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我国农业拖拉机燃油消耗相关标准解析及探讨

更新时间:2016-04-23 09:50:37点击次数:976次

廖汉平

江苏常发农业装备股份有限公司

摘要:对我国农业轮式和履带拖拉机现行标准中的动力输出轴和牵引燃油消耗指标及试验评价方法进行对比分析,指出现行试验评价方法与拖拉机实际作业工况不对应带来油耗考核指标和方法上存在的问题,提出更为合理的试验评价方法和建议。

关键词:农业拖拉机 燃油消耗 标准分析 评价方法探讨

0 引言

我国农业拖拉机一直以动力输出轴变负荷6工况平均燃油消耗率和最大牵引功率比油耗作为考核项目。随着国家节能减排政策的实施,柴油机行业和拖拉机行业都试图制定相关燃油消耗限值的强制性国家标准,尽管这一类节能标准多年前就获得标准立项,但由于行业上的主客观原因迟迟没能在较短的时间内出台发布。直到2013年国家强制标准GB 28239—2012《非道路用柴油机燃料消耗率和机油消耗率限值及试验方法》和农业部推荐性标准NY/T 2207—2012《轮式拖拉机能效等级评价》实施;全国拖拉机标准化技术委员会以指导性技术文件SACTC140/Z 61001—2011《轮式拖拉机  综合工况燃油评价指标》正在拖拉机企业中推荐试行,并已报批国家标准;轮式、履带和皮带拖拉机系列产品标准GB/T15370.1~.5《农业拖拉机  通用技术条件》和JB/T11318—2013《单缸直联轮式拖拉机  通用技术条件》已全部实施。笔者根据多年来拖拉机产品设计、制造和检测方面的经验对标准中的燃油消耗指标和评价方法做一分析和探讨。

1 燃油消耗标准指标及评价方法

1.1 现行产品标准中的燃油消耗指标

发动机标定转速下动力输出轴最大功率时变负荷6工况平均燃油消耗率的试验方法(表5中的1-6工况)和考核指标值见表1,这种计算方法最大的特点是各工况权重相同平均计算的。最大牵引功率工况下的牵引比油耗考核指标值见表1。

1 燃油消耗考核指标

类型

现行标准

动力输出轴平均燃油消耗率

g/kW·h

牵引比油耗

g/kW·h

轮式多缸直联

GB/T15370.1-2012

22.06kW

365(≤310

355

22.06kW~≤50kW

350(≤310

340

GB/T15370.2-2009

50kW~<73kW

350

340

73kW~<130kW

380

369

GB/T15370.3-2012

130kW

380

370

履带式直联

GB/T15370.4-2012

22.06kW

365(≤320

355

22.06kW~<73.53kW

350(≤320

340

73.53kW147.06kW

380(≤320

370

轮式皮带传动

GB/T15370.5-2012

20.6kW

365(≤310

355

水旱两用轮式直联

GB/T24640-2009

36kW

350(≤310

370、水田≤550

36kW~<73.5kW

335(≤310

350、水田≤520

轮式单缸直联

JB/T11318-2013

22.06kW

350、标定功率时≤270

340

注:括号内为发动机台架试验时变负荷平均燃油消耗率

1.2 关于燃油消耗相关标准的深入解析

(1)NY/T 1773-2009《节油型农业轮式拖拉机燃油经济性评价指标》。

节油型农业轮式拖拉机燃油经济性评价指标(见表2)基本与已经作废的JB/T 50092—1997《农业轮式和履带式拖拉机  产品质量分等》标准中的一等品、优等品指标相近。

2 节油型农业轮式拖拉机燃油消耗指标

型式

标定功率

kW

最大牵引功率工况下的牵引比油耗

g/kW·h

动力输出轴变负荷平均燃油消耗率

g/kW·h

发动机台架试验变负荷平均燃油消耗率

g/kW·h

直联传动

18

330

350

275

18~≤36

320

335

/

36

305

330

/

皮带传动

未划分功率段

330

350

275

(2)GB 28239—2012《非道路用柴油机燃料消耗率和机油消耗率限值及试验方法》

这个标准中8工况试验循环采用了排放试验标准中的试验方法,并给予加权后确定的限值,本标准中燃油消耗限值是强制性的,机油消耗限值是推荐性的。

这一标准中需要引起注意的是标定功率的确定,GB 28239—2012标准要求按发动机功率测量标准体系中的“核心”标准GB/T 21404—2008《内燃机 发动机功率的确定和测量方法 一般要求》中的表1“发动机功率试验应安装的设备和辅助装置”第5列“卫星”标准GB/T 21405—2008《往复式内燃机 发动机功率的确定和测量方法 排气污染物排放试验的附加要求》试验时是有效功率不含风扇等辅件,第3列ISO标准的净功率是含风扇等辅件的;“卫星”标准GB/T 6072.1—2008《往复式内燃机  性能  第1部分:功率、燃油消耗和机油消耗的标定及试验方法 通用发动机的附加要求》基本从属辅助装置里是含风扇等辅件(拖拉机用发动机推广鉴定时);特定用途机械的发动机功率测试方法标准GB/T 17692—1999《汽车用发动机净功率测试方法》和GB/T 24646—2009《拖拉机标定功率 测试方法》中均表述为发动机净功率含风扇等维持发动机连续运转的基本辅助装置;GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》标准中表E.1所表述净功率不含风扇等辅件,其进气阻力和排气背压应与排放证书一致。标定功率对应的净功率在相关标准中是明确的,但相关标准中所带基本辅件还存在不一致,还需要对标准中所述的试验台安装辅助风扇的规定做进一步理解和咨询,确保行业间在标准制修订时协调一致。

(3)NY/T 2207—2012《轮式拖拉机能效等级评价》

该标准是我国农业机械第一个能效等级标准。将一直使用的动力输出轴变负荷平均燃油消耗率考核项目改为8工况加权燃油消耗率限值和标定转速燃油消耗率限值转换为能源效率值作为考核评价项目;另外根据拖拉机的工作特点将最大牵引功率比油耗率转换为能源效率值列为考核项目。能效限值见表3。

3 能效限值

能效项目

标定功率 PkW

柴油机标定工况能效限值

kW·h/kg

动力输出轴标定工况能效限值

kW·h/kg

柴油机加权能效限值 kW·h/kg

动力输出轴加权能效限值

kW·h/kg

牵引能效限值

kW·h/kg

P8

3.50286

3.04329

2.92343

2.53395

2.82355

8P19

3.86259

3.39295

3.55282

3.01332

2.82355

19P37

3.92255

3.45290

3.64275

3.09324

2.86350

37P56

3.95253

3.45290

3.77265

3.16316

2.94340

56P75

4.00250

3.51285

3.79264

3.17315

2.94340

75P130

4.02249

3.45290

3.80263

3.19313

2.71369

130P225

4.12243

3.45290

4.00250

3.33300

2.82355

225P450

4.27234

3.57280

4.08245

3.39295

2.90345

450P560

4.29233

3.64275

4.17240

3.45290

2.90345

注:括号内为燃油消耗率,单位:g/kW·h。

在标准中引入能效比是为了便于不同标定功率段的产品有一个较为简化统一的评价指标。能效等级是在能效合格基础上根据能效高低差别进行的等级划分,能效比限值的确定是参照国家能效等级分级方法的规定(见表4)。标准中各等级可理解为:4级表示拖拉机能效合格水平;3级表示拖拉机能效节能水平;2级表示拖拉机能效国内先进水平;1级表示拖拉机能效国际先进水平。

4 拖拉机能效比限值

能效等级

能效比项目

1

2

3

4

标定工况能效比

1.13

1.08

1.05

1.00

加权能效比

1.13

1.08

1.05

1.00

牵引能效比

1.16

1.13

1.08

1.00

(4)SACTC140/Z 61001—2011《轮式拖拉机  综合工况燃油评价指标》

全国拖拉机标委会经过多次讨论,考虑了OECD试验工况点和加权系数,印发了指导性技术文件,由企业和检测机构摸底试验,积累出相当数量的数据后形成燃油经济性评价指标国家标准报批稿。(见表5、表6、表7)

5 动力输出轴12工况试验循环

工况序号

发动机油门开度或转速

负荷

加权系数

1

最大油门(标定转速)

100%

0.30

2

最大油门

1工况转矩的85%

0.15

3

最大油门

2工况转矩的75%

0.10

4

最大油门

2工况转矩的50%

0.05

5

最大油门

2工况转矩的25%

0.05

6

最大油门(最高空转)

空负荷

0.05

7

最大油门(最大转矩转速)

100%

0.05

8

最大油门

1工况功率的80%

0.05

9

90%标定转速

1工况功率的80%

0.05

10

90%标定转速

1工况功率的40%

0.05

11

60%标定转速

1工况功率的60%

0.05

12

60%标定转速

1工况功率的40%

0.05

6 牵引5工况试验循环

工况序号

档位

牵引比油耗

加权系数

1

发动机在调速段工作,能满足15%滑转率要求牵引力对应的最高工作档

15%滑转率时牵引力,对应的牵引比油耗

0.10

2

比最大牵引功率对应档位低一个工作档

最大牵引功率对应的牵引比油耗

0.15

3

最大牵引功率对应工作档

最大牵引功率对应的牵引比油耗

0.50

4

比最大牵引功率对应档位高一个工作档

最大牵引功率对应的牵引比油耗

0.15

5

最大牵引功率对应工作档

按发动机标定转速下最大牵引功率时75%牵引力的负荷下对应的牵引比油耗

0.10

7 轮式拖拉机燃油经济性评价指标

标定功率

加权动力输出轴燃油消耗率

g/kW·h

加权牵引比油耗

g/kW·h

多缸直联传动

22.1kW

330

365

22.1kW73.5 kW

315

350

73.5kW147.0kW

342

380

147.0kW

330

365

单缸直联传动

315

350

皮带传动

330

365

注:直联传动拖拉机功率分段与JB/T 113202013一致。

1.3 现行各类拖拉机标准的油耗评价方法特点对比

现行各类拖拉机标准的油耗评价方法特点对比,见表8

8 相关标准的油耗评价方法特点对比

项目

拖拉机产品标准

发动机油耗强制标准

拖拉机能效标准

拖标委指导性技术文件

(国家标准报批稿)

试验内容

1、动力输出轴

2、牵引

发动机台架

1、动力输出轴

2、牵引

1、动力输出轴

2、牵引

评价方法

1、动力输出轴或发动机变负荷6工况平均燃油消耗率;

2、最大牵引功率工况下的牵引比油耗。

发动机8工况试验循环加权燃油消耗率。

1、动力输出轴或发动机标定转速最大功率燃油消耗率和8工况试验循环加权燃油消耗率;

2、最大牵引功率工况下的牵引比油耗。

1、动力输出轴或发动机变负荷6工况、变速变负荷6工况加权燃油消耗率;

2、牵引5工况加权比油耗。

特点分析

变负荷6工况试验作为我国拖拉机油耗指标几十年了,这种试验方法企业和检测机构相当熟悉;但这种工况与我国拖拉机实际使用工况不完全一致,且工况油耗平均值也不合理。

采用了排放试验的工况,试验方法一致,无需重复选工况,所选取的工况、权重具有较合理的代表性,与实际使用情况较为吻合。

1、标定点油耗能够基本反映柴油机的油耗水平,发动机一直以此工况做出厂试验;

2、与发动机油耗限值标准试验工况对应一致,试验循环加权燃油消耗率能较客观反映拖拉机实际作业情况。

1、充分考虑了与实际作业状况的相符,且有可能选取较少的工况来评价拖拉机油耗情况;

2、牵引5工况更能反映出拖拉机传动、行走系牵引能力发挥情况。

2 实际使用工况与台架试验工况的分析

2.1 从实际使用档位和负荷情况分析

从变负荷来看,拖拉机最大油门标定点或最大功率点燃油耗率最低,但这种情况在拖拉机田间实际工作时几乎达不到这状况,这种理想工况在拖拉机农田作业占的比例甚小。如果在最大油门工作,其作业负荷也是在60%~90%之间变化得较多,否则也就不能发挥出最佳的适用性和经济性。通常机手在实际操作中特别是小地块更是频繁改变油门大小的,以期获得较好的作业效果和经济耗油,有经验的机手在旋耕时常常将油门控制在80%~90%时最省油。合理操作使用油门,控制机组的最佳行驶速度,在确保作业质量前提下,选用70%左右的标定功率作业,可降低油耗5%~30%。正常情况下,即使最大油门作业,驾驶员也不会让拖拉机处于小负荷状况下长时间作业,大地块作业时更是处于60%以上的负荷。谁也不会让拖拉机长时间在表5第5工况点以下小负荷状况下作业,更不会有意让拖拉机停止状态下处于最大油门空负荷工况时长时间运转发动机。直观原来变负荷平均燃油耗的计算显然与实际作业情况不对应,所以用平均燃油消耗率来评价是不合理的。

2.2 从台架试验情况分析

最大油门时风扇在空负荷情况下的转速最高,重负荷情况下转速就低许多,空负荷损耗的功率比重负荷损耗的功率大,相应的燃油消耗率就高。即使转速不变,风扇和常接合的液压泵、气泵、空调压缩机等附件在空运转时所消耗的功率是定值,在轻负荷试验工况时,这部分附件所消耗的功率占动力输出轴此时输出的有效功率的比值也比在重负荷试验工况时所占动力输出轴输出的有效功率的比值要大许多,表5第5工况点的油耗会拖累变负荷平均燃油消耗率。从实测数据中可以看出,风扇的形状、片数、直径以及常接合液压泵、气泵规格型号等附件对功率消耗影响也很明显。其中减小风扇直径虽然对平均燃油消耗率降低有明显效果,解决了小负荷状况的燃油消耗率偏高的问题,但在大负荷工况时的散热效果就会有一定的下降。

3 解决相关标准存在的问题思考及建议

对考核评价方法合理性的探讨的过程中,我们从国内外拖拉机OECD报告中看到变负荷检测数据只是如实记录在报告中,并未按此进行考核评判。最近几年新的OECD检测中增加了发动机变转速、变负荷动力输出轴试验就已经说明原来我国拖拉机几十年来采用变负荷平均燃油消耗率进行考核的方法需要修改。实际上,一些国外进口拖拉机在我国申请鉴定检测时,按照变负荷平均燃油消耗率进行考核也常常出现不合格,甚至需要进行比较极端的特别调整的方法才能达到我国的考核指标值。笔者曾按照发动机变转速、变负荷试验方法对不同功率的拖拉机和发动机进行了对比试验,也说明了拖拉机原来的燃油消耗率考核方法存在着不合理性。

事实上,拖拉机的油耗考核抓住40%或50%以上负荷时油耗就能代表该拖拉机的油耗水平了。从使用作业频率角度上看,负荷系数在50%以上的作业时间比例要占总作业时间的70%甚至于90%以上。机手作业时,通常油门在90%转速及80%负荷时较省油。随着大功率拖拉机附件越来越多,无论在小负荷或大负荷情况下都基本恒定地消耗柴油机功率,这也是为什么在小负荷工况下燃油消耗率反而更容易增大的原因之一。尽管各工况小时耗油累计与功率累计来计算燃油消耗率,但不考虑权重仅采用“平均”计算是不合理的。考核方法通常起到行业引导作用,油耗也是如此,企业一般会围绕标准进行研究,虽然符合标准了,但达不到实际应用要求。尽管企业花了很大精力解决了拖拉机小负荷的油耗问题,但对实际使用中的重负荷情况的油耗反而给忽视了,抓小放大,实在是得不偿失,没有真正起到节能作用。

燃油消耗指标一直困扰着企业拖拉机产品合格与否的重要方面,也是国家目前特别强调的,国家支持推广的农机产品目录评审时已经将燃油消耗指标列为否决项。如今,我们不得不对此问题进行必要的思考和分析研究,找出解决的办法。从相关标准分析方面看,柴油机标准长期以来只考核标定功率时的油耗与拖拉机动力输出轴考核方法不一致,以柴油机为动力的拖拉机反而考核柴油机未考核的工况油耗显然不合适。GB 28239—2012强制标准中对拖拉机用柴油机采用8工况加权燃油消耗率限值作为考核指标,考虑了柴油机不同用途的配套使用特点。其实不同的作业机械对柴油机的动力特性也有着不同的个性要求的。对于拖拉机来说,考核的工况可以探讨采用等于或少于柴油机8工况试验循环测量要求的工况数。NY/T 2207—2012《轮式拖拉机能效等级评价》农业行业标准中已采用了8工况加权燃油消耗率评价方法。全国拖拉机标准化技术委员会以指导性技术文件SACTC140/Z 61001—2011《轮式拖拉机  综合工况燃油评价指标》提出的动力输出轴或发动机台架试验方法综合了现行的变负荷6工况和OECD变转速变负荷6工况也是向着更为合理、准确、协调一致方向努力。如果能选取最佳的工况并给出合理的权重,拖拉机燃油消耗评价带来的困惑就能得到解决,我们也期待着拖拉机油耗限值强制性国家标准在制定过程中充分考虑其产品的实际工作状况。

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