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现在市场上对于汽车起重机采用一个发动机(简称单发)还是起重作业和行驶各自用一个发动机即采用双发动机(简称双发),两者孰高孰低,是公说公有理,婆说婆有理,那么,事实到底如何?单发还是双发,最终还是应该从用户的角度考虑。只有从整体思考,能为用户创造产品使用效益的最大化和过程使用成本的最低化,才是最佳的选择答案。
一般而言,从购买到使用直至最后报废,用户消费汽车起重机的相应成本包括购入成本(一般按一次性计算)、使用成本(主要包含油费及维修费)及残值(残值作为收入,可计算为负成本)。本文从考察产品的主要消费成本入手,揭示采用发动机布置所引起的成本差异。
下表为QY70K、LT1070和LTM1070-4.1三种起重机的相关对比参数。
上表中:比功率按GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》的定义为发动机最大净功率(或0.9倍的发动机额定功率或0.9倍的发动机的标定功率)与机动车最大允许总质量之比。GB7258-2004标准要求该值必须大于5。
为了使对比的一致性,下文将只对变化的部分进行对应分析,其中以车型一为单发动机、车型二为双发动机和两者所必须增加的配置为例,说明设计中如果采用单发动机或双发动机两者之间的成本差别。
1、购入成本比较:
购入成本包括外协、外购件的采购成本和生产制造成本。
因为采用发动机的数目不同(单发或双发),在总体布置、结构形式等方面也不相同,必将在需要的零部件方面产生差别,从而造成外协、外购件的采购成本和自制件成本相差较大。本文仅考虑发动机不同造成的差别,生产过程中的制造成本暂时不计。
车型一(单发)必需增加的零部件:
中心回转体及管路,费用约4000元,重量约为120kg。
车型二(双发)必需增加的零部件:
下车液压油箱(容量约70升)和滤油器、截止阀、支腿液压油泵、上车发动机、空滤器、消音器、散热器、分动箱、燃油箱、蓄电池、发动机控制机构及为安装以上零部件而配备的支架、防护装置等,需要增加费用105000元,增加重量约为1500kg。
按GB7258-2004标准中关于比功率规定,一般随整车重量的增加,要求的发动机功率也要相应加大。所以,采用双发动机时因重量增加,必须相应提高发动机功率,而提高发动机功率后,设计时又必须要采取加大传动系统的承载能力,提高制动系统的输出力矩等措施,导致以后运行过程中所增加的相应费用也不是一个可忽略的数目(因计算繁杂,在此略去)。
采用双发动机多余的成本是在购车时一次性投入的,所以考虑资本的利息,采用双发动机的将有更多支出,此处近似计算为:
101000×(1+5%)10≈16.45(万元)
其中:5%为商业贷款的平均利率。
小结1:采用单发动机比采用双发动机至少节省成本16.45(万元),且重量减少1380kg。
2、使用成本比较:
使用成本主要包含燃油费及维护、修理费。
2.1.油费的比较
国家规定每台机动车的生命周期为10年(至多可以延长至12年),鉴于我国起重机的总体水平,本文的计算按10年考虑;在整个使用周期内,起重机的起重作业时间与行驶时间之比在7:3至8:2之间,本文的计算按7.5:2.5即(3:1)来考虑。
计算起重机终身使用时间: 10×305×8=24400小时;其中10年使用时间,每年工作按305天计,每天工作按8小时计。
上车的终身使用时间:24400×3/4=18300小时;
下车的终身使用时间:24400×1/4=6100小时。
采用单、双发动机对于相同起重作业工况而言,两者消耗的功率基本相同,但采用单发动机工作时,由于两方面的原因会增加功率消耗,也即增加耗油量。一是发动机本身所带附件,如风扇、转向助力油泵、发电机等比双发动机的上车发动机输出功率大,在同等条件下,所消耗的附加功率要多一些;二是操作者在进行起重作业时,对发动机输出功率与负载吸收功率不能合理匹配,为防止发动机突然熄火等原因,会操纵发动机以更高转速运行,造成单发动机比双发动机的上车发动机输出功率大,从而耗费较多的燃料。
根据表1:LT1070上车采用的发动机的额定功率为112 kw,上车发动机在工作时,其平均输出功率一般按照额定功率的75%计算,即为112 kw×75%=84 kw计算。
单发动机由于上述两方面的原因,比双发动机各多消耗10%的燃油(两个方面各多消耗5%)。所以,单发动机在整个起重作业生命周期平均要多消耗的燃油量为:
18300×210×84×10%÷1000÷0.9=35868(升)
其中:210——所采用的发动机的平均燃油消耗量(以上所列发动机的平均燃油消耗量在200~220g/kw.h,这里取值为210g/kw.h);
0.9为燃油的比重;
1/1000为g转化为kg的系数。
按目前平均每升燃油销售价约4元计算,则采用单发动机在10年间共增加耗油成本:
35868升×4元/升=14.35(万元)
但是,从另一方面考虑,按GB7258-2004机动车运行安全技术条件规定,一般随整车重量的增加,要求的发动机功率也要相应加大。采用双发动机的整车重量(只考虑发动机变动部分)增加了1380 kg,会额外加大行车的耗油量,额外加大行车的耗油量占整车耗油量的比例为:1380÷46000=0.03。
LT1070下车采用的发动机的额定功率为261 kw,车辆行驶时,其平均输出功率一般按照额定功率的75%计算,即为261kW×75%=195.75 kw计算。
10年间共增加使用耗油成本费用近似计算值为:
6100×210×195.75×0.03÷1000÷0.9×4≈3.34(万元)
综合考虑上述两方面情况:采用双发动机比采用单发动机节省的成本为:14.35-3.34=11.01(万元)
2.2.维修成本比较
在正常使用周期内,起重机用的发动机都需要进行下列检查、维护和保养工作。对润滑系统,每年至少需要更换柴油机润滑油一次,同时需要更换机油滤清器或滤芯;对冷却系统,每二至三年需更换防冻液,每年入冬前要检查、调整冷却液冰点,有水滤清器的还需要清洗或更换滤芯;对燃烧系统,每年要清洗或更换燃油滤清器滤芯(包括粗滤和精滤),检查和调整喷油嘴开启压力,在试验台上检查和调整喷油泵;对进气系统,检查空滤器保养指示器或指示灯,按要求定期清洁或更换空气滤清器滤芯(包括主滤芯和安全滤芯),清理空滤器集尘杯,检查和紧固进气管路,检查增压器轴承间隙。其它维护和保养的还有活塞及环、轴瓦、皮带、气门及推杆、正时齿轮室等工作。
在正常使用周期内,还要考虑到发动机一至两次大修和两至四次中修。
因此,从维护和保养方面来讲,采用双发动机比用单发动机的维修成本要增加,按平均每年的维修成本5000元计算,多一个发动机,十年需多支付5万元维修成本。
小结2:综合耗油费和维修成本,采用双发动机比采用单发动机节省的成本为:11.01-5=6.01(万元)。
考虑残值,在十年后,采用单发动机和双发动机相差很小,此处忽略不计。
总结:采用单发动机比采用双发动机节省成本为:16.45-6.01=10.44(万元)。
3、其他方面的说明:
从发动机的利用率来说,双发动机比用单发动机也有明显差别,其下车行走用的发动机仅为单发动机起重机工作小时数的四分之一。从投资效率方面考虑,资金的利用率没有得到充分发挥。
从产品性能和可靠性方面来说,对于整备质量一定的车辆,其重量利用率(配重体质量与整备质量之比)也应成为衡量起重能力的一个指标。即起重机在3米幅度起重量一定时,加在配重体的载荷越大,其中,长臂工况稳定性就越好,相对应的起重量也越大。反过来说,在起重能力一定时,车辆的整备质量越轻,用户的采购成本和使用成本也就越少(作者认为利勃海尔公司在这方面是做得比较成功的典型)。而系统的功能在满足使用要求的前提下,系统的结构越简洁,其可靠性就越高。
近年来,电子控制喷射技术的柴油发动机采用了一系列新技术,包括增加高压喷射、增压器带控制阀、四气门技术、电控燃油喷射技术、排放控制技术等,能够降低燃油喷射量近20%,提高发动机动力5%~7%,减少燃油消耗3%,并降低发动机噪音3分贝,行驶时发动机排放能够达到欧Ⅲ排放标准,甚至能够满足将来更加严格的排放标准。
最主要一点是发动机的ECU(电子控制单元)可以根据产品车的实际工况,制定相应输出功率曲线(即双功率曲线发动机)。行车时发动机按最大功率模式输出动力,而在起重作业时采用PTO模式输出动力,使发动机工作在所设定的区间,包括最低、最高转速,额定功率、扭矩等,综合驾驶员的意愿及反馈的负载大小,通过电子控制喷射系统适量供油,消除操作者在作业时的不合理现象,使发动机始终处于高效、经济运行区域工作,从而达到省油和最大限度降低运行成本的目的。徐州重型机械有限公司已经推出的QY80K汽车起重机、Liebherr公司的LTM1070-4.1起重机是单发设计模式的典型代表。
下一步工作是推进单发双功率曲线电控发动机在起重机产品上的应用,使产品的技术性能得到进一步提高,并成为公司技术创新的又一亮点。

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