礦山自卸車發動機經濟性匹配特點研究

余典典+張育維+嚴利群+李學兵

摘 要：礦山自卸車工況相對公路車更為復雜。本文對礦山自卸車典型工況進行數據采集及分析，論述了其工況特點，并根據工況特點討論了礦山自行車發動機特性設計需求，同時基于國內某款礦山自卸車進行建模仿真，并進行場地試驗驗證結果。最后提出了對于礦山自卸車燃油經濟性特點的匹配和設計要求。

關鍵詞：礦山自卸車；燃油經濟性；發動機；工況；優化

中圖分類號：U462.3+1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0025-05

Research on Economic characteristics of Dump-truck engine

YU Dian-dian， ZHANG Yu-wei， YAN Li-qun， LI Xue-bing

（ DongFeng Commercial Vehickeco.LTD.， Wuhan430056， China ）

Abstract： The Working conditions of Dump-truck are relatively more complicated than road-truck. In this paper， we collected and analyzed the data from typical working conditions of dump-truck. The characteristics of the working conditions are discussed. According to the working conditions， the design requirements of the engine are discussed. Modeling， simulation and the results of field test are also given. Finally， this paper put forward the matching and design requirements for the fuel economy of Dump-

1 緒論

對于商用車來說燃油成占總運行成本最高，約50%以上。而動力性、經濟性是商用車最重要的特性之一，對于礦山自卸車，因其工況復雜，在以往對與動力性、燃油經濟性的平衡中更加重視動力性。但隨著中國商用汽車市場的不斷規范和完善，自卸車用戶的燃油經濟性的關注度不斷攀升。礦山自卸車因其工況的特殊性，百公里油耗可達200～300L/100km，因此研究自卸車的燃油經濟性顯得越發重要。

為了提高整車燃油經濟性，商用車廠家往往通過以下手段提高燃油經濟性：

1.提高發動機效率：

（1）提高發動機效率：通過改善燃燒，減少冷卻損失以提高熱效率，采用汽油電控燃料供給系統、柴油高壓共軌燃料供給系統和ECU控制使發動機工作最優化，優化怠速消耗；

（2）動力及傳動匹配技術：基于車輛的工況優化傳動方案，將車輛盡可能運行于發動機的高效率區域。

2.降低消耗

（1）降低行駛阻力——通過優化車身結構、增加空氣動力學組件、優化上裝及主掛匹配來減少空氣阻力；通過改進輪胎結構、材料優化胎壓及胎壓檢測技術來減少滾動阻力；

（2）減少附件消耗——通過熱管理技術優化精確控制發動機風扇、采用低消耗的電器系統、采用可斷開的空氣壓縮機；

（3）減少傳動消耗——通過優化傳動部件的結構、加工工藝和潤滑油脂提高傳動效率；

（4）減少動力中斷——采用大功率發動機減少換換擋，采用自動變速箱或優化變速箱結構減少換擋時間。

3.優化車輛運行方案：基于遠程監控技術開發后市場技術商品，在車輛使用中進一步優化燃油經濟性，主要包括：

（1）合理的保養——通過合理的保養，讓車輛各零部件達到最優的工作狀態；

（2）駕駛操作技術——根據路況（坡道、路面、車流量、彎道、車速）合理運用發動機經濟區和動力區，合理換擋，提高燃油經濟性；

（3）優化行駛路線——通過預知天氣、路況、貨物優化行駛路線，減少堵車、空駛等情況。

牽引車、載貨一般用于中長途運輸，車速較高，載重標準，路面平整，道路坡度小工況相對較好。自卸車一般分為公路自卸和礦山自卸。礦山自卸是渣土剝巖類的短途非公路運輸車，載重較大，路面條件惡劣，坡多且坡度大，車速慢，本文主要通過對改工況的研究和分析，對礦山自卸發動機性能特點提出了新的開發要求。

2 礦山自卸車工況研究

2.1 礦山自卸車市場用途特征

整車市場用途特征說明：短途倒運，滿足高附加值運輸市場的時效性、油耗、出勤率需求。

2.2 礦山自卸車環境工況

為研究礦山自卸車環境工況特點，選擇了典型的鐵礦采集場，進行研究和分析，圖1為該鐵礦長的環境照片。通過GPS數據采集得到海拔及坡道數據，如圖2所示。

經過調查總結其工況循環為：車輛在裝料后，GVW為60～70噸，重載下坡，坡度約為26.4%，下坡后為緩坡，之后經過連續上坡，倒運到堆場，運距1km左右，最大上坡度21.4%。

所以礦山自卸車工況具有總重大、坡度大、彎道多、路面差等區別于普通公路車特點，詳細對比見表1。

2.3 礦山自卸車駕駛特點研究

礦山自卸車環境工況惡劣，必然導致車司機的駕駛習慣也與公路車差異，主要表現在油門、擋位、轉速、車速不同。為詳細分析駕駛特點，分別采集用戶在實際駕駛中重載上坡、重載下坡、空載上坡發動機轉速、扭矩。如圖3-5分別為車輛各行駛狀態下動機轉速、扭矩概率分布圖，同時疊加該車發動機map：endprint

重載上坡：轉速主要集中于2000～2300rpm，發動機負荷50%～100%

重載下坡：轉速主要集中于1600～2100rpm，發動機負荷50%～100%

空載上坡：轉速主要集中于900～1600rpm，發動機負荷0%～60%

圖6為典型的公路牽引車轉速、扭矩概率分布圖，發動機轉速集中于1000～1300rpm。通過對比可發現，礦山自卸車使用發動機轉速較高，且運行區間都不在發動機的高效區，集中于205～220g/kw.h。礦山自卸車與公路運輸車駕駛及關注點的差異如表2：

分析原因：通過10個用戶訪問調查，使用較高轉速主要原因為：由于總重大，道路坡度大，路面波動復雜，行駛過程中轉速波動較大，一般在400rpm左右，較難控制。所以司機通過使用低擋位、高轉速保證發動機后備功率以應對路面突變和轉速突變，防止發動機熄火。

3 礦山自卸車經濟性的改善研究

發動機設計及傳動匹配必須符合工況特點和駕駛習慣，商用車優化燃油經濟性方法在緒論中已經介紹。對礦山自卸車，由于車速較低，路況惡劣，優化風阻式難以起到效果，經濟性改善方向集中在優化傳動比和發動機經濟性。優化傳動比作為常規手段，使用較多，但是隨著市場競爭的加劇，整車經濟性要求逐漸提高，必須對較復雜的發動機的性能方面進行研究，爭取提高整車經濟性水平。

3.1 改善方案

對礦山自卸車工況特點與用戶駕駛習慣已在前一章介紹，據此，確定了以下幾個方向進行研究：

1） 解決行駛過程中發動機轉速過高，發動機熱效率低

措施1：限制發動機最高轉速

根據采集到的發動機運行數據如圖2，重載上坡時。司機的實際駕駛習慣，發動機轉速大于2200r/m占比高于50%，發動機比油耗處于惡劣區域，燃油消耗率可達220～250g/kw.h。所以需要通過限制發動機高轉速，防止發動機運行于此轉速下，達到降低油耗的目的。

通過反復試驗調試，并由駕駛員主觀評價，最高轉速在1900rpm最為合適。

經濟性預估：根據采集數據負荷分析，最高轉速1900rpm時燃油消耗率不高于220 g/kw.h；

動力性校核：根據該款發動機特性，額定功率為1900rpm，可最大輸出發動機功率。工程工況行駛轉速波動幅度400rpm，上坡常用轉速最低不小于1500rpm此時發動機扭矩最大，可維持最大驅動力。

措施2：發動機經濟區高速化

礦山自卸車的動力匹配及發動機特性設計不能按照主流的公路車改善方向，如使用更小的后橋速比、更低的發動機轉速以得到良好的燃油經濟性，而應該注重發動機中高轉速的燃油經濟性和發動機轉速控制能力。

在整個工況duty cycle中，發動機1300～1800rpm使用概率占50%以上，為適應工況和駕駛特點，發動機設計應著重提高該轉速區燃燒效率。圖7為優化后的發動機萬有特性map，相對原始萬有特性，經濟區向高轉速移動，需要重新匹配增壓器。

2） 解決復雜道路行駛轉速控制難等問題，進一步優化駕駛感覺，穩定轉速，提高燃油經濟性性

措施3：發動機油門特性優化，提高轉速穩定性

通過改善發動機油門特性（調速特性），使其更偏向兩級調速特性，在坡度變化頻繁、路面不平整道路，更有助于保持發動機轉速穩定性，減少駕駛員人為調整，保持車速，提高坡道起步動力性。圖8為優化后的油門特性。轉速對油門開度響應更加靈敏。

措施4：提升最大扭矩

提升最大扭矩有助于進一步提高復雜工況車速、擋位保持能力，減少換檔，改善整車經濟性。

3.2 方案驗證

措施1、2、4對整車燃油經濟性優化通過模擬工況仿真分析。措施1、3、4對駕駛感覺及駕駛操的影響，無法通過模擬仿真計算油耗優化程度，本文通過試驗驗證。綜合結果通過“模擬仿真”加“試驗驗證”的方式得出。

3.2.1 模擬仿真

通過在Avl cruise軟件中建模及仿真，采用cycle run計算任務，將采集的工況數據（包括：時間、車速、坡度）經過濾波處理，并且將車速經過修正。調整新的發動機map、外特性、最高轉速限制（1900rpm）。換擋方式根據前文論述，設置為1900rpm。（其中，“優化發動機調速特性”對經濟性的優化方案暫不可通過cruise進行仿真分析）。重載上坡工況原始理論計算油耗為381L/100km，優化后油耗為363.9，優化4.48%。因篇幅限制，詳細計算過程本文不再論述。

1） 建立計算模型：

根據車輛驅動形式在cruise建立計算模型如圖9：

2） 發動機參數

原始發動機外特性及萬有特性圖

根據第三章1、2、4項措施重新匹配發動機特性，設計電控策略，優化后的發動機外特性及萬有特性如圖7。

3） 變速箱及后橋速比

變速箱參數如表3所示：

4） 輪胎參數

12.00R20輪胎，滾動半徑為546.4mm，滾動阻力系數0.85%。

5） 其他阻力參數

6） 設計計算任務：

通過Cruise軟件中設計cyclerun計算任務：

工況設計：采集的道路數據本身存在誤差，且波動較大，直接計算對結果準確性影響較大，必須經過濾波處理，圖10為處理后的距離——坡度參數，采用坡度信號來計算坡度的方式：將坡度數據導入cycle run任務中course single1，建立相關的坡度鏈接。

目標車速：將采集的車速進行濾波處理后導入，發動機限制轉速后對車速有所影響，根據方案中發動機最大轉速1900rpm計算2擋最大車速（因上坡常用擋位及最大使用擋位為2擋），并限制最大車速（此時計算車速為6km/h），數據處理之后如圖11：endprint

7） 計算結果：

通過仿真模擬計算可以得出，詳見表5，采用1、2、4項措施可優化油耗4.48%，優化方案運行于發動機經濟轉速區概率更大，計算結果符合預期。另外，平均車速雖然降低1km/h，但因車速較低，風阻、滾阻的變化對油耗的影響可忽略不計。理論計算中無法實現調速特性、轉速限制駕駛操作的影響以及對油耗的影響，需要在實際工況中驗證，下一章將通過試驗驗證。

3.2.2 實車試驗驗證及評價

通過部分實施按照制度的改善方案，在國內某鐵礦場試驗驗證。為避免車輛個體差異采使用兩臺車試驗；為避免車輛總重差異，引用噸百公里油耗概念，即評價每噸的百公里油耗，以體現燃油的使用效率。

1） 驗證措施1：限制發動機最高轉速

在發動機限制轉速在1900轉/分之后，經濟性改善1%，如表3所示：

2） 驗證措施3：發動機調速特性優化，提高轉速穩定性

通過調整發動機駕駛特性，增大調速特性斜率，提高發動機對復雜工況的適應性，對經濟性有2%的改善效果，如表4所示：

3）其他措置如調整發動機經濟區轉速，需要對發動機的機體進行新設計，需要較長的時間進行臺架試驗，本次試驗未進行，通過理論計算分析油耗貢獻第3章已經介紹。

3.3 驗證小結及市場表現

通過模擬仿真及實驗驗證，預計可實現燃油經濟性優化3～6%。

2015年，新車根據發動機優化方案改進上市，通過調研及統計湖北、安徽、寧夏等工地、礦坑50臺車綜合油耗，相比老車型降低約5%，符合預期，同時反饋對整車上坡動力性良好，車速穩定性好，用戶滿意。

4 結論

本文通過對礦山自卸車工況的研究，討論了自卸車與公路車工況、駕駛習慣差異，并根據其特點討論了四種燃油經濟經優化措施，分別進行了模擬分析和整車試驗。最終實現較為可觀的節油效益（根據不同工況和載重存在不同差異）。通過研究和討論發現，發動機性能設計需要根據不同工況和需求來區分優化，本文對礦山自卸車發動機性能設計提出了新的方向。

參考文獻：

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[5]基于多工況的重型牽引車動力及傳動系統優化匹配分析， 汽車科技2015（5）， 張育維等.endprint