礦山自卸車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性匹配特點(diǎn)研究

余典典+張育維+嚴(yán)利群+李學(xué)兵

摘 要：礦山自卸車(chē)工況相對(duì)公路車(chē)更為復(fù)雜。本文對(duì)礦山自卸車(chē)典型工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析，論述了其工況特點(diǎn)，并根據(jù)工況特點(diǎn)討論了礦山自行車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)特性設(shè)計(jì)需求，同時(shí)基于國(guó)內(nèi)某款礦山自卸車(chē)進(jìn)行建模仿真，并進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。最后提出了對(duì)于礦山自卸車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)的匹配和設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：礦山自卸車(chē)；燃油經(jīng)濟(jì)性；發(fā)動(dòng)機(jī)；工況；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.3+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）05-0025-05

Research on Economic characteristics of Dump-truck engine

YU Dian-dian， ZHANG Yu-wei， YAN Li-qun， LI Xue-bing

（ DongFeng Commercial Vehickeco.LTD.， Wuhan430056， China ）

Abstract： The Working conditions of Dump-truck are relatively more complicated than road-truck. In this paper， we collected and analyzed the data from typical working conditions of dump-truck. The characteristics of the working conditions are discussed. According to the working conditions， the design requirements of the engine are discussed. Modeling， simulation and the results of field test are also given. Finally， this paper put forward the matching and design requirements for the fuel economy of Dump-

1 緒論

對(duì)于商用車(chē)來(lái)說(shuō)燃油成占總運(yùn)行成本最高，約50%以上。而動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性是商用車(chē)最重要的特性之一，對(duì)于礦山自卸車(chē)，因其工況復(fù)雜，在以往對(duì)與動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的平衡中更加重視動(dòng)力性。但隨著中國(guó)商用汽車(chē)市場(chǎng)的不斷規(guī)范和完善，自卸車(chē)用戶(hù)的燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)注度不斷攀升。礦山自卸車(chē)因其工況的特殊性，百公里油耗可達(dá)200～300L/100km，因此研究自卸車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性顯得越發(fā)重要。

為了提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，商用車(chē)廠(chǎng)家往往通過(guò)以下手段提高燃油經(jīng)濟(jì)性：

1.提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率：

（1）提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率：通過(guò)改善燃燒，減少冷卻損失以提高熱效率，采用汽油電控燃料供給系統(tǒng)、柴油高壓共軌燃料供給系統(tǒng)和ECU控制使發(fā)動(dòng)機(jī)工作最優(yōu)化，優(yōu)化怠速消耗；

（2）動(dòng)力及傳動(dòng)匹配技術(shù)：基于車(chē)輛的工況優(yōu)化傳動(dòng)方案，將車(chē)輛盡可能運(yùn)行于發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率區(qū)域。

2.降低消耗

（1）降低行駛阻力——通過(guò)優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)、增加空氣動(dòng)力學(xué)組件、優(yōu)化上裝及主掛匹配來(lái)減少空氣阻力；通過(guò)改進(jìn)輪胎結(jié)構(gòu)、材料優(yōu)化胎壓及胎壓檢測(cè)技術(shù)來(lái)減少滾動(dòng)阻力；

（2）減少附件消耗——通過(guò)熱管理技術(shù)優(yōu)化精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、采用低消耗的電器系統(tǒng)、采用可斷開(kāi)的空氣壓縮機(jī)；

（3）減少傳動(dòng)消耗——通過(guò)優(yōu)化傳動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)、加工工藝和潤(rùn)滑油脂提高傳動(dòng)效率；

（4）減少動(dòng)力中斷——采用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)減少換換擋，采用自動(dòng)變速箱或優(yōu)化變速箱結(jié)構(gòu)減少換擋時(shí)間。

3.優(yōu)化車(chē)輛運(yùn)行方案：基于遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)開(kāi)發(fā)后市場(chǎng)技術(shù)商品，在車(chē)輛使用中進(jìn)一步優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性，主要包括：

（1）合理的保養(yǎng)——通過(guò)合理的保養(yǎng)，讓車(chē)輛各零部件達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)；

（2）駕駛操作技術(shù)——根據(jù)路況（坡道、路面、車(chē)流量、彎道、車(chē)速）合理運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)和動(dòng)力區(qū)，合理?yè)Q擋，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；

（3）優(yōu)化行駛路線(xiàn)——通過(guò)預(yù)知天氣、路況、貨物優(yōu)化行駛路線(xiàn)，減少堵車(chē)、空駛等情況。

牽引車(chē)、載貨一般用于中長(zhǎng)途運(yùn)輸，車(chē)速較高，載重標(biāo)準(zhǔn)，路面平整，道路坡度小工況相對(duì)較好。自卸車(chē)一般分為公路自卸和礦山自卸。礦山自卸是渣土剝巖類(lèi)的短途非公路運(yùn)輸車(chē)，載重較大，路面條件惡劣，坡多且坡度大，車(chē)速慢，本文主要通過(guò)對(duì)改工況的研究和分析，對(duì)礦山自卸發(fā)動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)提出了新的開(kāi)發(fā)要求。

2 礦山自卸車(chē)工況研究

2.1 礦山自卸車(chē)市場(chǎng)用途特征

整車(chē)市場(chǎng)用途特征說(shuō)明：短途倒運(yùn)，滿(mǎn)足高附加值運(yùn)輸市場(chǎng)的時(shí)效性、油耗、出勤率需求。

2.2 礦山自卸車(chē)環(huán)境工況

為研究礦山自卸車(chē)環(huán)境工況特點(diǎn)，選擇了典型的鐵礦采集場(chǎng)，進(jìn)行研究和分析，圖1為該鐵礦長(zhǎng)的環(huán)境照片。通過(guò)GPS數(shù)據(jù)采集得到海拔及坡道數(shù)據(jù)，如圖2所示。

經(jīng)過(guò)調(diào)查總結(jié)其工況循環(huán)為：車(chē)輛在裝料后，GVW為60～70噸，重載下坡，坡度約為26.4%，下坡后為緩坡，之后經(jīng)過(guò)連續(xù)上坡，倒運(yùn)到堆場(chǎng)，運(yùn)距1km左右，最大上坡度21.4%。

所以礦山自卸車(chē)工況具有總重大、坡度大、彎道多、路面差等區(qū)別于普通公路車(chē)特點(diǎn)，詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表1。

2.3 礦山自卸車(chē)駕駛特點(diǎn)研究

礦山自卸車(chē)環(huán)境工況惡劣，必然導(dǎo)致車(chē)司機(jī)的駕駛習(xí)慣也與公路車(chē)差異，主要表現(xiàn)在油門(mén)、擋位、轉(zhuǎn)速、車(chē)速不同。為詳細(xì)分析駕駛特點(diǎn)，分別采集用戶(hù)在實(shí)際駕駛中重載上坡、重載下坡、空載上坡發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩。如圖3-5分別為車(chē)輛各行駛狀態(tài)下動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩概率分布圖，同時(shí)疊加該車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)map：endprint

重載上坡：轉(zhuǎn)速主要集中于2000～2300rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷50%～100%

重載下坡：轉(zhuǎn)速主要集中于1600～2100rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷50%～100%

空載上坡：轉(zhuǎn)速主要集中于900～1600rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷0%～60%

圖6為典型的公路牽引車(chē)轉(zhuǎn)速、扭矩概率分布圖，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速集中于1000～1300rpm。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，礦山自卸車(chē)使用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，且運(yùn)行區(qū)間都不在發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)，集中于205～220g/kw.h。礦山自卸車(chē)與公路運(yùn)輸車(chē)駕駛及關(guān)注點(diǎn)的差異如表2：

分析原因：通過(guò)10個(gè)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)調(diào)查，使用較高轉(zhuǎn)速主要原因?yàn)椋河捎诳傊卮?，道路坡度大，路面波?dòng)復(fù)雜，行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，一般在400rpm左右，較難控制。所以司機(jī)通過(guò)使用低擋位、高轉(zhuǎn)速保證發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率以應(yīng)對(duì)路面突變和轉(zhuǎn)速突變，防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

3 礦山自卸車(chē)經(jīng)濟(jì)性的改善研究

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及傳動(dòng)匹配必須符合工況特點(diǎn)和駕駛習(xí)慣，商用車(chē)優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性方法在緒論中已經(jīng)介紹。對(duì)礦山自卸車(chē)，由于車(chē)速較低，路況惡劣，優(yōu)化風(fēng)阻式難以起到效果，經(jīng)濟(jì)性改善方向集中在優(yōu)化傳動(dòng)比和發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化傳動(dòng)比作為常規(guī)手段，使用較多，但是隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，整車(chē)經(jīng)濟(jì)性要求逐漸提高，必須對(duì)較復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能方面進(jìn)行研究，爭(zhēng)取提高整車(chē)經(jīng)濟(jì)性水平。

3.1 改善方案

對(duì)礦山自卸車(chē)工況特點(diǎn)與用戶(hù)駕駛習(xí)慣已在前一章介紹，據(jù)此，確定了以下幾個(gè)方向進(jìn)行研究：

1） 解決行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率低

措施1：限制發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速

根據(jù)采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖2，重載上坡時(shí)。司機(jī)的實(shí)際駕駛習(xí)慣，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于2200r/m占比高于50%，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗處于惡劣區(qū)域，燃油消耗率可達(dá)220～250g/kw.h。所以需要通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速，防止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于此轉(zhuǎn)速下，達(dá)到降低油耗的目的。

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)調(diào)試，并由駕駛員主觀評(píng)價(jià)，最高轉(zhuǎn)速在1900rpm最為合適。

經(jīng)濟(jì)性預(yù)估：根據(jù)采集數(shù)據(jù)負(fù)荷分析，最高轉(zhuǎn)速1900rpm時(shí)燃油消耗率不高于220 g/kw.h；

動(dòng)力性校核：根據(jù)該款發(fā)動(dòng)機(jī)特性，額定功率為1900rpm，可最大輸出發(fā)動(dòng)機(jī)功率。工程工況行駛轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度400rpm，上坡常用轉(zhuǎn)速最低不小于1500rpm此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最大，可維持最大驅(qū)動(dòng)力。

措施2：發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)高速化

礦山自卸車(chē)的動(dòng)力匹配及發(fā)動(dòng)機(jī)特性設(shè)計(jì)不能按照主流的公路車(chē)改善方向，如使用更小的后橋速比、更低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以得到良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，而應(yīng)該注重發(fā)動(dòng)機(jī)中高轉(zhuǎn)速的燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制能力。

在整個(gè)工況duty cycle中，發(fā)動(dòng)機(jī)1300～1800rpm使用概率占50%以上，為適應(yīng)工況和駕駛特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)著重提高該轉(zhuǎn)速區(qū)燃燒效率。圖7為優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性map，相對(duì)原始萬(wàn)有特性，經(jīng)濟(jì)區(qū)向高轉(zhuǎn)速移動(dòng)，需要重新匹配增壓器。

2） 解決復(fù)雜道路行駛轉(zhuǎn)速控制難等問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化駕駛感覺(jué)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，提高燃油經(jīng)濟(jì)性性

措施3：發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)特性?xún)?yōu)化，提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

通過(guò)改善發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)特性（調(diào)速特性），使其更偏向兩級(jí)調(diào)速特性，在坡度變化頻繁、路面不平整道路，更有助于保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，減少駕駛員人為調(diào)整，保持車(chē)速，提高坡道起步動(dòng)力性。圖8為優(yōu)化后的油門(mén)特性。轉(zhuǎn)速對(duì)油門(mén)開(kāi)度響應(yīng)更加靈敏。

措施4：提升最大扭矩

提升最大扭矩有助于進(jìn)一步提高復(fù)雜工況車(chē)速、擋位保持能力，減少換檔，改善整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

3.2 方案驗(yàn)證

措施1、2、4對(duì)整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化通過(guò)模擬工況仿真分析。措施1、3、4對(duì)駕駛感覺(jué)及駕駛操的影響，無(wú)法通過(guò)模擬仿真計(jì)算油耗優(yōu)化程度，本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。綜合結(jié)果通過(guò)“模擬仿真”加“試驗(yàn)驗(yàn)證”的方式得出。

3.2.1 模擬仿真

通過(guò)在Avl cruise軟件中建模及仿真，采用cycle run計(jì)算任務(wù)，將采集的工況數(shù)據(jù)（包括：時(shí)間、車(chē)速、坡度）經(jīng)過(guò)濾波處理，并且將車(chē)速經(jīng)過(guò)修正。調(diào)整新的發(fā)動(dòng)機(jī)map、外特性、最高轉(zhuǎn)速限制（1900rpm）。換擋方式根據(jù)前文論述，設(shè)置為1900rpm。（其中，“優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性”對(duì)經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化方案暫不可通過(guò)cruise進(jìn)行仿真分析）。重載上坡工況原始理論計(jì)算油耗為381L/100km，優(yōu)化后油耗為363.9，優(yōu)化4.48%。因篇幅限制，詳細(xì)計(jì)算過(guò)程本文不再論述。

1） 建立計(jì)算模型：

根據(jù)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)形式在cruise建立計(jì)算模型如圖9：

2） 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

原始發(fā)動(dòng)機(jī)外特性及萬(wàn)有特性圖

根據(jù)第三章1、2、4項(xiàng)措施重新匹配發(fā)動(dòng)機(jī)特性，設(shè)計(jì)電控策略，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性及萬(wàn)有特性如圖7。

3） 變速箱及后橋速比

變速箱參數(shù)如表3所示：

4） 輪胎參數(shù)

12.00R20輪胎，滾動(dòng)半徑為546.4mm，滾動(dòng)阻力系數(shù)0.85%。

5） 其他阻力參數(shù)

6） 設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)：

通過(guò)Cruise軟件中設(shè)計(jì)cyclerun計(jì)算任務(wù)：

工況設(shè)計(jì)：采集的道路數(shù)據(jù)本身存在誤差，且波動(dòng)較大，直接計(jì)算對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性影響較大，必須經(jīng)過(guò)濾波處理，圖10為處理后的距離——坡度參數(shù)，采用坡度信號(hào)來(lái)計(jì)算坡度的方式：將坡度數(shù)據(jù)導(dǎo)入cycle run任務(wù)中course single1，建立相關(guān)的坡度鏈接。

目標(biāo)車(chē)速：將采集的車(chē)速進(jìn)行濾波處理后導(dǎo)入，發(fā)動(dòng)機(jī)限制轉(zhuǎn)速后對(duì)車(chē)速有所影響，根據(jù)方案中發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速1900rpm計(jì)算2擋最大車(chē)速（因上坡常用擋位及最大使用擋位為2擋），并限制最大車(chē)速（此時(shí)計(jì)算車(chē)速為6km/h），數(shù)據(jù)處理之后如圖11：endprint

7） 計(jì)算結(jié)果：

通過(guò)仿真模擬計(jì)算可以得出，詳見(jiàn)表5，采用1、2、4項(xiàng)措施可優(yōu)化油耗4.48%，優(yōu)化方案運(yùn)行于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)概率更大，計(jì)算結(jié)果符合預(yù)期。另外，平均車(chē)速雖然降低1km/h，但因車(chē)速較低，風(fēng)阻、滾阻的變化對(duì)油耗的影響可忽略不計(jì)。理論計(jì)算中無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)速特性、轉(zhuǎn)速限制駕駛操作的影響以及對(duì)油耗的影響，需要在實(shí)際工況中驗(yàn)證，下一章將通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.2 實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)價(jià)

通過(guò)部分實(shí)施按照制度的改善方案，在國(guó)內(nèi)某鐵礦場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。為避免車(chē)輛個(gè)體差異采使用兩臺(tái)車(chē)試驗(yàn)；為避免車(chē)輛總重差異，引用噸百公里油耗概念，即評(píng)價(jià)每噸的百公里油耗，以體現(xiàn)燃油的使用效率。

1） 驗(yàn)證措施1：限制發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速

在發(fā)動(dòng)機(jī)限制轉(zhuǎn)速在1900轉(zhuǎn)/分之后，經(jīng)濟(jì)性改善1%，如表3所示：

2） 驗(yàn)證措施3：發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性?xún)?yōu)化，提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)駕駛特性，增大調(diào)速特性斜率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性，對(duì)經(jīng)濟(jì)性有2%的改善效果，如表4所示：

3）其他措置如調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)轉(zhuǎn)速，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體進(jìn)行新設(shè)計(jì)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，本次試驗(yàn)未進(jìn)行，通過(guò)理論計(jì)算分析油耗貢獻(xiàn)第3章已經(jīng)介紹。

3.3 驗(yàn)證小結(jié)及市場(chǎng)表現(xiàn)

通過(guò)模擬仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化3～6%。

2015年，新車(chē)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化方案改進(jìn)上市，通過(guò)調(diào)研及統(tǒng)計(jì)湖北、安徽、寧夏等工地、礦坑50臺(tái)車(chē)綜合油耗，相比老車(chē)型降低約5%，符合預(yù)期，同時(shí)反饋對(duì)整車(chē)上坡動(dòng)力性良好，車(chē)速穩(wěn)定性好，用戶(hù)滿(mǎn)意。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)礦山自卸車(chē)工況的研究，討論了自卸車(chē)與公路車(chē)工況、駕駛習(xí)慣差異，并根據(jù)其特點(diǎn)討論了四種燃油經(jīng)濟(jì)經(jīng)優(yōu)化措施，分別進(jìn)行了模擬分析和整車(chē)試驗(yàn)。最終實(shí)現(xiàn)較為可觀的節(jié)油效益（根據(jù)不同工況和載重存在不同差異）。通過(guò)研究和討論發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)需要根據(jù)不同工況和需求來(lái)區(qū)分優(yōu)化，本文對(duì)礦山自卸車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)提出了新的方向。

參考文獻(xiàn)：

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