挖掘機的動力匹配及性能優化

蔡李軍

（卡特彼勒（中國）投資有限公司，上海200050）

挖掘機的動力匹配及性能優化

蔡李軍

（卡特彼勒（中國）投資有限公司，上海200050）

主要針對挖掘機用發動機的布置匹配和性能匹配進行闡述。具體介紹相關挖掘機用發動機的布置要求，對發動機與挖掘機的動力匹配進行了優化，使得發動機使用油耗下降了5%。

挖掘機發動機匹配優化

1 概述

隨著中國國內工程機械快速發展的步伐，國內的挖掘機市場也在最近3年井噴式的發展，至去年已達16.77萬臺，也打破了原來挖機市場由外資品牌一家獨大的格局，三一重工、玉柴重工、柳工等也逐漸建立了自己的市場。然而隨著市場保有量的提高，挖掘機市場會從一個快速增長期過渡到一個持續穩健的發展期。在此期間挖掘機主機廠和用戶會越來越關注產品的使用維護成本和操作維護的舒適性。發動機與整車的匹配合理與否，直接關系到整車的性能和后期的使用維護成本及舒適性。

2 動力結構匹配

挖掘機的發動機布置匹配是否合理，不僅僅關系到整車后期的維護保養和使用舒適性，也關系到發動機在工作時是否能達到最佳工作狀態、發揮它最大的功率[1,2]。下面本文就以配套挖掘機的發動機的幾個系統匹配要求進行介紹。

2.1 進氣系統

空濾器的選擇需要結合發動機最大功率時的進氣量要求進行合理匹配。進氣量的計算可參照公式：

總空氣流量=發動機功率×單位功率所消耗的空氣

注：單位功率所消耗的空氣為5.7m3/(kw·h)

發動機空濾器布置時盡量靠近發動機進氣管或者增壓器，挖掘機的空濾器大多布置在車架上，以降低機罩高度；空濾器進氣口需要高于機罩15 mm，遠離熱源，減少灰塵進入空濾器。空濾器需要帶阻力報警開關。

進氣管路與空濾器的阻力應低于5 kPa。進氣阻力過大會影響發動機高速時的功率和扭矩輸出，同時也會增加燃油消耗，廢氣排放超標。

2.2 排氣系統

消聲器需要根據發動機的廢氣流量進行選取，接近進氣量。降噪效果不小于15 dB(A)。消聲器常布置在飛輪殼上方，降低發動機布置高度。

排氣管路與消聲器的排氣背壓低于10 kPa。排氣背壓過大也會與進氣阻力一樣影響發動機的性能。

2.3 冷卻系統

目前在挖掘機上應用較多的是傳統的非獨立式散熱系統，部分高端機上采用獨立智能型散熱系統。獨立智能型散熱系統，能較好地進行發動機的熱管理，降低風扇消耗的功率，達到一個降低燃油消耗的目的。特別是在環境溫度相對較低時，獨立智能型散熱系統的降油耗效果會更明顯。

風扇的選?。何L式風扇由于進氣溫度低，相對于吹風風扇而言冷卻效果更好，在挖掘機上應用較普遍。風扇葉尖的線速度不要超過86 m/s。風扇葉片應進入導風罩內2/3。

由于挖掘機空間限制，水箱和中冷器通常采用并聯布置，其他空調冷凝器、液壓油散熱器可再與水箱中冷器串聯。

冷卻系統需要滿足產品在46℃環境下的使用要求，中冷器要保證中冷后的空氣溫度不能高于環境溫度25℃。

2.4 潤滑系統

油底殼需要滿足發動機35°橫傾和縱傾使用要求，帶放油開關。部分用戶需要滿足45°的使用要求。

2.5 其他相關系統

（1）發動機支撐：發動機大多采用彈性4點支撐。

（2）冷起動能力：對于使用環境溫度在-25℃以上的，需要加裝進氣預熱系統，目前較成熟的是乙醚加熱和電加熱；環境溫度在-25℃以下的，還需要加裝燃油加熱，機油加熱和缸體冷卻液加熱。電瓶也需要換裝低溫高放電電池。

（3）其他：考慮到挖掘機是單側維護，發動機的燃油濾清器和機油濾清器都需要遠程布置，布置在較易接觸維護的車架上。油尺需要采用長油尺，機油加油口需要布置在氣缸蓋罩殼上。起動電機和發電機也要盡量布置在發動機的維護側。

進油阻力不能超過17 kPa（在燃油輸送泵前）。進油阻力過大會減小發動機功率和扭矩輸出。

3 動力性能優化

發動機的布置匹配是基礎，性能合理匹配直接關系到挖掘機的作業能力和使用成本。目前挖掘機市場主要外資品牌動力有卡特彼勒、五十鈴、三菱、康明斯、鉑金斯、日野和道依茨。隨著產品競爭的日趨激烈，動力總成性能匹配的合理性，將是發動機能否成功推廣使用的關鍵因素。本文就以國內某品牌的10 t挖掘機的性能匹配為例，介紹其分析、設計過程，發動機主要技術參數見表1。

前期的發動機與液壓傳動工作系統匹配計算、組裝樣試車、產品的應用安裝測試等就可以模擬挖掘機的正常作業工況。

表1 發動機參數配置

采集發動機在1小時內的工況運行參數。目前挖掘機配套動力后端連接柱塞式串聯變量泵，雙泵按全功率變量進行控制，兩泵功率之和保持恒定，當執行單泵動作時，此泵可吸收另一不工作泵的功率，充分利用發動機動力。整理挖掘機正常工作時的發動機扭矩、轉速與時間的對應關系。此數據可以通過對柴油機的ECM（電控單元）的數據整理而得，如表2所示。

燃油消耗率計算：

燃油消耗率=加權燃油消耗/加權功率總和

加權功率總和＝41.1 kW

加權燃油消耗＝10.1 kg/h

單位循環油耗＝245 g/(kW·h)

實際使用燃油消耗＝12.2 L/h

為了更直觀地研究發動機的工作特性，將表2的數據轉化為扭矩、轉速與時間的氣泡圖，見圖1。從圖中可以很明顯地看出發動機主要工作在1 850 r/min至2 050 r/min的區間范圍內。

圖1 發動機主要工作區域

表2 發動機扭矩、轉速與時間的對應關系

然后通過此款柴油機的萬有特性曲線圖，可以看出挖掘機常用工況區遠離發動機的最低油耗區。發動機沒有工作在低油耗區，發動機的使用經濟性較差，影響整機的使用成本，參見圖2。由于進氣增壓型發動機的最低油耗區常在發動機的最大扭矩點附近，而本文中配套的發動機最大扭矩點在1 300 r/min至1 500 r/min之間。

圖2 發動機最低油耗區與常用工況區

所以為了追求最佳的燃油經濟性，使發動機運行在最佳油耗特性區間內，就需要調整發動機的標定轉速至1 900 r/min，其它性能保持不變；同時還需要對挖掘機的液壓系統進行適當的調節，相比原來狀態，需要選用高流量的液壓泵，液壓系統壓力適當增大，彌補發動機在低速運轉時的功率損失。

優化后，按相同的試驗方法采集相應的發動機運行工況參數，整理的氣泡圖如圖3所示。從圖中可以發現，優化后，在挖掘機工作時，發動機主要運行在1 650 r/min至1 850 r/min之間。與優化前的產品相比，發動機運行扭矩有適當提高，轉速已大幅度向最低油耗區靠近。

優化后發動機燃油消耗率計算：

加權功率總和＝41.1 kW

圖3 優化后的發動機主要工作區域

加權燃油消耗＝9.6 kg/h

單位循環油耗＝234 g/(kW·h)

實際使用燃油消耗＝11.6 L/h

計算結果顯示實際使用燃油消耗從原來的12.2 L/h降至目前的11.6 L/h，挖掘機實際工作油耗下降5%，達到了優化設計的預期目標，也達到了節能減排的目的。

4 結論

通過對挖掘機配套發動機的結構和性能優化匹配，提高整機的操作舒適性和使用維護的成本。

1 Wang D Y,Guan C,Pan S X,et al.Performance Analysis Of Hydraulic Excavator Powertrain Hybridization[J]．Automation in Construction，2009，18(3)．

2 Uehara K,Tominaga H，Energy Saving on Hydraulic Systems of Excavators[C]，SAE 821057．

Match and Optimization of Engine for Excavator Application

Cai Lijun
（Caterpillar(China)Investment Co.,Ltd.,Shanghai 200050,China)

Engine layout and engine performance optimization for excavator application is presented, detailing layout requirement and power match,with which the fuel consumption is reduced by 5%.

excavator,engine,match,optimization

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.005

來稿日期：2012-07-27

蔡李軍（1983－），男，本科，主要研究方向為工程機械的動力匹配和應用。