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
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!"
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!"
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
液压·液力
虽然传统的恒功率泵在其恒功率区段也能实
现泵与发动机的匹配，但传统的恒功率变量泵是靠不同的弹簧组合来近似实现恒功率的，因而具有调节不方便，有误差等不足。

而当采取微机控制时，只要保证变量泵具有恒扭矩特性，就能实现泵与发动机的精确匹配，而且调节方便，可以满足不同功率模式的要求。

４泵与发动机匹配的实现
下面以浙江大学流体传动及控制国家重点实验室所建的节能实验台为例，介绍泵与发动机匹配的实现方案（如图３所示）。

功率模式按负载大小分重载、中等负载和轻载
模式，分别对应Ｈ模式、Ｅ模式和Ｌ模式，它们分别占发动机总功率的１００％、
８５％和７０％。

当机器不工作时，功率模式为怠速模式（Ｉ模式）。

每一种功率
模式对应一定的油门位置，
Ｈ、Ｅ、Ｌ、Ｉ模式分别相应于图１中１、
２、３、４油门位置。

输出模式选择是指在某一油门位置时选择哪一类最佳工作点。

当选择Ｇ模式，则是最大功率输出模式；当选择Ｊ模式，则是最节省燃油模式。

当设定好某一功率模式后，控制器就输出与之
相应的电压信号，经电压电流转换，比例电磁铁及中间机构带动发动机的调速拉杆移动一定的行程Ｓ，经发动机内部的电控系统控制喷油泵的喷油量，即选定了一定的油门位置!。

对应某一功率模式控制器输出控制信号的大小由发动机实验标定得到。

在设定了功率模式和选择了输出模式后，则选
择了最佳工作点（"ｏ、#ｏ）。

由２、３部分知，当泵与发
动机匹配时，发动机在最佳工作点运行，泵具有恒扭矩特性。

在图３中，电液比例排量变量泵的恒扭矩特性是根据不同的负载工况，控制器输出不同的电信号以改变变量泵的转角α，从而改变泵的排量
$ｂ。

因为转速易于检测，
所以常采用“转速感应控制”来实现泵与发动机的匹配。

“转速感应控制”框图见图４所示。

将功率模式、输出模式和最佳工作转速作为二维表格（见表１）存储在计算机中。

当设定好功率模式和输出模式后，经查表便得到一最佳转速#ｏ，以#ｏ作为目标转
速，与实测转速#ｅ比较形成偏差δ#（
即图４中的δｕ），再由控制器输出控制信号经电液比例阀调节泵的排量$ｂ，从而调节泵的扭矩和发动机的转速#ｅ。

当机器不工作时，为实现泵与发动机的匹配，
图!泵与发动机匹配实现方案框图
图"转速感应控制框图
液压·液力
功率模式W
功率模式点功率n O
H
E L G
n HG n EG n LG 功率模式J J
n HJ n EJ n LJ
泵的排量要调到最小，且发动机油门要自动变换到
怠速油门位置，其实现原理也见图３所示。

在泵出口接一压力继电器，当泵出口压力低于设定的最小压力时，压力继电器输出开关电信号。

开关电信号分成两路，一路直接接控制器，控制器接收到此信号后便发出控制信号ｕ２以使得变量泵的排量调到最小值，另一路经延时继电器延时４秒后作为自动怠速信号使得怠速模式Ｉ有效，控制器发出选择怠速油门位置的控制信号，因而发动机自动变换到怠速油门位置。

５结束语
以上讨论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，并介绍了泵与发动机
匹配的实现，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，都具有较大意义。

参考文献
1孙业保主编．车用内燃机．北京：北京理工大学出版社，１９９７（１０）
２米智学，曹树平等．挖掘机中的主要节能措施．节能，１９９７（８）
３黄宗益．液压挖掘机全功率控制．建筑机械，１９９７（７）
通讯地址：杭州玉泉浙江大学流体传动及控制国家重点实验室（310027）
（收稿日期：
２００１－０３－１２）表1
最佳工作点转速二维表
工程机械中的泵与发动机匹配
作者：彭天好， 杨华勇， 傅新
作者单位：
刊名：
工程机械
英文刊名：CONSTRUCTION MACHINERY AND EQUIPMENT
年，卷(期)：2001,32(8)
被引用次数：20次
参考文献(3条)
1.黄宗益液压挖掘机全功率控制 1997(07)
2.米智学;曹树平挖掘机中的主要节能措施[期刊论文]-节能 1997(08)
3.孙业保车用内燃机 1997
本文读者也读过(2条)
1.李武.崔毅.潘国远.LI Wu.CUI Yi.PAN Guo-yuan液压挖掘机分工况控制中泵-发动机的匹配[期刊论文]-建筑机械（上半月）2008(11)
2.彭天好.杨华勇液压挖掘机泵与发动机匹配研究[期刊论文]-中国公路学报2001,14(4)
引证文献(21条)
1.黄新磊.胡军科.陈鹤梅.罗宁匹配发动机的液压泵复合式控制特性研究[期刊论文]-计算机仿真 2011(9)
2.蒋小伟.钱玮.李黎明.陈伟林.荣大伟.薛振见基于CAN总线的正面吊极限载荷控制[期刊论文]-仪表技术 2011(1)
3.李东阳.谢胜林液压挖掘机的液压泵及其电控系统[期刊论文]-中国高新技术企业 2010(19)
4.贺尚红.杨昀梓基于神经网络的混凝土泵车发动机万有特性建模与工况优化[期刊论文]-中南大学学报（自然科学版）2010(4)
5.贺尚红.李旭宇.杨昀梓.徐晓林混凝土泵车发动机万有特性模型与工况优化研究[期刊论文]-中国工程机械学报
2009(1)
6.张源极限载荷控制技术在起重机上的应用[期刊论文]-建筑机械化 2008(3)
7.汤振周液压挖掘机发动机与液压泵的合理匹配的研究[期刊论文]-长春工程学院学报（自然科学版） 2008(4)
8.柳波.何清华.杨忠炯旋挖钻机的功率匹配节能控制策略[期刊论文]-工程机械 2007(9)
9.王存堂.张建松.徐国芳.陈刚.马维建移动式液压泵站的结构原理及驱动系统[期刊论文]-排灌机械 2007(6)
10.陈欠根.费望龙.蒋苹液压挖掘机功率匹配节能方法研究[期刊论文]-建筑机械(上半月) 2007(12)
11.姚怀新工程车辆牵引动力学概述及其研究回顾(16)[期刊论文]-筑路机械与施工机械化 2006(6)
12.舒服华基于遗传神经网络的推土机变量泵控制系统[期刊论文]-工程机械 2006(7)
13.田秋艳工程车辆液压驱动系统参数匹配及牵引特性曲线的CAD绘制[学位论文]硕士 2006
14.陈海林.屈明宝全液压推土机变量泵控制算法[期刊论文]-建设机械技术与管理 2005(7)
15.陈丰峰.柴光远.郑大腾液压装载机机电液一体化节能控制[期刊论文]-起重运输机械 2005(1)
16.张浩铣刨机自动控制系统的开发与设计[学位论文]硕士 2005
17.顾海荣160ph全液压推土机行驶驱动系统匹配参数研究[学位论文]硕士 2005
18.陈丰峰.柴光远.郑大腾机电液一体化在液压装载机节能上的应用[期刊论文]-煤矿机械 2004(11)
19.龙水根.屈明宝基于DSP的变量泵排量调节PID算法实现[期刊论文]-建筑机械 2004(10)
21.蒋小伟.钱玮.李黎明.陈伟林.荣大伟.薛振见基于CAN总线的正面吊极限载荷控制[期刊论文]-仪表技术 2011(1)本文链接：/Periodical_gcjx200108016.aspx。