柴油机的特性分析与恒功率控制研究

四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系 四川德阳 618000

1 研究背景

随着世界能源短缺的日益加重,如何提高能源利用率并节省能源,成为业内研究的重点。液压传动具有功率密度大、布置灵活、结构简单、动态响应快、易实现直线运动、易过载保护、操作方便等优点,在工程机械中普遍应用[1-3]。由于自身的工作特性,液压系统存在效率较低、能量损失较大等缺点。工程机械的液压系统在比较严苛的条件下工作,面临功率大、换向频繁、调速范围宽等一系列要求,因此工作时的能量损失较大。柴油机负荷率高,冲击大。装载机、铲运机类的最大负荷工况与平均负荷之比为 1.6～2.0,其中一个工作循环内的大负荷时间为20～80 s。推土机、单斗挖掘机类的最大负荷工况与平均负荷之比为2～3,一个工作循环内的大负荷时间为10～15 s[4]。可见,柴油机作为工程机械液压系统的原动机,负荷变化大,输出功率大,在将自身能量传递至液压系统的同时,也会产生较大的能量损失。基于以上分析可见,如何最大限度利用柴油机的功率,提高柴油机的功率利用率,具有重要意义。笔者对柴油机的特性进行分析,并对柴油机的恒功率控制进行研究。

2 柴油机特性分析

柴油机供油拉杆在不同位置时测得的转矩转速特性曲线如图1所示,横坐标为柴油机的转速,纵坐标为柴油机有效转矩。曲线Ⅰ′为供油拉杆在超额定供油位置,即超负荷时的转矩转速特性曲线,此时虽然转矩也有所增大,但是由于供油过多,燃烧不充分,因此燃油经济性较差,不适合长时间工作。曲线Ⅰ为供油拉杆在额定供油位置时的转矩转速特性曲线,表征柴油机允许发出的最大转矩,通常称为外特性曲线。由曲线Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ可见,循环供油量减小时,有效转矩减小[5]。n0为柴油机最大有效转矩所对应的转速。

图1 供油拉杆不同位置时柴油机转矩转速特性曲线

由图1可以看出,柴油机转矩转速特性曲线较为平缓,这意味着柴油机负荷发生轻微变化就会引起转速较大变化。如图2所示,当柴油机负荷变化,使转矩从T0减小至T1时,转速由n0增大至n1。显然,柴油机的这种特性无法满足工程作业的要求,而且不稳定的转速也会降低燃油的燃烧效率和使用经济性。为了保证柴油机转速稳定,满足工程机械作业的要求,同时为了提高燃油的燃烧效率,在柴油机负荷发生变化时,需要对循环供油量进行调整,以维持转速稳定。当柴油机负荷变化,使转矩由T1增大至T0时,如果将供油拉杆由位置b调整至位置a,那么就可以增大供油量,在满足负荷要求的同时保持转速n0不变。反之,当柴油机负荷变化,使转矩由T0减小至T1时,如果将供油拉杆位置a调整至位置b,那么就可以减小供油量,同时维持转速n0不变。工程机械的负荷变化十分复杂,单纯依靠驾驶员通过操纵供油拉杆来改变循环供油量是不切实际的,对此,柴油机广泛使用调速器以实时改变循环供油量,满足作业要求。

图2 负荷变化时柴油机转矩转速特性曲线

基于单制式调速器分析柴油机的工作特性。柴油机在工作过程中,负荷对应的转矩为T0时,转速为n0。柴油机负荷减小,负荷对应的转矩由T0减小至T1时,供油量超过了负荷的需求,柴油机的转速会从n0逐渐增大,钢球的离心力同时增大。增大后的离心力破坏了弹簧的平衡状态,迫使推力盘移动,并最终带动供油拉杆移动,减小供油量,直至调整后的供油量与负荷对应的转矩T1重新适应。如图3所示,此时,柴油机的转速已经从n0增大至n′0并趋于稳定,推力盘也停止移动,调速器重新回到平衡状态。反之,柴油机负荷增大,负荷对应的转矩由T1增大至T0时,供油量无法满足负荷的需求,柴油机的转速就会从n′0逐渐减小至n0。由于调速器的作用,供油拉杆移动,增大供油量,直至调整后的供油量与负荷对应的转矩T0重新适应。

图3 采用调速器后柴油机转矩转速特性曲线

应用调速器后,在柴油机工作过程中,负荷变化导致循环供油量变化,同时转速也会出现少许变化。发动机有效功率Pe为:

Pe=Ten/9 550

(1)

式中:Te为发动机有效转矩;n为发动机转速。

供油拉杆处于位置c,柴油机有效转矩为T0,转速为n0,此时柴油机的有效功率Pec为:

Pec=T0n0/9 550

(2)

调速器发挥作用以后,供油拉杆处于位置d,此时柴油机有效转矩为T1,转速为n′0,有效功率Ped为:

Ped=T1n′0/9 550

(3)

由式(2)、式(3)可见,如果柴油机负荷发生较大变化,那么其有效功率也将发生较大变化。

3 功率利用率分析

工程机械在工作时,由液压系统驱动,液压系统的能量则来自于柴油机。由于工程机械作业时的负荷常常发生变化,即柴油机所受的负荷常常发生变化,因此柴油机传递至液压系统的有效功率也常常发生变化。另一方面,内燃机的特性决定了耗油量和可使用的最大功率并不会因负荷或有效功率的变化而产生线性变化。换言之,液压系统所受的负荷不同,即柴油机所受的负荷不同,液压系统对柴油机的功率利用率也就不同。功率利用率反映了液压系统对发动机功率的利用程度,同时也是衡量工程机械整机效率的一个指标。工程机械工作时,不断变化的柴油机负荷意味着不均匀的功率利用率,这就使柴油机的功率选择面临难题。如果选择的柴油机功率太小,那么显然无法满足柴油机高负荷工作时的要求。如果选择的柴油机功率太大,那么液压系统将长时间处于低负荷状态,会产生较低的功率利用率和较大的能量损耗。事实上,为了满足工程机械作业任务的要求,柴油机功率按照最大负荷选取,这在变负荷工况下更易造成较大的功率损失。

4 恒功率控制研究

为了最大限度降低柴油机的功率损耗,节约燃料和能量,可以对工程机械液压系统进行功率控制。功率控制是根据液压系统压力信号,使泵的功率按照预定规律变化的一种控制形式。对于变量泵而言,常用的功率控制方法为恒功率控制,即通过控制使泵压力与流量的乘积保持不变,根据液压泵的功率计算式,泵的功率也将保持不变。

变量泵恒功率控制原理如图4所示,特性曲线如图5所示[6]。恒功率控制一般通过功率调节器实现,功率调节器的活塞杆一侧与液压泵的变量机构相连,另一侧与泵的出口相连。活塞杆一侧设置了弹簧,具有一定的预紧力,泵的出口压力作用在活塞的右侧。液压泵工作时,不考虑各类压力损失,出口压力由其所受的负荷决定。当由负荷产生的出口压力较小时,油液对活塞右侧的作用力不足以克服功率调节器弹簧的预紧力,活塞处于最右端位置,此时变量泵的斜盘倾角α具有最大值αmax,泵的排量为最大,同时流量q达到最大值qmax。随着负荷的增大,压力开始增大。当压力增大至p0时,作用在活塞右侧的作用力和弹簧力相平衡,此时弹簧有被压缩的趋势,压力p0也被称为起调压力,调节器处于调节起始位置。随着压力的进一步增大,弹簧被压缩,活塞杆沿轴向向左移动。活塞杆移动后,通过变量泵调节机构改变泵的斜盘倾角,使斜盘倾角变小,变量泵的排量随之减小。在转速不变的前提下,泵的输出流量相应减小。当负荷继续增大使泵的输出压力达到最大值pmax时,弹簧的压缩量达到最大,pmax被称为调节终了压力,调节器处于调节终了位置。在活塞杆的推动下,泵的斜盘倾角达到最小值αmin,排量也为最小值,流量自然降至最小值qmin。

图4 变量泵恒功率控制原理

图5 恒功率控制特性曲线

泵的出口压力从p0开始增大至pmax的区间称为功率调节器的调节范围。由于泵的出口压力和弹簧的压缩量近似成定比线性关系,弹簧的压缩量和泵的斜盘倾角近似成反比关系,因此泵的出口压力和斜盘倾角近似成反比关系。对于变量泵而言,其排量直接取决于斜盘倾角的大小,因此泵的出口压力与排量近似成反比关系。在转速不变的前提下,泵的排量决定流量,泵的出口压力与流量可看作成反比关系,即压力和流量的乘积保持不变。这就意味着在调节范围内,泵的功率保持恒定。通过恒功率控制,变量泵流量的变化可适应压力的变化,两者成双曲线变化关系。由于泵的压力由负荷决定,因此恒功率控制可以确保工程机械作业时工作装置可应对负荷变化做出实时调整。

5 结束语

在液压传动技术中,节能是一项重要的课题。在当今创建节约型社会和节能型企业的过程中,将节能意识融于液压系统设计与改造中,是非常有必要的[7]。工程机械柴油机在工作时,有效功率随负荷变化而变化。现代液压控制系统正在向高压、大功率方向发展,要求更多地使用功率调节,目的是实现动力源和负荷之间的功率适应与功率匹配,使原动机能工作在最佳工况下[8-10]。恒功率控制可以使工程机械在负荷变化的范围内,保持功率近似不变,并充分利用柴油机的功率,同时使柴油机的功率选择更为合理。当然,恒功率控制要求变量泵的调节机构灵敏可靠,由此带来了结构复杂、制造难度大等一些问题。另一方面,对于定量泵系统,恒功率控制是无法使用的,需要研究其它的节能方式。