非道路工程机械柴油机IIIB排放阶段法规的轮式装载机动力系统设计

郑悦 黄子强 张娜 彭拔萃

摘 要：由于欧日和北美地区2010年10月1日开始执行非道路工程机械柴油机排放IIIB阶段标准，2013年10月1日开始执行非道路工程机械柴油机排放Ⅳ阶段标准，为满足欧日和北美地区非道路工程机械柴油机排IIIB阶段要求，开发设计一种轮式装载机，在原满足非道路工程机械柴油机排放IIIA阶段机型基础上进行动力系统升级。

关键词：装载机；燃油箱；柴油机系统；进排气系统；散热系统

中图分类号：TK421.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0021-03

随着汽车工业的发展，汽车的排气污染越来越严重地威胁着人类赖以生存的环境，环境保护也日益受到世界各国的高度重视，以美国、欧洲、日本为代表的国家先后制定了其汽车排放法规，并形成了三大排放体系，同时对非道路行走机械用发动机制定相应排放法规及实施年限，并提出了环保与节能全新概念。IIIB机型是在原满足非道路工程机械柴油机排放IIIA阶段机型基础上进行动力系统升级，在此分四部分介绍满足非道路工程机械柴油机排放IIIB阶段装载机动力系统设计，主要动力系统参数如下：

柴油箱：额定容积280 L；

柴油机：排量6.7 L，最大功率149 kW；

进排气系统：进气量大于1 000 CFM，过滤精度大于99%；

散热系统：水散热功率140 kW，空空中冷散热功率35 kW，液压油散热功率30 kW，变矩器油散热功率80 kW。

1 柴油箱设计

1.1 安装形式

柴油箱采用后置安装，具体安装在后车架尾部，平衡重的前方，此种装配方式方便拆装、有利于维修和保养，在平衡重的保护下柴油箱也不易被撞击。

1.2 装配形式

柴油箱装配采用减振垫，相对直接用螺纹连接装配的方式，有减小柴油箱振动和降低整机噪音的优点，有效降低柴油箱箱体开焊和安装螺栓脱落事故的反馈率。但是，此种安装方式柴油箱与车架是绝缘连接，所以要考虑在柴油箱上加接地点。

1.3 容 积

柴油箱设计留有5%的膨胀空间，防止加油时外溢。柴油箱额定容积280 L，可满足10 h以上的全负荷工作。由于IV阶段柴油机使用柴油要求含硫量<15 PPM，所以设计时考虑在加油口注明柴油使用条件，防止误加其它品质柴油造成柴油机系统故障。

2 柴油机系统设计

2.1 发动机选型

采用康明斯IIIB阶段柴油机，与IIIA阶段的柴油机主要区别在于IIIB阶段采用变截面涡轮增压器，提高柴油机进气量，用时采用废气再循环（EGR）技术，降低一氧化碳和固体颗粒物排放量。由于EGR技术的应用，需要利用发动机冷却液把发动机排出气体中一部分气体冷却后再次进入进气端，导致柴油机冷却散热功率增加30%～40%，给散热系统设计增加了难度。

2.2 功率曲线配置

IIIB阶段的柴油机可以实现一机配置多条功率曲线，即强力模式，标准模式和经济模式，用户可以根据自己的实际工作情况选择合适的功率曲线。散热系统能力按照强力模式设计，可以覆盖其它两种模式。

2.3 柴油机安装改进

本设计对柴油机安装进行了改进，原IIIA机型柴油机安装支座距离柴油机振动中心线偏远，会产生较大的振动位移；减振垫上下采用平垫结构压紧，不能有效控制前后和左右方向的位移。IIIB机型柴油机安装支座距离柴油机振动中心线距离小，减小振动位移。减振垫上下采用碗状垫结构压紧，有效控制前后和左右方向的位移，具体结构，如图1所示。

3 进排气系统设计

3.1 进气系统设计

进气系统采用三级过滤方式，具体为特博空气预滤器+康明斯空气滤清器，空气滤清器机构如图2所示。

3.2 空气滤清器安装

空气滤清器安装，左右方向偏角不可超过30 ？觷，上下偏角不可超过60 ？觷，具体如图3所示。

3.3 排气系统设计

排气系统采用DPF尾气处理器来满足IIIB阶段排放法规，由于DPF集成了消音器，所以无需再加装消音器。DPF机体表面温度较高，发动机罩内热辐射会很大，所以在空滤与DPF之间加装隔热支板，排气连接管加装隔热保护罩。与DPF控制单元连接的线束要求耐温150 ？觷以上，排气温度高达800 ？觷，设计排气管位置尽量偏远离驾驶室和散热系统进风口。

3.4 尾气处理器安装

DPF尾气处理器安装要求进出口不能互换，机体安装偏角不超过6 ？觷，安装不能采用减振垫连接方式，必须是硬性连接。DPF不能包裹隔热材料。

3.5 排气尾管安装

此系统对排气连接管的要求很高，要求每处泄漏量不能大于0.5 CFM，总泄露量不能大于1.0 CFM，并且要保证在8 000 h以内必须不出现漏气等质量问题。

为排出发动机罩内热空气和降低排气温度，排气尾管采用双层过渡管方式。此方法可以通过两个过渡管直径不同和嵌入长度来制造压力差，从而吸出发动机罩内部分热空气，同时也可以延缓排气时间，降低排气温度。根据整机的振动频率设计排气尾管的高度和直径、过渡管的直径和嵌入长度。本次IIIB机型装载机过渡管直径是排气尾管直径的1/2，过渡管长度是排气尾管总长的1/2，经实验证明，可以降低整机机外噪音0.5 dB，降低整机机内噪音0.5 dB。

4 散热系统设计

4.1 散热器平衡温度

通过对发动机输出功率的分配情况，计算出发动机的冷却水散热器、空空中冷散热器，变矩器油散热器及液压油散热器所需要散热能量，并根据散热系统中各介质所要求的热平衡温度的对各个散热器进行布置，各散热器要求的平衡温度，见表1。

因此各散热器布置的原则：热平衡温度要求低，布置在散热风道前端的迎风面（温度低的端面），如图4所示。

该结构为：单层并联结构+后置吸风式风扇。

4.2 散热系统的设计要点

4.2.1 散热器的材料和布置、冷却形式选择、散热带形式选择

由于IIIB阶段柴油机的散热量要比同等功率IIIA阶段柴油机增大30%～40%，如果采用传统IIIA机型的散热器布置，散热器的迎风面积会增加很多，给整机布置带来困难，所以本次IIIB机型在设计时变矩器油散热器采用水冷的方式，其它散热器延用风冷方式。除变矩器油散热器采用不锈钢材质，其它的散热器均采用宽片距（片距为3 mm）翅片式铝质集成式散热器，将空空中冷器、水散热器和液压油散热器并列位于以一层，风扇布置在后侧，并可以旋转打开，方便清洗翅片表面的粉尘和杂物。变矩器油散热器安装在柴油箱上表面，安装面为倾斜布置，方便变矩器油散热器拆装和维修。

4.2.2 隔热板的作用

隔热板布置在发动机舱与散热系统之间，将冷空气侧和热空气侧隔开，主要目的将发动机热辐射和热气流阻隔，确保从发动机罩透风栅进入气流温度与环境温度接近。隔板上部和左右两侧都是倾斜角度设计，起到导风作用，确保进风顺畅，同时在隔热板上粘贴吸引材料可以降低机外辐射噪音。

4.2.3 布置形式

采用温控马达驱动风扇形式，布置灵活，其可以布置在散热器的后部，也可以布置在散热器与发动机之间。IIIA机型的风扇布置在散热器与发动机之间，从发动机罩左右两侧排风，排风角度大，造成部分热空气回流，散热效果降低，且风扇侧散热器不易维护清理。

所以本次IIIB机型考虑到散热器布置和维护维修的方便性把风扇布置在散热器的后部，液压马达为温控式单向作业马达，马达旋转主要是用于驱动风扇给系统散热，其转速会随着各个散热器监控温度变化而变化，即系统温度升高（降低）时，马达转速就会升高（降低），这样既可以延长液压泵和马达的寿命，又能够节约能源，降低整机噪音，同时还能够容易实现通过调整工作压力，进而提高风扇转速，提高风量，来解决高温地区散热系统过热问题。

液压马达驱动风扇控制策略是通过反比例电磁阀来控制液压马达压力来实现风扇转速变化，本次IIIB机型水散热器的温度设定范围是76～88 ℃，即当水散热器中介质温度低于76 ℃时风扇静止不动，当水散热器中介质温度在76～88 ℃时，风扇转速根据温度传感器输出给马达的电信号在零到设定的最高转速之间自动调节，当水散热器中介质温度高于88 ℃时风扇达到设定最高转速。

5 结 语

满足非道路工程机械柴油机排放IIIB阶段在欧美已经执行，攻克IIIB阶段机型装载机动力系统设计在排气系统和散热系统的设计难点是关键，因下一排放阶段IV阶段机型，除在尾气处理环节增加尿素还原系统，其它动力系统技术与IIIB阶段相同，所以IIIB机型的成功开发为下一排放阶段IV阶段机型设计提供良好的理论和实践基础。

2012年应用以上动力系统升级设计的IIIB机型产品已经发布，并销售到欧盟地区，产品适应性，特别是散热能力，经过市场验证可满足用户使用工况需求。

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