液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的配備

1、柴油機(jī)與液力變矩器合理匹配的新研究  摘要：本文通過對柴油機(jī)三個(gè)發(fā)展階段外特性的對比，在分析用目前匹配理論對新型柴油機(jī)與變矩器進(jìn)行匹配非合理性的基礎(chǔ)上，提出了基于新型柴油機(jī)與液力變矩器傳動(dòng)組合新的匹配觀點(diǎn)及新的變矩器有效直徑確定公式，并舉例闡明。  關(guān)鍵詞：新型柴油機(jī)變矩器特性匹配有效直徑  近年來，為了適應(yīng)各國日益苛刻的排放法規(guī)和油耗法規(guī)，柴油機(jī)得到了快速發(fā)展，如采用可調(diào)渦輪增壓器，優(yōu)化進(jìn)氣、噴油系統(tǒng)，改善燃燒等；在降低排放的同時(shí)，也極大地改善了柴油機(jī)扭矩特性，導(dǎo)致出現(xiàn)了一種所謂“等功率”柴油機(jī)，即這種柴油機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可保持功

2、率為一常數(shù)（以下簡稱新型柴油機(jī)），如目前被普遍關(guān)注的符合  排放標(biāo)準(zhǔn)的電噴柴油機(jī)。由于新型柴油機(jī)在調(diào)速外特性上有十分顯著地改變，在與液力變矩器（以下簡稱變矩器）進(jìn)行匹配時(shí)如何應(yīng)對這一變化，充分發(fā)掘其在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性上的改善，既提高整機(jī)牽引性能，也使經(jīng)濟(jì)性能得以體現(xiàn)，在當(dāng)今注重整機(jī)性能、提倡節(jié)能的形勢下，進(jìn)行該項(xiàng)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。  一、工程機(jī)械柴油機(jī)不同發(fā)展階段調(diào)速外特性對比及當(dāng)前柴油機(jī)與變矩器匹配理論回顧  柴油機(jī)不同發(fā)展階段調(diào)速外特性對比  在近幾十年中工程機(jī)械柴油機(jī)主要經(jīng)歷了三次大的變化：自然吸氣式柴油

3、機(jī)、廢氣渦輪增壓式柴油機(jī)（以下簡稱增壓柴油機(jī)）及現(xiàn)在能滿足  排放標(biāo)準(zhǔn)的新型柴油機(jī)，每次變化表現(xiàn)在其調(diào)速外特性上都有較大改變。  自然吸氣式柴油機(jī)  自然吸氣式柴油機(jī)曾在工程機(jī)械上被普遍選用，其輸出力矩特性曲線通常比較平坦，扭矩適應(yīng)性系數(shù)值一般不超過，但功率隨轉(zhuǎn)速變化較大。圖?為一自然吸氣式柴油機(jī)?的外特性曲線圖。  ?增壓柴油機(jī)  近十幾年間，增壓柴油機(jī)在工程機(jī)械上得到了廣泛應(yīng)用，其扭矩適應(yīng)性系數(shù)值可達(dá)?，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)功率最大，隨轉(zhuǎn)速下降，其功率呈下降趨勢。圖?為一增壓柴油機(jī) 柴油機(jī)

4、外特性曲線圖。  新型柴油機(jī)  動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放上的獨(dú)到優(yōu)勢使得新型柴油機(jī)已成為未來工程機(jī)械的首選。新型柴油機(jī)可在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持功率為一常數(shù)，大大改善了整機(jī)的牽引和動(dòng)力性能，扭矩適應(yīng)性系數(shù)高達(dá)以上。圖為新型柴油機(jī) 柴油機(jī)外特性曲線圖。  ?目前工程機(jī)械柴油機(jī)與變矩器匹配理論回顧  現(xiàn)公認(rèn)的匹配理論主要是基于增壓柴油機(jī)或自然吸氣式柴油機(jī)與變矩器傳動(dòng)組合而提出的：  保證渦輪軸具有最大輸出功率，解決這一問題最簡單的方法是使變矩器的最高效率工況和柴油機(jī)最大功率工況重合，亦即使代表變

5、矩器最高效率工況的負(fù)載拋物線通過柴油機(jī)的額定功率點(diǎn)，見圖，由于受變矩器透穿性限制（透穿數(shù)一般為），通常情況下的匹配為圖中斜線所示區(qū)域。并以此來確定變矩器的有效直徑：    式中：?柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)確定的額定扭矩；  ?柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)確定的額定轉(zhuǎn)速；  ?與最高效率對應(yīng)的泵輪扭矩系數(shù)；  ?變矩器內(nèi)工作液體的重度。  ?為使整機(jī)在載荷最大時(shí)獲得最大輸出力矩，應(yīng)使變矩器零速工況的輸入特性曲線通過柴油機(jī)的最大實(shí)用力矩點(diǎn)。  ?適當(dāng)?shù)丶骖櫲剂弦螅嗉磻?yīng)盡量使變矩器

6、的輸入特性（負(fù)荷拋物線束）能通過低油耗區(qū)。  二、基于新型柴油機(jī)與變矩器匹配觀點(diǎn)的提出  ?對于新型柴油機(jī)如采用上述匹配理論與變矩器進(jìn)行匹配，則其匹配后的共同工作特性必然如圖中所示。其不足之處有以下幾點(diǎn)：  ）柴油機(jī)的工作區(qū)間位于額定轉(zhuǎn)速附近，當(dāng)即當(dāng)時(shí)，柴油機(jī)處于高速低功率的調(diào)速區(qū)，功率將快速下降，對于此種傳動(dòng)組合而言，其渦輪軸上的平均輸出功率并不能達(dá)到最大值。  ）新型柴油機(jī)高達(dá)的扭矩儲(chǔ)備未得到利用。設(shè)計(jì)時(shí)為了避免柴油機(jī)熄火通常預(yù)留的扭矩儲(chǔ)備，但拋物線與外特性曲線交點(diǎn)的值仍和?有較大差距，使得整機(jī)的牽引性能未得以

7、提高。  ）在額定轉(zhuǎn)速附近的燃油消耗率較高，從圖可以看出，在額定轉(zhuǎn)速附近，燃油消耗率值較高，柴油機(jī)在此區(qū)間工作，整機(jī)的燃油消耗必將處于高位。  ?研究柴油機(jī)與變矩器是否合理匹配就是確定柴油機(jī)調(diào)速外特性和變矩器輸入特性在共同工作輸入特性圖上的相對位置，以保證整機(jī)獲得最大平均輸出功率和最少平均燃油耗。根據(jù)這一原則（前面所述的匹配理論同樣是基于這一原則得出的），對于新型柴油機(jī)與變矩器的匹配，筆者認(rèn)為應(yīng)采用新的匹配觀點(diǎn)：將變矩器工作效率區(qū)的中部配置在新型柴油機(jī)“等功率”曲線段中部，亦即“等功率”曲線段中點(diǎn)處在變矩器傳動(dòng)比的負(fù)荷拋物線附近（見圖），使變矩器的高效率

8、工況和柴油機(jī)高功率工況盡量重合。此時(shí)，可選擇個(gè)匹配位置，分別作出以渦輪軸輸出扭矩為自變量的輸出功率特性（）進(jìn)行比較（圖），選擇具有最大平均輸出功率者作為最佳匹配位置。為此，變矩器有效直徑可按下式確定：    式中：?與新型柴油機(jī)“等功率”曲線段中點(diǎn)相對應(yīng)的泵輪扭矩；  ?與相對應(yīng)的泵輪轉(zhuǎn)速；  ?與（）附近個(gè)值相對應(yīng)的泵輪扭矩系數(shù)。  由于匹配位置的改變，變矩器低傳動(dòng)比時(shí)的拋物線束更接近甚至完全可以通過柴油機(jī)的最高扭矩點(diǎn)，故整機(jī)在載荷最大時(shí)可獲得較大輸出力矩；而高傳動(dòng)比的拋物線束通過柴油機(jī)的額定

9、轉(zhuǎn)速附近，使整機(jī)進(jìn)入低效率區(qū)的可能性減少；同時(shí)，變矩器的負(fù)荷拋物線束大部分通過柴油機(jī)的低油耗區(qū)，整機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性能得以提高。  三、例證  某裝載機(jī)，整機(jī)操作重量，采用四擋變速器，其速比：擋?、擋?、擋?、擋?；驅(qū)動(dòng)橋總速比?；輪胎動(dòng)力半徑?，柴油機(jī)選用康明斯?新型柴油機(jī)，其特性參數(shù)見下表：額定轉(zhuǎn)速，額定扭矩?，額定功率，其特性曲線如圖?所示。  選用的模型變矩器原始特性參數(shù)見下表，其有效直徑。按以上兩種匹配方案設(shè)計(jì)：  ?按目前匹配理論設(shè)計(jì)：  對于裝載機(jī)而言，通常要按部分功率進(jìn)行匹配，即變矩

10、器應(yīng)與傳至其輸入軸上的柴油機(jī)調(diào)速特性匹配，傳至變矩器輸入軸上的扭矩可由下式得出：    式中：?傳至變矩器輸入軸上的扭矩；  ?柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)確定的輸出扭矩；  ?消耗在驅(qū)動(dòng)輔助裝置上的柴油機(jī)扭矩，取?；  ?消耗在驅(qū)動(dòng)工作液壓泵上的柴油機(jī)扭矩，取?；  則用來確定目標(biāo)變矩器有效直徑的扭矩值  ，由公式：    得。按值和相似原則可得柴油機(jī)與變矩器共同工作輸入、輸出特性曲線及整機(jī)牽引性能特性曲線（圖六）。 

11、 ?按新觀點(diǎn)進(jìn)行匹配：  同理，可按來計(jì)算目標(biāo)變矩器有效直徑，其中取，（為方便論述，本文假定負(fù)荷拋物線通過與相對應(yīng)外特性扭矩時(shí)的匹配為最佳匹位置）。由公式：    可得目標(biāo)變矩器有效直徑，按值和相似原則可得柴油機(jī)與變矩器共同工作輸入、輸出特性曲線及整機(jī)牽引性能特性曲線（圖七）。  四、結(jié)論及注意事項(xiàng)：  ?對于新型柴油機(jī)與變矩器采用新的匹配觀點(diǎn)進(jìn)行匹配，不但在柴油機(jī)的功率利用上有很大的提高，對整機(jī)的動(dòng)力、牽引性能上也有極大的提升（示例中，功率利用提高以上，牽引力提高以上）；同時(shí)，由于柴油機(jī)工作區(qū)間在其低油耗區(qū)，故整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性也得以提高。從而實(shí)現(xiàn)了在功率、扭矩、油耗三者的和諧統(tǒng)一。  ?采用新的匹