HS400單缸風(fēng)冷柴油機(jī)的開發(fā)

魏長(zhǎng)生，金天柱

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海200092；2.上海汽車商用車技術(shù)中心，上海200438）

HS400單缸風(fēng)冷柴油機(jī)的開發(fā)

魏長(zhǎng)生1,2，金天柱1,2

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海200092；2.上海汽車商用車技術(shù)中心，上海200438）

根據(jù)國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)小型風(fēng)冷單缸柴油機(jī)的需求以及滿足即將出臺(tái)的新一代單缸機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求，上海內(nèi)燃機(jī)研究所進(jìn)行HS400單缸風(fēng)冷柴油機(jī)的開發(fā)。開發(fā)工作以符合工廠實(shí)際情況的設(shè)計(jì)思想和開發(fā)策略為先導(dǎo)，依托成熟技術(shù)平臺(tái)，對(duì)進(jìn)排氣道、供油系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、缸蓋三孔位置和燃燒室等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵零部件及配置進(jìn)行更符合發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品制造工藝，更有利提高產(chǎn)品性能和適應(yīng)環(huán)保法規(guī)的升級(jí)改造。

柴油機(jī) 總體布置 結(jié)構(gòu)開發(fā) 性能

1 概述

目前我國單缸柴油機(jī)產(chǎn)量維持在1 000萬臺(tái)左右，居世界第一。但是，縱觀我國單缸柴油機(jī)制造業(yè)，大多數(shù)企業(yè)的開發(fā)、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造及檢測(cè)手段落后，企業(yè)自主能力弱，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、可靠性、熱負(fù)荷性能、燃油經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)比較落后，且產(chǎn)品以臥式水冷機(jī)型為主，風(fēng)冷機(jī)型較少。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，國產(chǎn)水冷柴油機(jī)已經(jīng)不能滿足國內(nèi)外用戶對(duì)柴油機(jī)更高的要求，農(nóng)村廣大用戶迫切需要一種重量輕、功率/質(zhì)量比大、起動(dòng)容易、性能可靠、使用方便、與國外同類機(jī)型相近的HS400風(fēng)冷柴油機(jī)來代替單缸水冷柴油機(jī)或鑄鐵機(jī)體的單缸風(fēng)冷柴油機(jī)。同時(shí)其銷售價(jià)格與國外同類機(jī)型相比具有較大優(yōu)勢(shì)，符合中國老百姓的經(jīng)濟(jì)購買能力，適應(yīng)中國農(nóng)村實(shí)用狀況。此外近年來電力供應(yīng)緊張，個(gè)人對(duì)5 kW以下的發(fā)電機(jī)組需求量大增，特別是近年來汽油價(jià)格飆升，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)組的燃油經(jīng)濟(jì)性更顯突出，市場(chǎng)前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

HS400風(fēng)冷柴油機(jī)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想和開發(fā)策略如下：

（1）設(shè)計(jì)開發(fā)的小型單缸風(fēng)冷柴油機(jī)，消化吸收國際先進(jìn)水平的新型直噴燃燒技術(shù)、高壓燃油噴射技術(shù)，與現(xiàn)有大量生產(chǎn)的柴油機(jī)相比，能夠節(jié)能5%以上；

（2）設(shè)計(jì)開發(fā)的小型單缸風(fēng)冷柴油機(jī)，通過采用新型材料和新工藝，與現(xiàn)有大量生產(chǎn)的風(fēng)冷柴油機(jī)相比，能夠節(jié)省原材料8%以上；

（3）進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，改變渦流強(qiáng)度和流向，提高過量空氣系數(shù)，提高升功率和功率質(zhì)量比；優(yōu)化活塞、凸輪等的型線減少燃燒盲區(qū)，改進(jìn)活塞環(huán)、氣缸蓋、噴油器等進(jìn)一步降低CO、HC、NOx、PM顆粒污染物的排放；

（4）利用Pro/E、GT-Power等軟件在三維實(shí)體造型、內(nèi)燃機(jī)工況模式方面構(gòu)建全數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，采用計(jì)算機(jī)模式分析技術(shù)，在新產(chǎn)品開發(fā)成本方面成為行業(yè)創(chuàng)新點(diǎn)。

2 HS400柴油機(jī)結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)指標(biāo)

HS400單缸柴油機(jī)為單缸、直立、風(fēng)冷、直噴燃燒系統(tǒng)機(jī)型，全鋁壓鑄機(jī)體，鍛鋼曲軸，高剛度、低質(zhì)量平切口連桿，下置凸輪軸、液壓挺柱、頂置式氣門結(jié)構(gòu)。針對(duì)目前柴油機(jī)在起動(dòng)時(shí)可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)、不能瞬間熄火等不安全因素，增加防倒轉(zhuǎn)裝置，并加裝了急停裝置以增加柴油機(jī)的安全使用系數(shù)；針對(duì)柴油機(jī)壓縮比高，起動(dòng)困難的缺點(diǎn)，在凸輪軸上設(shè)有自動(dòng)減壓機(jī)構(gòu)以提高起動(dòng)性能。HS400柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)參見表1。

3 總體布置及主要結(jié)構(gòu)件開發(fā)

3.1 總體布置

HS400單缸風(fēng)冷柴油機(jī)為單缸、直立、風(fēng)冷、直噴，缸套直接鑄入機(jī)體，全鋼曲軸，單平衡軸，全鋼、低質(zhì)量平切口連桿，下置凸輪軸、筒形液壓挺柱、頂置式氣門結(jié)構(gòu)，其外形圖如圖1所示。

表1 HS400柴油機(jī)主要性能指標(biāo)

3.2 主要結(jié)構(gòu)件開發(fā)

3.2.1 機(jī)體

圖1 HS400柴油機(jī)外形圖

為使機(jī)體能承受燃燒時(shí)產(chǎn)生的高壓，采用了鑄入鑄鐵缸套的高強(qiáng)度鋁機(jī)體，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)體采用金屬模壓鑄，并經(jīng)熱處理，不僅基體材料疏松度小，而且具有足夠的強(qiáng)度和硬度。機(jī)體表面的加強(qiáng)筋也利用CAE進(jìn)行了分析改進(jìn)，取得了降低輻射噪音的效果。機(jī)體圖參見圖2。

圖2 機(jī)體圖

3.2.2 氣缸蓋

為保證整機(jī)性能、排放達(dá)標(biāo)，以及改善氣缸蓋的制造工藝，重點(diǎn)對(duì)3孔（進(jìn)排氣孔和噴油器孔）位置、氣門尺寸、進(jìn)排氣道設(shè)計(jì)等處進(jìn)行計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

為獲得更佳的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和排放指標(biāo)，設(shè)計(jì)開發(fā)了更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的3孔坐標(biāo)、氣門閥盤與氣道喉口尺寸、氣道尺寸及形狀，以優(yōu)化燃燒過程與排氣過程[1]，見圖3。

不同于先前以有利于進(jìn)氣過程布置為主的氣門布置方式，該柴油機(jī)更注重排氣過程的優(yōu)化，排氣門的位置更趨中心，加大排氣喉口和排氣閥盤尺寸，以充分利用排氣能量[2]。

通過氣門座圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加大排氣喉口和排氣閥盤尺寸，進(jìn)氣閥盤尺寸保持不變，噴油器位置更趨中心。同時(shí)與以往設(shè)計(jì)不同的是進(jìn)排氣門凸出缸蓋底面1 mm，采用這種設(shè)計(jì)有利于減少燃燒室有害容積，能有效降低NOx排放，如圖4所示。

3.2.3 配氣機(jī)構(gòu)

凸輪軸齒輪由曲軸齒輪直接驅(qū)動(dòng)。重新開發(fā)了與該柴油機(jī)開發(fā)目標(biāo)相適應(yīng)的新型凸輪型線，以獲得更大的進(jìn)氣充量。在國內(nèi)首次在單缸柴油機(jī)上采用液壓挺柱，減少配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件數(shù)量和質(zhì)量，使配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，增加柴油機(jī)可靠性，見圖5。

3.2.4 燃油系統(tǒng)

圖3 優(yōu)化后的進(jìn)、排氣孔和噴油器孔的位置圖

圖4 缸蓋內(nèi)部細(xì)節(jié)圖

根據(jù)該柴油機(jī)的特點(diǎn)，開發(fā)了與該柴油機(jī)開發(fā) 目標(biāo)相適應(yīng)的新型油泵凸輪型線，以獲得更好的供油特性。同時(shí)該柴油機(jī)還通過采用無壓力室噴油器，提高噴油泵端的噴油壓力，增加噴油器噴孔數(shù)目和減小噴孔直徑等措施，降低柴油機(jī)的油耗率，減少顆粒和CO等污染物的排放[3]，見圖6和圖7。

3.2.5 冷卻系統(tǒng)

作為一款強(qiáng)制風(fēng)冷柴油機(jī)，對(duì)冷卻風(fēng)量和風(fēng)壓的要求比較高。在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中對(duì)飛輪風(fēng)扇的葉型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在增加進(jìn)風(fēng)量的同時(shí)減少風(fēng)扇消耗功率和其所產(chǎn)生的噪聲，參見圖8。

圖5 凸輪型線優(yōu)化前后對(duì)比

圖6 高壓油泵

圖7 無壓力室油嘴

3.2.6 冷起動(dòng)的改善及安全防護(hù)措施

針對(duì)該柴油機(jī)壓縮比高，起動(dòng)困難的缺點(diǎn)，在凸輪軸上設(shè)有自動(dòng)減壓機(jī)構(gòu)以提高起動(dòng)性能。此外，還根據(jù)目前柴油機(jī)在起動(dòng)時(shí)可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)、不能瞬間熄火等不安全因素，增加了防倒轉(zhuǎn)裝置，并加裝了急停裝置以增加柴油機(jī)的安全使用系數(shù)，見圖9。

圖8 飛輪風(fēng)扇葉型參數(shù)

圖9 起動(dòng)防反轉(zhuǎn)裝置

4 整機(jī)性能

雖然該柴油機(jī)由于其轉(zhuǎn)速高的特性，加上排量小，活塞行程短，帶來了燃燒過程的組織困難。但通過油氣的精心混合和匹配及燃燒過程的優(yōu)化，該柴油機(jī)還是獲得了令人滿意的綜合性能。其外特性整條曲線上排溫＜520℃，煙度＜4.3 BSU，最低燃油耗＜228.7 g/kW·h，最大扭矩達(dá)18.5 N·m（2100 r/min時(shí)），扭矩儲(chǔ)備系數(shù)為16.4%；該發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線和萬有特性曲線參見圖10和圖11。同時(shí)該柴油機(jī)排放性能也滿足《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅰ、Ⅱ階段）》排放法規(guī)中的限值要求并達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的限值要求，其排放結(jié)果參見表2。

表2 HS400柴油機(jī)排放測(cè)試結(jié)果

該柴油機(jī)的所有機(jī)型的可靠性均按 JB/T 9773.1－1999《柴油機(jī) 臺(tái)架試驗(yàn)考核方法》、JB/T 51127－1999《中小功率柴油機(jī) 產(chǎn)品可靠考核》和Q/HSG 21－2007《HS400型小型單缸風(fēng)冷柴油機(jī)》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核。

環(huán)保指標(biāo)和安全要求則符合國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8895－1999《中小功率柴油機(jī) 通用技術(shù)條件》、GB 14097－1999《中小功率柴油機(jī)噪聲限值》、GB 9486－1988《柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)排氣煙度及測(cè)量方法》、JB 8891－1999《中小功率柴油機(jī) 排氣污染物排放限值》、GB 20891－2007《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅰ、Ⅱ階段）》和JB 8890－1999《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)安全要求》的規(guī)定。

圖10 HS400柴油機(jī)外特性曲線

圖11 HS400柴油機(jī)萬有特性曲線

5 結(jié)束語

HS400柴油機(jī)的成功開發(fā)表明，順應(yīng)市場(chǎng)需求，確立符合工廠實(shí)際情況的開發(fā)目標(biāo)、設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想和開發(fā)策略，是產(chǎn)品研發(fā)工作能多快好省進(jìn)行的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性與零件制造工藝性的有機(jī)結(jié)合、整機(jī)性能與配置的優(yōu)化組合，是產(chǎn)品研發(fā)指標(biāo)得以順利實(shí)現(xiàn)的保障。

（1）由于開發(fā)過程以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、配套三位一體的研發(fā)模式同時(shí)進(jìn)行，因此在較短的時(shí)間內(nèi)即實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)，又創(chuàng)造了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。 （2）由于采用了更加符合產(chǎn)品性能、可靠性和制造工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使該柴油機(jī)的產(chǎn)品品質(zhì)得以大幅度提高，而產(chǎn)品制造成本得以大幅度降低。

（3）該柴油機(jī)相對(duì)其他機(jī)型，成本更低，且油耗率降低了20 g/(kW·h)，直接減少農(nóng)業(yè)成本投入，增加了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，減輕了農(nóng)村的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)促進(jìn)農(nóng)民的增產(chǎn)增收起到了關(guān)鍵作用。

（4）該產(chǎn)品既有較高的經(jīng)濟(jì)效益，又有較好的社會(huì)效益，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1周龍保，劉選 俊，高宗英．內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999．

2蔣德明．內(nèi)燃機(jī)中的氣體流動(dòng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986．

3宋龍甫，鄭國世，王建昕．B231發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化及循環(huán)模擬計(jì)算[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2006，27（1）：76-80．

Development of Single-Cylinder Air-Cooled Diesel Engine

Wei Changsheng1,2,Jin Tianzhu1,2
（1.Tongji University,Shanghai 200092,China; 2.Saic Motor Commercial Vehicle Technology Center,Shanghai 200438,China）

To meet the domestic market demand for small air-cooled single-cylinder diesel engine and to meet the standards of the forthcoming new generation of single-cylinder engine,the Shanghai Internal Combustion Engine Research Institute developed HS400 single-cylinder air-cooled diesel engine.Based on the design ideas of the actual situation and development strategies and relying on the proven technology platform,the work of development not only focused on optimization of the intake and exhaust ports,fuel system,valve train,cylinder head and the combustion chamber,but also upgraded the key components and engine manufacturing process to improve product performance and meet the emissions regulation.

diesel engine,overall layout,configuration development,performance

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.001

來稿日期：2011-10-31

魏長(zhǎng)生（1977-），男，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)。