工程机械中的泵与发动机匹配

工程机械，２００１（８）

范围非常广泛，不但要从设备上提供保障，技术上不

收稿日期

１引言

目前，国产工程机械的能量利用率都比较低，以液压挖掘机为例，总的能量利用率仅为２０％左右，因此节能一直是工程机械的重点研究课题。造成工程机械能量利用率低的主要原因之一是：负载工况的变化，泵与发动机不能保持良好的匹配，使发动机不能在最佳工作点或最佳工作区运行。因此，在变负载工况下，实现泵与发动机的匹配是提高工程机械能量利用率的有效途径。

本文论述了工程机械最佳工作点的概念，提出了根据不同作业需求设置不同输出模式的观点，探讨了泵与发动机的匹配机理及其实现，对理解和设计工程机械节能控制系统，提高生产效率和经济效益，都具有意义。

２发动机的最佳工作点

图１是发动机的工作特性图。曲线ＡＢＣＤ是发

动机的全负载速度特性，斜线１、

２、３、４为不同油门位置时的调速特性。

Ａ点、Ｂ点、Ｃ点和Ｄ点分别是对应的最大功率输出点。因为一个油门位置X 对应一

个最大功率输出点，所以最大功率N m （M ，

I ）是油门位置的函数，即

N m (M,I >=f 1(X >

（１）

所以只要调节油门的位置，就可选择不同的功率模

式。发动机在工作时，其所受的扭矩M 为自变量，

M 的大小取决于后接负载的大小，而发动机转速I 是因变量，所以

I ＝f ２（M ）

（２）

因为发动机正常工作时，后接负载往往低于该油门位置时的最大负载，所以发动机正常工作时往往工作在调速特性段，而调速特性段的功率低于该油门位置时的最大功率（图中N R !N ），因此发动机在正常工作时其效能往往未能得到充分发挥。要想得到最大的工作效率，发动机应始终工作在最大功率点。但是负载有轻重之分，在轻负载时，并不需要用足发动机的全部功率，所以需要区分负载的轻重，设定不同的功率模式。

在不同的油门位置下，虽然都可以工作在最大

功率点，但是在有些最大功率点（如图１中的Ｂ、

Ｃ、Ｄ点）抗过载能力很差，容易导致发动机熄火。所以在不同油门位置下，最大功率点的设定应如图１中

的Ａ、

Ｅ、Ｆ、Ｇ点，使得在每一个最大功率点都留有一定的过载余量（如δM =M D -M G ），而不至于导致

发动机熄火。

δM 大小视不同油门位置时的具体工作特性而定，其趋势如图１中的ＡＥＦＧ曲线，

因此

浙江大学流体传动及控制国家重点实验室彭天好杨华勇傅新

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摘要本文讨论了发动机最佳工作点的概念，提出了根据负载情况和作业需求来设定最佳工作点的

观点，探讨了泵与发动机的匹配机理及其实现，对理解和设计工程机械节能控制系统，提高生产效率和经济效益，都具有一定意义。

关键词：最佳工作点功率匹配生产效率

３７——

液压·

液力

实际工作时设定的最大功率点应落在ＡＥＦＧ曲线

上。

但是另一方面，发动机工作在最大功率点处耗

油并不最省。由发动机的万有特性知道，当等功率线与等燃油消耗率线相切时的工作点为最佳节能点。发动机在最佳节能点处工作时，完成相同的作业量，其油耗最小。但最佳节能点处输出功率并不最大，所以最佳节能点落在调速特性段，见图１中

的Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ点。由最佳节能点连成的线即为最佳节能线，即ＳＴＵＶ曲线。不同的油门位置对应不同

的最佳节能点，所以最佳节能点g （M ，I ）也是油门

位置X 的函数，即

g （M ，I ）＝f ３（X ）（３）从上面的分析中可得到如下结论：

（１）要根据负载的轻重来设定不同的功率预选模式，即选择不同的油门位置；

（２）一定的油门位置对应一定的最大功率点和一定的最佳节能点；

（３）最佳工作点应设定为最大功率点或最佳节能点，最大功率点的设定应落在ＡＥＦＧ曲线上；（４）最佳工作点究竟取最大功率点还是最佳节能点，要视作业需求而定。当追求在单位时间内的最大作业量，即生产效率时，应选择最大功率点

为最佳工作点（图１中Ａ、Ｅ、Ｆ、Ｇ点）；当追求在单

位时间内完成相同的作业量而最节省燃油时，应以

最佳节能点为最佳工作点（图１中Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ点）。

在微机节能实现中（见本文第４部分），是采用输出模式来选择最佳工作点的。

３泵与发动机的功率匹配原理

发动机的输出功率N e （单位：

ｋＷ）为：N e :π3000

·M e ·I e （４）

式中M e —发动机的扭矩，

Ｎ·ｍ；I —发动机的转速，ｒ／ｍｉｎ；

泵的输出功率N J （单位：

ｋＷ）为：N J ＝P J ·0J ６０＝P J ·g J ·I e ６００００＝

π·M J ·I e ３０００（５）

式中

M J -泵的吸收扭矩，Ｎ·ｍ；

P J -泵出口压力，

ＭＰａ；0J -泵出口流量，Ｌ／ｍｉｎg J -泵的排量，

ｍＬ／ｒ；其中M J 为：

M J ＝P J

·g J

２π（６）

由传动关系知，N J 与N e 又满足：N J ＝N e ·η1

·η2（７）

式中

η1-泵与发动机之间的传动效率，泵与发动机直接连接时取为１；

η2-泵自身的效率，对高性能柱塞泵，可取为０．９５。将（４）式、（５）式和（６）式代入（７）式得：

M J :

P J ·g

J 2π

0.95M e （８）

当发动机期望工作在某一最佳工作点时，其输出扭矩为一常值，所以泵与发动机功率匹配关系式可以表示为：

M J =P J ·g J ＝０．９５M e ＝常值（９）因此，当负载P J 变化时，通过调节泵的排量g J 使得泵的输出扭矩不变，就实现了泵与发动机之间的功率匹配，发动机的转速为设定的最佳工作点处的转速。从而得出结论：当发动机在设定的最佳工作点运行时，欲实现泵与发动机匹配，则要求泵具有恒扭矩特性，见图２所示。

图!发动机工作特性图

图"功率匹配泵的P —g 特性