柴油机不同功率模式对装载机性能影响的仿真研究

钱俊，黄风清，姜锋

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

柴油机不同功率模式对装载机性能影响的仿真研究

钱俊，黄风清，姜锋

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

应用动力匹配软件CRUISE，建立装载机的整车模型，着重在行驶工况下进行仿真计算分析。针对装载机的作业工况，建立柴油机万有特性的数学模型，对装载机的燃油消耗进行仿真计算；并根据实测结果验证模型的准确性。

柴油机装载机CRUⅠSE数学模型仿真

1 前言

装载机作为国内工程领域中广泛应用的一种设备，有着量大面广的特点。在采矿业、各种工程项目、房地产开发、日常工程维护等项目中，都可以看到装载机的身影。正因为装载机市场保有量大，使它成为工程机械领域中的耗能大户，所以降低装载机的使用油耗具有非常重要的现实意义。整车要达到节能降耗的目的，目前国内、外有许多技术措施及研究成果。例如国内、外整车厂普遍推广使用的柴油机标定转速低速化，主要理论研究成果有《轮式装载机动力传动系统节能技术研究》等；国内部分厂家液压系统由定量系统更改为定变量系统；变速箱由行星箱改为定轴箱，以提升传动效率等。

本文主要的解决方案：（1）装载机在不同的负荷条件下，柴油机输出与之相适应的功率，优化功率输出，达到节油目的；（2）针对柴油机在不同的功率模式下，通过仿真研究装载机动力性及经济性的差异，实现在经济性提高的前提下，动力性不下降或者下降较小的目的，使柴油机与装载机达到最优化的匹配。

2 柴油机和装载机基本参数

2.1 柴油机基本参数

本文研究对象为上柴公司联合AⅤL共同开发的50装载机专用动力，具有油耗低、噪声小、动力强、负载响应快等特点。其主要技术参数如下表1。

2.2 设置柴油机不同档位的扭矩值[1]

如图1所示，扭矩最大的一条曲线对应柴油机的动力档（P档），中间一条扭矩曲线对应柴油机的工作档（N档），扭矩最小一条曲线对应柴油机的经济档（E档）。

表1 柴油机基本参数

图1 柴油机3种功率模式的扭矩曲线

2.3 装载机基本参数

在下面分析计算中，有最大牵引力工况仿真计算，整车处于满载状态；有爬坡能力仿真计算、前进1档和前进2档加速能力仿真计算、跑车油耗仿真计算等，整车均为空载状态。某50装载机的主要技术参数参见表2。

表2 50装载机基本参数

3 整车仿真计算模型

3.1 基于CRUⅠSE的整车模型建立[2-4]

装载机动力性及经济性的仿真计算针对装载机的实际使用工况。本文将仿真计算分为行驶工况和作业工况2种情况。其中动力性仿真计算主要集中于行驶工况，而作业工况主要进行燃油消耗量的计算。基于CRUⅠSE软件建立的整车模型对装载机的作业工况燃油消耗量的仿真计算存在一定的局限性，所以针对装载机的作业工况燃油耗计算将建立单独的数学模型。基于CRUⅠSE软件建立的仿真计算模型见图2。

图2 整车仿真计算模型

3.2 柴油机万有特性的数学模型

3.2.1 建立数学模型表达式

柴油机的万有特性曲线可以较全面地表示柴油机的性能。通常以柴油机的转速为横坐标，柴油机的扭矩为纵坐标，在图上可以表示出等油耗率曲线、等小时耗油量曲线、等功率曲线、等过量空气系数曲线以及冒烟极限，见图3。在装载机工作过程中，柴油机的工作状况非常复杂，影响燃油消耗量的因素较多。其中，燃油消耗量与柴油机转速n和扭矩T之间存在密切的联系。图3所示的等小时耗油量曲线的形式与幂函数较类似[5]。

图3 柴油机等小时耗油量曲线

所以，假设柴油机的小时耗油量Ge与柴油机转速n和柴油机扭矩T的关系可以表示为：

具体的函数关系式为：

其中a0、a1、a2均为未知系数。

对于（1）中的未知系数，本文将采用多元回归法，对柴油机的万有特性曲线进行拟合，得到柴油机的万有特性表达式。

3.2.2 多元回归法求解数学模型表达式[6]

对（1）进行线性化处理，分别对两边取对数，即由非线性回归问题转化为线性回归问题：

分别令y=lnGe，x1=lnn，x2=lnT，相对应，式（2）可以表示成

式（3）的回归模型为：

为了使模型仿真计算更加准确，并结合装载机的实际使用工况，对模型的自变量进行分区域划分，建立分段函数。根据万有特性的台架实测数据，对（4）式进行线性回归拟合计算。分段函数的回归系数见表3。

表3 分段函数的回归系数及自变量定义域

分段函数的数学表达式为

4 仿真计算

4.1 行驶工况的仿真计算

1）牵引性能的仿真计算

柴油机分别在P档、N档和E档功率输出模式下，装载机在前进1档和前进2档时的牵引力曲线如图4所示，其最大牵引力及对应的柴油机转速如表4所示。

图4 装载机前进1档和2档的牵引性能

表4 各档位对应最大牵引力

2）爬坡能力的仿真计算

柴油机分别在P档、N档和E档功率输出模式下，装载机在前进1档和前进2档时的爬坡能力曲线如图5所示，各档位下整车空载状态的最大爬坡能力见表5。

图5 装载机前进1、2档爬坡能力

表5 整车空载爬坡能力

3）前进1档加速能力仿真计算

柴油机分别在P档、N档和E档功率输出模式下，装载机在前进1档时的加速能力见图6，其分别加速至3 km/h、5 km/h、10 km/h、12 km/h所需要的时间如表6所示。

4）前进2档加速能力仿真计算

柴油机分别在P档、N档和E档功率输出模式下，装载机在前进2档时的加速能力见图7，其分别加速至5 km/h、15 km/h、25 km/h、35 km/h所需要的时间如表7所示。

图6 前进1档加速能力曲线图

表6 前进1档整车加速能力

图7 前进2档加速能力曲线图

5）跑车油耗仿真计算

表7 前进2档整车加速能力

柴油机分别在P档、N档和E档功率输出模式下，装载机在前进1档、前进2档等速百公里油耗见图8，前进1档、前进2档在柴油机不同功率输出模式下，最高车速对应的百公里油耗值如表8所示。

图8 前进1、2档不同车速下百公里油耗

表8 最高车速对应的百公里油耗

4.2 作业工况的仿真计算

针对柴油机的不同功率输出模式，分别采集装载机的一个工作循环的载荷谱。图9为装载机一个工作循环的柴油机转速及扭矩的变化曲线。

图9

将对应工作模式下的柴油机转速和扭矩的对数值分别代入式（5），可以计算出柴油机在P档、N档和E档功率输出模式下，装载机一个工作循环的燃油消耗量，如表9所示。

表9 整车作业工况油耗仿真计算

5 整车试验验证

由于整车试验条件有限，无法对仿真计算的项目一一全部进行试验验证，只对装载机的牵引力、跑车油耗和作业油耗的仿真计算进行验证。仿真计算结果和实测结果的对比分别见表10～12。根据仿真计算与试验结果的对比，仿真计算值与实际测试值误差均在±5%以内，除作业工况中P档功率模式之外。因为作业工况受外界影响因素较多，实测结果往往波动较大，出现个别数据超差的可能性非常大，所以从整体的仿真结果来看，可以证明本文所建立的仿真模型是准确可信的。

Simulation of Effect of Different Diesel Power Outputs on Wheel Loader Performance

Qian Jun，Huang Fengqing,Jiang Feng
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

By building up a whole vehicle model with matching software CRUⅠSE,a simulation of driving conditions and operating conditions is carried out.Ⅴehicle fuel consumption is simulated by establishing a mathematical model of universal characteristics of diesel engine;and validation of model accuracy is made according to the measured results.

diesel engine,wheel loader,cruise,mathematical model,simulation

表10 装载机牵引力试验与仿真对比

表11 装载机跑车油耗试验与仿真对比

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.005

来稿日期：2013-11-13

钱俊（1961-），男，高级工程师，主要研究方向为发动机设计与制造。