C6121柴油机与工程机械性能匹配的研究

谈益欢

（同济大学，上海200092）

C6121柴油机与工程机械性能匹配的研究

谈益欢

（同济大学，上海200092）

介绍了C6121柴油机的配套工程机械的性能特点和优势，尤其是经过和德国FEV联合开发，性能得到进一步提升后，更加适配各类工程机械，和同类产品比较有明显优势。

柴油机工程机械匹配变矩器

1 前言

C6121系列柴油机是上柴公司于20世纪80年代末从美国卡特彼勒公司引进3300B系列发动机许可证生产；该产品以工程机械配套为主的产品，以高可靠性著称，性能优良，深受用户喜爱；目前已成为国内外用户公认的非常适合工程机械的优秀配套动力之一。

国内市场上，工程机械用柴油机的系列比较多，竞争比较激烈。全球的能源危机凸现，柴油的价格节节攀升，用户对工程机械及柴油机的可靠性、经济性要求也越来越高。另外一方面，国际社会对坏境保护更加重视，我国从2007年10月1日起对非道路移动式柴油机实行第一阶段排放标准（简称国I排放），2010年起实行第二阶段排放标准（简称国II排放）。在这样的背景下，需要柴油机生产厂家工作做得越深入越好，特别是在经济性方面。

在和国内各工程机械厂的配套过程中，需要对C6121柴油机和工程机械配套进行深入研究，进一步深入了解柴油机与工程机械性能匹配技术，更好地发挥公司C6121柴油机的优势。本文通过试验和结果的分析研究，通过积累的一些试验数据，有针对性地对C6121柴油机的性能进行改进；通过研究，在保证可靠性的前提下，找出提高经济性的有效办法，提高发动机在工程机械上匹配的效率，减少由于不合理匹配带来的功率损耗，进一步提升该产品的市场竞争能力。

本文以装载机为例，较系统地研究了C6121柴油机的性能匹配及和同类产品在性能上的比较。

2 原机性能比较试验和数据分析

2.1 柴油机基本参数

为了进一步了解C6121柴油机的市场前景和配套工程机械的性能，选择了国内另一种ZL50装载机配套量比较大的发动机进行比较。2种发动机的主要参数见表1和图1。

表1 柴油机主要性能参数

从参数上看，C6121柴油机排量为10.45 L，比W柴油机的9.726 L稍大，但油耗上看，W柴油机在标定点油耗要比C6121柴油机好不少。

2.2 装载机装卸沙土试验

为了深入了解C6121柴油机和W柴油机在ZL50装载机上的表现和差别，进一步提高公司产品的竞争力，在国内一家工程机械研究所进行比较试验。在同一装载机厂生产的相同型号的2台ZL50装载机上，分别安装这2种发动机。在相同条件下，按照装载机的性能试验规范，进行了全面的性能对比试验，结果见表2。

图1 C6121和W柴油机外特性曲线比较图

表2 土方作业对比试验表

从表1的数据可知，装配C6121柴油机的装载机的作业效率同比提高了23%，单位作业量的燃油耗率低13%，而行驶工况燃油耗率则高出8%，综合经济性能指标具有竞争优势。

1）从外特性上看，C6121柴油机在1 700～2 200 r/min转速范围内，要比W柴油机要高。跑车试验时，发动机主要运行在高速工况，因此C6121柴油机油耗要高一些。

2）由于C6121柴油机排量大，响应性好，又是工程机械专用发动机，从图1的外特性曲线可知，低速性能具有明显的优势，在性能上更适合工程机械。每个工作循环要比W柴油机消耗时间少，因此作业效率比较高，单位工作量油耗就随之降低。

2.3 装载机装卸石子试验

为了进一步对试验结果和分析加以验证，我们又在国内某大型工程机械厂做了一些对比试验，加以验证。测试方法按照装载机作业效率、燃油经济性的测试流程进行测试，本次装载的物料是石子，装载机的工作和行走路线见图2，比较结果见表3。

表3 C6121柴油机和W柴油机的工作效率和经济性能比较

在进行装载机作业试验时，为了保证试验结果的可对比性，从以下3个方面控制试验过程：1）司机以自己的最快速度进行装载作业；2）作业方式采用紧凑的“V”形装载作业；3）测试作业效率的同时测试燃油经济性。

作业效率测试分别按照单位时间内的装卸重量、单位时间内的装卸次数两种方法进行分析和对比。

按重量计算的作业效率ηQ（t/h），即在规定的时间内，装载物料总重量与所用时间之比，其计算公式如下：

ηQ=∑Qi/∑ti

式中，

Qi——第i车的装载重量；

ti——第i车的装载时间。

按装载次数计算的作业效率ηC（次/h），即在规定的时间内，装载总次数与所用时间之比，其计算公式如下：

ηC=∑Ci/∑ti

式中，

Ci——第i车的装载次数。

装载机的燃油经济性可分别用小时耗油量GFuel（kg/h）和综合燃油经济性gFuel（t/kg）来衡量。

GFuel=∑Li/∑ti

gFuel=∑Qi/∑Li

式中，

Li——装载第i车所消耗的燃油量。

表3列出了C6121柴油机和W柴油机的工作效率和经济性能比较。

为了进一步了解50ZL装载机工作时发动机主要运行工况的分布情况，在试验过程中，对柴油机的工作转速作了完整的记录，表4列出装载机作业时发动机转速的分布范围。由于测试设备的限制，无法测量发动机负荷。

表4 转速分布范围比较/%

从表4可知，在作业工况下，C6121柴油机转速大于1 600 r/min累计的百分比和为73.91%，而W柴油机的转速大于1 600 r/min累计的百分比和为72.82%。这表明，C6121柴油机在高转速的比例相对W柴油机要多一些，说明在作业过程中，装C6121柴油机的装载机在加载后，响应性要快，转速下降要少，动作就相对较快。

从这些情况分析，C6121柴油机是有一定的竞争力的。但是，由于C6121柴油机在1 600~2 200 r/min中的油耗较W柴油机高一些，因此小时油耗较高，用户也希望有所改进，以便取得较大的竞争优势。

3 C6121B柴油机的性能升级

在此背景下，上柴与德国FEV联合设计，对C6121柴油机的整体性能作了全面的升级。在保持C6121柴油机基本结构不变的情况下，保留其可靠性高和动力性强的特点，进一步改善发动机的燃油经济性和排放水平，对柴油机的燃油系统、增压系统、进排气系统、燃烧室等进行了全面升级。最终柴油机的经济性得到了大幅度的提升，同时达到排放标准，从而提升了该柴油机的市场竞争力。

为了在开发之前对性能改进有初步的了解，使用GT-Power软件对柴油机进行了分析。根据GT-POWER计算和分析结果，初步确定了燃烧室及气道的改进方案，再根据计算得到了优化方案，确定了试验方案。根据试验结果，最终确定了C6121B柴油机的具体配置。

3.1 燃烧室和气道

C6121柴油机原来使用的是无涡流气道的气缸盖配合不缩口的ω型燃烧室，压缩比为15∶1；改进后，C6121B型柴油机使用有涡流气道的气缸盖配合缩口的ω型燃烧室，进气道涡流比为1.5，燃烧室的压缩比增加至16.5∶1。

3.2 配气相位

气道涡流比和燃烧室等发生了变化，配气相位和升程也应进行相应的变化。新开发的机型较原机提前了排气门开启时间，同时减小进排气门的升程。为了保证发动机在各工况下的充气系数，将进气门直径从Φ48.16 mm加大到Φ50.23 mm。

3.3 燃油系统

C6121柴油机使用的是CAT公司自行开发设计的直列式喷油泵和铅笔式无回油喷油器，喷油泵采用等压出油阀，柱塞直径为9 mm，喷射压力为65 MPa，喷油器参数为9×0.207 mm。改进设计时，考虑采用标准P系列喷油器配合P系列高压喷油泵，柱塞直径为11 mm，喷射压力提高到130 MPa，喷油器参数为7×0.207 mm，高压流量为1 800 mL/min。

3.4 增压系统

C6121柴油机采用的是CAT公司上世纪五六十年代自行设计和生产的径流式涡轮增压器，改进后C6121B型柴油机采用霍尼韦尔公司的GT42增压器。改进后，增压器效率有明显提高，发动机高低速性能都得到了改善。

3.5 性能验证

经过FEV公司两年多的开发和上柴公司的二次性能开发，C6121B柴油机已经完成开发、样试和小批验证工作。与原来C6121柴油机相比，改进后的新一代C6121B柴油机性能得到了明显的改善，图3给出了改进前后的C6121柴油机以及W柴油机的外特性曲线。

从图中外特性曲线可知，改进后的C6121B柴油机高速性能有了大幅度的改进，与W柴油机十分接近，而中低速性能优势进一步扩大。

图3 外特性曲线对比

4 装载机整车试验

为了对改进前后柴油机实际使用效果进行评定，将3台柴油机分别装在XG955II型ZL50装载上，1台为C6121柴油机，2台为改进设计的C6121B柴油机，这3台柴油机分别用A、B1和B2表示。按照装载性能试验规范，对这3台样机进行有关性能试验，试验结果见表5。

从上述试验的结果看，改进后C6121B柴油机在效率上保留了原C6121柴油机的优点，最大牵引力和联合工况牵引力与原机基本相同，动力性强的优点完全继承，工作效率和原机型基本一致。小时油耗C6121B型柴油机要比原机C6121型柴油机要省油3%左右，跑车油耗则有了较大的改进，C6121B型柴油机要比原机C6121型柴油机省油7.23%左右，和W柴油机基本一致。

表5 牵引力试验

表6 作业效率、燃油耗、液压综合热平衡

表7 百公里跑车试验

5 工程机械发展对C6121B柴油机发展的影响

5.1 降低标定转速

现阶段，国内各工程机械厂都在积极推进低转速发动机配套各类工程机械，主要装载机厂都将原来的标定转速2 200 r/min改为1 900 r/min或2 000 r/min。假设标定功率不变和扭矩储备系数不变，那么最大扭矩就要有较大的增加，以ZL50装载机为例，变化情况见表8。

表8 标定转速变化及相关参数变化表

C6121B系列增压机型完全可以达到；W型柴油机只能达到第2项，第3项达不到；由此可见，C6121B型柴油机更好地适应降低标定转速，增加液力变矩器有效直径。

降低标定转速对于发动机与装载机的匹配有以下2个优点。

1）标定转速减小，可以降低发动机的摩擦功，提高柴油机的经济性。从图1可见，C6121柴油机在2 000~2 200 r/min时油耗急剧增加；标定转速低于2 000 r/min时，油耗改善明显。另外，由于C6121B系列发动机的冲程/缸径比是1.26，远大于W柴油机的1.03，因此对于改善高速工况油耗，降低标定转速在C6121B柴油机上的效果要好于W柴油机。

2）降低标定转速，更容易达到相关的排放法规，而不会对柴油机经济性有较大的影响。

降低柴油机标定转速后，对于柴油机和装载机的匹配，需要注意以下几个问题。

1）重新确定变矩器的有效直径D，可根据下式计算：

式中，

tqeN——与发动机最大有效功率P相对应的有效扭矩；

neN——发动机最大有效功率的转速；

ρ——说明；

g——说明。

由上式可以知道，neN降低的话，变矩器直径D就要做相应的增大。

2）变速箱的速比需要作相应的调整。

3）由于标定点转速降低，柴油机的最大爆发压力变大，柴油机的结构强度的要求更高。C6121柴油机的排量比其他配套ZL50装载机的同类柴油机大，爆发压力增加对柴油机的可靠性影响相对较小。

5.2 增大扭矩储备系数

目前国内配套装载机用柴油机扭矩储备系数一般都定在1.2左右，但国外许多公司生产的装载机，扭矩储备系数一般都在1.3左右，有的要达到1.4。如卡特彼勒的装载机，扭矩储备系数都在1.3以上。

增加扭矩储备，可以提高装载机的动力性，提高装载机克服阻力的能力，从而提高工作效率。C6121B型柴油机排量较大，提高扭矩储备的余地比较大。

5.3 C6121B更适合匹配大吨位装载机

2007年以前，国内主流的装载机是ZL50，年产量大概是10万台，ZL60以上的装载机很少，年产量只有大约不到1 000台/年。由于国内重型载重车的吨位越来越大，要求装载机吨位相应的加大，来提高装载效率；2008年以来，ZL60装载机开始逐步上量，厦门工程机械股份有限公司就规划在2010年要上3 000台的ZL60装载机。初步估计，到2010年，国内ZL60装载机年产量可能达到10 000台。

ZL60装载机要求发动机标定功率为175 kW/ 2 200(r/min)，最大扭矩为912 N·m。C6121B增压柴油机最大功率可达187 kW，而最大扭矩则达到980 N·m；W增压柴油机最大功率可达175 kW，最大扭矩920 N·m。这2种柴油机都能满足ZL60装载机的要求，但W柴油机已经达到功率和扭矩上限，没有余量。由于装载机的工作过程中都是变工况，柴油机变工况的响应性会对装载机的工作效率有较大的影响，C6121B柴油机排量较大，则有一定余量，使之更加适合配套ZL60装载机。

5 总结

综上所述，C6121柴油机在工程机械配套上有一定的优势，尤其是经过和德国FEV公司合作开发的C6121B柴油机，保留了原来柴油机的可靠性好、动力性好和工作效率高等特点，也提高了经济性，改善了油耗；同时提高了排放水平，可以达到国Ⅰ和国Ⅱ标准。

在和同类柴油机的比较中，综合性能已经达到较高的水平。特别是从工程机械配套产品的匹配发展趋势来看，C6121B柴油机有较大的潜力。

1许维达主编/中国内燃机学会组编.柴油机动力装置匹配.北京：机械工业出版社，2000.

2朱行昌.液力变矩器的设计与计算.北京：国防工业出版社，1991.

3杨连生.内燃机性能及其与传动装置的优化匹配.北京：学术期刊出版社，1988.

4张光裕.工程机械底盘构造设计.北京：中国建筑工业出版社，1986.

5李飞鹏，甘振明.工程机械内燃机使用手册.北京：中国铁道出版社，1997.

6杨晋生.铲土运输机械设计.北京：机械工业出版社，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

来稿日期：2009-01-10

谈益欢（1974-），男，在读硕士研究生，工程师，主要研究方向为柴油机和工程机械配套技术。