余典典+張育維+嚴利群+李學兵

摘 要：礦山自卸車工況相對公路車更為復(fù)雜。本文對礦山自卸車典型工況進行數(shù)據(jù)采集及分析，論述了其工況特點，并根據(jù)工況特點討論了礦山自行車發(fā)動機特性設(shè)計需求，同時基于國內(nèi)某款礦山自卸車進行建模仿真，并進行場地試驗驗證結(jié)果。最后提出了對于礦山自卸車燃油經(jīng)濟性特點的匹配和設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：礦山自卸車；燃油經(jīng)濟性；發(fā)動機；工況；優(yōu)化

中圖分類號：U462.3+1 文獻標識碼：A 文章編號：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

對于商用車來說燃油成占總運行成本最高，約50%以上。而動力性、經(jīng)濟性是商用車最重要的特性之一，對于礦山自卸車，因其工況復(fù)雜，在以往對與動力性、燃油經(jīng)濟性的平衡中更加重視動力性。但隨著中國商用汽車市場的不斷規(guī)范和完善，自卸車用戶的燃油經(jīng)濟性的關(guān)注度不斷攀升。礦山自卸車因其工況的特殊性，百公里油耗可達200～300L/100km，因此研究自卸車的燃油經(jīng)濟性顯得越發(fā)重要。

為了提高整車燃油經(jīng)濟性，商用車廠家往往通過以下手段提高燃油經(jīng)濟性：

1.提高發(fā)動機效率：

（1）提高發(fā)動機效率：通過改善燃燒，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)動機工作最優(yōu)化，優(yōu)化怠速消耗；

（2）動力及傳動匹配技術(shù)：基于車輛的工況優(yōu)化傳動方案，將車輛盡可能運行于發(fā)動機的高效率區(qū)域。

2.降低消耗

（1）降低行駛阻力——通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)、增加空氣動力學組件、優(yōu)化上裝及主掛匹配來減少空氣阻力；通過改進輪胎結(jié)構(gòu)、材料優(yōu)化胎壓及胎壓檢測技術(shù)來減少滾動阻力；

（2）減少附件消耗——通過熱管理技術(shù)優(yōu)化精確控制發(fā)動機風扇、采用低消耗的電器系統(tǒng)、采用可斷開的空氣壓縮機；

（3）減少傳動消耗——通過優(yōu)化傳動部件的結(jié)構(gòu)、加工工藝和潤滑油脂提高傳動效率；

（4）減少動力中斷——采用大功率發(fā)動機減少換換擋，采用自動變速箱或優(yōu)化變速箱結(jié)構(gòu)減少換擋時間。

3.優(yōu)化車輛運行方案：基于遠程監(jiān)控技術(shù)開發(fā)后市場技術(shù)商品，在車輛使用中進一步優(yōu)化燃油經(jīng)濟性，主要包括：

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

（2）駕駛操作技術(shù)——根據(jù)路況（坡道、路面、車流量、彎道、車速）合理運用發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)和動力區(qū)，合理換擋，提高燃油經(jīng)濟性；

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

牽引車、載貨一般用于中長途運輸，車速較高，載重標準，路面平整，道路坡度小工況相對較好。自卸車一般分為公路自卸和礦山自卸。礦山自卸是渣土剝巖類的短途非公路運輸車，載重較大，路面條件惡劣，坡多且坡度大，車速慢，本文主要通過對改工況的研究和分析，對礦山自卸發(fā)動機性能特點提出了新的開發(fā)要求。

2 礦山自卸車工況研究

2.1 礦山自卸車市場用途特征

整車市場用途特征說明：短途倒運，滿足高附加值運輸市場的時效性、油耗、出勤率需求。

2.2 礦山自卸車環(huán)境工況

為研究礦山自卸車環(huán)境工況特點，選擇了典型的鐵礦采集場，進行研究和分析，圖1為該鐵礦長的環(huán)境照片。通過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)過調(diào)查總結(jié)其工況循環(huán)為：車輛在裝料后，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)過連續(xù)上坡，倒運到堆場，運距1km左右，最大上坡度21.4%。

所以礦山自卸車工況具有總重大、坡度大、彎道多、路面差等區(qū)別于普通公路車特點，詳細對比見表1。

2.3 礦山自卸車駕駛特點研究

礦山自卸車環(huán)境工況惡劣，必然導致車司機的駕駛習慣也與公路車差異，主要表現(xiàn)在油門、擋位、轉(zhuǎn)速、車速不同。為詳細分析駕駛特點，分別采集用戶在實際駕駛中重載上坡、重載下坡、空載上坡發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩。如圖3-5分別為車輛各行駛狀態(tài)下動機轉(zhuǎn)速、扭矩概率分布圖，同時疊加該車發(fā)動機map：endprint

重載上坡：轉(zhuǎn)速主要集中于2000～2300rpm，發(fā)動機負荷50%～100%

重載下坡：轉(zhuǎn)速主要集中于1600～2100rpm，發(fā)動機負荷50%～100%

空載上坡：轉(zhuǎn)速主要集中于900～1600rpm，發(fā)動機負荷0%～60%

圖6為典型的公路牽引車轉(zhuǎn)速、扭矩概率分布圖，發(fā)動機轉(zhuǎn)速集中于1000～1300rpm。通過對比可發(fā)現(xiàn)，礦山自卸車使用發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高，且運行區(qū)間都不在發(fā)動機的高效區(qū)，集中于205～220g/kw.h。礦山自卸車與公路運輸車駕駛及關(guān)注點的差異如表2：

分析原因：通過10個用戶訪問調(diào)查，使用較高轉(zhuǎn)速主要原因為：由于總重大，道路坡度大，路面波動復(fù)雜，行駛過程中轉(zhuǎn)速波動較大，一般在400rpm左右，較難控制。所以司機通過使用低擋位、高轉(zhuǎn)速保證發(fā)動機后備功率以應(yīng)對路面突變和轉(zhuǎn)速突變，防止發(fā)動機熄火。

3 礦山自卸車經(jīng)濟性的改善研究

發(fā)動機設(shè)計及傳動匹配必須符合工況特點和駕駛習慣，商用車優(yōu)化燃油經(jīng)濟性方法在緒論中已經(jīng)介紹。對礦山自卸車，由于車速較低，路況惡劣，優(yōu)化風阻式難以起到效果，經(jīng)濟性改善方向集中在優(yōu)化傳動比和發(fā)動機經(jīng)濟性。優(yōu)化傳動比作為常規(guī)手段，使用較多，但是隨著市場競爭的加劇，整車經(jīng)濟性要求逐漸提高，必須對較復(fù)雜的發(fā)動機的性能方面進行研究，爭取提高整車經(jīng)濟性水平。

3.1 改善方案

對礦山自卸車工況特點與用戶駕駛習慣已在前一章介紹，據(jù)此，確定了以下幾個方向進行研究：

1） 解決行駛過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速過高，發(fā)動機熱效率低

措施1：限制發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速

根據(jù)采集到的發(fā)動機運行數(shù)據(jù)如圖2，重載上坡時。司機的實際駕駛習慣，發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于2200r/m占比高于50%，發(fā)動機比油耗處于惡劣區(qū)域，燃油消耗率可達220～250g/kw.h。所以需要通過限制發(fā)動機高轉(zhuǎn)速，防止發(fā)動機運行于此轉(zhuǎn)速下，達到降低油耗的目的。

通過反復(fù)試驗調(diào)試，并由駕駛員主觀評價，最高轉(zhuǎn)速在1900rpm最為合適。

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

動力性校核：根據(jù)該款發(fā)動機特性，額定功率為1900rpm，可最大輸出發(fā)動機功率。工程工況行駛轉(zhuǎn)速波動幅度400rpm，上坡常用轉(zhuǎn)速最低不小于1500rpm此時發(fā)動機扭矩最大，可維持最大驅(qū)動力。

措施2：發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)高速化

礦山自卸車的動力匹配及發(fā)動機特性設(shè)計不能按照主流的公路車改善方向，如使用更小的后橋速比、更低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速以得到良好的燃油經(jīng)濟性，而應(yīng)該注重發(fā)動機中高轉(zhuǎn)速的燃油經(jīng)濟性和發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制能力。

在整個工況duty cycle中，發(fā)動機1300～1800rpm使用概率占50%以上，為適應(yīng)工況和駕駛特點，發(fā)動機設(shè)計應(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)動機萬有特性map，相對原始萬有特性，經(jīng)濟區(qū)向高轉(zhuǎn)速移動，需要重新匹配增壓器。

2） 解決復(fù)雜道路行駛轉(zhuǎn)速控制難等問題，進一步優(yōu)化駕駛感覺，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，提高燃油經(jīng)濟性性

措施3：發(fā)動機油門特性優(yōu)化，提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

通過改善發(fā)動機油門特性（調(diào)速特性），使其更偏向兩級調(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)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，減少駕駛員人為調(diào)整，保持車速，提高坡道起步動力性。圖8為優(yōu)化后的油門特性。轉(zhuǎn)速對油門開度響應(yīng)更加靈敏。

措施4：提升最大扭矩

提升最大扭矩有助于進一步提高復(fù)雜工況車速、擋位保持能力，減少換檔，改善整車經(jīng)濟性。

3.2 方案驗證

措施1、2、4對整車燃油經(jīng)濟性優(yōu)化通過模擬工況仿真分析。措施1、3、4對駕駛感覺及駕駛操的影響，無法通過模擬仿真計算油耗優(yōu)化程度，本文通過試驗驗證。綜合結(jié)果通過“模擬仿真”加“試驗驗證”的方式得出。

3.2.1 模擬仿真

通過在Avl cruise軟件中建模及仿真，采用cycle run計算任務(wù)，將采集的工況數(shù)據(jù)（包括：時間、車速、坡度）經(jīng)過濾波處理，并且將車速經(jīng)過修正。調(diào)整新的發(fā)動機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)動機調(diào)速特性”對經(jīng)濟性的優(yōu)化方案暫不可通過cruise進行仿真分析）。重載上坡工況原始理論計算油耗為381L/100km，優(yōu)化后油耗為363.9，優(yōu)化4.48%。因篇幅限制，詳細計算過程本文不再論述。

1） 建立計算模型：

根據(jù)車輛驅(qū)動形式在cruise建立計算模型如圖9：

2） 發(fā)動機參數(shù)

原始發(fā)動機外特性及萬有特性圖

根據(jù)第三章1、2、4項措施重新匹配發(fā)動機特性，設(shè)計電控策略，優(yōu)化后的發(fā)動機外特性及萬有特性如圖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，滾動半徑為546.4mm，滾動阻力系數(shù)0.85%。

5） 其他阻力參數(shù)

6） 設(shè)計計算任務(wù)：

通過Cruise軟件中設(shè)計cyclerun計算任務(wù)：

工況設(shè)計：采集的道路數(shù)據(jù)本身存在誤差，且波動較大，直接計算對結(jié)果準確性影響較大，必須經(jīng)過濾波處理，圖10為處理后的距離——坡度參數(shù)，采用坡度信號來計算坡度的方式：將坡度數(shù)據(jù)導入cycle run任務(wù)中course single1，建立相關(guān)的坡度鏈接。

目標車速：將采集的車速進行濾波處理后導入，發(fā)動機限制轉(zhuǎn)速后對車速有所影響，根據(jù)方案中發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速1900rpm計算2擋最大車速（因上坡常用擋位及最大使用擋位為2擋），并限制最大車速（此時計算車速為6km/h），數(shù)據(jù)處理之后如圖11：endprint

7） 計算結(jié)果：

通過仿真模擬計算可以得出，詳見表5，采用1、2、4項措施可優(yōu)化油耗4.48%，優(yōu)化方案運行于發(fā)動機經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)概率更大，計算結(jié)果符合預(yù)期。另外，平均車速雖然降低1km/h，但因車速較低，風阻、滾阻的變化對油耗的影響可忽略不計。理論計算中無法實現(xiàn)調(diào)速特性、轉(zhuǎn)速限制駕駛操作的影響以及對油耗的影響，需要在實際工況中驗證，下一章將通過試驗驗證。

3.2.2 實車試驗驗證及評價

通過部分實施按照制度的改善方案，在國內(nèi)某鐵礦場試驗驗證。為避免車輛個體差異采使用兩臺車試驗；為避免車輛總重差異，引用噸百公里油耗概念，即評價每噸的百公里油耗，以體現(xiàn)燃油的使用效率。

1） 驗證措施1：限制發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速

在發(fā)動機限制轉(zhuǎn)速在1900轉(zhuǎn)/分之后，經(jīng)濟性改善1%，如表3所示：

2） 驗證措施3：發(fā)動機調(diào)速特性優(yōu)化，提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性

通過調(diào)整發(fā)動機駕駛特性，增大調(diào)速特性斜率，提高發(fā)動機對復(fù)雜工況的適應(yīng)性，對經(jīng)濟性有2%的改善效果，如表4所示：

3）其他措置如調(diào)整發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)轉(zhuǎn)速，需要對發(fā)動機的機體進行新設(shè)計，需要較長的時間進行臺架試驗，本次試驗未進行，通過理論計算分析油耗貢獻第3章已經(jīng)介紹。

3.3 驗證小結(jié)及市場表現(xiàn)

通過模擬仿真及實驗驗證，預(yù)計可實現(xiàn)燃油經(jīng)濟性優(yōu)化3～6%。

2015年，新車根據(jù)發(fā)動機優(yōu)化方案改進上市，通過調(diào)研及統(tǒng)計湖北、安徽、寧夏等工地、礦坑50臺車綜合油耗，相比老車型降低約5%，符合預(yù)期，同時反饋對整車上坡動力性良好，車速穩(wěn)定性好，用戶滿意。

4 結(jié)論

本文通過對礦山自卸車工況的研究，討論了自卸車與公路車工況、駕駛習慣差異，并根據(jù)其特點討論了四種燃油經(jīng)濟經(jīng)優(yōu)化措施，分別進行了模擬分析和整車試驗。最終實現(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）。通過研究和討論發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機性能設(shè)計需要根據(jù)不同工況和需求來區(qū)分優(yōu)化，本文對礦山自卸車發(fā)動機性能設(shè)計提出了新的方向。

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