非道路工程機械柴油機IIIB排放階段法規的輪式裝載機動力系統設計

鄭悅 黃子強 張娜 彭拔萃

摘 要：由于歐日和北美地區2010年10月1日開始執行非道路工程機械柴油機排放IIIB階段標準，2013年10月1日開始執行非道路工程機械柴油機排放Ⅳ階段標準，為滿足歐日和北美地區非道路工程機械柴油機排IIIB階段要求，開發設計一種輪式裝載機，在原滿足非道路工程機械柴油機排放IIIA階段機型基礎上進行動力系統升級。

關鍵詞：裝載機；燃油箱；柴油機系統；進排氣系統；散熱系統

中圖分類號：TK421.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）20-0021-03

隨著汽車工業的發展，汽車的排氣污染越來越嚴重地威脅著人類賴以生存的環境，環境保護也日益受到世界各國的高度重視，以美國、歐洲、日本為代表的國家先后制定了其汽車排放法規，并形成了三大排放體系，同時對非道路行走機械用發動機制定相應排放法規及實施年限，并提出了環保與節能全新概念。IIIB機型是在原滿足非道路工程機械柴油機排放IIIA階段機型基礎上進行動力系統升級，在此分四部分介紹滿足非道路工程機械柴油機排放IIIB階段裝載機動力系統設計，主要動力系統參數如下：

柴油箱：額定容積280 L；

柴油機：排量6.7 L，最大功率149 kW；

進排氣系統：進氣量大于1 000 CFM，過濾精度大于99%；

散熱系統：水散熱功率140 kW，空空中冷散熱功率35 kW，液壓油散熱功率30 kW，變矩器油散熱功率80 kW。

1 柴油箱設計

1.1 安裝形式

柴油箱采用后置安裝，具體安裝在后車架尾部，平衡重的前方，此種裝配方式方便拆裝、有利于維修和保養，在平衡重的保護下柴油箱也不易被撞擊。

1.2 裝配形式

柴油箱裝配采用減振墊，相對直接用螺紋連接裝配的方式，有減小柴油箱振動和降低整機噪音的優點，有效降低柴油箱箱體開焊和安裝螺栓脫落事故的反饋率。但是，此種安裝方式柴油箱與車架是絕緣連接，所以要考慮在柴油箱上加接地點。

1.3 容 積

柴油箱設計留有5%的膨脹空間，防止加油時外溢。柴油箱額定容積280 L，可滿足10 h以上的全負荷工作。由于IV階段柴油機使用柴油要求含硫量<15 PPM，所以設計時考慮在加油口注明柴油使用條件，防止誤加其它品質柴油造成柴油機系統故障。

2 柴油機系統設計

2.1 發動機選型

采用康明斯IIIB階段柴油機，與IIIA階段的柴油機主要區別在于IIIB階段采用變截面渦輪增壓器，提高柴油機進氣量，用時采用廢氣再循環（EGR）技術，降低一氧化碳和固體顆粒物排放量。由于EGR技術的應用，需要利用發動機冷卻液把發動機排出氣體中一部分氣體冷卻后再次進入進氣端，導致柴油機冷卻散熱功率增加30%～40%，給散熱系統設計增加了難度。

2.2 功率曲線配置

IIIB階段的柴油機可以實現一機配置多條功率曲線，即強力模式，標準模式和經濟模式，用戶可以根據自己的實際工作情況選擇合適的功率曲線。散熱系統能力按照強力模式設計，可以覆蓋其它兩種模式。

2.3 柴油機安裝改進

本設計對柴油機安裝進行了改進，原IIIA機型柴油機安裝支座距離柴油機振動中心線偏遠，會產生較大的振動位移；減振墊上下采用平墊結構壓緊，不能有效控制前后和左右方向的位移。IIIB機型柴油機安裝支座距離柴油機振動中心線距離小，減小振動位移。減振墊上下采用碗狀墊結構壓緊，有效控制前后和左右方向的位移，具體結構，如圖1所示。

3 進排氣系統設計

3.1 進氣系統設計

進氣系統采用三級過濾方式，具體為特博空氣預濾器+康明斯空氣濾清器，空氣濾清器機構如圖2所示。

3.2 空氣濾清器安裝

空氣濾清器安裝，左右方向偏角不可超過30 ？觷，上下偏角不可超過60 ？觷，具體如圖3所示。

3.3 排氣系統設計

排氣系統采用DPF尾氣處理器來滿足IIIB階段排放法規，由于DPF集成了消音器，所以無需再加裝消音器。DPF機體表面溫度較高，發動機罩內熱輻射會很大，所以在空濾與DPF之間加裝隔熱支板，排氣連接管加裝隔熱保護罩。與DPF控制單元連接的線束要求耐溫150 ？觷以上，排氣溫度高達800 ？觷，設計排氣管位置盡量偏遠離駕駛室和散熱系統進風口。

3.4 尾氣處理器安裝

DPF尾氣處理器安裝要求進出口不能互換，機體安裝偏角不超過6 ？觷，安裝不能采用減振墊連接方式，必須是硬性連接。DPF不能包裹隔熱材料。

3.5 排氣尾管安裝

此系統對排氣連接管的要求很高，要求每處泄漏量不能大于0.5 CFM，總泄露量不能大于1.0 CFM，并且要保證在8 000 h以內必須不出現漏氣等質量問題。

為排出發動機罩內熱空氣和降低排氣溫度，排氣尾管采用雙層過渡管方式。此方法可以通過兩個過渡管直徑不同和嵌入長度來制造壓力差，從而吸出發動機罩內部分熱空氣，同時也可以延緩排氣時間，降低排氣溫度。根據整機的振動頻率設計排氣尾管的高度和直徑、過渡管的直徑和嵌入長度。本次IIIB機型裝載機過渡管直徑是排氣尾管直徑的1/2，過渡管長度是排氣尾管總長的1/2，經實驗證明，可以降低整機機外噪音0.5 dB，降低整機機內噪音0.5 dB。

4 散熱系統設計

4.1 散熱器平衡溫度

通過對發動機輸出功率的分配情況，計算出發動機的冷卻水散熱器、空空中冷散熱器，變矩器油散熱器及液壓油散熱器所需要散熱能量，并根據散熱系統中各介質所要求的熱平衡溫度的對各個散熱器進行布置，各散熱器要求的平衡溫度，見表1。

因此各散熱器布置的原則：熱平衡溫度要求低，布置在散熱風道前端的迎風面（溫度低的端面），如圖4所示。

該結構為：單層并聯結構+后置吸風式風扇。

4.2 散熱系統的設計要點

4.2.1 散熱器的材料和布置、冷卻形式選擇、散熱帶形式選擇

由于IIIB階段柴油機的散熱量要比同等功率IIIA階段柴油機增大30%～40%，如果采用傳統IIIA機型的散熱器布置，散熱器的迎風面積會增加很多，給整機布置帶來困難，所以本次IIIB機型在設計時變矩器油散熱器采用水冷的方式，其它散熱器延用風冷方式。除變矩器油散熱器采用不銹鋼材質，其它的散熱器均采用寬片距（片距為3 mm）翅片式鋁質集成式散熱器，將空空中冷器、水散熱器和液壓油散熱器并列位于以一層，風扇布置在后側，并可以旋轉打開，方便清洗翅片表面的粉塵和雜物。變矩器油散熱器安裝在柴油箱上表面，安裝面為傾斜布置，方便變矩器油散熱器拆裝和維修。

4.2.2 隔熱板的作用

隔熱板布置在發動機艙與散熱系統之間，將冷空氣側和熱空氣側隔開，主要目的將發動機熱輻射和熱氣流阻隔，確保從發動機罩透風柵進入氣流溫度與環境溫度接近。隔板上部和左右兩側都是傾斜角度設計，起到導風作用，確保進風順暢，同時在隔熱板上粘貼吸引材料可以降低機外輻射噪音。

4.2.3 布置形式

采用溫控馬達驅動風扇形式，布置靈活，其可以布置在散熱器的后部，也可以布置在散熱器與發動機之間。IIIA機型的風扇布置在散熱器與發動機之間，從發動機罩左右兩側排風，排風角度大，造成部分熱空氣回流，散熱效果降低，且風扇側散熱器不易維護清理。

所以本次IIIB機型考慮到散熱器布置和維護維修的方便性把風扇布置在散熱器的后部，液壓馬達為溫控式單向作業馬達，馬達旋轉主要是用于驅動風扇給系統散熱，其轉速會隨著各個散熱器監控溫度變化而變化，即系統溫度升高（降低）時，馬達轉速就會升高（降低），這樣既可以延長液壓泵和馬達的壽命，又能夠節約能源，降低整機噪音，同時還能夠容易實現通過調整工作壓力，進而提高風扇轉速，提高風量，來解決高溫地區散熱系統過熱問題。

液壓馬達驅動風扇控制策略是通過反比例電磁閥來控制液壓馬達壓力來實現風扇轉速變化，本次IIIB機型水散熱器的溫度設定范圍是76～88 ℃，即當水散熱器中介質溫度低于76 ℃時風扇靜止不動，當水散熱器中介質溫度在76～88 ℃時，風扇轉速根據溫度傳感器輸出給馬達的電信號在零到設定的最高轉速之間自動調節，當水散熱器中介質溫度高于88 ℃時風扇達到設定最高轉速。

5 結 語

滿足非道路工程機械柴油機排放IIIB階段在歐美已經執行，攻克IIIB階段機型裝載機動力系統設計在排氣系統和散熱系統的設計難點是關鍵，因下一排放階段IV階段機型，除在尾氣處理環節增加尿素還原系統，其它動力系統技術與IIIB階段相同，所以IIIB機型的成功開發為下一排放階段IV階段機型設計提供良好的理論和實踐基礎。

2012年應用以上動力系統升級設計的IIIB機型產品已經發布，并銷售到歐盟地區，產品適應性，特別是散熱能力，經過市場驗證可滿足用戶使用工況需求。

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