工程機械柴油機與液力變矩器合理匹配的新研究-工程機械動態-中國路麵機械網

2007-08-16 23:25:12

工程機械柴油機與液力變矩器合理匹配的新研究
摘要：本文通過對柴油機三個發展階段外特性的對比，在分析用目前匹配理論對新型柴油機與變矩器進行匹配非合理性的基礎上，提出了基於新型柴油機與液力變矩器傳動組合新的匹配觀點及新的變矩器有效直徑確定公式，並舉例闡明。
關鍵詞：新型柴油機　變矩器　特性　匹配　有效直徑
近年來，為了適應各國日益苛刻的排放法規和油耗法規，柴油機得到了快速發展，如采用可調渦輪增壓器，優化進氣、噴油係統，改善燃燒等；在降低排放的同時，也極大地改善了柴油機扭矩特性，導致出現了一種所謂“等功率”柴油機，即這種柴油機在一定轉速範圍內可保持功率為一常數（以下簡稱新型柴油機），如目前被普遍關注的符合ＥＰＡＴｉｅｒＩＩ／ＥＵＳｔａｇｅＩＩ排放標準的電噴柴油機。由於新型柴油機在調速外特性上有十分顯著地改變，在與液力變矩器（以下簡稱變矩器）進行匹配時如何應對這一變化，充分發掘其在動力性、經濟性上的改善，既提高整機牽引性能，也使經濟性能得以體現，在當今注重整機性能、提倡節能的形勢下，進行該項研究具有重要的現實意義。
一、工程機械柴油機不同發展階段調速外特性對比及當前柴油機與變矩器匹配理論回顧
１．柴油機不同發展階段調速外特性對比
在近幾十年中工程機械柴油機主要經曆了三次大的變化：自然吸氣式柴油機、廢氣渦輪增壓式柴油機（以下簡稱增壓柴油機）及現在能滿足ＥＰＡＴｉｅｒＩＩ／ＥＵＳｔａｇｅⅡ排放標準的新型柴油機，每次變化表現在其調速外特性上都有較大改變。
１．１．自然吸氣式柴油機
自然吸氣式柴油機曾在工程機械上被普遍選用，其輸出力矩特性曲線通常比較平坦，扭矩適應性係數Ｋ值一般不超過１～１．０５，但功率隨轉速變化較大。圖１?ａ為一自然吸氣式柴油機６１３５Ｋ?４的外特性曲線圖。
１?２．增壓柴油機
近十幾年間，增壓柴油機在工程機械上得到了廣泛應用，其扭矩適應性係數Ｋ值可達１．２５?１．３０，在額定轉速時功率最大，隨轉速下降，其功率呈下降趨勢。圖１?ｂ為一增壓柴油機ＷＤ６１５６７Ｇ３柴油機外特性曲線圖。
１．３．新型柴油機
動力性、經濟性及排放上的獨到優勢使得新型柴油機已成為未來工程機械的首選。新型柴油機可在很寬的轉速範圍內保持功率為一常數，大大改善了整機的牽引和動力性能，扭矩適應性係數Ｋ高達１．５０以上。圖１－Ｃ為新型柴油機ＣｕｍｍｉｎｓＣ８．３柴油機外特性曲線圖。
２?目前工程機械柴油機與變矩器匹配理論回顧
現公認的匹配理論主要是基於增壓柴油機或自然吸氣式柴油機與變矩器傳動組合而提出的：
２．１保證渦輪軸具有最大輸出功率，解決這一問題最簡單的方法是使變矩器的最高效率工況和柴油機最大功率工況重合，亦即使代表變矩器最高效率工況的負載拋物線通過柴油機的額定功率點，見圖２，由於受變矩器透穿性限製（透穿數Ｔ一般為１．０～２．３），通常情況下的匹配為圖２中斜線所示區域。並以此來確定變矩器的有效直徑Ｄ：
Ｄ＝
式中：Ｍ—柴油機台架試驗確定的額定扭矩；
ｎ—柴油機台架試驗確定的額定轉速；
λ—與最高效率對應的泵輪扭矩係數；
γ—變矩器內工作液體的重度。
２?２為使整機在載荷最大時獲得最大輸出力矩，應使變矩器零速工況的輸入特性曲線通過柴油機的最大實用力矩點。
２?３適當地兼顧燃料要求，亦即應盡量使變矩器的輸入特性（負荷拋物線束）能通過低油耗區。
二、基於新型柴油機與變矩器匹配觀點的提出
１?對於新型柴油機如采用上述匹配理論與變矩器進行匹配，則其匹配後的共同工作特性必然如圖３中所示。其不足之處有以下幾點：
１）柴油機的工作區間位於額定轉速附近，當ｉ＞ｉ即當ｎ＞ｎ時，柴油機處於高速低功率的調速區，功率將快速下降，對於此種傳動組合而言，其渦輪軸上的平均輸出功率並不能達到最大值。
２）新型柴油機高達５０％的扭矩儲備未得到利用。設計時為了避免柴油機熄火通常預留１０％的扭矩儲備，但ｉ拋物線與外特性曲線交點的Ｍ值仍和０?９Ｍ有較大差距，使得整機的牽引性能未得以提高。
３）在額定轉速附近的燃油消耗率較高，從圖１可以看出，在額定轉速附近，燃油消耗率ｇ值較高，柴油機在此區間工作，整機的燃油消耗必將處於高位。
２?研究柴油機與變矩器是否合理匹配就是確定柴油機調速外特性和變矩器輸入特性在共同工作輸入特性圖上的相對位置，以保證整機獲得最大平均輸出功率和最少平均燃油耗。根據這一原則（前麵所述的匹配理論同樣是基於這一原則得出的），對於新型柴油機與變矩器的匹配，筆者認為應采用新的匹配觀點：將變矩器工作效率區的中部配置在新型柴油機“等功率”曲線段中部，亦即“等功率”曲線段中點處在變矩器傳動比ｉ＝的負荷拋物線附近（見圖４），使變矩器的高效率工況和柴油機高功率工況盡量重合。此時，可選擇３～４個匹配位置，分別作出以渦輪軸輸出扭矩Ｍ為自變量的輸出功率特性Ｐ＝Ｐ（Ｍ）進行比較（圖５），選擇具有最大平均輸出功率者作為最佳匹配位置。為此，變矩器有效直徑Ｄ可按下式確定：
Ｄ＝
式中：Ｍｐ—與新型柴油機“等功率”曲線段中點相對應的泵輪扭矩；
ｎ—與Ｍｐ相對應的泵輪轉速；
λ—與ｉ（ｉ＝）附近３～４個ｉ值相對應的泵輪扭矩係數。
由於匹配位置的改變，變矩器低傳動比時的拋物線束更接近甚至完全可以通過柴油機的最高扭矩點，故整機在載荷最大時可獲得較大輸出力矩；而高傳動比的拋物線束通過柴油機的額定轉速附近，使整機進入低效率區的可能性減少；同時，變矩器的負荷拋物線束大部分通過柴油機的低油耗區，整機的燃料經濟性能得以提高。
三、例證
某裝載機，整機操作重量２３０００ｋｇ，采用四擋變速器，其速比：Ⅰ擋４?２７８、Ⅱ擋２?３６８、Ⅲ擋１?１２６、Ⅳ擋０?６４８；驅動橋總速比２３?４９５；輪胎動力半徑０?７５ｍ，柴油機選用康明斯Ｃ８?３新型柴油機，其特性參數見下表：額定轉速ｎ＝２２００ｒ／ｍｉｎ，額定扭矩Ｍ＝６６３Ｎ?Ｍ，額定功率Ｎ＝１５３ｋＷ，其特性曲線如圖１—Ｃ所示。
選用的模型變矩器原始特性參數見下表，其有效直徑Ｄ＝０．３４ｍ。按以上兩種匹配方案設計：
１?按目前匹配理論設計：
對於裝載機而言，通常要按部分功率進行匹配，即變矩器應與傳至其輸入軸上的柴油機調速特性匹配，傳至變矩器輸入軸上的扭矩可由下式得出：
Ｍ′＝Ｍ－Ｍ－Ｍ
式中：Ｍ′—傳至變矩器輸入軸上的扭矩；
Ｍ—柴油機台架試驗確定的輸出扭矩；
Ｍ—消耗在驅動輔助裝置上的柴油機扭矩，取Ｍ＝０?１Ｍ；
Ｍ—消耗在驅動工作液壓泵上的柴油機扭矩，取Ｍ＝０?３Ｍ；
則用來確定目標變矩器有效直徑Ｄ的扭矩值
Ｍ＝０．６Ｍ，由公式：
Ｄ＝＝
得Ｄ＝０．２９２ｍ。按Ｄ值和相似原則可得柴油機與變矩器共同工作輸入、輸出特性曲線及整機牽引性能特性曲線（圖六）。
２?按新觀點進行匹配：
同理，可按Ｍ＝０．６Ｍ來計算目標變矩器有效直徑，其中取Ｍ＝８５１Ｎ．ｍ，ｎ＝１８００ｒｍｉｎ（為方便論述，本文假定負荷拋物線ｉ＝０．７通過與ｎ＝１８００ｒｍｉｎ相對應外特性扭矩時的匹配為最佳匹位置）。由公式：
Ｄ＝
可得目標變矩器有效直徑Ｄ＝０．３３２ｍ，按Ｄ值和相似原則可得柴油機與變矩器共同工作輸入、輸出特性曲線及整機牽引性能特性曲線（圖七）。
四、結論及注意事項：
１?對於新型柴油機與變矩器采用新的匹配觀點進行匹配，不但在柴油機的功率利用上有很大的提高，對整機的動力、牽引性能上也有極大的提升（示例中，功率利用提高１２％以上，牽引力提高２５％以上）；同時，由於柴油機工作區間在其低油耗區，故整機的經濟性也得以提高。從而實現了在功率、扭矩、油耗三者的和諧統一。
２?采用新的匹配方法，柴油機工作轉速處於相對較低範圍，可采用較少擋位的變速器，從而簡化傳動係統的結構，同時較低的轉速可有效降低整機的機外輻射噪音。
３?新的匹配方法所得出的工作區轉速較現有的偏低一些，在設計時應注意到柴油機轉速偏低對整機行駛速度及對工作係統的影響，必要時應重新對變速器的排擋數、各擋傳動比及工作液壓泵速比進行調整、設計。
參考文獻
１?齊任賢?液壓傳動和液力傳動?北京?治金工業出版?１９８１
２?姚懷新　陳波　工程機械底盤及其液壓傳動理論——工程機械底盤理論?北京?人民交通出版社?２００２
３?張光裕　許純新　工程機械底盤設計?北京?機械工業出版社?１９８７

原作者：徐工研究院　周紅全　殷琳　丁平芳　劉更新

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