速下泵與馬達(dá)效率的細(xì)微差別，取經(jīng)驗(yàn)值0.93，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至2 200 rpm時(shí)，效率從86%降至60%.優(yōu)化后采用25 ml排量泵，31 ml排量馬達(dá)的組合，因?yàn)樨?fù)載與馬達(dá)排量沒(méi)變，系統(tǒng)壓力還是16 MPa，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至2 200 rpm時(shí)都沒(méi)有發(fā)生溢流，系統(tǒng)效率維持在86%附近（圖6）.

圖6　不同泵與馬達(dá)排量匹配后的系統(tǒng)效率

從上面幾點(diǎn)可以得出，減少液壓系統(tǒng)的損失，可行的方法有采用高容積效率的泵、馬達(dá)，提高系統(tǒng)壓力，合理匹配，減少溢流損失，但是要考慮提高壓力后元件的使用壽命會(huì)降低。

另外還有采用負(fù)荷敏感系統(tǒng)，比如全變量、與定變量系統(tǒng)、靜液壓傳動(dòng)等。這些技術(shù)能大幅提高液壓系統(tǒng)的能量利用率，但是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，在全新機(jī)型上應(yīng)用可行，對(duì)現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)涉及的更改面太大。

4　傳動(dòng)過(guò)程中的損失

裝載機(jī)一般存在液力變矩器，以減少多變的工況負(fù)載對(duì)元件的沖擊，并確保發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火。液力變矩器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的吸收與傳遞量決定了傳動(dòng)過(guò)程大部分的能量損失。不同的變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接后傳遞出來(lái)的扭矩與轉(zhuǎn)速不同，傳動(dòng)損失主要是看兩者的匹配效果。圖7為發(fā)動(dòng)機(jī)變矩器匹配圖。

圖7　發(fā)動(dòng)機(jī)變矩器匹配圖

圖上的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出的扭矩；運(yùn)輸工況和作業(yè)工況曲線為不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)傳給變矩器的扭矩值，要扣除掉相應(yīng)工況下液壓系統(tǒng)消耗的扭矩值；失速點(diǎn)0.3-0.95為不同傳動(dòng)比下的變矩器扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，2個(gè)系列的曲線交點(diǎn)就為發(fā)動(dòng)機(jī)變矩器的在相應(yīng)工況下的共同工作點(diǎn)。

從節(jié)能的角度上看，希望變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)，整機(jī)具有較高的燃油利用率，做相同的工作，油耗會(huì)相對(duì)低些?？尚械姆椒ㄓ校阂皇牵瑴p低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，二是，提高變矩器的吸收能力，見(jiàn)圖8.降低轉(zhuǎn)速帶來(lái)的影響是最高車速下降，整機(jī)工作效率下降；而提高變矩器吸收能力可以適當(dāng)提高整車牽引力與車速，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩儲(chǔ)備減少，對(duì)應(yīng)變矩器的成本也高。

圖8　不同匹配方案的油耗分布區(qū)

如果是電控發(fā)動(dòng)機(jī)，還可以采用多功率曲線的形式，在不同負(fù)載的工況下用不同的功率曲線，給用戶自

由選擇不同的作業(yè)模式也可以達(dá)到一定的節(jié)能目的。

5　試驗(yàn)與結(jié)論

按上面討論的方法，對(duì)試驗(yàn)裝載機(jī)進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，見(jiàn)表1.

表1　改進(jìn)前后零部件參數(shù)對(duì)比

對(duì)改進(jìn)前后的裝載機(jī)油耗進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?，即兩臺(tái)整機(jī)，一臺(tái)為改進(jìn)前狀態(tài)，一臺(tái)為改進(jìn)后狀態(tài)，在同一作業(yè)場(chǎng)，鏟裝1 h，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　改進(jìn)前后試驗(yàn)油耗對(duì)比

從試驗(yàn)結(jié)果上看優(yōu)化后整機(jī)的生產(chǎn)速度略有提升，生產(chǎn)率油耗相比優(yōu)化前減少10%，跑車油耗相比優(yōu)化前減少8.5%，需要指出是油耗受用戶操作習(xí)慣的影響很大，不同的操作手作業(yè)得出的數(shù)據(jù)會(huì)不一樣，但是優(yōu)化后整機(jī)油耗都會(huì)有明顯的改善。

6　結(jié)束語(yǔ)

從總體上看，裝載機(jī)油耗與整機(jī)各個(gè)系統(tǒng)都有關(guān)系，單對(duì)某一系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)很難起到大的作用，把多個(gè)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，綜合優(yōu)化，即使每個(gè)系統(tǒng)改進(jìn)不多，累積起來(lái)也會(huì)有明顯的效果。

［1］張利平.液壓站的設(shè)計(jì)與使用［M］.北京：海洋出版社.2004.

［2］余兀.進(jìn)氣系統(tǒng)阻力對(duì)柴油機(jī)性能影響的研究.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2006，（1）：42-47.

［3］黎蘇，李明海.內(nèi)燃機(jī)原理［M］.北京：水利水電出版社，2010.

The Optim ization O f FuelConsum ption ForWheel Loader

XIEWen-qi，YANG di-xin
（Liuzhou Wuling Motors Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Through the analysis of loading machine working process of the system power consumption，can be optimized in the existing system，by reducing the unnecessary energy consumption，reduce loss of important link，the reasonablematchingmeans to reduce fuel consumption and validate the effectiveness.

wheel load；fuel consumption；efficiency

TH243

A

1672-545X（2016）05-0023-03

2016-02-18

謝文奇（1981-），男，湖南人，工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用。