工程机械柴油机与液力变矩器合理匹配的新研究-工程机械动态-中国路面机械网

2007-08-16 23:25:12

工程机械柴油机与液力变矩器合理匹配的新研究
摘要：本文通过对柴油机三个发展阶段外特性的对比，在分析用目前匹配理论对新型柴油机与变矩器进行匹配非合理性的基础上，提出了基于新型柴油机与液力变矩器传动组合新的匹配观点及新的变矩器有效直径确定公式，并举例阐明。
关键词：新型柴油机　变矩器　特性　匹配　有效直径
近年来，为了适应各国日益苛刻的排放法规和油耗法规，柴油机得到了快速发展，如采用可调涡轮增压器，优化进气、喷油系统，改善燃烧等；在降低排放的同时，也极大地改善了柴油机扭矩特性，导致出现了一种所谓“等功率”柴油机，即这种柴油机在一定转速范围内可保持功率为一常数（以下简称新型柴油机），如目前被普遍关注的符合ＥＰＡＴｉｅｒＩＩ／ＥＵＳｔａｇｅＩＩ排放标准的电喷柴油机。由于新型柴油机在调速外特性上有十分显著地改变，在与液力变矩器（以下简称变矩器）进行匹配时如何应对这一变化，充分发掘其在动力性、经济性上的改善，既提高整机牵引性能，也使经济性能得以体现，在当今注重整机性能、提倡节能的形势下，进行该项研究具有重要的现实意义。
一、工程机械柴油机不同发展阶段调速外特性对比及当前柴油机与变矩器匹配理论回顾
１．柴油机不同发展阶段调速外特性对比
在近几十年中工程机械柴油机主要经历了三次大的变化：自然吸气式柴油机、废气涡轮增压式柴油机（以下简称增压柴油机）及现在能满足ＥＰＡＴｉｅｒＩＩ／ＥＵＳｔａｇｅⅡ排放标准的新型柴油机，每次变化表现在其调速外特性上都有较大改变。
１．１．自然吸气式柴油机
自然吸气式柴油机曾在工程机械上被普遍选用，其输出力矩特性曲线通常比较平坦，扭矩适应性系数Ｋ值一般不超过１～１．０５，但功率随转速变化较大。图１?ａ为一自然吸气式柴油机６１３５Ｋ?４的外特性曲线图。
１?２．增压柴油机
近十几年间，增压柴油机在工程机械上得到了广泛应用，其扭矩适应性系数Ｋ值可达１．２５?１．３０，在额定转速时功率最大，随转速下降，其功率呈下降趋势。图１?ｂ为一增压柴油机ＷＤ６１５６７Ｇ３柴油机外特性曲线图。
１．３．新型柴油机
动力性、经济性及排放上的独到优势使得新型柴油机已成为未来工程机械的首选。新型柴油机可在很宽的转速范围内保持功率为一常数，大大改善了整机的牵引和动力性能，扭矩适应性系数Ｋ高达１．５０以上。图１－Ｃ为新型柴油机ＣｕｍｍｉｎｓＣ８．３柴油机外特性曲线图。
２?目前工程机械柴油机与变矩器匹配理论回顾
现公认的匹配理论主要是基于增压柴油机或自然吸气式柴油机与变矩器传动组合而提出的：
２．１保证涡轮轴具有最大输出功率，解决这一问题最简单的方法是使变矩器的最高效率工况和柴油机最大功率工况重合，亦即使代表变矩器最高效率工况的负载抛物线通过柴油机的额定功率点，见图２，由于受变矩器透穿性限制（透穿数Ｔ一般为１．０～２．３），通常情况下的匹配为图２中斜线所示区域。并以此来确定变矩器的有效直径Ｄ：
Ｄ＝
式中：Ｍ—柴油机台架试验确定的额定扭矩；
ｎ—柴油机台架试验确定的额定转速；
λ—与最高效率对应的泵轮扭矩系数；
γ—变矩器内工作液体的重度。
２?２为使整机在载荷最大时获得最大输出力矩，应使变矩器零速工况的输入特性曲线通过柴油机的最大实用力矩点。
２?３适当地兼顾燃料要求，亦即应尽量使变矩器的输入特性（负荷抛物线束）能通过低油耗区。
二、基于新型柴油机与变矩器匹配观点的提出
１?对于新型柴油机如采用上述匹配理论与变矩器进行匹配，则其匹配后的共同工作特性必然如图３中所示。其不足之处有以下几点：
１）柴油机的工作区间位于额定转速附近，当ｉ＞ｉ即当ｎ＞ｎ时，柴油机处于高速低功率的调速区，功率将快速下降，对于此种传动组合而言，其涡轮轴上的平均输出功率并不能达到最大值。
２）新型柴油机高达５０％的扭矩储备未得到利用。设计时为了避免柴油机熄火通常预留１０％的扭矩储备，但ｉ抛物线与外特性曲线交点的Ｍ值仍和０?９Ｍ有较大差距，使得整机的牵引性能未得以提高。
３）在额定转速附近的燃油消耗率较高，从图１可以看出，在额定转速附近，燃油消耗率ｇ值较高，柴油机在此区间工作，整机的燃油消耗必将处于高位。
２?研究柴油机与变矩器是否合理匹配就是确定柴油机调速外特性和变矩器输入特性在共同工作输入特性图上的相对位置，以保证整机获得最大平均输出功率和最少平均燃油耗。根据这一原则（前面所述的匹配理论同样是基于这一原则得出的），对于新型柴油机与变矩器的匹配，笔者认为应采用新的匹配观点：将变矩器工作效率区的中部配置在新型柴油机“等功率”曲线段中部，亦即“等功率”曲线段中点处在变矩器传动比ｉ＝的负荷抛物线附近（见图４），使变矩器的高效率工况和柴油机高功率工况尽量重合。此时，可选择３～４个匹配位置，分别作出以涡轮轴输出扭矩Ｍ为自变量的输出功率特性Ｐ＝Ｐ（Ｍ）进行比较（图５），选择具有最大平均输出功率者作为最佳匹配位置。为此，变矩器有效直径Ｄ可按下式确定：
Ｄ＝
式中：Ｍｐ—与新型柴油机“等功率”曲线段中点相对应的泵轮扭矩；
ｎ—与Ｍｐ相对应的泵轮转速；
λ—与ｉ（ｉ＝）附近３～４个ｉ值相对应的泵轮扭矩系数。
由于匹配位置的改变，变矩器低传动比时的抛物线束更接近甚至完全可以通过柴油机的最高扭矩点，故整机在载荷最大时可获得较大输出力矩；而高传动比的抛物线束通过柴油机的额定转速附近，使整机进入低效率区的可能性减少；同时，变矩器的负荷抛物线束大部分通过柴油机的低油耗区，整机的燃料经济性能得以提高。
三、例证
某装载机，整机操作重量２３０００ｋｇ，采用四挡变速器，其速比：Ⅰ挡４?２７８、Ⅱ挡２?３６８、Ⅲ挡１?１２６、Ⅳ挡０?６４８；驱动桥总速比２３?４９５；轮胎动力半径０?７５ｍ，柴油机选用康明斯Ｃ８?３新型柴油机，其特性参数见下表：额定转速ｎ＝２２００ｒ／ｍｉｎ，额定扭矩Ｍ＝６６３Ｎ?Ｍ，额定功率Ｎ＝１５３ｋＷ，其特性曲线如图１—Ｃ所示。
选用的模型变矩器原始特性参数见下表，其有效直径Ｄ＝０．３４ｍ。按以上两种匹配方案设计：
１?按目前匹配理论设计：
对于装载机而言，通常要按部分功率进行匹配，即变矩器应与传至其输入轴上的柴油机调速特性匹配，传至变矩器输入轴上的扭矩可由下式得出：
Ｍ′＝Ｍ－Ｍ－Ｍ
式中：Ｍ′—传至变矩器输入轴上的扭矩；
Ｍ—柴油机台架试验确定的输出扭矩；
Ｍ—消耗在驱动辅助装置上的柴油机扭矩，取Ｍ＝０?１Ｍ；
Ｍ—消耗在驱动工作液压泵上的柴油机扭矩，取Ｍ＝０?３Ｍ；
则用来确定目标变矩器有效直径Ｄ的扭矩值
Ｍ＝０．６Ｍ，由公式：
Ｄ＝＝
得Ｄ＝０．２９２ｍ。按Ｄ值和相似原则可得柴油机与变矩器共同工作输入、输出特性曲线及整机牵引性能特性曲线（图六）。
２?按新观点进行匹配：
同理，可按Ｍ＝０．６Ｍ来计算目标变矩器有效直径，其中取Ｍ＝８５１Ｎ．ｍ，ｎ＝１８００ｒｍｉｎ（为方便论述，本文假定负荷抛物线ｉ＝０．７通过与ｎ＝１８００ｒｍｉｎ相对应外特性扭矩时的匹配为最佳匹位置）。由公式：
Ｄ＝
可得目标变矩器有效直径Ｄ＝０．３３２ｍ，按Ｄ值和相似原则可得柴油机与变矩器共同工作输入、输出特性曲线及整机牵引性能特性曲线（图七）。
四、结论及注意事项：
１?对于新型柴油机与变矩器采用新的匹配观点进行匹配，不但在柴油机的功率利用上有很大的提高，对整机的动力、牵引性能上也有极大的提升（示例中，功率利用提高１２％以上，牵引力提高２５％以上）；同时，由于柴油机工作区间在其低油耗区，故整机的经济性也得以提高。从而实现了在功率、扭矩、油耗三者的和谐统一。
２?采用新的匹配方法，柴油机工作转速处于相对较低范围，可采用较少挡位的变速器，从而简化传动系统的结构，同时较低的转速可有效降低整机的机外辐射噪音。
３?新的匹配方法所得出的工作区转速较现有的偏低一些，在设计时应注意到柴油机转速偏低对整机行驶速度及对工作系统的影响，必要时应重新对变速器的排挡数、各挡传动比及工作液压泵速比进行调整、设计。
参考文献
１?齐任贤?液压传动和液力传动?北京?治金工业出版?１９８１
２?姚怀新　陈波　工程机械底盘及其液压传动理论——工程机械底盘理论?北京?人民交通出版社?２００２
３?张光裕　许纯新　工程机械底盘设计?北京?机械工业出版社?１９８７

原作者：徐工研究院　周红全　殷琳　丁平芳　刘更新

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