280柴油機凸輪軸改進

孟 浩,殷玉龍

(中國北車集團 大連機車車輛有限公司 柴油機開發(fā)部,遼寧大連116022)

大連機車車輛有限公司(以下稱公司)自主研發(fā)的12V 280ZJ柴油機性能基本達到設(shè)計目標(biāo)要求,但是在某些方面還存在一些問題,例如在溫度場試驗時發(fā)現(xiàn)排氣溫度和排氣門溫度偏高;供油凸輪相位不甚合理,以至于供油提前角大于20°時,由于供油率偏低,供油提前角的變化對爆發(fā)壓力影響不明顯,反而造成在同一工況下,供油持續(xù)期隨供油提前角的增加而加長。為此,對12V 280ZJ柴油機的配氣凸輪型線和供油凸輪相位進行適當(dāng)改進。

1 12V280ZJ柴油機凸輪改進

1.1 配氣凸輪改進

法國 PA 6柴油機原采用脈沖增壓系統(tǒng),在研制MPC增壓系統(tǒng)開始時,由于仍采用原脈沖增壓系統(tǒng)用的配氣凸輪,因此一度出現(xiàn)各氣缸排氣溫度不均(最高和最低相差約80℃)和排氣門溫度偏高等問題。后通過測量進排氣低壓波進行分析,找到了原因。改進了進排氣凸輪型線:使進排氣重疊前期進氣門開度減小,以減小氣缸之間排氣壓力波的相互干擾;延長排氣門的關(guān)閉段,加強進排氣重疊后期的掃氣,以增強對排氣門的冷卻,如圖1所示。由此,問題得到了解決。

圖1 PA6柴油機進排氣凸輪升程及相位曲線

分析12V 280ZJ型柴油機前3臺樣機試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),也存在類似PA 6柴油機的上述情況。參照PA 6柴油機的改進經(jīng)驗,解決12V 280ZJ柴油機排氣溫度偏高和不均,以及排氣門溫度偏高的主要措施是在進排氣重疊前期,進氣門開度不提前和不加大的前提下,延長排氣門關(guān)閉段,并加大關(guān)閉段后期的開度,以加長進排氣重疊期,增強對氣缸和排氣門的掃氣。另外,為不影響柴油機性能和其他零部件的結(jié)構(gòu),進排氣凸輪的改進還應(yīng)滿足下列要求:

①氣門最大升程保持不變;

②氣門開啟的時面值不小于原設(shè)計值;

③氣門與活塞的最小間隙保持基本不變,以便仍采用無避閥穴活塞頂;

④滾輪的最大正、負(fù)加速度不超過原設(shè)計值,以保持氣門彈簧不變。

經(jīng)多方案計算比較,最終確定的改進方案其進排氣凸輪的上述參數(shù)見表1,表中同時列出了原設(shè)計的相應(yīng)參數(shù)。

表1 進排氣凸輪改進前后的凸輪參數(shù)

進、排氣凸輪的具體改進情況說明如下:

(1)進氣凸輪

對原進氣凸輪型線僅作微小調(diào)整:

①上升段與下降段仍為對稱,其作用角均仍為83°,凸輪總作用角仍為180°;

②為減小對系統(tǒng)的沖擊,基圓過渡段中的等加速段改為正弦加速段,以使其兩端點處的加速度為0(與前后連續(xù));同時,為控制該段最高加速度與原設(shè)計基本相等,將該段的長度由原來的4°增加到6°。

(2)排氣凸輪

排氣凸輪的改進主要是延長關(guān)閉段,并加大關(guān)閉段后期的升程。改進的排氣凸輪特點如下:

①具有不對稱的上升段和下降段:上升段作用角仍為 83°,下降段作用角由原來的 83°加長到 98°,凸輪的總作用角由原來的185.5°加長到 195.5°;

②與進氣凸輪相同,將基圓過渡段中的等加速函數(shù)段都改為正弦加速函數(shù)段,長度由原來的4°增加到6°。

(3)進、排氣凸輪相位

改進前后的進、排氣凸輪升程始點相對曲軸轉(zhuǎn)角位置不變。按主作用段始點計的進排氣門開啟和關(guān)閉相位如表2所示。

表2 進排氣門開啟和關(guān)閉相位 (°)

由表2可知,進、排氣門開啟重疊角由原來的100°增加到124°。

進、排氣凸輪改進前后,氣門與活塞最小間隙及進、排氣門開啟重疊情況如圖2所示。

圖2 進排氣凸輪改進前后氣門與活塞最小間隙及掃氣情況

1.2 供油凸輪改進

12V 280ZJ柴油機供油凸輪的設(shè)計相位:凸輪升程始點在壓縮沖程上止點前42.56°曲軸轉(zhuǎn)角(21.28°凸輪轉(zhuǎn)角)。標(biāo)定工況的設(shè)計供油始點在壓縮沖程上止點前12.24°曲軸轉(zhuǎn)角(6.12°凸輪轉(zhuǎn)角),即位于 15.16°凸輪轉(zhuǎn)角處,如圖3所示。按設(shè)計狀況來說,標(biāo)定工況時,不僅有高的噴油泵柱塞速度,并有高的初始供油速率,而且在整個供油期內(nèi)都有高的供油速率。因而可得到好的噴油特性,有利于組織好氣缸內(nèi)的燃燒,獲得好的柴油機性能(包括燃油消耗率、排溫以及柴油機最大功率的發(fā)揮等);同時,也有利于柴油機的排放。按原供油凸輪的設(shè)計相位,該設(shè)計點正好落在供油凸輪滾輪的最高速度點處。由供油凸輪型線可知:從該點到凸輪小半徑區(qū)的距離為19°凸輪轉(zhuǎn)角,即在這19°凸輪轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),供油凸輪滾輪均有高的上升速度,因而均可給出高的噴油泵供油速率;而在該點之前,供油凸輪滾輪上升速度急劇下降,因而,噴油泵供油速率也隨之急劇下降。對機車柴油機來說,為使其按牽引曲線運行時有好的性能,在部分工況時的供油提前角,通常都比標(biāo)定工況時大,以充分利用、提高部分工況的爆發(fā)壓力,來改善柴油機部分工況下的性能。由此可知,12V 280ZJ柴油機原供油凸輪的設(shè)計相位,決定了部分工況時噴油泵供油速率的急劇降低,影響柴油機性能的改善,供油持續(xù)期也必然會相應(yīng)延長。這一點在3號樣機負(fù)荷特性優(yōu)化試驗中得到了驗證。

圖3 原設(shè)計供油凸輪相位標(biāo)定和常用工況供油始點位置

3號12V 280ZJ柴油機在常用工況850 r/m in到960 r/m in范圍內(nèi)的供油提前角為24°～26°,均遠(yuǎn)離設(shè)計點。從圖3可以清楚地看出,這些工況點(包括低工況點)的供油區(qū)段均落在供油凸輪的低速率區(qū),偏離供油凸輪的最佳工作區(qū)段太遠(yuǎn)。因而這些工況下的噴油泵供油速率都很低,不可能得到好的柴油機性能?；蛘哒f,如果將這些工況點的供油區(qū)段移到供油凸輪最佳區(qū)段,柴油機在這些工況運轉(zhuǎn)時的性能(燃油消耗率、排溫等)將會有明顯改善。

由上述分析,考慮將供油凸輪相對于曲軸向前轉(zhuǎn)4°曲軸轉(zhuǎn)角(2°凸輪轉(zhuǎn)角),曲軸上止點落在23.28°凸輪轉(zhuǎn)角,如圖4所示。

供油凸輪相位改進后,預(yù)計要達到效果如下:

(1)標(biāo)定工況點(供油提前角為14°曲軸轉(zhuǎn)角)時,噴油泵柱塞初始速度由原來的0.889 7 mm/(°)提高到0.97mm/(°),約提高9%。噴油泵供油期間柱塞平均速度也略有提高。柴油機標(biāo)定工況的性能也將有所改善。

(2)常用工況點(供油提前角為24°曲軸轉(zhuǎn)角)時,噴油泵柱塞初始速度由原來的0.537 9 mm/(°)提高到0.741 4mm/(°),提高37.8%。供油期的柱塞平均速度也將有明顯提高。預(yù)計柴油機常用工況時的性能(燃油消耗率、排溫等)會有明顯改善。

圖4 供油凸輪相位改進后標(biāo)定和常用的工作區(qū)段

圖5 氣缸排氣溫度結(jié)果對比

圖6 燃油消耗率結(jié)果對比

2 改進后的凸輪軸對比試驗

2.1 供試驗凸輪軸

為檢驗上述改進的正確性和可行性,根據(jù)12V 280ZJ柴油機樣機臺架試驗,在12V 280ZJ單缸試驗機進行驗證試驗。為此,制作3種方案試驗用凸輪軸。

(1)供油凸輪相位改進的凸輪軸

該凸輪軸僅將供油凸輪向前轉(zhuǎn)2°凸輪轉(zhuǎn)角,供油凸輪型線參數(shù)不變。該凸輪軸可參照原技術(shù)文件制造,凸輪升程始點角度由20.72°改為18.72°,其余如供油凸輪型線參數(shù)、進排氣凸輪相位和型線參數(shù)等均不變;

(2)進排氣凸輪型線改進的凸輪軸

該凸輪軸僅改變進排氣凸輪型線參數(shù)。該凸輪軸可參照原技術(shù)文件制造。進氣凸輪升程始點角度13°7′23″和總作用角 180°保持不變 ;排氣凸輪升程始點角度 12°37′23″保持 不變,總作用角由 185.5°改為195.5°;

(3)供油凸輪相位和進排氣凸輪型線都改進的凸輪軸

該凸輪軸將供油凸輪相位和進排氣凸輪型線都按(1)、(2)改進制造。

2.2 280單缸柴油機凸輪軸試驗

(1)試驗前的準(zhǔn)備

對3種改進凸輪軸的凸輪型線及其相位進行計量,確定其是否符合設(shè)計要求。

(2)280單缸柴油機凸輪軸試驗

整個試驗工況、控制參數(shù)是根據(jù)12V 280ZJ柴油機性能試驗設(shè)定,試驗工況如表3。

表3 280單缸柴油機凸輪軸試驗工況表

由于整個試驗是在280單缸柴油機上進行,氣缸進氣溫度、壓力和排氣背壓對性能參數(shù)影響十分明顯,所有整個試驗過程中對上述參數(shù)控制十分嚴(yán)格,允差1%左右,同時嚴(yán)格控制柴油機油水溫度、壓力。

(3)改進凸輪軸的試驗

按表3規(guī)定的工況,按原始方案和改進方案(1)、(2)、(3)的順序進行試驗,記錄全部性能參數(shù)。

(4)復(fù)核試驗

按表3規(guī)定的工況,采用原凸輪軸進行復(fù)核試驗,記錄全部性能參數(shù)。

2.3 試驗結(jié)果對比

(1)氣缸排氣溫度試驗數(shù)據(jù)對比(圖5);

(2)燃油消耗率試驗數(shù)據(jù)對比(圖6)。

3 結(jié)束語

此次對280柴油機進排氣凸輪和供油凸輪改進主要目標(biāo)是降低氣缸排溫和改善柴油機在部分負(fù)荷工況燃油消耗率,從氣缸排氣溫度(圖5)結(jié)果對比和燃油消耗率(圖6)結(jié)果對比中可以看出已經(jīng)達到預(yù)期目標(biāo)。在部分負(fù)荷工況時氣缸排溫降低了20℃～30℃,燃油消耗率降低了5～10 g/(kW?h),效果還是很明顯的。但是,柴油機在900～1 000 r/m in工況時,3種改進凸輪軸方案與原方案結(jié)果對比幾乎一樣,氣缸排溫有所降低,但是幅度很小,燃油消耗率幾乎沒有變化,主要原因是280柴油機增壓配套和電子噴射系統(tǒng)優(yōu)化主要是針對標(biāo)定工況點,達到最佳空燃比,在該工況點附近柴油機各項性能參數(shù)如燃油消耗率、氣缸排溫、爆發(fā)壓力以及燃?xì)馀欧诺染_到最佳值所致。

[1]周龍保主編.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[2]北方交通大學(xué)主編.機車柴油機原理[M].北京:中國鐵道出版社,1981.