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1、(10)申请公布号 CN 103174535 A(43)申请公布日 2013.06.26CN103174535A*CN103174535A*(21)申请号 201310065961.6(22)申请日 2013.03.03F02D 43/00(2006.01)F02B 61/06(2006.01)F02B 23/00(2006.01)(71)申请人广西柳工机械股份有限公司地址 545007 广西壮族自治区柳州市柳太路1号申请人康明斯东亚研发有限公司(72)发明人初长祥 王晓瑜 罗维 黄文杰王松林(74)专利代理机构柳州市集智专利商标事务所 45102代理人陈希(54) 发明名称用于提升克服外负载。
2、能力的发动机功率曲线(57) 摘要一种用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特点是发动机功率曲线自额定功率值P1开始，功率随着发动机的转速下降而单调上升到某一最大功率值P*；从这一最大功率值P*开始，功率随着发动机转速的下降而单调下降到怠速值P2；额定功率值P1与某一最大功率值P*的单调上升区段，控制发动机的燃油系统和增压器和控制发动机活塞的燃烧室形状；对于电控发动机，控制电控发动机的电控模块，限定发动机在发动机转速从n1下降到n*时，发动机功率按单调上升区段曲线从P1上升到P*。其优点是发动机的输出扭矩明显大于普通发动机功率曲线的输出扭矩，这部分高出的扭矩有利于克服车辆外负载的能力，提升。
3、发动机扭矩适应外负载变化的能力。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图3页(10)申请公布号 CN 103174535 ACN 103174535 A1/1页21.一种用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，是以发动机转速n为横座标，发动机功率P为纵座标，将发动机在不同转速下的输出功率绘制成发动机功率曲线，其特征在于：所述的发动机功率曲线自额定功率值（P1）开始，功率随着发动机的转速下降而单调上升到某一最大功率值（P*）；从这一最大功率值（P*）开始，功率随着发动机转速的下降而单调下降到。
4、怠速值（P2）；在所述额定功率值（P1）与某一最大功率值（P*）的单调上升区段，控制机械发动机的燃油系统和控制发动机增压器和控制发动机活塞的燃烧室形状，限定发动机在发动机转速从（n1）下降到(n*)时，发动机功率按单调上升区段曲线从（P1）上升到(P*)，而且保证排放和燃油经济性。2.根据权利要求1所述的用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特征在于：所述的最大功率值(P*)对应的转速值(n*)比额定功率值（P1）对应的转速值（n1）小240% rpm。3.根据权利要求2所述的用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特征在于：所述的最大功率值(P*)对应的转速值(n*)比额定功率值（P1。
5、）对应的转速值（n1）小525%rpm。4.根据权利要求1或2或3所述的用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特征在于：所述机械发动机是与液力变矩器连接配合，其输出扭矩与液力变矩器相配合。5.根据权利要求1或2或3所述的用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特征在于：所述机械发动机的燃油系统包括机械喷油器和机械燃油泵，采用正校正调试的机械泵，正校正起始点调整至与发动机功率曲线的单调上升区段曲线相对应的转速。6.根据权利要求1或2或3所述的用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特征在于：对所述机械发动机增压器的控制包括发动机在1000rpm以下的低速段时，其空燃比控制在15以上，在中。
6、高速段增压器运行在高效率区间，避免出现喘振，阻塞，超速。7.根据权利要求1或2或3所述的用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特征在于：对所述机械发动机活塞的燃烧室形状的控制结合降低油耗，改善排放烟度，将活塞燃烧室采用提升压缩比的设计，将压缩比提升5%30%。8.一种用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，是以发动机转速n为横座标，发动机功率P为纵座标，将发动机在不同转速下的输出功率绘制成发动机功率曲线，其特征在于：所述的发动机功率曲线自额定功率值（P1）开始，功率随着发动机的转速下降而单调上升到某一最大功率值（P*）；从这一最大功率值（P*）开始，功率随着发动机转速的下降而单调下降到怠速。
7、值（P2）；在所述额定功率值（P1）与某一最大功率值（P*）的单调上升区段，控制电控发动机的电控模块，对喷油量进行控制，限定发动机在发动机转速从（n1）下降到(n*)时，发动机功率按单调上升区段曲线从（P1）上升到(P*)，而且保证排放和燃油经济性。9.根据权利要求8所述的用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特征在于：所述的最大功率值(P*)对应的转速值(n*)比额定功率值（P1）对应的转速值（n1）小240% rpm。10.根据权利要求9所述的用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线，其特征在于：所述的最大功率值(P*)对应的转速值(n*)比额定功率值（P1）对应的转速值（n1）小525。
8、%rpm。权 利 要 求 书CN 103174535 A1/5页3用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线技术领域0001 本发明是涉及应用在轮式装载机发动机与液力变矩器的匹配，使车辆在作业工况中遇到重载负荷时，能够有效提升车辆克服外负载的能力，提高综合作业效率、降低油耗的一种用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线。背景技术0002 轮式装载机的发动机与液力变矩器匹配工作，输出新的功率特性，以满足车辆的作业需求。一般来说，液力变矩器的高效区域需匹配在发动机的额定功率点附近，这样往往可以得到最大的输出功率范围，提升车辆的综合作业性能，比如动力性与燃油经济性。0003 车辆在作业过程中，发动机转速会。
9、随着负荷的增加而下降，当负荷增加时，需要发动机相应地输出更大的扭矩克服外负载。对于普通的发动机功率曲线来说，它的最大功率都发生在额定功率点，并且功率会随着转速的下降而单调下降。功率等于扭矩乘以转速（P=Tn)，因此，当发动机负载增加、转速下降时，由于功率的下降，发动机输出扭矩上升率相对较小，这种发动机克服外负载的能力有限。发明内容0004 本发明的目的就是提供一种发动机的输出扭矩明显大于普通发动机功率曲线的输出扭矩，这部分高出的扭矩有利于克服车辆外负载的能力，提升发动机扭矩适应外负载变化的能力用于提升克服外负载能力的发动机功率曲线。0005 本发明的解决方案是这样的：本发明的曲线是以发动机转速。
10、n为横座标，发动机功率P为纵座标，将发动机在不同转速下的输出功率绘制成发动机功率曲线，所述的发动机功率曲线自额定功率值P1开始，功率随着发动机的转速下降而单调上升到某一最大功率值P*；从这一最大功率值P*开始，功率随着发动机转速的下降而单调下降到怠速值P2；在所述额定功率值P1与某一最大功率值P*的单调上升区段，控制机械发动机的燃油系统调速器调整调速率和控制发动机增压器和控制发动机活塞的燃烧室形状，限定发动机在发动机转速从n1下降到n*时，发动机功率按单调上升区段曲线从P1上升到P*，而且保证排放和燃油经济性。0006 对于电控发动机，本发明是以发动机转速n为横座标，发动机功率P为纵座标，将发。
11、动机在不同转速下的输出功率绘制成发动机功率曲线，所述的发动机功率曲线自额定功率值（P1）开始，功率随着发动机的转速下降而单调上升到某一最大功率值P*；从这一最大功率值P*开始，功率随着发动机转速的下降而单调下降到怠速值P2；在所述额定功率值P1与某一最大功率值P*的单调上升区段，控制电控发动机的电控模块，对喷油量进行控制，限定发动机在发动机转速从n1下降到(n*)时，发动机功率按单调上升区段曲线从P1上升到P*，而且保证排放和燃油经济性。0007 更具体的技术方案还包括：所述的最大功率值P*对应的转速值n*比额定功率值P1对应的转速值n1小240% rpm。说 明 书CN 103174535 。
12、A2/5页40008 进一步的：所述的最大功率值P*对应的转速值n*比额定功率值P1对应的转速值n1小525%rpm。0009 进一步的：所述机械发动机是与液力变矩器连接配合，其输出扭矩与液力变矩器相配合。0010 进一步的：所述机械发动机的燃油系统包括正校正调试的机械泵，采用正校正起始点调整至与发动机功率曲线的单调上升区段曲线相对应的转速。0011 进一步的：对所述机械发动机增压器的控制包括发动机在1000rpm以下的低速段时，其空燃比控制在15以上，在中高速段增压器运行在高效率区间，避免出现喘振，阻塞，超速。0012 进一步的：对所述机械发动机活塞的燃烧室形状的控制结合降低油耗，改善排放烟。
13、度，将活塞燃烧室采用提升压缩比的设计，将压缩比提升5%30%。0013 本发明的优点是：本发明的发动机的输出扭矩明显大于普通发动机功率曲线的输出扭矩，这部分高出的扭矩有利于克服车辆外负载的能力，提升发动机扭矩适应外负载变化的能力。附图说明0014 附图用于解释本发明。0015 图1是本发明发动机曲线图。0016 图2是本发明发动机曲线与普通发动机曲线的对比图。0017 图3是本发明发动机与液力变矩器的匹配输入特征曲线图。0018 图4是本发明发动机与液力变矩器匹配曲线与普通发动机与液力变矩器匹配曲线的对比图。0019 图5是液压系统对发动机与液力变矩器匹配影响分析图。具体实施方式0020 如图。
14、1所示，本发明对发动机功率曲线做了优化改进，从额定功率转速点n1开始，当发动机转速下降时，输出功率会随之上升，并在低于额定转速点n1的某一转速点n*处达到最大值P*。从最大功率转速点n*起，功率曲线会随着转速的下降而单调下降到怠速转速点n2。这种曲线在外形上看起来，功率从额定转速点n1往左会形成一个上拱功率段至转速点n*，这就是本发明的发动机功率曲线区别于普通发动机功率曲线的最明显特征。正由于这段上拱的功率曲线，从n1到n*转速段，本发明发动机的输出扭矩明显大于普通发动机功率曲线的输出扭矩，见附图2所示，这部分高出的扭矩有利于克服车辆外负载的能力，提升发动机扭矩适应外负载变化的能力。0021 。
15、在发动机与液力变矩器在匹配过程中，液力变矩器的泵轮与发动机飞轮刚性连接并由飞轮输入动力，涡轮输出动力到变速箱，导轮固定不动。如果采用本发明，把发动机的外特性曲线与液力变矩器的外特性曲线画在同一张图中，就得到了发动机与液力变矩器的共同工作输入特性图，详见图3。变矩器的涡轮转速nt与泵轮转速nb之比就是转速比i，即i=nt/nb。在每一个固定的转速比i下，泵轮扭矩Tb都是一条关于泵轮转速nb的二次函数曲线Tb=cnb2，系数随转速比i值的变化而变化，即系数是转速比的函数c=f(i)。车辆说 明 书CN 103174535 A3/5页5从零速起步，涡轮转速nt相应从零开始增加，变矩器转速比i随车辆外。
16、负载的变化从0到1.0连续变化，泵轮的负荷抛物线实际上变成一束连续的抛物线簇，因此发动机与液力变矩器的匹配实际上就是求解发动机外特性曲线与液力变矩器负荷抛物线簇的共同工作交点区域a-a-b-b-a的座标值。在这一区域内，发动机转速ne范围为(nemin，nemax)，等同于泵轮转速nb范围，发动机扭矩Te范围为（Temin，Temax），等同于泵轮扭矩Tb范围。0022 如图4所示，当车辆传动系统平衡在某一工况点，比如转速比i=0.4时，变矩器与普通发动机平衡在c点，c点的转速nc，扭矩为Tc；与本发明发动机平衡在c点，c点的转速为nc，扭矩为Tc。当车辆的牵引作业阻力增加时（比如爬坡，铲斗插。
17、入料堆等工况），车速降低，变矩器转速比i从0.4降到0，此时变矩器与普通发动机的匹配平衡点发生变化，由c点重新平衡到d点，d点的发动机转速为nd，扭矩为Td；变矩器与本发明发动机的匹配平衡点也发生变化，由c点重新平衡到d，d点的转速为nd，扭矩为Td。显然，在前后两个平衡点，本发明发动机的转速与扭矩均比普通发动机的转速与扭矩大，即ncnc，TcTc，ndnd，TdTd。转速越高，车辆液压系统的工作效率越高；扭矩越大，车辆克服外负载的能力越强。因此，本发明发动机功率曲线可以明显提高车辆的综合作业性能，比如动力性与作业效率。0023 当装载机的液压系统不工作时，发动机外特性曲线与液力变矩器的匹配属。
18、于全功率匹配，当装载机的液压系统开始工作时，发动机需扣除液压系统所占功率之后再与液力变矩器匹配，这时的匹配称为部分功率匹配。部分功率匹配图位于全功率匹配图的下方，即发动机扭矩曲线在保持形状完全不变的情况下向下平移，这个平移量就是液压系统所占功率，见附图5所示。附图5中，全功率发动机外特性曲线与液力变矩器的共同工作区域面积为e-f-g-h-e所围成的阴影面积，部分功率发动机外特性曲线与液力变矩器的共同工作区域面积为e-f-g-h-e所围成的阴影面积。这部分阴影部分的面积就是本发明发动机曲线较普通发动机曲线所多出的工作范围，很明显，液压系统功率占比越多，本发明发动机曲线较普通发动机曲线的工作范围越。
19、宽，优势越明显。0024 要实现上述技术方案，就需在在所述额定功率值P1与某一最大功率值P*的单调上升区段，控制机械发动机的燃油系统调速器，限定发动机在发动机转速从n1下降到n*时，发动机功率按单调上升区段曲线从P1上升到P*。0025 具体限定发动机按本发明的曲线工作，需要综合考虑燃油经济性、发动机排放及发动机可靠性等全面的需求，对于不同的功率值（P1，P*，P2）和转速值（n1，n*，n2），发动机关键性能部件的具体匹配和调节方案不尽相同。对于不同的发动机，为实现本发明所描述的性能曲线，对发动机关键性能部件的匹配和调节方案亦不尽相同。需具体问题具体分析。0026 因此可采用的匹配和调节方案。
20、包括：1、 对机械发动机燃油系统调速器的调速率进行综合匹配和调试，使发动机与液力变矩器相配合。0027 2、 对机械发动机，其燃油系统包括正校正调试的机械泵，将正校正起始点调整至与发动机功率曲线的单调上升区段曲线相对应的转速。0028 3、 对于电控发动机，采用电控模块控制发动机的喷油量；电控喷油器的规则就是一个 流量 * 时间。喷油器的流量是一定的， 我们就是通过时间窗口长短的控制来控制喷油量的。根据所需功率来控制喷油持续期。对于不同的发动机，在不同功率段的喷油量是说 明 书CN 103174535 A4/5页6有差别的。0029 4、 限定机械发动机按本发明的功率曲线，主要采取对燃油系统、。
21、发动机增压器、发动机活塞的燃烧室形状进行控制，其中：5、 对增压器的工作原理是利用发动机排气管中的废气能量推动涡轮及压气机中的转子，增加进气系统的新鲜空气压力，进而达到增加缸内新鲜空气质量的目的。由此，在选择增压器的过程中，要兼顾两方面的因素。一方面保证发动机良好燃烧性能的进气量需求，一方面保证增压器有效工作，最大程度地利用废气能量。结合轮式装载机的运行工况，选择增压器时，要求保证发动机在低速段（1000rpm以下）的空燃比（控制在15以上），在中高速段增压器要尽量运行在高效率区间（增压器的高效区指的是在测试出效率分布图中的高效区域）。同时，增压器的运行要尽量控制在压气机/涡轮的高效区（指的是。
22、在测试出效率分布图中的高效区域）中，不能出现由于匹配不当造成的喘振，阻塞，超速的问题。这些就是通过进行大量模拟来选型的。0030 6、 对发动机活塞的燃烧室形状进行优化是结合降低油耗，改善排放烟度进行。为了进一步改善轮式装载机的经济性，降低烟度，活塞燃烧室采用提升压缩比的设计，将压缩比提升5%30%，产生缩口的碗型设计，对燃油经济性有明显改善，产生缩口的碗型对烟度的控制也产生了很好的效果。0031 7、 由于发动机压缩比提升的范围受很多其它条件影响，如增压器的选型，发动机的型号，碗形的设计。发动机一般的压缩比范围是1519。但也有例外。因此对于不同的发动机，要根据具体上述优化原则进行设计。00。
23、32 8、 机械燃油系统包括机械喷油器和机械燃油泵，采用具有正校正功能的机械燃油泵，正校正起始点调整至与发动机功率曲线的单调上升区段曲线相对应的转速，选择不同的机械泵进行测试和选型，直至满足与发动机功率曲线的单调上升区段曲线相对应的转速。0033 9、 下面以采用废气增压进气系统与直列机械泵燃油系统来说明本发明的一个实施例。0034 在本实施例中，我们首先根据性能曲线中要求的额定功率值P1、最大功率值P*、怠速功率P2选择合适的增压器以配合发动机对进气量的需求，同时也使其与发动机匹配带来的泵气损失功较小。进气量与转速是影响增压器效率的两个关键因子，为了保证在转速n1，n*，n2处能有充足的进气。
24、，保证发动机能输出p1，p*，p2的功率，并且使增压器在这些转速点都运行在高效区，首先在测试台上测绘出了大量不同涡轮与压叶轮尺寸的增压器效率分布图，然后通过模拟软件GT-Power将增压器效率图与发动机的实际工况图相结合，以及通过一系列试验验证，选择出了涡轮与压叶轮尺寸配合最合适的增压器。在保证发动机在转速n1，n*，n2能满足输出功率p1，p*，p2的同时，也使增压器运行在高效区、泵气损失功最小，提高燃油的利用率。0035 为了保证本实施例的发动机在提供性能曲线中要求的较大动力输出（p1，p*，p2）的同时，使缸内燃烧温度也处于较低的水平，进而保证了本实施例发动机的高可靠性，同时考虑发动机燃。
25、油经济性，需要对发动机活塞的燃烧室形状进行优化。发明发动机活塞的燃烧室形状决定了发动机的压缩比以及新鲜空气进入燃烧室之后的流动状态。经过大量的模拟与论证，对本实施例的发动机燃烧室进行了优化设计，选定了压缩比为1719的铸铝活说 明 书CN 103174535 A5/5页7塞。而本实施例中所选择的燃烧室设计与缸盖设计，也使得新鲜空气在进入燃烧室时有特定的涡流与紊流比，促使了燃油与空气的高效混合，从而在实现了功率值（p1，p*，p2）的同时，提高了燃油经济性。同时本实施例发动机的凸轮轴精确控制着发动机进排气门的运动，提高了本发明发动机的充气效率，保证了本实施例发动机的燃烧有充足的进气供给。0036。
26、 在本实施例中，也需要匹配调试机械燃油泵与机械喷油器组成的燃油供给系统。通过模拟计算，同时考虑燃油经济性和保证发动机排放要求，为本实施例中的发动机采用的是整体式高压燃油喷射泵，最大喷射压力可达800 bar1300bar，同时选择喷射夹角为135153的六孔喷油器（本实施例采用的喷射夹角为150度），结合涡流与紊流比的进气，使得燃油在进入燃烧室后能很好的雾化，从而实现了高效率燃烧，并且降低发动机的比排放。与此同时，此喷油器还能减少燃烧过程中碳氢的生成，降低发动机的比排放。在本实施例中，为了在转速n1，n*，n2时实现本发明性能曲线中要求的功率p1，p*，p2，对发动机喷油泵的调速器经过通过一系。
27、列的实验进行选择和调试，使得在相应转速n1，n*，n2时提高了扭矩储备，提升了工程机械车辆克服外负载的能力，从而使得本发明发动机与液压变矩系统的匹配效率较一般发动机高。0037 经过对本实施例发动机以上关键部件的设计、匹配和调试，在保证燃油经济性、发动机排放、产品成本以及产品可靠性等全面的产品需求的同时，通过控制发动机输出本发明的性能曲线来提高发动机与液压变矩系统的匹配效率，从而达到降低油耗的目的。说 明 书CN 103174535 A1/3页8图1图2说 明 书 附 图CN 103174535 A2/3页9图3图4说 明 书 附 图CN 103174535 A3/3页10图5说 明 书 附 图CN 103174535 A10。