C6121柴油機與工程機械性能匹配的研究

談益歡

（同濟大學，上海200092）

C6121柴油機與工程機械性能匹配的研究

談益歡

（同濟大學，上海200092）

介紹了C6121柴油機的配套工程機械的性能特點和優勢，尤其是經過和德國FEV聯合開發，性能得到進一步提升后，更加適配各類工程機械，和同類產品比較有明顯優勢。

柴油機工程機械匹配變矩器

1 前言

C6121系列柴油機是上柴公司于20世紀80年代末從美國卡特彼勒公司引進3300B系列發動機許可證生產；該產品以工程機械配套為主的產品，以高可靠性著稱，性能優良，深受用戶喜愛；目前已成為國內外用戶公認的非常適合工程機械的優秀配套動力之一。

國內市場上，工程機械用柴油機的系列比較多，競爭比較激烈。全球的能源危機凸現，柴油的價格節節攀升，用戶對工程機械及柴油機的可靠性、經濟性要求也越來越高。另外一方面，國際社會對壞境保護更加重視，我國從2007年10月1日起對非道路移動式柴油機實行第一階段排放標準（簡稱國I排放），2010年起實行第二階段排放標準（簡稱國II排放）。在這樣的背景下，需要柴油機生產廠家工作做得越深入越好，特別是在經濟性方面。

在和國內各工程機械廠的配套過程中，需要對C6121柴油機和工程機械配套進行深入研究，進一步深入了解柴油機與工程機械性能匹配技術，更好地發揮公司C6121柴油機的優勢。本文通過試驗和結果的分析研究，通過積累的一些試驗數據，有針對性地對C6121柴油機的性能進行改進；通過研究，在保證可靠性的前提下，找出提高經濟性的有效辦法，提高發動機在工程機械上匹配的效率，減少由于不合理匹配帶來的功率損耗，進一步提升該產品的市場競爭能力。

本文以裝載機為例，較系統地研究了C6121柴油機的性能匹配及和同類產品在性能上的比較。

2 原機性能比較試驗和數據分析

2.1 柴油機基本參數

為了進一步了解C6121柴油機的市場前景和配套工程機械的性能，選擇了國內另一種ZL50裝載機配套量比較大的發動機進行比較。2種發動機的主要參數見表1和圖1。

表1 柴油機主要性能參數

從參數上看，C6121柴油機排量為10.45 L，比W柴油機的9.726 L稍大，但油耗上看，W柴油機在標定點油耗要比C6121柴油機好不少。

2.2 裝載機裝卸沙土試驗

為了深入了解C6121柴油機和W柴油機在ZL50裝載機上的表現和差別，進一步提高公司產品的競爭力，在國內一家工程機械研究所進行比較試驗。在同一裝載機廠生產的相同型號的2臺ZL50裝載機上，分別安裝這2種發動機。在相同條件下，按照裝載機的性能試驗規范，進行了全面的性能對比試驗，結果見表2。

圖1 C6121和W柴油機外特性曲線比較圖

表2 土方作業對比試驗表

從表1的數據可知，裝配C6121柴油機的裝載機的作業效率同比提高了23%，單位作業量的燃油耗率低13%，而行駛工況燃油耗率則高出8%，綜合經濟性能指標具有競爭優勢。

1）從外特性上看，C6121柴油機在1 700～2 200 r/min轉速范圍內，要比W柴油機要高。跑車試驗時，發動機主要運行在高速工況，因此C6121柴油機油耗要高一些。

2）由于C6121柴油機排量大，響應性好，又是工程機械專用發動機，從圖1的外特性曲線可知，低速性能具有明顯的優勢，在性能上更適合工程機械。每個工作循環要比W柴油機消耗時間少，因此作業效率比較高，單位工作量油耗就隨之降低。

2.3 裝載機裝卸石子試驗

為了進一步對試驗結果和分析加以驗證，我們又在國內某大型工程機械廠做了一些對比試驗，加以驗證。測試方法按照裝載機作業效率、燃油經濟性的測試流程進行測試，本次裝載的物料是石子，裝載機的工作和行走路線見圖2，比較結果見表3。

表3 C6121柴油機和W柴油機的工作效率和經濟性能比較

在進行裝載機作業試驗時，為了保證試驗結果的可對比性，從以下3個方面控制試驗過程：1）司機以自己的最快速度進行裝載作業；2）作業方式采用緊湊的“V”形裝載作業；3）測試作業效率的同時測試燃油經濟性。

作業效率測試分別按照單位時間內的裝卸重量、單位時間內的裝卸次數兩種方法進行分析和對比。

按重量計算的作業效率ηQ（t/h），即在規定的時間內，裝載物料總重量與所用時間之比，其計算公式如下：

ηQ=∑Qi/∑ti

式中，

Qi——第i車的裝載重量；

ti——第i車的裝載時間。

按裝載次數計算的作業效率ηC（次/h），即在規定的時間內，裝載總次數與所用時間之比，其計算公式如下：

ηC=∑Ci/∑ti

式中，

Ci——第i車的裝載次數。

裝載機的燃油經濟性可分別用小時耗油量GFuel（kg/h）和綜合燃油經濟性gFuel（t/kg）來衡量。

GFuel=∑Li/∑ti

gFuel=∑Qi/∑Li

式中，

Li——裝載第i車所消耗的燃油量。

表3列出了C6121柴油機和W柴油機的工作效率和經濟性能比較。

為了進一步了解50ZL裝載機工作時發動機主要運行工況的分布情況，在試驗過程中，對柴油機的工作轉速作了完整的記錄，表4列出裝載機作業時發動機轉速的分布范圍。由于測試設備的限制，無法測量發動機負荷。

表4 轉速分布范圍比較/%

從表4可知，在作業工況下，C6121柴油機轉速大于1 600 r/min累計的百分比和為73.91%，而W柴油機的轉速大于1 600 r/min累計的百分比和為72.82%。這表明，C6121柴油機在高轉速的比例相對W柴油機要多一些，說明在作業過程中，裝C6121柴油機的裝載機在加載后，響應性要快，轉速下降要少，動作就相對較快。

從這些情況分析，C6121柴油機是有一定的競爭力的。但是，由于C6121柴油機在1 600~2 200 r/min中的油耗較W柴油機高一些，因此小時油耗較高，用戶也希望有所改進，以便取得較大的競爭優勢。

3 C6121B柴油機的性能升級

在此背景下，上柴與德國FEV聯合設計，對C6121柴油機的整體性能作了全面的升級。在保持C6121柴油機基本結構不變的情況下，保留其可靠性高和動力性強的特點，進一步改善發動機的燃油經濟性和排放水平，對柴油機的燃油系統、增壓系統、進排氣系統、燃燒室等進行了全面升級。最終柴油機的經濟性得到了大幅度的提升，同時達到排放標準，從而提升了該柴油機的市場競爭力。

為了在開發之前對性能改進有初步的了解，使用GT-Power軟件對柴油機進行了分析。根據GT-POWER計算和分析結果，初步確定了燃燒室及氣道的改進方案，再根據計算得到了優化方案，確定了試驗方案。根據試驗結果，最終確定了C6121B柴油機的具體配置。

3.1 燃燒室和氣道

C6121柴油機原來使用的是無渦流氣道的氣缸蓋配合不縮口的ω型燃燒室，壓縮比為15∶1；改進后，C6121B型柴油機使用有渦流氣道的氣缸蓋配合縮口的ω型燃燒室，進氣道渦流比為1.5，燃燒室的壓縮比增加至16.5∶1。

3.2 配氣相位

氣道渦流比和燃燒室等發生了變化，配氣相位和升程也應進行相應的變化。新開發的機型較原機提前了排氣門開啟時間，同時減小進排氣門的升程。為了保證發動機在各工況下的充氣系數，將進氣門直徑從Φ48.16 mm加大到Φ50.23 mm。

3.3 燃油系統

C6121柴油機使用的是CAT公司自行開發設計的直列式噴油泵和鉛筆式無回油噴油器，噴油泵采用等壓出油閥，柱塞直徑為9 mm，噴射壓力為65 MPa，噴油器參數為9×0.207 mm。改進設計時，考慮采用標準P系列噴油器配合P系列高壓噴油泵，柱塞直徑為11 mm，噴射壓力提高到130 MPa，噴油器參數為7×0.207 mm，高壓流量為1 800 mL/min。

3.4 增壓系統

C6121柴油機采用的是CAT公司上世紀五六十年代自行設計和生產的徑流式渦輪增壓器，改進后C6121B型柴油機采用霍尼韋爾公司的GT42增壓器。改進后，增壓器效率有明顯提高，發動機高低速性能都得到了改善。

3.5 性能驗證

經過FEV公司兩年多的開發和上柴公司的二次性能開發，C6121B柴油機已經完成開發、樣試和小批驗證工作。與原來C6121柴油機相比，改進后的新一代C6121B柴油機性能得到了明顯的改善，圖3給出了改進前后的C6121柴油機以及W柴油機的外特性曲線。

從圖中外特性曲線可知，改進后的C6121B柴油機高速性能有了大幅度的改進，與W柴油機十分接近，而中低速性能優勢進一步擴大。

圖3 外特性曲線對比

4 裝載機整車試驗

為了對改進前后柴油機實際使用效果進行評定，將3臺柴油機分別裝在XG955II型ZL50裝載上，1臺為C6121柴油機，2臺為改進設計的C6121B柴油機，這3臺柴油機分別用A、B1和B2表示。按照裝載性能試驗規范，對這3臺樣機進行有關性能試驗，試驗結果見表5。

從上述試驗的結果看，改進后C6121B柴油機在效率上保留了原C6121柴油機的優點，最大牽引力和聯合工況牽引力與原機基本相同，動力性強的優點完全繼承，工作效率和原機型基本一致。小時油耗C6121B型柴油機要比原機C6121型柴油機要省油3%左右，跑車油耗則有了較大的改進，C6121B型柴油機要比原機C6121型柴油機省油7.23%左右，和W柴油機基本一致。

表5 牽引力試驗

表6 作業效率、燃油耗、液壓綜合熱平衡

表7 百公里跑車試驗

5 工程機械發展對C6121B柴油機發展的影響

5.1 降低標定轉速

現階段，國內各工程機械廠都在積極推進低轉速發動機配套各類工程機械，主要裝載機廠都將原來的標定轉速2 200 r/min改為1 900 r/min或2 000 r/min。假設標定功率不變和扭矩儲備系數不變，那么最大扭矩就要有較大的增加，以ZL50裝載機為例，變化情況見表8。

表8 標定轉速變化及相關參數變化表

C6121B系列增壓機型完全可以達到；W型柴油機只能達到第2項，第3項達不到；由此可見，C6121B型柴油機更好地適應降低標定轉速，增加液力變矩器有效直徑。

降低標定轉速對于發動機與裝載機的匹配有以下2個優點。

1）標定轉速減小，可以降低發動機的摩擦功，提高柴油機的經濟性。從圖1可見，C6121柴油機在2 000~2 200 r/min時油耗急劇增加；標定轉速低于2 000 r/min時，油耗改善明顯。另外，由于C6121B系列發動機的沖程/缸徑比是1.26，遠大于W柴油機的1.03，因此對于改善高速工況油耗，降低標定轉速在C6121B柴油機上的效果要好于W柴油機。

2）降低標定轉速，更容易達到相關的排放法規，而不會對柴油機經濟性有較大的影響。

降低柴油機標定轉速后，對于柴油機和裝載機的匹配，需要注意以下幾個問題。

1）重新確定變矩器的有效直徑D，可根據下式計算：

式中，

tqeN——與發動機最大有效功率P相對應的有效扭矩；

neN——發動機最大有效功率的轉速；

ρ——說明；

g——說明。

由上式可以知道，neN降低的話，變矩器直徑D就要做相應的增大。

2）變速箱的速比需要作相應的調整。

3）由于標定點轉速降低，柴油機的最大爆發壓力變大，柴油機的結構強度的要求更高。C6121柴油機的排量比其他配套ZL50裝載機的同類柴油機大，爆發壓力增加對柴油機的可靠性影響相對較小。

5.2 增大扭矩儲備系數

目前國內配套裝載機用柴油機扭矩儲備系數一般都定在1.2左右，但國外許多公司生產的裝載機，扭矩儲備系數一般都在1.3左右，有的要達到1.4。如卡特彼勒的裝載機，扭矩儲備系數都在1.3以上。

增加扭矩儲備，可以提高裝載機的動力性，提高裝載機克服阻力的能力，從而提高工作效率。C6121B型柴油機排量較大，提高扭矩儲備的余地比較大。

5.3 C6121B更適合匹配大噸位裝載機

2007年以前，國內主流的裝載機是ZL50，年產量大概是10萬臺，ZL60以上的裝載機很少，年產量只有大約不到1 000臺/年。由于國內重型載重車的噸位越來越大，要求裝載機噸位相應的加大，來提高裝載效率；2008年以來，ZL60裝載機開始逐步上量，廈門工程機械股份有限公司就規劃在2010年要上3 000臺的ZL60裝載機。初步估計，到2010年，國內ZL60裝載機年產量可能達到10 000臺。

ZL60裝載機要求發動機標定功率為175 kW/ 2 200(r/min)，最大扭矩為912 N·m。C6121B增壓柴油機最大功率可達187 kW，而最大扭矩則達到980 N·m；W增壓柴油機最大功率可達175 kW，最大扭矩920 N·m。這2種柴油機都能滿足ZL60裝載機的要求，但W柴油機已經達到功率和扭矩上限，沒有余量。由于裝載機的工作過程中都是變工況，柴油機變工況的響應性會對裝載機的工作效率有較大的影響，C6121B柴油機排量較大，則有一定余量，使之更加適合配套ZL60裝載機。

5 總結

綜上所述，C6121柴油機在工程機械配套上有一定的優勢，尤其是經過和德國FEV公司合作開發的C6121B柴油機，保留了原來柴油機的可靠性好、動力性好和工作效率高等特點，也提高了經濟性，改善了油耗；同時提高了排放水平，可以達到國Ⅰ和國Ⅱ標準。

在和同類柴油機的比較中，綜合性能已經達到較高的水平。特別是從工程機械配套產品的匹配發展趨勢來看，C6121B柴油機有較大的潛力。

1許維達主編/中國內燃機學會組編.柴油機動力裝置匹配.北京：機械工業出版社，2000.

2朱行昌.液力變矩器的設計與計算.北京：國防工業出版社，1991.

3楊連生.內燃機性能及其與傳動裝置的優化匹配.北京：學術期刊出版社，1988.

4張光裕.工程機械底盤構造設計.北京：中國建筑工業出版社，1986.

5李飛鵬，甘振明.工程機械內燃機使用手冊.北京：中國鐵道出版社，1997.

6楊晉生.鏟土運輸機械設計.北京：機械工業出版社，1981.

Study on Match of C6121 Diesel Engine with Construction Machinery

Tan Yihuan
(Tongji University,Shanghai 200092,China)

Performance character and advantage of C6121 diesel engine for construction machinery are introduced.After being improved by joint effort with FEV of Germany,the engine performance has been further improved and the engine is more suitable for various kinds of construction machinery and has some obvious advantage over other engines of same kind.

diesel engine,construction machinery,match,torque converter

來稿日期：2009-01-10

談益歡（1974-），男，在讀碩士研究生，工程師，主要研究方向為柴油機和工程機械配套技術。