某型号洒水车取消副发动机可行性研究

董栋，杨忠炯

（中南大学 机电工程学院，湖南长沙410083）

0 引言

随着我国社会经济水平和文明程度的不断提高，城市环卫对洒水车的需求不断增加。目前，国产洒水车大多采用双发动机动力源，即底盘发动机驱动行驶系统，副发动机驱动工作装置。这种设计方式使洒水车底盘发动机工作在低负荷区，具有功率利用率低、油耗消耗率高、双动力系统尾气排放量大、噪声大等一系列弊端。

洒水车的工作特点是在工作状态下行驶功率较低，后备功率高，而在转运状态下，行驶功率高，工作装置功率为0，因此利用洒水车的工作特点，将洒水车副发动机取消，只用底盘发动机同时驱动行驶系统与工作装置更合理，可以降低制造成本、提高燃油消耗率、减轻整车质量等。

1 结构原理

国内外洒水车底盘形式主要有3种形式：1）采用取力器由变速器取力的单发动机；2）利用发动机通过变速器直接带动液压泵，由液压泵驱动行走系统及工作装置，通常以专用底盘的形式出现；3）采用双发动机分别驱动行走系统及工作装置。

形式1）可由双发动机形式取消副发动机得到。本次研究将分析取消副发动机，通过取力器从变速器取力，通过液压油泵与液压马达，驱动水泵进行工作的可能性。根据所提供的底盘车型，改装为单发动机，液压泵—液压马达驱动是本次研究的主要任务。本次研究基于国内某型号二类底盘，底盘参数、变速器参数以及所选取取力器参数如表1～3所示，工作装置动力传递路线如图1所示。

表1 底盘参数

表2 8JS85E 变速器参数

表3 取力器参数

图1 动力传递路线

2 分析原理

将双发动机形式通过取消副发动机来满足工作装置要求，则单发动机（底盘发动机）的输出功率应该同时满足洒水车的行驶功率与工作装置消耗总功率。

2.1 发动机功率

根据发动机型号以及其外特性曲线，选取采用多项式来描述发动机的功率曲线，即

式中，系数a0，a1，a2…可由最小二乘法来确定，拟合阶数k随曲线特性而异，一般选择 2、3、4。由发动机外特性曲线测得底盘发动机功率—转速数据如表4所示。

表4 底盘发动机功率—转速数据

通过Matlab软件进行拟合，得到发动机功率方程可由多项式表示：

2.2 行驶功率

汽车在行驶时受到空气阻力、滚动阻力、加速阻力以及坡度阻力影响，汽车通过发动机传动系统提供驱动力驱动汽车行驶，因此汽车的行驶功率与阻力功率是相平衡的。由于洒水车工作时，加速阻力可以忽略，因而有

式中：ma为车辆总质量，取19145 kg；α为爬坡角，取3.15°；η为传动系机械效率，取90%。

行驶车速与发动机转速关系：

式中：r为车轮半径的95%；n为发动机转速；i0为主减速器传动比；ig为变速器传动比。

2.3 取力器输出功率

本次研究选择QD40A型号取力器，其输出转矩为400 N·m，速比i为1.099，旋向与发动机旋转方向相反，则取力器的输出功率即工作装置的输入功率[1]。

式中：T为输出转矩；n为发动机的转速；i为取力器的速比。

2.4 工作装置功率

高压水泵输出功率：

低压水泵输出功率：

扫盘油泵输出功率：

高压水泵转速：

低压水泵转速：

扫盘油泵转速、齿轮泵P3转速、齿轮泵P1转速：

高压水泵排量：

表5 液压系统参数

低压水泵排量：

式中：Pj为泵Pj的输出功率，j＝1，2，3，4；pj为工作压力，j＝1，2，3，4；VPj为泵Pj的排量，j＝1，2，3，4；VMj为马达 Mj的排量，j＝1，2；n为发动机转速；nPj为泵Pj的转速，j＝1，2，3，4；i为取力器速比。

所采用的液压泵与液压马达、低压泵与低压马达的型号和参数如表5所示。由表5得出工作装置总消耗功率为49.9 kW。

3 可行性分析

在传统的可行性分析中，主要通过功率比较来确定发动机功率是否满足工作装置消耗的总功率。该方法简便，但只是发动机与工作装置的最大功率工况下的分析，而忽略了其它工况下的功率分配比例以及发动机功率是否在任何工况下均能满足工作装置的需求[2-3]。

采用Matlab软件绘制的发动机与工作装置的功率平衡图能计算及显示出发动机在任何工况下的功率分配情况。本文利用Matlab软件，并运用2种方法对取消副发动机的可行性进行分析。

3.1 发动机后备功率方法

发动机后备功率即发动机功率与洒水车消耗总功率之差，即剩余功率。洒水车在一般情况下维持等速行驶以及工作装置消耗功率后，后备功率用于汽车加速或者爬坡，后备功率越大，则洒水车的动力性越好。

本文研究取消副发动机可行性，即只要发动机功率满足汽车在一定车速下等速行驶的行驶功率以及满足工作装置各种工况消耗功率后，仍然存在后备功率即可。

将发动机功率、行驶功率、工作装置消耗功率转化为发动机转速的函数。输入洒水车的整车参数，通过Matlab 编程绘制后备功率图如图2所示。

从后备功率图中可以看出，洒水车并非在任何挡位以及任何车速下都可满足洒水车工作需求。当洒水车以1挡行驶时，车速范围在3～7.8 km·h-1，而不能达到工作车速10 km·h-1，所以1挡不是理想工作挡位。当洒水车以2挡，并以10 km·h-1车速工作时，有较大的后备功率，同样3挡也适合洒水车工作。以4挡行驶时，工作装置功率与行驶功率之和大于发动机输出功率，不能进行正常工作。从图2中可以看出，洒水车可以正常工作的车速范围为3～25 km·h-1。因此，洒水车由单发动机驱动是可行的，并且洒水车的工作挡位为1～3挡，最佳工作挡位为2挡。

3.2 副发动机功率比较

图2 洒水车发动机功率与行驶功率及工作装置功率比较图

图3 底盘发动机后备功率与副发动机功率之差的曲线图

图4 取力器功率与工作装置功率比较图

原洒水车由双发动机组成，底盘发动机用于驱动行驶系统，副发动机作为工作装置的动力来源。因此，底盘发动机的后备功率只要大于副发动机的功率即可满足工作装置的需求。可绘制原洒水车副发动机功率曲线以及原底盘发动机后备功率曲线，只要后备功率曲线在副发动机功率曲线之上，则取消副发动机可行。本次研究中，运用Matlab软件绘制出底盘发动机后备功率与副发动机功率之差的曲线，如图3所示。

从图3中可以得到，单发动机洒水车在1～3挡时，底盘后备功率在副发动机功率曲线之上，满足工作装置要求，可以正常工作。工作时车速范围在0～20 km·h-1。而原副发动机的工况也并非时刻全负荷工作，也存在后备功率，结果与第1种方法得到的结果相近。因此，取消副发动机是可行的。

3.3 取力器输出与油泵功率比较

在取力器最大转矩要求下，计算不同发动机转速下取力器的输出功率，与工作装置的工作功率进行比较，结果如图4所示。

从图4中可以看出，洒水车在1～4挡位时，取力器输出功率均能满足工作装置功率，而洒水车在1挡时，并未能满足平均工作车速为10 km·h-1的要求。在2挡、3挡、4挡时可以分析取力器后备功率的大小，可以看出：在2挡时，且工作车速为10km·h-1时将获得较大的后备功率。

4 总结

运用Matlab软件可以计算出发动机在整个工况下是否能满足洒水车需求，从功率平衡角度分析了洒水车取消副发动机的可行性。同时，与传统的最大功率比较来确定可行性分析比较。从分析比较图中，可以得到洒水车的最佳工作挡位以及最适合工作车速，为洒水车在实际工作中提供参考。

[1]吴茂，张克坚.洒布车专用装置取力功率确定与校核计算[J].筑路机械与施工机械化，2007（7）：36-38.

[2]李士涛，刘志敏.智能型沥青洒布车的可行性研究[J].筑路机械与施工机械化，2004（12）：28-30.

[3]沙晓丽.单发动机清扫车动力系统研究[D].西安：长安大学，2010：70.