为了降低神户污染，混合动力替代液压系统

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 系统中的电容和电池作为蓄能元件，可以维持发动近年来，随着世界范围内工业技术的发展，能  机工作在高效区内，提高燃料的利用率，降低尾气源短缺和环境污染问题日趋严重。工程机械多采用  排放柴油机一液压系统一多执行器驱动方案，耗油高、排放差，其节能问题已受到业界的广泛关注。
 
目前在工程机械节能方面的研究主要体现在如下三个方面:提高工作元件(柴油机和液压元件)性能、改进液压系统和改善柴油机一液压系统一执(a)串联式馄合动力系统行器的功率匹配虽然上述措施获得了一定的节能效果，但由于                   执行元件月发动机1川 电动机 型整流，兴应勇布负载变化比较频繁、波动比较大，柴油机大多数时间工作在非高效区内，燃料的利用率低下，排放质                              伪)并联式混合动力系统量较差11]。因此，改善柴油机的工作状况是提高整体系统效率和改善排放质量的一个关键问题。
 
近年来，一种能够满足上述需要的新型动力系统— 混合动力系统(Hybrid)受到了工程机械领域的高度重视，并逐渐发展成为一个新的重要研究方和)混联式混合动力系统向2[’一41。
 
图1混合动力系统的种类混合动力工程机械研究概况                             日本、美国和欧洲一些发达国家和地区已经把混合动力系统应用在汽车上，并取得了较好的节能混合动力是指通过不同动力源的联合工作，使  效果阶其百公里耗油量已降到3L。我国也己其充分发挥各自的优越性以提高能量的利用率。根                  经开展了这方面的研究工作，并取得了一定的研究据原动机种类的不同，混合动力系统理论上可以有  成果。
 
多种形式，而最常用的是指发动机与电动机的组合。                     鉴于混合动力系统在汽车上的成功应用，近年来混合动力系统已成为工程机械节能降耗、降低排放的重要研究课题之一。为了提高下一代产品的竞争力和市场占有率，日立建机、，汉井，建机、小  存的电能释放出来，经双向电流转换器转变为交流松、卡特彼勒一三菱和神户制钢等世界上各大工程  电驱动电动/发电机，辅助发动机驱动液压系统。整
 
机械制造商，纷纷开展了混合动力系统在工程机械  个系统的运行由控制器来进行控制。
 
上应用的研究工作1'8-20102003年，日立建机生产出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机(WheelLoader)，这是混合动力系统在工程机械上的首次应用。2004年5月，小松研制出了世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型。混合动力系统在工程机械上的应用研究正成为工程机械节能和环保研究的一个热点。
 
当前，在工程机械上应用的混合动力驱动方式主要有两种:串联式混合动力驱动和并联式混合动力驱动。混联式混合动力驱动由于其系统的布置和                      图3 串联式混合动力F动工程机械的系统方案二妇  构控制都比较复杂12t-237，目前还没有开展在工程机械上的应用研究。
 
合动力驱动，工作原理如图2所示。柴油机以恒功率输出的机械能全部由发电机转化为电能，经整流生器变为直流电后一部分储存在电池中，另一部分经                              发电/电动机日泵输出调整器鲡  嵘逆变器处理后驱动电动机。电动机输出的机械能经双向电流转换器液压泵转化为液压能，并在控制阀的作用下驱动执行机构。系统中的控制器接收发动机的转速信号、                                电池{叫电荷量检测器操作手柄的动作控制信号和电池的状态信号等，经图4 并联式混合动力驱动工程机械的系统方案一过运算处理，进而控制发动机的燃油供应和整流/逆变器的运行和转换。                                  参考文献[27]提出的系统方案也是一种并联式混合动力驱动，工作原理如图5所示。系统的控制器获得发动机、液压系统和操作手炳的状态信号，经数据处理后，发出控制指令。系统的工作状态可以显示在操作面板上。
 
执行机构控液压系统制图2 串联式混合动力驱动工程机械的系统方案一                                 赢 液压泵         手 柄参考文献[25]提出的系统方案也是一种串联式                     ilk             变量机构混合动力驱动，工作原理如图3所示。柴油机输出的动力完全用于驱动发电机发电，蓄能单元采用了                       I- 上二二州       控制器       比}J电池和电容。动臂油缸由单独液压系统驱动，提高图5 并联式混合动力驱动工程机械的系统方案二了液压系统的效率。回转马达由电动机直接驱动，降低了能量的损耗。                                   在并联混合动力系统中，系统的效率较高。柴
 
参考文献[26]提出的系统方案是一种并联式混  油机、电动机等元件的装机功率低，所须配备的电合动力驱动，工作原理如图4所示。其发动机的输 池和电容的容量低，在配备相同柴油机情况下可以出能量没有完全用于发电，而是仅将驱动液压系统  获得更大的功率输出，提高系统的工作能力。但是剩余部分机械能通过电动/发电机转化为电能，当发  由于发动机与电动机以机械方式联接，系统的布局动机的输出功率不足以驱动液压系统时，电池中储  比较复杂，对控制系统的要求也比较高2005年12月       王庆丰等:混合动力工程机械节能效果评价及液压系统节能的仿真研究表1量纲一混合动力系统能耗仿真结果2混合动力节能效果的评价                                       发动机    发动机系统    峰值功率  输出能量为了评价串联和并联混合动力系统对节能和排                   串联系统4个执行元件的典型液压系统为纂础，分别加入了串、并联混合动力系统，并利用MATLAH系统中的Simulink和Mechanics进行了仿真建模，对挖掘机一个标准的挖掘工作周期进行了仿真计算。挖掘机一个标准的挖掘工作周期指铲斗的下放、挖掘、上提、旋转900.卸载和反向旋转900归位的连续工作过程。图7为4个液压执行元件控制信号的时序图，图8所示为串联和并联混合动力的仿真模型。
 
分别以发动机峰值功率、输出总能量、单位功耗油率和总耗油量作为评价指标进行了分析对比，其计算结果如表1所示。
 
(1)单纯的串联混合动力系统不具备节能效果，但可以改善柴油机排放质量，并在一定程度上降低柴油机的装机功率。
 
在串联混合动力系统中，柴油机的工况比较平稳，有效地降低所需要的峰值输出功率，即柴油机的装机功率可以降低16%，从而节约了一定的制造成本。同时柴油机工况得到了改善，使其能够长时                                    电池/电容间工作在高效区内，燃油燃烧充分，降低了单位功                                  (b)并联}R合动力系统耗油率，使得其尾气排放得到了改善                                   图8 混合动力系统仿真框图由于柴油机与驱动电动机之间无机械连接，因  时，可以再通过电动机将电能转化为机械能驱动外此工况稳定，排放低，并且整机结构布置灵活，自 载。鉴于前面串、并联混合动力系统节能效果的对由度大，控制策略也较为简单。但由于柴油机与发  比，这里仅讨论并联系统的能量回收效果。其系统电机相联，所有的输出能量必须经过机械能一电能  原理如图9所示。
 
一机械能的转换，而且电能本身还要经历变频器内部以及变频器与电池或电容之间的交直流转换过程，因此动力系统能量损耗较大，柴油机的输出能量增加了24%，从而很难甚至达不到节能效果。并
 
且发电机、电动机等零部件所需的装机功率以及电池、电容所需配备的容量都较大。
 
(2)单纯的并联混合动力系统节能效果不很明                         图，马达回收混合动力系统显，但可以较大幅度地降低柴油机的装机功率，提仿真结果如〔表2所示)表明，马达回收式混合高尾气排放质量动力系统柴油机的装机功率可以降低50%，油耗可并联混合动力系统中柴油机的输出的能量只降低40%，排放质量也在一定程度上得到了改善。
 
有一部分用于发电，而其余的能量直接驱动泵，所以虽然也会由于零部件的增多和能量转换而使得柴                          表2 马达回收节能方案仿真结果油机的输出功有所增加，但由于柴油机的工况得到                    系统    发动机峰  发动机输出     单位功耗    耗油量值功率     能量      油率改善，致使耗油量相对于原系统下降了11%，峰值原始系统注:本表数据量纲为一(3)与串联混合动力相比，并联混合动力在柴油机峰值功率、做功、排放和油耗方面都具有一定的                     系统采用马达回收措施后，由于马达和发电机优势，因此应该作为挖掘机节能研究的一个重要  的转动惯量比较大，其执行元件的操作性将受到影方向。                                     响，因此在仿真的基础上还要进一步开展试验研究。
 
此外，混合动力还为其他节能措施提供了技术                3.2单独驱动系统支撑，使得各种节能手段得以互相结合，从而达到                     传统工程机械为了降低成本，大都采用单泵驱高效节能的目的。                                动多执行器的方案。同时为了避免执行器的速度受外载的影响，每个执行器油路中都要安装压力补偿3基于混合动力驱动的几种液压系统  阀。由于驱动各执行器所需压力各不相同，泵压必节能方案                                须高于克服最大外载所需压力，所以在小载荷执行器的压力补偿阀上会有较大的压力损失。
 
3.1马达能量回收系统                                随着节能逐渐成为工程机械重要的研究目标，工程机械执行机构下放时的重力势能、制动时 单独驱动方案受到了业内的普遍重视。单独驱动系的惯性能都消耗在液压系统主控阀的节流口上。不  统中，每个执行器由一台泵驱动，这样就降低了压仅造成了大量的能量浪费，而且还会引起系统的发  力补偿阀上的能量损耗。
 
热。这部分能量如果能够回收利用，不仅可以节能，                    仿真结果表明，采用单独驱动可以在原系统的而且还可以提高系统的可靠性，简化相应的辅助设施。 基础上节能27%(表3)0实现上述目标的方案之一就是在主控阀的回                          表3单独驱动节能方案仿真结果油口处串联一回收马达。靠控制马达的流量来控制                           发动机     发动机执行机构的下降速度，将执行机构释放出来的重力                    系统     峰值功率    输出能量    油童原始系统势能和惯性能回收并转化为马达输出的机械能。在                   单独驱动传统的液压系统当中，储存这部分回收的能量比较                   并联单独困难，从而限制了该节能方法的实施                         电驱回转在混合动力系统当中，由于采用了电池或电容                   注:本表数据量纲为一作为储能元件，回收得到的机械能可以通过发电机                     单独驱动可以与并联混合动力相结合，进一步再转化为电能储存在电池或电容当中。当系统需要  提高节能效果。仿真结果显示，并联混合动力单独2005年12月       王庆丰等:混合动力工程机械节能效果评价及液压系统节能的仿真研究驱动系统发动机的峰值功率仅为原系统的53%，耗                  以节能58%，柴油机的峰值功率仅为原系统的30%油量降低了36%0                                   由于马达回收系统的实现还存在较大困难，目此外，由于系统中引进了电池和电容作为蓄能  前较为可行的方案为并联混合动力单独驱动进出口兀件，所以回转运动可以由电动机代替液压马达来  独立调节电驱回转系统仿真结果(表4)表明，此系驱动，从而消除了这部分系统的液压损失，降低了  统可以节能51%，柴油机的峰值功率仅为原系统的能量消耗。而且回转的制动能还可以通过电动机发  39%。
 
电，储存在电池或电容当中，实现了能量的再生。                      上述仿真是在理想的空载条件下进行的，即柴其系统原理如图10所示                             油机的做功完全消耗在能量损失上，因此所得到的柴油机峰值功率、输出能量和耗油量都将低于实际值。但由于各仿真计算的初始条件都是相同，所以仿真结果之间是具有可比性的。
 
4 结论(1)单纯的串联式混合动力系统不具有节能效果，但可以有效地控制排放质量，而且系统的布局安排比较容易实现:并联式混合动力系统具有一定图10 电驱回转混合动力系统的节能效果，降低了系统的装机功率，有效地控制从仿真结果(表3)也可以看出，采用电动机直接  了尾气的排放质量，但是布局安排比较复杂。从节驱动回转可以在原来基础上进一步节能 9%,柴油                 能的角度出发，应选择并联混合动力作为研究对象。
 
机的峰值功率降低6%。此外，回转由电动机直接                     (2)混合动力系统为其他节能措施提供了实现驱动还简化了驱动系统，降低了制造成本。                     的基础。在并联混合动力的基础之上引进马达能量3.3进出口独立调节                              回收、单独驱动、电动机直接驱动回转和进出口独传统液压系统主控阀进出油节流口联动调节，  立调节等节能措施，会取得良好的节能效果。考虑致使在进出口都会产生节流损失，泵压也会随之提  到生产成本、操作性和元件的性能，并联混合动力高。在单泵驱动多执行器的系统中，消除进油节流  单独驱动进出口独立调节电驱回转系统应该是近期损失比较困难。而在单独驱动系统中，可以采用进  内比较切实可行的一种工程机械开发方案。
 
出口独立调节，即保持主控阀进口压降为一较小值，速度。这样可以进一步降低系统的能耗，达到节能  I乔建刚，杨敦荣.液压挖掘机的节能技术.现代机械，的效果。仿真结果(表4)表明，采用进出口独立调节的单独驱动系统可节能41%                           2广獭久士，丹下昭二.电动车及混合动力车的现状与展表4独立调节系统仿真结果发动机     发动机             3 曾我雅之，岛田道仁，坂本淳系统                           耗油蟹峰值功率    输出能量在此系统的基础上，进一步加入马达回收系统，还可以降低回油节流损失。由于马达回收系统动力、马达回收、单独驱动和进出口独立调节，构成了一套新的节能系统。