關于非道路寬體自卸車“來油慢”相關問題分析及解決方案

楊位東　馬露　陳震　趙志強

摘 要：隨著《GB 20891-2014 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》的推出，原有大泵發動機逐漸被高壓共軌發動機淘汰。在切換過程中，司機們紛紛表示高壓共軌發動機沒有大泵發動機有勁，然而通過比較各發動機公司提供的發動機性能數據單發現，高壓共軌發動機的輸出扭矩較大泵發動機的輸出扭矩更大。通過進一步調研發現，司機反饋的現象為“起步沒勁”、“起步來油慢”，本文將以搭載濰柴發動機WP12G460E310發動機的徐工非道路寬體自卸車為試驗及分析對象，全面解析“來油慢”問題并提出解決方案。通過實驗對比發現，加大排氣管直徑并取消消音器可解決“來油慢”問題，且效果明顯。

關鍵詞：非道路寬體自卸車 發動機 進氣壓力 來油慢

1 引言

非公路寬體自卸車是一種具有中國特色，基于重型自卸車而演化出的一種非道路運輸車輛。[1]該類型車輛普遍采用傳統自卸車動力傳動系統，并通過將車架加強，底盤和車廂加高、加寬，在提高運輸效率的同時，保障車輛的穩定性、通過行等性能。[2]在礦區運輸的車輛主要應用于水泥礦山土方剝離層的運輸，且大多屬于短途坑道作業，且超載現象嚴重，所以這就要求非公路寬體自卸車有較強的動力性。[3]根據我司服務部反饋，有我司七臺XG90（其中四臺為DFW715，三臺為DFW814）存在沖勁不足問題，通過分析現場采集的數據，并做了一系列準備工作后，前往礦區進行調研。通過分析車輛的運行狀況，提出解決方案，在保證車輛動力性的前提下，改善車輛“起步來油慢”情況。

2 問題描述

根據現場反饋的數據信息，發現沖勁不足的原因為發動機煙度限制，所謂發動機煙度限制為濰柴為避免因發動機進氣量不足排氣冒黑煙而修正的噴油量MAP。[4]

其主要表現為在猛踩油門的過程中，發動機需要逐漸提升最大輸出扭矩至當前轉速設定值，而不是直接將最大輸出扭矩提升至最大值，提升過程大約需要2～5秒。這也符合客戶反饋無沖勁的主觀感受。

3 根本原因分析

通過數據發現，我司車型的煙度限制狀態數量占比為2.84%，最大進氣壓力為260kpa，雖符合濰柴匹配規范，但處于偏低水平。故可能是進氣壓力較低引起的煙度限制時間較長，為此需要對進增壓器系統進行分析。

在啟動及怠速的時候，發動機自然吸氣，經空氣濾清器、渦輪增壓器壓輪、中冷器進入氣缸，做功后，廢氣經由渦輪增壓器渦輪、排氣管及消音器排進大氣。廢氣渦輪增壓是通過發動機排出的廢氣能量推動渦輪增壓器來實現增壓的。[5]在踩油門的時候，氣缸吸氣量增加，排氣量也隨之大量增加，渦輪增壓器起作用，將大量氣體壓進氣缸，噴油量增加，排出的氣體進一步增加，此為正反饋系統，如此循環往復，直至達到發動機最大扭矩，噴油量將不再增加，系統達到平衡。

基于以上原理，在都可達到最大噴油量的前提下，進氣壓力較低的原因主要有以下幾點：

a空氣濾清器阻力較大，增壓器的壓輪負載較大;

b中冷器阻力較大，增壓器的壓輪負載較大;

c排氣系統阻力較大，增壓器渦輪負載較大。

4 改進實驗實施與驗證

4.1 實驗參數和實驗設備

本次實驗的目的是在達到最大噴油量的前提下，找出進氣壓力較低的原因，來解決“來油慢”的問題，實驗采用控制變量對比實車實驗方案。實驗場地為我國北方某礦區。實驗車型為徐工90噸非道路寬體自卸車，如圖1所示。實驗設備為濰柴智多星，如圖2所示，由濰柴研發的新一代診斷工具，具有發動機診斷、整車功能標定、數據刷寫等功能。

4.2 實驗方案確定

本次實驗采用控制變量對比實車實驗方案，根據理論和原理分析得出，進氣壓力低可能是由空氣濾清器阻力大、中冷器阻力大或排氣系統阻力大導致的。故分別進行三次對比實驗，根據實驗結果來分析原因。

4.3 實驗結果測量

通過與濰柴智多星數字信號采集裝置可以測量出發動機的測試工況數據，其中進氣壓力的直觀分析圖可以體現出進氣壓力大小的變化。在空氣濾清器阻力對比實驗和中冷器阻力對比實驗中，進氣壓力直觀分析圖變化不大，則進氣壓力大小變化不明顯。而在排氣系統阻力對比實驗中，排氣管尺寸加大前后，即100mm排氣管和120mm排氣管的進氣壓力變化明顯，如圖3所示。

5 實驗結果分析

5.1 空氣濾清器阻力對比實驗分析

空氣濾清器是進氣系統的核心部件，既是性能部件，又是功能部件，其過濾效率、進氣阻力等性能參數直接影響發動機的動力性、燃油經濟性、使用可靠性和耐久性等。阻力過高會降低發動機的動力性。對柴油機還會增加煙度。[6]經過對比發現，我司空氣濾清器濾芯尺寸（2840）遠小于競品的尺寸（3348），空氣濾清器阻力較大可能為主要原因。結合我司現有資源，選用我司DFWD31空氣濾清器作為驗證空氣濾清器，該空氣濾清器濾芯無論從過濾類型，還是空氣濾清器濾芯尺寸均優于競品，但通過控制變量對比實驗，實驗結果不慎理想，故空氣濾清器阻力較大，增壓器的壓輪負載較大不是汽車“來油慢”的主要原因，更改空氣濾清器芯尺寸不是最佳解決方法，所以沒有采用。

5.2 中冷器阻力對比實驗分析

中冷器作為柴油發動機進氣系統重要的裝置，是增壓柴油機正常運轉不可缺少的一部分。通過采用中冷技術，不但可以提高發動機功率，還可以降低發動機的熱負荷和排氣溫度，增壓空氣流經中冷器銅散片間的空隙，將熱量傳遞給散熱片后，其溫度降到滿足排放要求的目標值，穩壓后再進入氣缸。而流經中冷器的空氣阻力應盡可能低，否則影響到柴油機的功率和性能。[7]經過對比發現，我司中冷器尺寸和競品的尺寸相當，可定為次要原因。通過更換阻力較小的中冷器（進氣阻力由10kpa降低至5kpa，冷卻能力有一定犧牲，但實驗效果不明顯，進氣壓力并無增加，司機主管感受無提升。所以更改阻力小的中冷器不是汽車“來油慢”的解決方法，故沒有采用。

5.3 排氣系統阻力對比實驗分析

為了保證排氣系統正常工作，必須使所設計的排氣系統的總阻力小于發動機正常工作所允許的最大阻力，排氣系統的阻力取決于管路的形狀、管路的平滑度、管路的尺寸、彎管類型等因素，還與選用的空氣濾清器和消聲器自身的阻力有關。根據流體力學理論，流體沿管路流動時，由于管理的摩擦和管路形狀變化等原因，在管路內流動會產生一定的阻力，導致流體的能量損失。[8]而管路的尺寸很大程度上影響著排氣系統的阻力大小。為此我們將排氣管直徑由100mm加粗至120mm后進行實驗，進氣壓力由260kpa提升至275kpa，提升明顯，且司機反饋效果較好。

6 結論

通過以上三次控制變量對比實車實驗驗證，結果發現更換大空氣濾清器、降低中冷器進氣阻力的效果均不太理想，司機主觀感受也不太好。而加粗排氣管的同時取消消音器，效果明顯，司機反饋效果較好。故加粗排氣管并取消消音器可作為“來油慢”、“沒沖勁”等主觀感受問題的解決方案。

參考文獻：

[1]張晨，李博韜.基于AVL CRUISE的某非公路礦用自卸車動力傳動系匹配分析[J].現代車用動力，2015.

[2]張文明，楊耀東.非公路自卸車[J].專用汽車，2013.

[3]賀繼紅.寬體自卸車：非道路自卸車市場的寵兒[J].專用汽車，2011.

[4]王滸，堯命發，鄭尊清，等.多次噴射與EGR耦合控制對柴油機性能合排放影響的試驗研究[J].內燃機學報，2010.

[5]史文庫，姚為民.汽車構造[M].北京：人民交通出版社，2013.

[6]余志生.汽車理論（第3版）[M].機械工業出版社，2000.

[7]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[8]蘇國萃.起重運輸車輛發動機進排氣系統的設計計算[J].起重運輸機械，2008.