工程機(jī)械混合動力畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論2</b></p><p>　　1.1課題研究的背景2</p><p>　　1.2什么是混合動力車輛3</p><p>　　1.3工程機(jī)械混合動力技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀3</p><p>

2、　　1.4工程機(jī)械混合動力的發(fā)展趨勢4</p><p>　　1.5課題研究的意義5</p><p>　　1.6本文研究的主要內(nèi)容6</p><p>　　第二章 工程機(jī)械動力特性分析6</p><p>　　2.1工程機(jī)械作業(yè)特點6</p><p>　　2.2工程機(jī)械現(xiàn)有動力的特點7</p>&

3、lt;p>　　2.3工程機(jī)械發(fā)動機(jī)的工況與特性簡介7</p><p>　　2.4混合動力的特點8</p><p>　　第三章 工程機(jī)械混合動力方案探討10</p><p>　　3.1混合動力系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用概況及發(fā)展前景10</p><p>　　3.1.1混合動力汽車節(jié)能機(jī)理分析10</p><p&g

4、t;　　3.1.2混合動力技術(shù)在汽車領(lǐng)域的發(fā)展前景12</p><p>　　3.2工程機(jī)械混合動力的可行性分析12</p><p>　　3.3混合動力的幾種方案的分析12</p><p>　　3.3.1串聯(lián)式方案12</p><p>　　3.3.2并聯(lián)式方案13</p><p>　　3.3.3混聯(lián)式方案14

5、</p><p>　　3.3.4復(fù)合式方案14</p><p>　　3.4工程機(jī)械適用的方案14</p><p>　　3.5混合動力系統(tǒng)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用概況15</p><p>　　第四章 工程機(jī)械混合動力的關(guān)鍵技術(shù)17</p><p>　　4.1混合動力的概況17</p><p&g

6、t;　　4.1.1混合動力系統(tǒng)技術(shù)及其特點17</p><p>　　4.1.2混合動力技術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)17</p><p>　　4.1.3混合動力的關(guān)鍵技術(shù)18</p><p>　　4.1.4混合動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀19</p><p>　　4.2工程機(jī)械混合動力的關(guān)鍵技術(shù)20</p><p>　　4.2.1

7、工程機(jī)械混合動力參數(shù)優(yōu)化匹配20</p><p>　　4.2.2工程機(jī)械混合動力系統(tǒng)的控制策略20</p><p>　　4.2.3工程機(jī)械混合動力回收系統(tǒng)20</p><p>　　4.2.4工程機(jī)械混合動力系統(tǒng)的可靠性22</p><p>　　4.2.5工程機(jī)械混合動力的操控性22</p><p>　　4.3

8、本章小結(jié)23</p><p>　　第五章 混合動力車輛的實例分析及推廣難題24</p><p>　　5.1混合動力系統(tǒng)在工程機(jī)械上的應(yīng)用概況24</p><p>　　5.1.1混合動力系統(tǒng)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用24</p><p>　　5．1．2混合動力系統(tǒng)在裝載機(jī)上的應(yīng)用26</p><p>　　5.1.3混合

9、動力在推土機(jī)上的應(yīng)用28</p><p>　　5.2混合動力技術(shù)在軍車中的應(yīng)用28</p><p>　　5.3用戶如何才能接受混合動力30</p><p>　　第六章 全文總結(jié)及展望33</p><p><b>　　6.1結(jié)論33</b></p><p><b>　　6.2展

10、望33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　致謝36</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的背景</p><p>　　“節(jié)能降耗、

11、綠色環(huán)?！笔钱?dāng)今世界的兩大主題，隨著能源的日益枯竭和環(huán)境污染問題的逐年嚴(yán)重，世界各國對節(jié)能環(huán)保問題越來越重視。而汽車工業(yè)在其發(fā)展的100多年內(nèi)，雖然在節(jié)能、污染、排放和其他若干方面都取得了顯著的改善和長足的進(jìn)步，但是其尾氣排出的污染物仍是當(dāng)今地球大氣的主要污染源。汽車行業(yè)消耗了世界石油產(chǎn)量的很大一部分，據(jù)統(tǒng)計：交通工具的能量消耗量占世界總能源消費的40%，汽車的能源消耗量約占1/4。隨著汽車保有量的逐年增多，石油消耗量也會隨之增加，因此

12、開發(fā)并應(yīng)用節(jié)能清潔的汽車迫在眉睫。在此大背景下，純電動車技術(shù)、燃料電池技術(shù)、混合動力技術(shù)、其他代用燃料技術(shù)等應(yīng)運而生。其中，混合動力技術(shù)是兼顧了節(jié)能環(huán)保性和產(chǎn)業(yè)化可行性的最佳組合，是未來幾年發(fā)展的重要方向。國內(nèi)外各汽車廠商都在不遺余力地研發(fā)混合動力技術(shù)。</p><p>　　工程機(jī)械是耗能與排放大戶，更應(yīng)考慮如何最大限度的實現(xiàn)“節(jié)能降耗、綠色環(huán)?！?。工程機(jī)械采用混合動力是最有效的節(jié)能減排方式之一，工程機(jī)械混合動力

13、也是目前最符合綠色環(huán)保的工程機(jī)械。</p><p>　　1.2什么是混合動力車輛</p><p>　　混合動力車輛是使用多種能源動力的道路車輛，使用內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)、電池、氫氣、燃料電池等技術(shù)。目前的混合動力車多數(shù)以電動機(jī)推動，能源則來自電池及內(nèi)燃機(jī)?；旌蟿恿嚩鄶?shù)無需從電網(wǎng)上充電，但是消耗汽油較少，而加速表現(xiàn)卻較佳，被視為比普通只由內(nèi)燃機(jī)引擎發(fā)動的車輛較為環(huán)保?；旌蟿恿Φ募夹g(shù)最早在柴電潛

14、艇上出現(xiàn)。這類潛艇在水上時用柴油發(fā)動機(jī)推進(jìn)并為電池充電，在水下則由電池推動。世界第一輛混合動力車輛由費迪南德·保時捷在1899年制成。大批量生產(chǎn)的混合動力車則在上世紀(jì)90年代才出現(xiàn)，分別為本田公司生產(chǎn)的Insight和豐田公司生產(chǎn)的Prius。最早期的混合動力車輛，內(nèi)燃機(jī)不會直接驅(qū)動車輪，只是當(dāng)作裝在車上的發(fā)動機(jī)，用來提供動力發(fā)電。車輛則只由電動機(jī)推動。這種配置稱為“串聯(lián)混合”。第二代的混合動力車輛，則由內(nèi)燃機(jī)直接提供動力，推

15、動車輪。電動機(jī)則只作為車輛起動時作輔助，在需要大推力的時候出力，或在剎車時提供再生制動，將動能轉(zhuǎn)成為電能儲存起來。2000年起豐田公司生產(chǎn)的Prius屬第三代混合動力車輛。Prius采用計算機(jī)控制并使用差速器，可以只用電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)，或二者結(jié)合驅(qū)動車輪。計算機(jī)可在需要時關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)或</p><p>　　1.3工程機(jī)械混合動力技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　目前世界主要工程機(jī)械制造企業(yè)

16、都在致力于混合動力工程機(jī)械產(chǎn)品的研究，有的處于樣機(jī)研制階段，有的已開始小批量推向市場。2003年日立建機(jī)成功研制出世界第一臺混合動力輪式裝載機(jī)，2006年4月該公司聯(lián)合紐芬蘭又推出了7t級小型串聯(lián)式混合動力液壓挖掘機(jī)；2004年5月日本小松公司研制成功了世界第一臺混合動力液壓挖掘機(jī)試驗樣機(jī)，又于2008年6月在第一臺試驗樣機(jī)的基礎(chǔ)上正式向日本市場推出了20 t級PC200-8型混合動力液壓挖掘機(jī)。該機(jī)采用了并聯(lián)式油電混合動力，根據(jù)測試結(jié)

17、果其平均油耗可降低25%左右，最大油耗降可達(dá)41%，節(jié)能降耗的效果十分明顯；2008年3月，瑞典沃爾沃建筑設(shè)備公司的L220F型混合動力輪式裝載機(jī)在美國市場亮相，2009年已開始推向市場。根據(jù)測試該混合動力輪式裝載機(jī)可降低耗10%以上；2009年日本住友推出了20 t級磁盤起吊式混合動力液壓挖掘機(jī)，據(jù)說該機(jī)可降低燃油消耗20%以上[1]。</p><p>　　在我國主要工程機(jī)械制造企業(yè)詹陽動力、三一重機(jī)、柳工、江

18、麓建機(jī)、徐工等已實質(zhì)性進(jìn)入了混合動力工程機(jī)械的研究與開發(fā)，并取得了一定效果。詹陽動力在2007年北京第9屆BICES展會上展出了我國第一臺混合動力挖掘機(jī)—JYL621日型輪式混合動力液壓挖掘機(jī)，開創(chuàng)了我國混合動力工程機(jī)械的先河?；旌蟿恿こ虣C(jī)械已列入了我國“863”科研攻關(guān)計劃，得到了國家科研經(jīng)費的支持。首批承擔(dān)混合動力工程機(jī)械“863”科研攻關(guān)計劃的有柳工、三一重機(jī)、江麓建機(jī)等，計劃到2010年上半年前結(jié)題出樣機(jī)，目前各企業(yè)都在緊張地

19、進(jìn)行中。2009年11月，三一重機(jī)在北京第10屆BICES展會上展出了整機(jī)質(zhì)量為20.9 t、功率為114 kW、斗容量為0.9 m3的SY215C型混合動力液壓挖掘機(jī)。該機(jī)采用了油、電，雙能源，即在回轉(zhuǎn)部分采用了電動機(jī)和液壓馬達(dá)共同驅(qū)動，可以回收回轉(zhuǎn)制動時的能量。該機(jī)做復(fù)合動作時，回轉(zhuǎn)部分不會與其他執(zhí)行元件分爭液壓能，減少了能量消耗。據(jù)說該機(jī)可節(jié)能30%，效率可提高25%。SY215C雖然只有回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用混合動力，但意義重大，開創(chuàng)了我

20、國量大面廣的履帶式混合動力液壓挖掘機(jī)的先河，對我國混合動力工程機(jī)械</p><p>　　混合動力工程機(jī)械主要集中在挖掘機(jī)、裝載機(jī)與叉車3大類工程機(jī)械，這3大類工程機(jī)械的產(chǎn)品銷量排在前3位。據(jù)2008年統(tǒng)計，我國主要工程機(jī)械總銷售量為51萬多臺，而挖掘機(jī)、裝載機(jī)與叉車3大機(jī)種合計銷售量為41萬多臺，占總銷售量的80.6%。跟據(jù)除中國以外的全世界工程機(jī)械多年來銷售量統(tǒng)計，這3大類工程機(jī)械市場占有率均在75%以上。因此

21、，只要解決了這3大類工程機(jī)械的節(jié)能減排，就解決了75%以上工程機(jī)械的節(jié)能減排。同時，其他工程機(jī)械與這3大類工程機(jī)械有許多相同或相似之處，只要解決了這3大類工程機(jī)械的節(jié)能減排，其他的將迎刃而解[3]。</p><p>　　在這3大類工程機(jī)械中，液壓挖掘機(jī)具有重要地位。因液壓挖掘機(jī)是全液壓驅(qū)動，比裝載機(jī)、叉車的液力機(jī)械傳動實現(xiàn)混合動力相對容易，且節(jié)能減排的效果也更加明顯。同時，液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動能及動臂下降勢能回收，

22、其節(jié)能效果也比較顯著。因此，混合動力液壓挖掘機(jī)最具典型性與代表性，是各大主機(jī)廠家研制混合動力的優(yōu)先機(jī)種。</p><p>　　1.4工程機(jī)械混合動力的發(fā)展趨勢</p><p>　　上個世紀(jì)發(fā)生震撼西方經(jīng)濟(jì)的兩次石油危機(jī)，以及英國倫敦酸霧與泰晤士河污染的環(huán)境危機(jī)，使西方人開始反思工業(yè)化發(fā)展的科學(xué)性、合理性和今后的走向，人們逐漸認(rèn)識到了能源危機(jī)和環(huán)境（自然）污染的危害性。對西方長期奉行的“人類

23、中心主義”的一元論提出懷疑，并把目光轉(zhuǎn)向中國儒家“天人合一”的二元論或多元論，即人與自然的和諧發(fā)展的研究。在人類提高其文明程度和向自然索取時必須把生存的可持續(xù)性作為科學(xué)理念納入到行業(yè)的科技進(jìn)步中[4]。</p><p>　　工程機(jī)械行業(yè)在其發(fā)展的歷程中，一直擔(dān)當(dāng)人類對自然界索取活動的工具角色，在其活動中對能源消耗、資源消耗，對環(huán)境的負(fù)面影響也一直是較為顯現(xiàn)的，因此自上世紀(jì)八十年代之后，工程機(jī)械行業(yè)在節(jié)能環(huán)保方面逐

24、漸成為創(chuàng)新的重要內(nèi)容。</p><p>　　目前各國政府紛紛出臺政策法規(guī)，強制機(jī)動車輛的排放指標(biāo)，禁止超標(biāo)排放的機(jī)動車的銷售和使用。特別是美國和歐盟明確規(guī)定了非公路機(jī)動設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)，并且該標(biāo)準(zhǔn)逐漸接近于公路機(jī)動設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，一些國家（如日本）對低排放和零排放的機(jī)動車的生產(chǎn)和使用都給予非常優(yōu)惠的政策。近年來我國也出臺了一系列相關(guān)法規(guī)，并逐漸與國際接軌。因此，從長遠(yuǎn)的發(fā)展來看，工程機(jī)械的節(jié)能環(huán)保性能是其

25、進(jìn)入市場和被用戶接受的基本要素，同時也將是該產(chǎn)品生存和發(fā)展的先決條件。此外，節(jié)能研究有助于降低工程機(jī)械自身系統(tǒng)的發(fā)熱，簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和工作壽命，降低系統(tǒng)的裝機(jī)功率，從而在一定程度上有助于節(jié)約設(shè)備的制造和維護(hù)成本。對于工程機(jī)械的制造商和最終用戶來說，節(jié)能將為其帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　如今工程機(jī)械節(jié)能技術(shù)已經(jīng)成為衡量其先進(jìn)與否的一項重要指標(biāo)，研究工程機(jī)械的燃油經(jīng)濟(jì)性具有非常重要的

26、實際意義。</p><p>　　今后，工程機(jī)械將更加側(cè)重于電子控制、節(jié)能、可靠性和安全性以及適應(yīng)性等方向的研究與相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。在電子控制方面，電子控制化、自動化是提高工程機(jī)械附加值的重要方面。在節(jié)能方面，進(jìn)一步提高器件單體效率的難度將越來越大，重點將轉(zhuǎn)移到提高發(fā)動機(jī)—液壓系統(tǒng)整體最佳效率的匹配研究，以及研發(fā)新的實用化的節(jié)能液壓元件及系統(tǒng)。更多地關(guān)注能量的回收技術(shù)，如出口節(jié)流控制損耗能量、回轉(zhuǎn)制動能量等的回收利用

27、。國內(nèi)的工程機(jī)械近年來得到了很大的發(fā)展，年增長率到達(dá)70%，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，但一些重要方面與國際水平相比仍有很大的差距。我們應(yīng)從科研、開發(fā)、生產(chǎn)、市場各個環(huán)節(jié)協(xié)同努力，通過消化引進(jìn)自主開發(fā)，加強高技術(shù)含量工程機(jī)械的開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計。</p><p>　　工程機(jī)械產(chǎn)品都是耗油大戶，每一次生產(chǎn)企業(yè)在“省油”方面的技術(shù)進(jìn)步，都成為產(chǎn)品推向市場的巨大賣點?；旌蟿恿こ虣C(jī)械的研發(fā)與應(yīng)用需要技術(shù)的不斷完善，相對傳統(tǒng)產(chǎn)品，混合

28、動力工程機(jī)械售價將會較高，其發(fā)展需要一個漫長的過程。但伴隨著全球環(huán)保節(jié)能理念的深入，混合動力將成為未來行業(yè)生產(chǎn)的一種趨勢。對于正在謀求實現(xiàn)從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的中國工程機(jī)械行業(yè)來說，無論是主機(jī)企業(yè)還是配套企業(yè)，提前把握市場未來的發(fā)展趨勢，率先開展先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)是十分必要的。</p><p>　　1.5課題研究的意義</p><p>　　目前國際油價已逼近每桶100美元，5年來增幅超過3

29、00% ，在第三屆歐佩克首腦會議上，“供應(yīng)石油，促進(jìn)繁榮，保護(hù)地球”成為會議主題，此次會議是歐佩克自1960年成立47年以來舉行的第三屆首腦會議，13個歐佩克成員國中11個國家的元首都出席了本次會議?？梢娛鸵堰M(jìn)入國家政治舞臺。黨的“十七大”把“節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策”的地位上升到“中華民族生存發(fā)展”的終極高度，并且放在工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略突出位置，節(jié)能戰(zhàn)略已成為國家長期戰(zhàn)略，國家將采取強硬措施力保節(jié)能，力促效益。據(jù)統(tǒng)計，我國主

30、要工程機(jī)械設(shè)備保有量約為200萬臺，有關(guān)專家稱每年消耗燃油約為4 500萬t，如果工程機(jī)械行業(yè)通過科技創(chuàng)新，采取較有效的節(jié)能技術(shù)，使工程機(jī)械產(chǎn)品實現(xiàn)節(jié)能10%，每年將節(jié)約燃油450萬t，節(jié)省200多億元的燃油資金消耗，對減少排放的作用更毋庸質(zhì)疑。因此我國工程機(jī)械行業(yè)要把節(jié)能科技創(chuàng)新放在突出位置[5]。</p><p>　　1.6本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　第一章主要介紹了工程機(jī)

31、械混合動力的國內(nèi)外現(xiàn)狀，和工程機(jī)械混合動力的發(fā)展趨勢。第二章通過對工程機(jī)械的作業(yè)過程分析，現(xiàn)有動力特點的分析，從而提出了混合動力技術(shù)并加以論述。第三章介紹了混合動力在工程機(jī)械上的可行性分析，并著重介紹了混合動力的幾種方案，以及工程機(jī)械所適用的方案。第四章主要介紹了工程機(jī)械混合動力的關(guān)鍵技術(shù)。這兩章著重探討混合動力的特點，分析工程機(jī)械混合動力的可行性及技術(shù)方案，探討工程機(jī)械混合動力關(guān)鍵技術(shù)。第五章通過列舉實例來說明工程機(jī)械混合動力的優(yōu)點。

32、</p><p>　　第二章 工程機(jī)械動力特性分析</p><p>　　2.1工程機(jī)械作業(yè)特點</p><p>　　工程機(jī)械種類多，應(yīng)用范圍廣，在城市作業(yè)的工程機(jī)械主要有裝載機(jī)、挖掘機(jī)、推土機(jī)、起重機(jī)等。主要應(yīng)用于房屋建設(shè)，場地平整，基礎(chǔ)開挖，物料裝卸，道路建設(shè)與改造，管線鋪設(shè)等市政工程建設(shè)。這些工程往往是時間緊、任務(wù)重，需要晝夜連續(xù)作業(yè)。工程機(jī)械作業(yè)時，頻繁啟動發(fā)

33、動機(jī)，急速加油和制動，不僅造成燃油燃燒不充分，尾氣污染嚴(yán)重，燃油經(jīng)濟(jì)性差，而且會帶來間隙性、周期性的高強度噪聲。一方面對操作者造成身體的傷害，另一方面對人們正常的學(xué)習(xí)、工作和生活秩序造成極大的干擾，在夜間施工尤其如此，工程機(jī)械在城市作業(yè)，擾民問題歷來是投訴的熱點，而這一問題也一直沒有根本的解決辦法，不得已，有的地方政府只好采取限制作業(yè)時問的辦法來緩解矛盾，但對施工企業(yè)與建設(shè)業(yè)主的工期與經(jīng)濟(jì)損失卻是不可低估的。為此筆者從工程機(jī)械本身及作業(yè)

34、的特點出發(fā)，對混合動力技術(shù)在工程技術(shù)上應(yīng)用的可行性作了分析研究，并認(rèn)為，盡管工程機(jī)械功率大，作業(yè)能力大，但為間隙作業(yè)，而非連續(xù)作業(yè)，臺班消耗的能源總量仍然較小，這就為采用內(nèi)燃動力和蓄電池動力提供了可能。工程機(jī)械自身重量較大，而其相當(dāng)一部分重量是滿足機(jī)械作業(yè)所需配重。而非機(jī)械結(jié)構(gòu)強度的要求，因此，這部分重量可</p><p>　　2.2工程機(jī)械現(xiàn)有動力的特點</p><p>　　目前工程機(jī)械

35、的動力來源多采用柴油發(fā)動機(jī)，其所采用的柴油機(jī)必須滿足下列要求：</p><p>　　1、作業(yè)時沖擊和振動大，要求有較高的剛度和強度；</p><p>　　2、工作負(fù)荷大，且經(jīng)?？赡艹霈F(xiàn)短暫超負(fù)荷工礦，要求轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.25~1.4，最低不小于1.15~1.20；</p><p>　　3、作業(yè)時速度和負(fù)荷劇變，要求有性能良好的全制式調(diào)速器；</p>

36、<p>　　4、作業(yè)現(xiàn)場空氣含塵量高，要求有高效的各種類型濾清器；</p><p>　　5、常在傾斜地面作業(yè)，應(yīng)能保證在前后左右傾斜30°~35°的坡地上，可靠的工作；</p><p>　　6、常在野外偏僻地區(qū)工作，要求工作可靠、維護(hù)方便、壽命長，目前先進(jìn)產(chǎn)品大修間隔以達(dá)到10000h以上；</p><p>　　7、柴油機(jī)常常還要針

37、對一些特殊環(huán)境下的作業(yè)分別滿足特殊的使用要求，如嚴(yán)寒地區(qū)和熱帶地區(qū)作業(yè)，地下坑道和水下作業(yè)，高海拔地區(qū)和沙漠缺水地區(qū)作業(yè)，以及軍用工程機(jī)械等。</p><p>　　2.3工程機(jī)械發(fā)動機(jī)的工況與特性簡介</p><p>　　1、發(fā)動機(jī)的工況：發(fā)動機(jī)的運行情況簡稱為工況。發(fā)動機(jī)的工況決定于它發(fā)出的有效功率（或有效轉(zhuǎn)矩）和曲軸的轉(zhuǎn)速。例如發(fā)動機(jī)全負(fù)荷工況，就是指柴油機(jī)為最大供油量（汽油機(jī)為節(jié)氣門

38、全開）時，不同轉(zhuǎn)速的任何工況。發(fā)動機(jī)的其他工況，則是由全負(fù)荷的百分?jǐn)?shù)以及與其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速來確定的。</p><p>　　2、當(dāng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動工程機(jī)械（工程機(jī)械，拖拉機(jī)或汽車等）在不同負(fù)荷工況下工作時，發(fā)動機(jī)的有效功率（或有效轉(zhuǎn)矩）與轉(zhuǎn)速應(yīng)符合工程機(jī)械負(fù)荷工況的要求。如果發(fā)動機(jī)在一系列連續(xù)的工作循環(huán)中，發(fā)出的有效功率（或有效轉(zhuǎn)矩）和轉(zhuǎn)速的平均值等于工作機(jī)械所消耗的功率（或轉(zhuǎn)速）和轉(zhuǎn)速的平均值是，則發(fā)動機(jī)的這一工況成為穩(wěn)定

39、工況。然而，實際使用中工程機(jī)械、拖拉機(jī)或汽車經(jīng)常是在變負(fù)荷（變轉(zhuǎn)矩或變轉(zhuǎn)速，或者是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都變化）工況下工作的。因此驅(qū)動它的發(fā)動機(jī)也不可能經(jīng)常處于穩(wěn)定工況下運轉(zhuǎn)。在實際使用中，驅(qū)動不同工作機(jī)械的發(fā)動機(jī)，其工況變化規(guī)律也不同。根據(jù)使用條件不同，發(fā)動機(jī)的工況大致可分為以下三類：固定式工況；螺旋槳工況；面工況</p><p>　　3、發(fā)動機(jī)特性：發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)隨著調(diào)整情況和運轉(zhuǎn)工況變化的關(guān)系，稱為發(fā)動機(jī)特性。性能指

40、標(biāo)隨著調(diào)整情況變化的關(guān)系，稱為調(diào)整特性。如柴油機(jī)供油提前角調(diào)速特性，燃料調(diào)整特性等。性能指標(biāo)隨運轉(zhuǎn)工況變化的關(guān)系稱為性能特性（也稱使用特性）。發(fā)動機(jī)特性用曲線表示稱為發(fā)動機(jī)特性曲線。研究發(fā)動機(jī)特性的目的在于：根據(jù)特性曲線可以評價發(fā)動機(jī)在不同工況下的動力性、經(jīng)濟(jì)性；根據(jù)特性曲線，可以合理地選用發(fā)動機(jī)，并能更有效地使用發(fā)動機(jī)；分析影響特性的因素，以便按照需要尋求改造發(fā)動機(jī)性能的途徑，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)的性能，使之滿足工程機(jī)械的需要。</

41、p><p>　　2.4混合動力的特點</p><p>　　混合動力是指在同一車輛上同時應(yīng)用內(nèi)燃發(fā)動機(jī)和蓄電池兩種動力源。其主要是采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)協(xié)同工作的動力源，通過混合動力混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)為車輛提供動力，達(dá)到節(jié)省燃料和降低排氣污染的月的。使用的內(nèi)燃機(jī)既有柴油機(jī)又有汽油機(jī)，但共同的特點是排量小、質(zhì)量輕、速度高、排放好?；旌蟿恿囕v的關(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動

42、力車輛的整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機(jī)、電機(jī)和變速器一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)[6] 。</p><p>　　由于工程機(jī)械均采用較大功率的柴油發(fā)動機(jī)，故本文所指的是柴油發(fā)動機(jī)和蓄電池組成的混合動力。與單一的內(nèi)燃動力相比較，混合動力的良好適應(yīng)性一方面擴(kuò)大了工程機(jī)械的適應(yīng)范圍和運行經(jīng)濟(jì)性，另一方面又提高了工作機(jī)械的工作可靠性，克服了在特定環(huán)境下內(nèi)燃動力的

43、排放污染和噪聲污染問題。與單一的蓄電池動力相比較，具有更高的機(jī)動性，克服了蓄電池動力由于能力儲存和補充問題而無法長時間工作和連續(xù)作業(yè)的不足。因此，混合動力通過內(nèi)燃和蓄電池的有機(jī)結(jié)合，既集中了兩者的優(yōu)點，又克服了兩者的不足。在特定的環(huán)境，通過對動力的合理選擇和組合使用，就可以取得良好的動力經(jīng)濟(jì)性和低污染、低噪音的效果。一個動力匹配良好的混合動力系統(tǒng)，它具有以下優(yōu)點：</p><p>　　(1)混合動力系統(tǒng)可以實現(xiàn)能

44、量再生制動，不僅可以減少制動能耗與機(jī)械磨損，延長機(jī)械壽命，降低機(jī)械故障率，還可以將制動能量加以回收再利用；</p><p>　　(2)系統(tǒng)中內(nèi)燃發(fā)動機(jī)可以根據(jù)平均負(fù)荷或運行所需功率來選型設(shè)計，而不需要滿足最大工作負(fù)荷。在高負(fù)荷工作時，可以由蓄電池提供輔助動力，這樣可以使得發(fā)動機(jī)的機(jī)率、體積、重量較小，而混合動力系統(tǒng)仍然具有良好的加速、爬坡、重負(fù)載等動力性能；</p><p>　　(3)內(nèi)燃

45、發(fā)動機(jī)工作時，可以穩(wěn)定在一個經(jīng)濟(jì)高效、低污染排放的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，從而大大降低了排放污染、噪聲污染和燃油消耗，取得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性；</p><p>　　(4)兩種動力可以根據(jù)需要同時使用或選擇使用，當(dāng)一種動力出現(xiàn)故障時，可以使用另一種動力。在需要時還可使用發(fā)動機(jī)對蓄電池充電。因此混合動力系統(tǒng)比單一內(nèi)燃或蓄電池動力系統(tǒng)都具有更高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。</p><p>　　由于混合動力的技術(shù)

46、及其優(yōu)越性，結(jié)合工程機(jī)械的動力、結(jié)構(gòu)與作業(yè)特點，內(nèi)燃工程機(jī)械在市政工程施工中的空氣污染、噪聲污染和儲備功率過大等問題，都可望通過應(yīng)用混合動力技術(shù)得到比較圓滿的解決。</p><p>　　第三章 工程機(jī)械混合動力方案探討</p><p>　　3.1混合動力系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用概況及發(fā)展前景</p><p>　　混合動力汽車是指由兩種或兩種以上的儲能器、能源或轉(zhuǎn)換器作驅(qū)

47、動能源，其中至少有一種能提供電能的車輛。根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，可以將混合動力汽車分為串聯(lián)式(SHEV)、并聯(lián)式(PHEV)和混聯(lián)式(SPHEV)。由于混合動力驅(qū)動系統(tǒng)具體布置方式有很大的自由度，不同的布置方式對各總成的功能和性能會有不同的要求，因此本文以雙軸并聯(lián)混合動力汽車為例進(jìn)行相關(guān)研究圖1為文中作為研究對象的雙軸并聯(lián)混合動力汽車的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)布置方式示意圖。</p><p>　　3.1.1混合動力汽車節(jié)

48、能機(jī)理分析</p><p>　　混合動力汽車技術(shù)通過在傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)上增加一套電驅(qū)動系統(tǒng)，在保證車輛行駛性能不變的前提下，實現(xiàn)提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。由混合動力驅(qū)動原理及其工作模式可知，混合動力汽車具有下述4種節(jié)能途徑(見圖2)。</p><p>　?。?）選擇較小功率的發(fā)動機(jī)(downsize)，提高發(fā)動機(jī)運行的負(fù)荷率。通過選擇功率相對較小的發(fā)動機(jī)，提供整車運行的平均功率，由電機(jī)提供峰值

49、功率，使發(fā)動機(jī)運行在高效率區(qū)，提高了發(fā)動機(jī)的效率，消除傳統(tǒng)汽車“大馬拉小車”的弊病。</p><p>　?。?）控制發(fā)動機(jī)運行在高效區(qū)，提高發(fā)動機(jī)的效率?？刂撇呗愿鶕?jù)整車運行情況，將需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機(jī)和電機(jī)之間進(jìn)行最優(yōu)分配，將發(fā)動機(jī)控制在高效率區(qū)運行，將電機(jī)作為載荷調(diào)節(jié)裝置，大轉(zhuǎn)矩需求時參與驅(qū)動，小轉(zhuǎn)矩需求時將發(fā)動機(jī)能量轉(zhuǎn)化為電能。因此在滿足整車行駛的轉(zhuǎn)矩需求下，使發(fā)動機(jī)保持在高效率區(qū)運行，提高了發(fā)動機(jī)的效率。&l

50、t;/p><p>　?。?）取消發(fā)動機(jī)怠速，消除怠速時的燃油消耗和廢氣排放。根據(jù)對車輛運行工況循環(huán)的統(tǒng)計分析，發(fā)動機(jī)怠速時間約占整個工況循環(huán)時間的30% ~40%。利用大功率電驅(qū)動系統(tǒng)能夠迅速啟動發(fā)動機(jī)的特點，在車速為零時，將發(fā)動機(jī)關(guān)閉，禁止發(fā)動機(jī)在經(jīng)濟(jì)性和排放均比較惡劣的怠速工況運行，達(dá)到節(jié)油目的。</p><p>　?。?）回收制動能量。在車輛滑行或制動時，控制策略控制混合動力驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)入

51、再生制動工作模式，利用電機(jī)吸收車輛的動能，并將電能回饋到電池組中，還可以避免制動系統(tǒng)的過度磨損。研究表明，再生制動的節(jié)油效果可以達(dá)到5%~12%速啟動發(fā)動機(jī)的特點，在車速為零時，將發(fā)動機(jī)關(guān)閉，禁止發(fā)動機(jī)在經(jīng)濟(jì)性和排放均比較惡劣的怠速工況運行，達(dá)到節(jié)油目的。</p><p>　　按照機(jī)械能和電能的合成方式，并聯(lián)和混聯(lián)混合動力又可以分為扭矩合成型、轉(zhuǎn)速合成型和牽引力合成型。日本和歐美國家在混合動力的應(yīng)用研究起步較早，

52、已經(jīng)將其應(yīng)用到轎車、公交車、卡車的動力系統(tǒng)中，并且相繼推出了各自的產(chǎn)品。目前最主要的混合動力產(chǎn)品是混合動力電動汽車(HEV)，如表3-1所示。此外美國還研制出了</p><p>　　混合動力驅(qū)動坦克，把混合動力的應(yīng)用拓展到了軍事領(lǐng)域。在我國，混合動力系統(tǒng)的研究也己展開，如清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、長安大學(xué)和香港大學(xué)等都在混合動力汽車方面開展了研究工作，取得了一定

53、的研究成果，并已經(jīng)把該項技術(shù)應(yīng)用到了公共汽車、轎車以及卡車上[7]。</p><p>　　3.1.2混合動力技術(shù)在汽車領(lǐng)域的發(fā)展前景</p><p>　?。?）混合動力電動汽車具備了良好的動力性能、良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實用。為達(dá)到提高車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，需要采用當(dāng)代最先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)深入分析低油耗特性；選擇比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的電機(jī)，研究它的低速大轉(zhuǎn)

54、矩、效率和再生制動能量回饋性能；經(jīng)過周密分析和試驗研究特性，最佳選擇各自高性能區(qū)段的組合與疊加；</p><p>　?。?）混合動力汽車成本的絕對過高成為目前混合動力電動汽車推廣應(yīng)用的主要難點。因此，混合動力汽車技術(shù)發(fā)展的首要難題是降低成本，特別是必須降低動力電池、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等的成本；</p><p>　?。?）提高汽車行駛過程中的能量再生利用效率。從汽車制造階段著手，設(shè)計

55、改進(jìn)汽車動力系統(tǒng)，滿足汽車再生制動回收要求，加強混合動力電動汽車的可靠性，解決動力電池的使用壽命和可靠性問題，是混合動力電動汽車推廣應(yīng)用的前提?？傊趪H能源緊缺的大環(huán)境下，混合動力技術(shù)的應(yīng)用，可以很好的為汽車行進(jìn)中減速、下坡過程的能量節(jié)省消耗，同時減少排量、降低污染?；旌蟿恿夹g(shù)的興起，已是大勢所趨。</p><p>　　3.2工程機(jī)械混合動力的可行性分析</p><p>　　工程機(jī)械

56、不同于一般行駛車輛，它不僅要為行駛系統(tǒng)提供動力，也要為工作機(jī)械提供動力，行駛驅(qū)動系統(tǒng)的特點為低速大扭矩或大牽引力，工作裝置為高壓大流量。適應(yīng)于工程機(jī)械的混合動力系統(tǒng)有串聯(lián)、并聯(lián)和分軸式混合動力系統(tǒng)。</p><p>　　3.3混合動力的幾種方案的分析</p><p>　　3.3.1串聯(lián)式方案</p><p>　　串聯(lián)混合動力系統(tǒng)主要針對行駛驅(qū)動系統(tǒng)而言，工作裝置采用

57、何種動力方式視作業(yè)要求而言。串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。系統(tǒng)中工作裝置和驅(qū)動系統(tǒng)所需的動力由電動機(jī)I和電動機(jī)II提供，而電動機(jī)所需電力可以由發(fā)電機(jī)組和蓄電池組通過系統(tǒng)控制器分別提供或同時提供。在曠野作業(yè)或長距離行駛時可由柴油發(fā)電機(jī)組提供動力，而在城市作業(yè)、居民區(qū)作業(yè)時，可由蓄電池組提供電力。在工作間隙還可用市電對其充電。串聯(lián)混合動力系統(tǒng)可實現(xiàn)動力裝置與驅(qū)動橋或驅(qū)動輪間柔性聯(lián)接，每個車輪均可安裝電動輪，這樣便于機(jī)械的總體布置和維

58、修，并可根據(jù)需要選擇驅(qū)動輪來滿足牽引性能和通過性能的要求，串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的主要缺點是：發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)布置成串聯(lián)式，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，而電能又通過電動機(jī)再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，因而在采用內(nèi)燃機(jī)動力時效率較低，很難達(dá)到明顯降低油耗的目的。其主要優(yōu)點是蓄電池可起功率調(diào)節(jié)作用。發(fā)動機(jī)的工作狀況不受行駛工況和作業(yè)負(fù)載的影響，可以始終在低排放、低油耗的最佳工作區(qū)間內(nèi)運行，避免了怠速和低速工況，從而提高了效率，提高了排放性能。

59、因此，在城市作業(yè)和蓄電池能量充足時，應(yīng)盡量使用蓄電池電力。</p><p><b>　　功率流分析：</b></p><p>　?。?）車輛起動和加速行駛時，發(fā)動機(jī)——發(fā)電機(jī)組和蓄電池一起輸出電能通過系統(tǒng)控制器驅(qū)動電動機(jī)，最后通過變速器驅(qū)動車輪；</p><p>　?。?）車輛輕載時，發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率大于車輛需要的功率，多余的能量通過逆變器給蓄

60、電池充電直到預(yù)定限值；</p><p>　　（3）車輛減速或制動時，發(fā)動機(jī)關(guān)閉，電動機(jī)把車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，通過系統(tǒng)控制器給蓄電池充電；</p><p>　　（4）車輛停止時，發(fā)動機(jī)也可以通過發(fā)電機(jī)和逆變器給蓄電池充電。</p><p>　　3.3.2并聯(lián)式方案</p><p>　　并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)分別通過傳動裝置與驅(qū)動橋聯(lián)

61、接，行駛時，可由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動或各自單獨驅(qū)動。工作裝置動力可取自于蓄電池組或發(fā)動機(jī)。在并聯(lián)系統(tǒng)一般沒有發(fā)電機(jī)，蓄電池靠市電充電。并聯(lián)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。與串聯(lián)混合動力系統(tǒng)相比較，并聯(lián)混合動力系統(tǒng)采用發(fā)動機(jī)輸出動力時，直接通過離合器驅(qū)動行駛系統(tǒng)或到液壓泵站，因此效率較高。但也有難以在低污染、低排放、低燃油消耗狀態(tài)下連續(xù)工作的不足，并且沒有發(fā)電機(jī)，也就無法利用自身的能力對蓄電池組充電，根據(jù)并聯(lián)混合動力系統(tǒng)特點，宜應(yīng)用于需

62、要較長時間連續(xù)行駛的工程機(jī)械上，如汽車起重機(jī)、自卸式卡車等。以便這些機(jī)械在公路上采用內(nèi)燃動力高速行駛。</p><p><b>　　功率流分析：</b></p><p>　?。?）車輛起動和加速行駛時，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同通過變速器驅(qū)動車輪；</p><p>　　（2）車輛正常行駛時，電動機(jī)關(guān)閉，僅由發(fā)動機(jī)工作，提供車輛所需動力；</p&g

63、t;<p>　　（3）車輛制動或減速時，發(fā)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過系統(tǒng)控制器給蓄電池充電；</p><p>　?。?）當(dāng)車輛輕載、發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率大于車輛所需的功率時，多余的功率通過電動機(jī)轉(zhuǎn)化為電能給蓄電池充電。</p><p>　　3.3.3混聯(lián)式方案</p><p>　　混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)是串、并聯(lián)的結(jié)合，在不同工況下可采用不同的聯(lián)接模式，使得系統(tǒng)可

64、以更加靈活的調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的功率輸出和電機(jī)的運轉(zhuǎn)，提高了系統(tǒng)的綜合性能。此聯(lián)結(jié)方式系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，整車布置和控制難度很大。豐田汽車的Prius采用的是這聯(lián)結(jié)方式。</p><p>　　3.3.4復(fù)合式方案</p><p>　　復(fù)合式混合動力工程機(jī)械結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，無法歸到上述三種之中。其結(jié)構(gòu)與混聯(lián)式相似，都有起發(fā)電機(jī)和電動機(jī)作用的電機(jī)，兩者的主要區(qū)別在于復(fù)合式中的電動機(jī)允許功率流雙向流動，而混聯(lián)

65、式的發(fā)電機(jī)只允許功率流單向流動。雙向流動的功率流可以有更多的工作模式，這對于采用三個驅(qū)動動力裝置的混聯(lián)式混合動力工程機(jī)械而言是不可能達(dá)到的。復(fù)合式混合動力工程機(jī)械同樣具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的缺點。復(fù)合式混合動力工程機(jī)械采用復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和不同的控制策略來調(diào)節(jié)功率流在不同元件的流動，這里就不展開分析了[8]。</p><p>　　3.4工程機(jī)械適用的方案</p><p>　　工程機(jī)械不同于一般

66、行駛車輛，它不僅要為行駛系統(tǒng)提供動力，也要為工作機(jī)械提供動力，行駛驅(qū)動系統(tǒng)的特點為低速大扭矩或大牽引力，工作裝置為高壓大流量。適應(yīng)于工程機(jī)械的混合動力系統(tǒng)有串聯(lián)、并聯(lián)式和分軸式混合動力系統(tǒng)。分軸式混臺動力系統(tǒng)如圖5所示，是針對前后橋均為驅(qū)動橋而設(shè)計的一種動力系統(tǒng)，它也是并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的一種特例。電動機(jī)和內(nèi)燃發(fā)動機(jī)分別聯(lián)接前后驅(qū)動橋，兩種動力可根據(jù)工作需要分別使用或同時使用。工作裝置動力可以分別由蓄電池組供給或發(fā)動機(jī)供給。與串聯(lián)和并聯(lián)混

67、合動力系統(tǒng)相比較，分軸式混合動力系統(tǒng)中內(nèi)燃機(jī)動力和蓄電池動力更具有獨立性，因此也就可以更為方便地根據(jù)工作任務(wù)的需要選擇其中一種動力或兩種動力同時選擇。分軸式混合動力系統(tǒng)比較適宜于在輪式裝載機(jī)、輪式推土機(jī)及起重機(jī)、牽引車等重載與空載時前后軸負(fù)荷差別較大的工程機(jī)械上應(yīng)用。</p><p>　　3.5混合動力系統(tǒng)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用概況</p><p>　　近年來，鑒于混合動力系統(tǒng)在汽車上的成功

68、應(yīng)用，受到了各工程機(jī)械制造企業(yè)的高度重視，成為工程機(jī)械節(jié)能降耗、降低排放的重要研究課題之一。為了提高下一代產(chǎn)品的競爭力和市場占有率，日立建機(jī)、二尺莊二建機(jī)、神戶制鋼、小松、新卡特彼勒一三菱等世界上各大工程機(jī)械制造商，紛紛開展了混合動力系統(tǒng)在工程機(jī)械上的應(yīng)用研究工作。</p><p>　　2003年，日立建機(jī)生產(chǎn)出了世界上第一臺混合動力驅(qū)動的輪式裝載機(jī)(Wheel Loader)，這是混合動力系統(tǒng)在工程機(jī)械上的首次

69、應(yīng)用。</p><p>　　當(dāng)前，在綜合考慮了系統(tǒng)的節(jié)能、排放、布局和成本等因素的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)在工程機(jī)械上應(yīng)用的混合動力驅(qū)動方式主要有兩種型式：以神戶制鋼和日立建機(jī)為代表的串聯(lián)混合動力驅(qū)動方式和以小松、新卡特彼勒—三菱、日立建機(jī)為代表的并聯(lián)混合動力驅(qū)動方式。串聯(lián)式混合動力工程機(jī)械的系統(tǒng)方案如圖6所示。發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能全部用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)，所輸出的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姾笠徊糠謨Υ嬖陔姵刂校硪徊糠纸?jīng)逆變器處理后

70、驅(qū)動電動機(jī)。電動機(jī)輸出的機(jī)械能經(jīng)液壓泵轉(zhuǎn)化為液壓能，并在控制閥的作用下驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)中的控制器接收發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號、操作手柄的動作控制信號和電池的狀態(tài)信號等，經(jīng)過運算處理，進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)的燃油供應(yīng)和整流/逆變器的運行和轉(zhuǎn)換。</p><p>　　并聯(lián)混合動力應(yīng)用在工程機(jī)械上的系統(tǒng)方案如圖7所示。此系統(tǒng)與圖6系統(tǒng)的不同之處在于發(fā)動機(jī)的輸出能量沒有完全用于發(fā)電，而是僅將驅(qū)動液壓泵剩余部分機(jī)械能通過電動/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化

71、為電能，通過雙向電流轉(zhuǎn)換器儲存在電池當(dāng)中。當(dāng)發(fā)動機(jī)的輸出功率不足以驅(qū)動液壓系統(tǒng)時，電池中儲存的電能釋放出來，經(jīng)雙向電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟婒?qū)動電動/發(fā)電機(jī)，輔助發(fā)動機(jī)驅(qū)動液壓系統(tǒng)?？刂破鞯淖饔檬谦@得發(fā)動機(jī)、電池和泵的監(jiān)測信息，經(jīng)過處理以后用于輔助操縱信號對發(fā)動機(jī)、泵和雙向電流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)與電機(jī)以機(jī)械方式聯(lián)接，整車布置和動力總成控制的難度較大，但是優(yōu)點是電池和電動機(jī)的裝機(jī)功率較小，整體效率較高，燃油消耗較少，整車價格較低[9

72、]。</p><p>　　第四章 工程機(jī)械混合動力的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　4.1混合動力的概況</p><p>　　4.1.1混合動力系統(tǒng)技術(shù)及其特點</p><p>　　混合動力是指在同一車輛上同時應(yīng)用內(nèi)燃發(fā)動機(jī)和蓄電池兩種動力源。由于工程機(jī)械均采用較大功率的柴油發(fā)動機(jī)，故本文所指的是柴油發(fā)動機(jī)和蓄電池組成的混合動力。與單一的內(nèi)燃動

73、力相比較，混合動力的良好適應(yīng)性一方面擴(kuò)大了工程機(jī)械的適應(yīng)范圍和運行經(jīng)濟(jì)性，另一方面又提高了工作機(jī)械的工作可靠性，克服了在特定環(huán)境下內(nèi)燃動力的排放污染和噪聲污染問題。與單一的蓄電池動力相比較，具有更高的機(jī)動性，克服了蓄電池動力由于能力儲存和補充問題而無法長時間工作和連續(xù)作業(yè)的不足。因此，混合動力通過內(nèi)燃和蓄電池的有機(jī)結(jié)合，既集中了兩者的優(yōu)點，又克服了兩者的不足。在特定的環(huán)境，通過對動力的合理選擇和組合使用，就可以取得良好的動力經(jīng)濟(jì)性和低污

74、染、低噪音的效果。一個動力匹配良好的混合動力系統(tǒng)，它具有以下優(yōu)點：</p><p>　　(1)混合動力系統(tǒng)可以實現(xiàn)能量再生制動，不僅可以減少制動能耗與機(jī)械磨損，延長機(jī)械壽命，降低機(jī)械故障率，還可以將制動能量加以回收再利用。</p><p>　　(2)系統(tǒng)中內(nèi)燃發(fā)動機(jī)可以根據(jù)平均負(fù)荷或運行所需功率來選型設(shè)計，而不需要滿足最大工作負(fù)荷。在高負(fù)荷工作時，可以由蓄電池提供輔助動力，這樣可以使得發(fā)動

75、機(jī)的機(jī)率、體積、重量較小，而混合動力系統(tǒng)仍然具有良好的加速、爬坡、重負(fù)載等動力性能。</p><p>　　(3)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)工作時，可以穩(wěn)定在一個經(jīng)濟(jì)高效、低污染排放的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，從而大大降低了排放污染、噪聲污染和燃油消耗，取得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　(4)兩種動力可以根據(jù)需要同時使用或選擇使用，當(dāng)一種動力出現(xiàn)故障時，可以使用另一種動力在需要時還可使用發(fā)動機(jī)對蓄電池充電。

76、因此混合動力系統(tǒng)比單一內(nèi)燃或蓄電池動力系統(tǒng)都具有更高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。</p><p>　　由于混合動力的技術(shù)及其優(yōu)越性，結(jié)合工程機(jī)械的動力、結(jié)構(gòu)與作業(yè)特點，內(nèi)燃工程機(jī)械在市政工程施工中的空氣污染、噪聲污染和儲備功率過大等問題，都可望通過應(yīng)用混合動力技術(shù)得到比較圓滿的解決。</p><p>　　4.1.2混合動力技術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)</p><p>　　工程機(jī)械混

77、合動力技術(shù)發(fā)展與機(jī)械、電氣、內(nèi)燃機(jī)、能源技術(shù)息息相關(guān)，隨著這些方面技術(shù)的發(fā)展，混合動力技術(shù)的發(fā)展也隨之廣泛，主要包括：1）最先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，體積小重量輕以及油耗低排放性能優(yōu)良的發(fā)動機(jī)都引領(lǐng)著工程機(jī)械業(yè)的發(fā)展，而目前Prius發(fā)動機(jī)的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了目前先進(jìn)的水平；2）先進(jìn)的電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)，電機(jī)技術(shù)則決定著混合動力工程機(jī)械的發(fā)展空間，對于混合動力機(jī)的要求也越來越高，混合動力機(jī)要具有較大的負(fù)載特性以及很寬的高效率工作區(qū)間；3）高性能的動力電池

78、，動力電池在工程機(jī)械混合動力上應(yīng)用，主要起到以下作用：a)起動、加速時作為動力；b)車輛減速、下坡行駛時回收車輛動能。</p><p>　　因此要求動力電池具有：①高輸出能力和高回收能量的接受能力；②體積小、重量輕；③SOC 控制技術(shù)；④高可靠性和安全性；⑤長的使用壽命。</p><p>　　以上的技術(shù)發(fā)展帶動著混合動力技術(shù)的發(fā)展，而混合動力的發(fā)展又提高了這些基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展空間[10]。&

79、lt;/p><p>　　4.1.3混合動力的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　?。?）混合動力單元技術(shù)：混合動力汽車上的熱力發(fā)動機(jī)稱為混合動力單元。當(dāng)前，混合動力單元研究的主要對象是熱力發(fā)動機(jī)和燃料電池。其在燃料的使用方面出現(xiàn)了很大的變化，除了汽油和柴油外，還有天然氣、液化氣和乙醇等代用燃料。提高混合動力單元的燃料經(jīng)濟(jì)性和排放性將是研究的重點，對其必然提出更多諸如混合動力單元能快速起動和關(guān)閉等要求。

80、</p><p>　?。?）電機(jī)：電機(jī)是混合動力汽車的重要組成部分，混合動力要求電機(jī)在大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有好的調(diào)速特性；能夠根據(jù)駕駛員對加速踏板和制動踏板的控制，由中央控制器控制發(fā)動機(jī)與電機(jī)之間的動力協(xié)調(diào)，以獲得起動、加速、行駛、減速和制動所需要的功率和扭矩。電機(jī)應(yīng)體積小、質(zhì)量輕、運轉(zhuǎn)噪聲低、高效低耗，其可靠性和安全性符合國家(或國際)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并適合在惡劣環(huán)境下長期工作。</p><p&g

81、t;　　（3）控制策略技術(shù)：混合動力車（HEV） 產(chǎn)品中開發(fā)最關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新是根據(jù)不同的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)制定和優(yōu)化其控制策略，即根據(jù)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和車速等信息及相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)確定發(fā)動機(jī)與電動機(jī)的功率分配策略，在各種負(fù)荷狀態(tài)下動力輸出的模式，以保證車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性等使用性能的要求。HEV根據(jù)開發(fā)目的、使用環(huán)境及價格水平的不同，可選擇采用串聯(lián)或并聯(lián)型式，其動力混合的輕重程度也不同，因而控制策略也就各具特色。無論串聯(lián)、并聯(lián)還是混聯(lián)H

82、EV系統(tǒng)，控制策略要解決的問題主要有兩個：系統(tǒng)運行模式的切換和混合模式下功率的分配，通常功率分配都被看作是一個以減小油耗和改善排放為目標(biāo)的優(yōu)化問題。</p><p>　?。?）能量存儲技術(shù)：由于車況的改變，電池必須經(jīng)受不同電流的充放電循環(huán)作用，要求電池不但應(yīng)具備較高的能量密度，而且要求較高的功率密度及充放電效率和較長的使用壽命。能量存儲裝置要具有較高的比功率，以滿足汽車加速和爬坡時對大功率的需要，同時，由于電池的

83、工作溫度不可能覆蓋軍用汽車運行的工作溫度范圍，為保證電池系統(tǒng)的統(tǒng)一，減少各電池單元之間的不平衡，能量存儲裝置必須采用熱能控制管理，要有較高的比能量、較長的使用壽命和低廉的制造成本。目前常用的有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。</p><p>　　4.1.4混合動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　混合動力系統(tǒng)的研究與開發(fā)主要包括五個方面的關(guān)鍵技術(shù)：</p><p&g

84、t;　?。?）混合動力系統(tǒng)的性能匹配與優(yōu)化。主要內(nèi)容為：混合動力系統(tǒng)的布置方式、參數(shù)選擇和優(yōu)化、性能建模和仿真；利用動態(tài)軟件驗證性能匹配和優(yōu)化的效果；</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)開發(fā)。主要內(nèi)容為：利用混合動力系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計控制策略，利用仿真軟件驗證控制算法的效果；建立快速控制原型，利用硬件在環(huán)技術(shù)(HIL)完成控制系統(tǒng)的快速開發(fā)；</p><p>　　（3）混合動力整機(jī)的系統(tǒng)

85、集成。主要包括控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式、網(wǎng)絡(luò)通訊、功能集成和電氣聯(lián)接，機(jī)械系統(tǒng)功能集成和機(jī)械聯(lián)接；</p><p>　?。?）通過建立混合動力系統(tǒng)總成的試驗臺架，完成混合動力系統(tǒng)總成的性能；</p><p>　?。?）整機(jī)運行參數(shù)的匹配與標(biāo)定。通過整機(jī)實際運行試驗完成整機(jī)的性能調(diào)試；</p><p>　　混合動力系統(tǒng)的影響環(huán)節(jié)復(fù)雜，不確定因素多，其中控制策略是能量管理和分

86、配的核心，控制策略的設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化是提高混合動力系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性、降低尾氣排放和噪聲的前提和關(guān)鍵。</p><p>　　在混合動力汽車上最早出現(xiàn)并且應(yīng)用最廣泛的是門限值控制策略。初亮以整車油耗和排放最佳為控制目標(biāo)提出了兩種門限值控制策略，一種是限制發(fā)動機(jī)工作區(qū)間的控制策略，另一種是加權(quán)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作區(qū)間的控制策略。孫冬野等人根據(jù)油門踏板的開度大小又把限制發(fā)動機(jī)工作區(qū)間的控制策略進(jìn)一步細(xì)分為兩種策略，分別控制發(fā)動機(jī)最

87、佳燃油經(jīng)濟(jì)性和電機(jī)的最佳效率。張欣等人分析了電助力控制系統(tǒng)的換檔控制方案。門限值控制策略具有簡單、工程上容易實現(xiàn)的特點，但是這種控制方法很難保證混合動力系統(tǒng)各部件都能得到最佳匹配以獲得系統(tǒng)的最大效率。Edward等人以燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，通過各種假設(shè)建立了燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)凸函數(shù)，并將其簡化為一個線性函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，折衷方法作了大量的簡化，只適合于理論研究。Valerie等人提出了實時最優(yōu)控制（RTCS)算法對混合動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放

88、實時最優(yōu)控制，但是要確定此算法的加權(quán)參數(shù)十分困難。由于混合動力系統(tǒng)影響因素很多，很多控制量難以精確控制，因此模糊控制用于混合動力系統(tǒng)的控制策略設(shè)計成為一種趨勢。彭濤等人以發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，提出了以功率差、電池S和電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸入以決定電機(jī)功率的比例系數(shù)</p><p>　　4.2工程機(jī)械混合動力的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　4.2.1工程機(jī)械混合動力參數(shù)優(yōu)化匹配</p&g

89、t;<p>　　動力參數(shù)匹配對于混合動力工程機(jī)械的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性能的提高能夠起到至關(guān)重要的作用。混合動力工程機(jī)械動力源之間的裝機(jī)功率比即動力參數(shù)匹配。合理的參數(shù)匹配由于能夠使各元件的作用得到最佳的發(fā)揮，從而可以降低動力系統(tǒng)的裝機(jī)功率和成本，減輕系統(tǒng)的重量。但在參數(shù)匹配方面，挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家、高校和研究所，在設(shè)計混合動力整機(jī)時，沒有形成一個較規(guī)范的參數(shù)匹配系統(tǒng)方案。</p><p>　　在國內(nèi)，浙江

90、大學(xué)進(jìn)行過比較系統(tǒng)的研究，先后針對不同噸位(7t、20t)和不同的負(fù)載(重載、中載、輕載)的挖掘機(jī)，進(jìn)行了動力單元的參數(shù)匹配研究。主要是以系統(tǒng)的整體效率最優(yōu)為目標(biāo)，以滿足負(fù)載驅(qū)動需求和最小化裝機(jī)功率為約束條件，對混合動力系統(tǒng)中的主要元件進(jìn)行了參數(shù)匹配研究，并提出了混合動力系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)程。該規(guī)程主要通過分析對象的基本參數(shù)、工況條件及能耗等，確定具體的結(jié)構(gòu)方案及相應(yīng)的控制策略，獲得較為合理的參數(shù)[12]。</p><p&

91、gt;　　4.2.2工程機(jī)械混合動力系統(tǒng)的控制策略</p><p>　　混合動力工程機(jī)械動力系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了其控制的復(fù)雜性，浙江大學(xué)在控制系統(tǒng)方面主要做了一些研究。 控制策略的研究主要包括動力系統(tǒng)的能量管理和功率分配等，其作用是在某種優(yōu)化控制目標(biāo)下，監(jiān)控動力系統(tǒng)各元件的工作狀況，協(xié)調(diào)各元件之間的工作，對能量進(jìn)行有效的管理及對功率進(jìn)行合理的分配，使動力系統(tǒng)各元件都能處于高效的工作狀態(tài)，以取得較好的節(jié)能效果。<

92、;/p><p>　　當(dāng)前，各個混合動力工程機(jī)械研究單位都在進(jìn)行控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，浙江大學(xué)主要針對20t級混合動力挖掘機(jī)進(jìn)行，電量儲存單元采用了超級電容，在發(fā)動機(jī)與電動機(jī)之間、電動機(jī)與電容之間以及混合動力系統(tǒng)整體與變量泵之間，都做了大量的研究工作，取得了一定的成果。比如針對發(fā)動機(jī)工作點的優(yōu)化，提出了動態(tài)工作點控制策略等，在發(fā)動機(jī)與電動機(jī)之間的藕合方面，采用了2種模式控制，分別是以電動機(jī)平衡負(fù)載波動扭矩為目標(biāo)的扭矩

93、控制模式和以發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速為目標(biāo)的轉(zhuǎn)速控制模式。</p><p>　　4.2.3工程機(jī)械混合動力回收系統(tǒng)</p><p>　　能量回收根據(jù)其實現(xiàn)方式可分為無儲能元件和有儲能元件兩種。</p><p>　　在無儲能元件的能量回收系統(tǒng)中，回收的能量由于無法儲存而直接提供給其他的耗能元件，故其再利用受實際工況影響較大，利用率較低，節(jié)能效果比較有限。因此無儲能元件的能量回收

94、不適用于液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)大量的能量回收。</p><p>　　在有儲能元件的能量回收系統(tǒng)中，回收得到的能量可以儲存在儲能元件當(dāng)中，而后根據(jù)實際的需要情況釋放出來對外做功，因此受工作狀況的影響較少，能量的利用率較高。在這種系統(tǒng)中，儲能元件是影響系統(tǒng)節(jié)能效果的關(guān)鍵技術(shù)。能量回收和再利用的效果受到儲能方式和儲能元件性能的制約，而儲能元件的選擇是由所回收能量的形式?jīng)Q定的。</p><p>　　一般回

95、收所能得到的能量主要有3種形式：機(jī)械能、液壓能和電能。據(jù)此能量回收也可以分為：機(jī)械式、液壓式和電氣式3種。</p><p>　?。?）機(jī)械式能量回收</p><p>　　機(jī)械式能量回收出現(xiàn)較早，目前常見的機(jī)械式能量回收有重力式、彈簧式和飛輪式3種形式。</p><p>　　重力式能量回收通常用于往復(fù)運動的系統(tǒng)當(dāng)中，工藝結(jié)構(gòu)簡單，可以儲存較多能量。但儲能總量需求較高時

96、，設(shè)備會比較龐大，通常不適合于行走設(shè)備上應(yīng)用。此外，在加、減速階段能量轉(zhuǎn)化性能較差，甚至?xí)ο到y(tǒng)的正常運行產(chǎn)生負(fù)面影響。油田上常用的曲柄平衡式抽油機(jī)和寬帶式抽油機(jī)以及部分電梯等都采用這種能量回收方式。</p><p>　　彈簧的儲能能力較差，長時間工作容易發(fā)生疲勞斷裂。因此彈簧式蓄能器產(chǎn)品較少，同時也很少用于能量回收，常用于減振、隔振或者是元件的復(fù)位。例如汽車懸架的支撐板簧和單作用液壓缸的復(fù)位彈簧。</p&

97、gt;<p>　　飛輪式能量回收通常適用于高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備上，成本低，運行可靠但由于飛輪的儲能能力較差，常規(guī)轉(zhuǎn)速下能量密度較低，通常用于改善其柴油機(jī)、汽輪機(jī)的工作狀態(tài)。為了在維持質(zhì)量不變的前提下提高飛輪的儲能能力，提高飛輪轉(zhuǎn)速是一有效途徑。為此近年來碳素纖維材料、高溫超導(dǎo)磁懸浮等技術(shù)被應(yīng)用到飛輪制造當(dāng)中，提高了飛輪的儲能能量密度，但會使制造成本大幅度提高。</p><p>　?。?）液壓式能量回收&l

98、t;/p><p>　　液壓式能量回收以液壓蓄能器作為儲能元件，在液壓驅(qū)動的系統(tǒng)上應(yīng)用較為普遍。</p><p>　　液壓式能量回收的特點是技術(shù)較為成熟，比功率較高，能夠滿足能量儲存和釋放的快速性要求，但由于液壓蓄能器的比能量較低，所占空間較大，不適于空間有限的液壓挖掘機(jī)上的能量回收。</p><p>　?。?）電氣式能量回收</p><p>　　

99、液壓挖掘機(jī)的電氣式能量回收是近年來興起的把待回收的能量通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的一種能量回收形式，根據(jù)回收電能的儲存方式可分為兩種形式：一種是回收的電能經(jīng)過處理后回饋給電網(wǎng)。某些大型礦山液壓挖掘機(jī)采用固定的安裝方式，其動力來自于工業(yè)電網(wǎng)。工作時執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重力勢能和慣性能被回收并以電網(wǎng)作為回收能量的儲存場所，省卻了儲能元件，節(jié)約了成本。這種能量回收方式由于受電網(wǎng)的限制，因此只適用于固定設(shè)備的能量回收，不適合常規(guī)行走式液壓挖掘機(jī)的能量回收。另一

100、種是回收的電能儲存在儲能元件當(dāng)中，需要時再釋放出來轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對外做功。電池和電容器是最常用的兩種電氣式儲能元件。由于該能量回收方式的儲能元件能量密度較高，使得系統(tǒng)整體移動靈活，適用于常規(guī)行走式液壓挖掘機(jī)的能量回收、儲存和再利用，但是由于電池和電容等儲能元件以及發(fā)電機(jī)的成本較高，限制了該回收方案在行走設(shè)備上的應(yīng)用。隨著近年來電池和電容器技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)成本正在不斷地下降，并且已經(jīng)在電動汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p>

101、<p>　　4.2.4工程機(jī)械混合動力系統(tǒng)的可靠性</p><p>　　混合動力工程機(jī)械非常復(fù)雜，而工作條件又非常惡劣，對混合動力工程機(jī)械的可靠性提出了很大的挑戰(zhàn)。為保證其可靠性，最重要的是研發(fā)專用的元器件，電機(jī)、電池/電容等都必須重新研發(fā)。如電動機(jī)，由于其一端和發(fā)動機(jī)相連，另一端還必須承受變量泵的質(zhì)量，這樣發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、變量泵裝置作為一個整體，質(zhì)量大約重有1000kg，長度大約為2m，因此要改變原

102、來發(fā)動機(jī)單元的抗振支撐結(jié)構(gòu)。再比如，由于增加了電機(jī)、電池/電容等電器元件，必須合理設(shè)計整機(jī)的電氣系統(tǒng)及高低壓管理系統(tǒng)。</p><p>　　4.2.5工程機(jī)械混合動力的操控性</p><p>　　動力系統(tǒng)驅(qū)動方式的改變及動力元件的增加會影響到工程機(jī)械的操控性能。目前，各個主機(jī)廠家已經(jīng)開發(fā)的混合動力挖掘機(jī)與普通挖掘機(jī)比起來，各機(jī)械臂存在一個明顯的顫振現(xiàn)象以及接近80 dB的噪聲。影響混合動力

103、工程機(jī)械操作性能的主要有動力源與變量泵之間的耦合問題、能量回收系統(tǒng)對機(jī)械臂速度控制特性的影響、先導(dǎo)控制手柄對駕駛員操作手感的影響等等。</p><p>　　由于發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的響應(yīng)時間不同，兩者的動態(tài)響應(yīng)并非同步，因此存在復(fù)合扭矩并不按目標(biāo)響應(yīng)完成，造成變量泵的流量響應(yīng)和原挖掘機(jī)的流量響應(yīng)不同，進(jìn)而影響了整機(jī)的操作性能。同時發(fā)動機(jī)輸出和電動機(jī)輸出的不同步也會進(jìn)一步導(dǎo)致系統(tǒng)的振動等，影響系統(tǒng)的操作性能等。我們在這方

104、面進(jìn)行了相關(guān)研究，可以采取一定的控制方式，來保證動力源優(yōu)化，提出了動態(tài)工作點控制策略等，在發(fā)動各動力元件的同步協(xié)調(diào)。</p><p>　　能量回收系統(tǒng)對操作性能也具有一定的影響。如果針對動臂下放釋放的勢能采用液壓馬達(dá)一發(fā)電機(jī)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行能量回收，那么在一個快速下放的過程，進(jìn)而造成系統(tǒng)的振動，同時機(jī)械臂下降過程中存在勢能不足以回收的過程，系統(tǒng)需要在容積和節(jié)流控制兩種模式之間頻繁的切換，造成壓力和流量的沖擊，系統(tǒng)