柴油機(jī)不同功率模式對(duì)裝載機(jī)性能影響的仿真研究

錢俊，黃風(fēng)清，姜鋒

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

柴油機(jī)不同功率模式對(duì)裝載機(jī)性能影響的仿真研究

錢俊，黃風(fēng)清，姜鋒

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

應(yīng)用動(dòng)力匹配軟件CRUISE，建立裝載機(jī)的整車模型，著重在行駛工況下進(jìn)行仿真計(jì)算分析。針對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)工況，建立柴油機(jī)萬(wàn)有特性的數(shù)學(xué)模型，對(duì)裝載機(jī)的燃油消耗進(jìn)行仿真計(jì)算；并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

柴油機(jī)裝載機(jī)CRUⅠSE數(shù)學(xué)模型仿真

1 前言

裝載機(jī)作為國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種設(shè)備，有著量大面廣的特點(diǎn)。在采礦業(yè)、各種工程項(xiàng)目、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、日常工程維護(hù)等項(xiàng)目中，都可以看到裝載機(jī)的身影。正因?yàn)檠b載機(jī)市場(chǎng)保有量大，使它成為工程機(jī)械領(lǐng)域中的耗能大戶，所以降低裝載機(jī)的使用油耗具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。整車要達(dá)到節(jié)能降耗的目的，目前國(guó)內(nèi)、外有許多技術(shù)措施及研究成果。例如國(guó)內(nèi)、外整車廠普遍推廣使用的柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速低速化，主要理論研究成果有《輪式裝載機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究》等；國(guó)內(nèi)部分廠家液壓系統(tǒng)由定量系統(tǒng)更改為定變量系統(tǒng)；變速箱由行星箱改為定軸箱，以提升傳動(dòng)效率等。

本文主要的解決方案：（1）裝載機(jī)在不同的負(fù)荷條件下，柴油機(jī)輸出與之相適應(yīng)的功率，優(yōu)化功率輸出，達(dá)到節(jié)油目的；（2）針對(duì)柴油機(jī)在不同的功率模式下，通過(guò)仿真研究裝載機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的差異，實(shí)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性提高的前提下，動(dòng)力性不下降或者下降較小的目的，使柴油機(jī)與裝載機(jī)達(dá)到最優(yōu)化的匹配。

2 柴油機(jī)和裝載機(jī)基本參數(shù)

2.1 柴油機(jī)基本參數(shù)

本文研究對(duì)象為上柴公司聯(lián)合AⅤL共同開(kāi)發(fā)的50裝載機(jī)專用動(dòng)力，具有油耗低、噪聲小、動(dòng)力強(qiáng)、負(fù)載響應(yīng)快等特點(diǎn)。其主要技術(shù)參數(shù)如下表1。

2.2 設(shè)置柴油機(jī)不同檔位的扭矩值[1]

如圖1所示，扭矩最大的一條曲線對(duì)應(yīng)柴油機(jī)的動(dòng)力檔（P檔），中間一條扭矩曲線對(duì)應(yīng)柴油機(jī)的工作檔（N檔），扭矩最小一條曲線對(duì)應(yīng)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)檔（E檔）。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

圖1 柴油機(jī)3種功率模式的扭矩曲線

2.3 裝載機(jī)基本參數(shù)

在下面分析計(jì)算中，有最大牽引力工況仿真計(jì)算，整車處于滿載狀態(tài)；有爬坡能力仿真計(jì)算、前進(jìn)1檔和前進(jìn)2檔加速能力仿真計(jì)算、跑車油耗仿真計(jì)算等，整車均為空載狀態(tài)。某50裝載機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)參見(jiàn)表2。

表2 50裝載機(jī)基本參數(shù)

3 整車仿真計(jì)算模型

3.1 基于CRUⅠSE的整車模型建立[2-4]

裝載機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的仿真計(jì)算針對(duì)裝載機(jī)的實(shí)際使用工況。本文將仿真計(jì)算分為行駛工況和作業(yè)工況2種情況。其中動(dòng)力性仿真計(jì)算主要集中于行駛工況，而作業(yè)工況主要進(jìn)行燃油消耗量的計(jì)算。基于CRUⅠSE軟件建立的整車模型對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)工況燃油消耗量的仿真計(jì)算存在一定的局限性，所以針對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)工況燃油耗計(jì)算將建立單獨(dú)的數(shù)學(xué)模型。基于CRUⅠSE軟件建立的仿真計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 整車仿真計(jì)算模型

3.2 柴油機(jī)萬(wàn)有特性的數(shù)學(xué)模型

3.2.1 建立數(shù)學(xué)模型表達(dá)式

柴油機(jī)的萬(wàn)有特性曲線可以較全面地表示柴油機(jī)的性能。通常以柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，柴油機(jī)的扭矩為縱坐標(biāo)，在圖上可以表示出等油耗率曲線、等小時(shí)耗油量曲線、等功率曲線、等過(guò)量空氣系數(shù)曲線以及冒煙極限，見(jiàn)圖3。在裝載機(jī)工作過(guò)程中，柴油機(jī)的工作狀況非常復(fù)雜，影響燃油消耗量的因素較多。其中，燃油消耗量與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n和扭矩T之間存在密切的聯(lián)系。圖3所示的等小時(shí)耗油量曲線的形式與冪函數(shù)較類似[5]。

圖3 柴油機(jī)等小時(shí)耗油量曲線

所以，假設(shè)柴油機(jī)的小時(shí)耗油量Ge與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n和柴油機(jī)扭矩T的關(guān)系可以表示為：

具體的函數(shù)關(guān)系式為：

其中a0、a1、a2均為未知系數(shù)。

對(duì)于（1）中的未知系數(shù)，本文將采用多元回歸法，對(duì)柴油機(jī)的萬(wàn)有特性曲線進(jìn)行擬合，得到柴油機(jī)的萬(wàn)有特性表達(dá)式。

3.2.2 多元回歸法求解數(shù)學(xué)模型表達(dá)式[6]

對(duì)（1）進(jìn)行線性化處理，分別對(duì)兩邊取對(duì)數(shù)，即由非線性回歸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性回歸問(wèn)題：

分別令y=lnGe，x1=lnn，x2=lnT，相對(duì)應(yīng)，式（2）可以表示成

式（3）的回歸模型為：

為了使模型仿真計(jì)算更加準(zhǔn)確，并結(jié)合裝載機(jī)的實(shí)際使用工況，對(duì)模型的自變量進(jìn)行分區(qū)域劃分，建立分段函數(shù)。根據(jù)萬(wàn)有特性的臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)（4）式進(jìn)行線性回歸擬合計(jì)算。分段函數(shù)的回歸系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 分段函數(shù)的回歸系數(shù)及自變量定義域

分段函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

4 仿真計(jì)算

4.1 行駛工況的仿真計(jì)算

1）牽引性能的仿真計(jì)算

柴油機(jī)分別在P檔、N檔和E檔功率輸出模式下，裝載機(jī)在前進(jìn)1檔和前進(jìn)2檔時(shí)的牽引力曲線如圖4所示，其最大牽引力及對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速如表4所示。

圖4 裝載機(jī)前進(jìn)1檔和2檔的牽引性能

表4 各檔位對(duì)應(yīng)最大牽引力

2）爬坡能力的仿真計(jì)算

柴油機(jī)分別在P檔、N檔和E檔功率輸出模式下，裝載機(jī)在前進(jìn)1檔和前進(jìn)2檔時(shí)的爬坡能力曲線如圖5所示，各檔位下整車空載狀態(tài)的最大爬坡能力見(jiàn)表5。

圖5 裝載機(jī)前進(jìn)1、2檔爬坡能力

表5 整車空載爬坡能力

3）前進(jìn)1檔加速能力仿真計(jì)算

柴油機(jī)分別在P檔、N檔和E檔功率輸出模式下，裝載機(jī)在前進(jìn)1檔時(shí)的加速能力見(jiàn)圖6，其分別加速至3 km/h、5 km/h、10 km/h、12 km/h所需要的時(shí)間如表6所示。

4）前進(jìn)2檔加速能力仿真計(jì)算

柴油機(jī)分別在P檔、N檔和E檔功率輸出模式下，裝載機(jī)在前進(jìn)2檔時(shí)的加速能力見(jiàn)圖7，其分別加速至5 km/h、15 km/h、25 km/h、35 km/h所需要的時(shí)間如表7所示。

圖6 前進(jìn)1檔加速能力曲線圖

表6 前進(jìn)1檔整車加速能力

圖7 前進(jìn)2檔加速能力曲線圖

5）跑車油耗仿真計(jì)算

表7 前進(jìn)2檔整車加速能力

柴油機(jī)分別在P檔、N檔和E檔功率輸出模式下，裝載機(jī)在前進(jìn)1檔、前進(jìn)2檔等速百公里油耗見(jiàn)圖8，前進(jìn)1檔、前進(jìn)2檔在柴油機(jī)不同功率輸出模式下，最高車速對(duì)應(yīng)的百公里油耗值如表8所示。

圖8 前進(jìn)1、2檔不同車速下百公里油耗

表8 最高車速對(duì)應(yīng)的百公里油耗

4.2 作業(yè)工況的仿真計(jì)算

針對(duì)柴油機(jī)的不同功率輸出模式，分別采集裝載機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)的載荷譜。圖9為裝載機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩的變化曲線。

圖9

將對(duì)應(yīng)工作模式下的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的對(duì)數(shù)值分別代入式（5），可以計(jì)算出柴油機(jī)在P檔、N檔和E檔功率輸出模式下，裝載機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的燃油消耗量，如表9所示。

表9 整車作業(yè)工況油耗仿真計(jì)算

5 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

由于整車試驗(yàn)條件有限，無(wú)法對(duì)仿真計(jì)算的項(xiàng)目一一全部進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，只對(duì)裝載機(jī)的牽引力、跑車油耗和作業(yè)油耗的仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分別見(jiàn)表10～12。根據(jù)仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，仿真計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值誤差均在±5%以內(nèi)，除作業(yè)工況中P檔功率模式之外。因?yàn)樽鳂I(yè)工況受外界影響因素較多，實(shí)測(cè)結(jié)果往往波動(dòng)較大，出現(xiàn)個(gè)別數(shù)據(jù)超差的可能性非常大，所以從整體的仿真結(jié)果來(lái)看，可以證明本文所建立的仿真模型是準(zhǔn)確可信的。

Simulation of Effect of Different Diesel Power Outputs on Wheel Loader Performance

Qian Jun，Huang Fengqing,Jiang Feng
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

By building up a whole vehicle model with matching software CRUⅠSE,a simulation of driving conditions and operating conditions is carried out.Ⅴehicle fuel consumption is simulated by establishing a mathematical model of universal characteristics of diesel engine;and validation of model accuracy is made according to the measured results.

diesel engine,wheel loader,cruise,mathematical model,simulation

表10 裝載機(jī)牽引力試驗(yàn)與仿真對(duì)比

表11 裝載機(jī)跑車油耗試驗(yàn)與仿真對(duì)比

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.005

來(lái)稿日期：2013-11-13

錢俊（1961-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造。