挖掘机的动力匹配及性能优化

蔡李军

（卡特彼勒（中国）投资有限公司，上海200050）

挖掘机的动力匹配及性能优化

蔡李军

（卡特彼勒（中国）投资有限公司，上海200050）

主要针对挖掘机用发动机的布置匹配和性能匹配进行阐述。具体介绍相关挖掘机用发动机的布置要求，对发动机与挖掘机的动力匹配进行了优化，使得发动机使用油耗下降了5%。

挖掘机发动机匹配优化

1 概述

随着中国国内工程机械快速发展的步伐，国内的挖掘机市场也在最近3年井喷式的发展，至去年已达16.77万台，也打破了原来挖机市场由外资品牌一家独大的格局，三一重工、玉柴重工、柳工等也逐渐建立了自己的市场。然而随着市场保有量的提高，挖掘机市场会从一个快速增长期过渡到一个持续稳健的发展期。在此期间挖掘机主机厂和用户会越来越关注产品的使用维护成本和操作维护的舒适性。发动机与整车的匹配合理与否，直接关系到整车的性能和后期的使用维护成本及舒适性。

2 动力结构匹配

挖掘机的发动机布置匹配是否合理，不仅仅关系到整车后期的维护保养和使用舒适性，也关系到发动机在工作时是否能达到最佳工作状态、发挥它最大的功率[1,2]。下面本文就以配套挖掘机的发动机的几个系统匹配要求进行介绍。

2.1 进气系统

空滤器的选择需要结合发动机最大功率时的进气量要求进行合理匹配。进气量的计算可参照公式：

总空气流量=发动机功率×单位功率所消耗的空气

注：单位功率所消耗的空气为5.7m3/(kw·h)

发动机空滤器布置时尽量靠近发动机进气管或者增压器，挖掘机的空滤器大多布置在车架上，以降低机罩高度；空滤器进气口需要高于机罩15 mm，远离热源，减少灰尘进入空滤器。空滤器需要带阻力报警开关。

进气管路与空滤器的阻力应低于5 kPa。进气阻力过大会影响发动机高速时的功率和扭矩输出，同时也会增加燃油消耗，废气排放超标。

2.2 排气系统

消声器需要根据发动机的废气流量进行选取，接近进气量。降噪效果不小于15 dB(A)。消声器常布置在飞轮壳上方，降低发动机布置高度。

排气管路与消声器的排气背压低于10 kPa。排气背压过大也会与进气阻力一样影响发动机的性能。

2.3 冷却系统

目前在挖掘机上应用较多的是传统的非独立式散热系统，部分高端机上采用独立智能型散热系统。独立智能型散热系统，能较好地进行发动机的热管理，降低风扇消耗的功率，达到一个降低燃油消耗的目的。特别是在环境温度相对较低时，独立智能型散热系统的降油耗效果会更明显。

风扇的选取：吸风式风扇由于进气温度低，相对于吹风风扇而言冷却效果更好，在挖掘机上应用较普遍。风扇叶尖的线速度不要超过86 m/s。风扇叶片应进入导风罩内2/3。

由于挖掘机空间限制，水箱和中冷器通常采用并联布置，其他空调冷凝器、液压油散热器可再与水箱中冷器串联。

冷却系统需要满足产品在46℃环境下的使用要求，中冷器要保证中冷后的空气温度不能高于环境温度25℃。

2.4 润滑系统

油底壳需要满足发动机35°横倾和纵倾使用要求，带放油开关。部分用户需要满足45°的使用要求。

2.5 其他相关系统

（1）发动机支撑：发动机大多采用弹性4点支撑。

（2）冷起动能力：对于使用环境温度在-25℃以上的，需要加装进气预热系统，目前较成熟的是乙醚加热和电加热；环境温度在-25℃以下的，还需要加装燃油加热，机油加热和缸体冷却液加热。电瓶也需要换装低温高放电电池。

（3）其他：考虑到挖掘机是单侧维护，发动机的燃油滤清器和机油滤清器都需要远程布置，布置在较易接触维护的车架上。油尺需要采用长油尺，机油加油口需要布置在气缸盖罩壳上。起动电机和发电机也要尽量布置在发动机的维护侧。

进油阻力不能超过17 kPa（在燃油输送泵前）。进油阻力过大会减小发动机功率和扭矩输出。

3 动力性能优化

发动机的布置匹配是基础，性能合理匹配直接关系到挖掘机的作业能力和使用成本。目前挖掘机市场主要外资品牌动力有卡特彼勒、五十铃、三菱、康明斯、铂金斯、日野和道依茨。随着产品竞争的日趋激烈，动力总成性能匹配的合理性，将是发动机能否成功推广使用的关键因素。本文就以国内某品牌的10 t挖掘机的性能匹配为例，介绍其分析、设计过程，发动机主要技术参数见表1。

前期的发动机与液压传动工作系统匹配计算、组装样试车、产品的应用安装测试等就可以模拟挖掘机的正常作业工况。

表1 发动机参数配置

采集发动机在1小时内的工况运行参数。目前挖掘机配套动力后端连接柱塞式串联变量泵，双泵按全功率变量进行控制，两泵功率之和保持恒定，当执行单泵动作时，此泵可吸收另一不工作泵的功率，充分利用发动机动力。整理挖掘机正常工作时的发动机扭矩、转速与时间的对应关系。此数据可以通过对柴油机的ECM（电控单元）的数据整理而得，如表2所示。

燃油消耗率计算：

燃油消耗率=加权燃油消耗/加权功率总和

加权功率总和＝41.1 kW

加权燃油消耗＝10.1 kg/h

单位循环油耗＝245 g/(kW·h)

实际使用燃油消耗＝12.2 L/h

为了更直观地研究发动机的工作特性，将表2的数据转化为扭矩、转速与时间的气泡图，见图1。从图中可以很明显地看出发动机主要工作在1 850 r/min至2 050 r/min的区间范围内。

图1 发动机主要工作区域

表2 发动机扭矩、转速与时间的对应关系

然后通过此款柴油机的万有特性曲线图，可以看出挖掘机常用工况区远离发动机的最低油耗区。发动机没有工作在低油耗区，发动机的使用经济性较差，影响整机的使用成本，参见图2。由于进气增压型发动机的最低油耗区常在发动机的最大扭矩点附近，而本文中配套的发动机最大扭矩点在1 300 r/min至1 500 r/min之间。

图2 发动机最低油耗区与常用工况区

所以为了追求最佳的燃油经济性，使发动机运行在最佳油耗特性区间内，就需要调整发动机的标定转速至1 900 r/min，其它性能保持不变；同时还需要对挖掘机的液压系统进行适当的调节，相比原来状态，需要选用高流量的液压泵，液压系统压力适当增大，弥补发动机在低速运转时的功率损失。

优化后，按相同的试验方法采集相应的发动机运行工况参数，整理的气泡图如图3所示。从图中可以发现，优化后，在挖掘机工作时，发动机主要运行在1 650 r/min至1 850 r/min之间。与优化前的产品相比，发动机运行扭矩有适当提高，转速已大幅度向最低油耗区靠近。

优化后发动机燃油消耗率计算：

加权功率总和＝41.1 kW

图3 优化后的发动机主要工作区域

加权燃油消耗＝9.6 kg/h

单位循环油耗＝234 g/(kW·h)

实际使用燃油消耗＝11.6 L/h

计算结果显示实际使用燃油消耗从原来的12.2 L/h降至目前的11.6 L/h，挖掘机实际工作油耗下降5%，达到了优化设计的预期目标，也达到了节能减排的目的。

4 结论

通过对挖掘机配套发动机的结构和性能优化匹配，提高整机的操作舒适性和使用维护的成本。

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

来稿日期：2012-07-27

蔡李军（1983－），男，本科，主要研究方向为工程机械的动力匹配和应用。