非道路工程機(jī)械柴油機(jī)IIIB排放階段法規(guī)的輪式裝載機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭悅 黃子強(qiáng) 張娜 彭拔萃

摘 要：由于歐日和北美地區(qū)2010年10月1日開(kāi)始執(zhí)行非道路工程機(jī)械柴油機(jī)排放IIIB階段標(biāo)準(zhǔn)，2013年10月1日開(kāi)始執(zhí)行非道路工程機(jī)械柴油機(jī)排放Ⅳ階段標(biāo)準(zhǔn)，為滿足歐日和北美地區(qū)非道路工程機(jī)械柴油機(jī)排IIIB階段要求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種輪式裝載機(jī)，在原滿足非道路工程機(jī)械柴油機(jī)排放IIIA階段機(jī)型基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；燃油箱；柴油機(jī)系統(tǒng)；進(jìn)排氣系統(tǒng)；散熱系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK421.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）20-0021-03

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的排氣污染越來(lái)越嚴(yán)重地威脅著人類賴以生存的環(huán)境，環(huán)境保護(hù)也日益受到世界各國(guó)的高度重視，以美國(guó)、歐洲、日本為代表的國(guó)家先后制定了其汽車排放法規(guī)，并形成了三大排放體系，同時(shí)對(duì)非道路行走機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)制定相應(yīng)排放法規(guī)及實(shí)施年限，并提出了環(huán)保與節(jié)能全新概念。IIIB機(jī)型是在原滿足非道路工程機(jī)械柴油機(jī)排放IIIA階段機(jī)型基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)，在此分四部分介紹滿足非道路工程機(jī)械柴油機(jī)排放IIIB階段裝載機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)參數(shù)如下：

柴油箱：額定容積280 L；

柴油機(jī)：排量6.7 L，最大功率149 kW；

進(jìn)排氣系統(tǒng)：進(jìn)氣量大于1 000 CFM，過(guò)濾精度大于99%；

散熱系統(tǒng)：水散熱功率140 kW，空空中冷散熱功率35 kW，液壓油散熱功率30 kW，變矩器油散熱功率80 kW。

1 柴油箱設(shè)計(jì)

1.1 安裝形式

柴油箱采用后置安裝，具體安裝在后車架尾部，平衡重的前方，此種裝配方式方便拆裝、有利于維修和保養(yǎng)，在平衡重的保護(hù)下柴油箱也不易被撞擊。

1.2 裝配形式

柴油箱裝配采用減振墊，相對(duì)直接用螺紋連接裝配的方式，有減小柴油箱振動(dòng)和降低整機(jī)噪音的優(yōu)點(diǎn)，有效降低柴油箱箱體開(kāi)焊和安裝螺栓脫落事故的反饋率。但是，此種安裝方式柴油箱與車架是絕緣連接，所以要考慮在柴油箱上加接地點(diǎn)。

1.3 容 積

柴油箱設(shè)計(jì)留有5%的膨脹空間，防止加油時(shí)外溢。柴油箱額定容積280 L，可滿足10 h以上的全負(fù)荷工作。由于IV階段柴油機(jī)使用柴油要求含硫量<15 PPM，所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮在加油口注明柴油使用條件，防止誤加其它品質(zhì)柴油造成柴油機(jī)系統(tǒng)故障。

2 柴油機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

采用康明斯IIIB階段柴油機(jī)，與IIIA階段的柴油機(jī)主要區(qū)別在于IIIB階段采用變截面渦輪增壓器，提高柴油機(jī)進(jìn)氣量，用時(shí)采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)，降低一氧化碳和固體顆粒物排放量。由于EGR技術(shù)的應(yīng)用，需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液把發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體中一部分氣體冷卻后再次進(jìn)入進(jìn)氣端，導(dǎo)致柴油機(jī)冷卻散熱功率增加30%～40%，給散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了難度。

2.2 功率曲線配置

IIIB階段的柴油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)配置多條功率曲線，即強(qiáng)力模式，標(biāo)準(zhǔn)模式和經(jīng)濟(jì)模式，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際工作情況選擇合適的功率曲線。散熱系統(tǒng)能力按照強(qiáng)力模式設(shè)計(jì)，可以覆蓋其它兩種模式。

2.3 柴油機(jī)安裝改進(jìn)

本設(shè)計(jì)對(duì)柴油機(jī)安裝進(jìn)行了改進(jìn)，原IIIA機(jī)型柴油機(jī)安裝支座距離柴油機(jī)振動(dòng)中心線偏遠(yuǎn)，會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)位移；減振墊上下采用平墊結(jié)構(gòu)壓緊，不能有效控制前后和左右方向的位移。IIIB機(jī)型柴油機(jī)安裝支座距離柴油機(jī)振動(dòng)中心線距離小，減小振動(dòng)位移。減振墊上下采用碗狀墊結(jié)構(gòu)壓緊，有效控制前后和左右方向的位移，具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3 進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)氣系統(tǒng)采用三級(jí)過(guò)濾方式，具體為特博空氣預(yù)濾器+康明斯空氣濾清器，空氣濾清器機(jī)構(gòu)如圖2所示。

3.2 空氣濾清器安裝

空氣濾清器安裝，左右方向偏角不可超過(guò)30 ？觷，上下偏角不可超過(guò)60 ？觷，具體如圖3所示。

3.3 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排氣系統(tǒng)采用DPF尾氣處理器來(lái)滿足IIIB階段排放法規(guī)，由于DPF集成了消音器，所以無(wú)需再加裝消音器。DPF機(jī)體表面溫度較高，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)熱輻射會(huì)很大，所以在空濾與DPF之間加裝隔熱支板，排氣連接管加裝隔熱保護(hù)罩。與DPF控制單元連接的線束要求耐溫150 ？觷以上，排氣溫度高達(dá)800 ？觷，設(shè)計(jì)排氣管位置盡量偏遠(yuǎn)離駕駛室和散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口。

3.4 尾氣處理器安裝

DPF尾氣處理器安裝要求進(jìn)出口不能互換，機(jī)體安裝偏角不超過(guò)6 ？觷，安裝不能采用減振墊連接方式，必須是硬性連接。DPF不能包裹隔熱材料。

3.5 排氣尾管安裝

此系統(tǒng)對(duì)排氣連接管的要求很高，要求每處泄漏量不能大于0.5 CFM，總泄露量不能大于1.0 CFM，并且要保證在8 000 h以內(nèi)必須不出現(xiàn)漏氣等質(zhì)量問(wèn)題。

為排出發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)熱空氣和降低排氣溫度，排氣尾管采用雙層過(guò)渡管方式。此方法可以通過(guò)兩個(gè)過(guò)渡管直徑不同和嵌入長(zhǎng)度來(lái)制造壓力差，從而吸出發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)部分熱空氣，同時(shí)也可以延緩排氣時(shí)間，降低排氣溫度。根據(jù)整機(jī)的振動(dòng)頻率設(shè)計(jì)排氣尾管的高度和直徑、過(guò)渡管的直徑和嵌入長(zhǎng)度。本次IIIB機(jī)型裝載機(jī)過(guò)渡管直徑是排氣尾管直徑的1/2，過(guò)渡管長(zhǎng)度是排氣尾管總長(zhǎng)的1/2，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，可以降低整機(jī)機(jī)外噪音0.5 dB，降低整機(jī)機(jī)內(nèi)噪音0.5 dB。

4 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 散熱器平衡溫度

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的分配情況，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水散熱器、空空中冷散熱器，變矩器油散熱器及液壓油散熱器所需要散熱能量，并根據(jù)散熱系統(tǒng)中各介質(zhì)所要求的熱平衡溫度的對(duì)各個(gè)散熱器進(jìn)行布置，各散熱器要求的平衡溫度，見(jiàn)表1。

因此各散熱器布置的原則：熱平衡溫度要求低，布置在散熱風(fēng)道前端的迎風(fēng)面（溫度低的端面），如圖4所示。

該結(jié)構(gòu)為：?jiǎn)螌硬⒙?lián)結(jié)構(gòu)+后置吸風(fēng)式風(fēng)扇。

4.2 散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.2.1 散熱器的材料和布置、冷卻形式選擇、散熱帶形式選擇

由于IIIB階段柴油機(jī)的散熱量要比同等功率IIIA階段柴油機(jī)增大30%～40%，如果采用傳統(tǒng)IIIA機(jī)型的散熱器布置，散熱器的迎風(fēng)面積會(huì)增加很多，給整機(jī)布置帶來(lái)困難，所以本次IIIB機(jī)型在設(shè)計(jì)時(shí)變矩器油散熱器采用水冷的方式，其它散熱器延用風(fēng)冷方式。除變矩器油散熱器采用不銹鋼材質(zhì)，其它的散熱器均采用寬片距（片距為3 mm）翅片式鋁質(zhì)集成式散熱器，將空空中冷器、水散熱器和液壓油散熱器并列位于以一層，風(fēng)扇布置在后側(cè)，并可以旋轉(zhuǎn)打開(kāi)，方便清洗翅片表面的粉塵和雜物。變矩器油散熱器安裝在柴油箱上表面，安裝面為傾斜布置，方便變矩器油散熱器拆裝和維修。

4.2.2 隔熱板的作用

隔熱板布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙與散熱系統(tǒng)之間，將冷空氣側(cè)和熱空氣側(cè)隔開(kāi)，主要目的將發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射和熱氣流阻隔，確保從發(fā)動(dòng)機(jī)罩透風(fēng)柵進(jìn)入氣流溫度與環(huán)境溫度接近。隔板上部和左右兩側(cè)都是傾斜角度設(shè)計(jì)，起到導(dǎo)風(fēng)作用，確保進(jìn)風(fēng)順暢，同時(shí)在隔熱板上粘貼吸引材料可以降低機(jī)外輻射噪音。

4.2.3 布置形式

采用溫控馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇形式，布置靈活，其可以布置在散熱器的后部，也可以布置在散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間。IIIA機(jī)型的風(fēng)扇布置在散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間，從發(fā)動(dòng)機(jī)罩左右兩側(cè)排風(fēng)，排風(fēng)角度大，造成部分熱空氣回流，散熱效果降低，且風(fēng)扇側(cè)散熱器不易維護(hù)清理。

所以本次IIIB機(jī)型考慮到散熱器布置和維護(hù)維修的方便性把風(fēng)扇布置在散熱器的后部，液壓馬達(dá)為溫控式單向作業(yè)馬達(dá)，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)主要是用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇給系統(tǒng)散熱，其轉(zhuǎn)速會(huì)隨著各個(gè)散熱器監(jiān)控溫度變化而變化，即系統(tǒng)溫度升高（降低）時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速就會(huì)升高（降低），這樣既可以延長(zhǎng)液壓泵和馬達(dá)的壽命，又能夠節(jié)約能源，降低整機(jī)噪音，同時(shí)還能夠容易實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整工作壓力，進(jìn)而提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，提高風(fēng)量，來(lái)解決高溫地區(qū)散熱系統(tǒng)過(guò)熱問(wèn)題。

液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇控制策略是通過(guò)反比例電磁閥來(lái)控制液壓馬達(dá)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化，本次IIIB機(jī)型水散熱器的溫度設(shè)定范圍是76～88 ℃，即當(dāng)水散熱器中介質(zhì)溫度低于76 ℃時(shí)風(fēng)扇靜止不動(dòng)，當(dāng)水散熱器中介質(zhì)溫度在76～88 ℃時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)溫度傳感器輸出給馬達(dá)的電信號(hào)在零到設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速之間自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)水散熱器中介質(zhì)溫度高于88 ℃時(shí)風(fēng)扇達(dá)到設(shè)定最高轉(zhuǎn)速。

5 結(jié) 語(yǔ)

滿足非道路工程機(jī)械柴油機(jī)排放IIIB階段在歐美已經(jīng)執(zhí)行，攻克IIIB階段機(jī)型裝載機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)在排氣系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是關(guān)鍵，因下一排放階段IV階段機(jī)型，除在尾氣處理環(huán)節(jié)增加尿素還原系統(tǒng)，其它動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)與IIIB階段相同，所以IIIB機(jī)型的成功開(kāi)發(fā)為下一排放階段IV階段機(jī)型設(shè)計(jì)提供良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

2012年應(yīng)用以上動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)設(shè)計(jì)的IIIB機(jī)型產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)布，并銷售到歐盟地區(qū)，產(chǎn)品適應(yīng)性，特別是散熱能力，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證可滿足用戶使用工況需求。

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