AVL公司開發(fā)的小型化柴油機(jī)

【奧】 AVL List Gmb H

1 柴油機(jī)小型化方案

這款3缸1.05 L柴油機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)是AVL 公司致力于小型化柴油機(jī)方案的核心，其開發(fā)目標(biāo)是要達(dá)到現(xiàn)有Renault K9K 1.5 L 4缸柴油機(jī)相同的功率和扭矩。

該小型化柴油機(jī)的缸徑為76.0 mm，行程為77.5 mm，缸心距為85.0 mm。這與K9K 柴油機(jī)的尺寸相同，因此能完全利用現(xiàn)有制造設(shè)備，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

采用每缸2氣門結(jié)構(gòu)可以在原機(jī)水平上降低成本及減少摩擦損失。為了實(shí)現(xiàn)良好的冷卻性能和耐久性能，研發(fā)人員要確保這種能夠承受高負(fù)荷的2氣門氣缸蓋的結(jié)構(gòu)布置達(dá)到最佳狀態(tài)。包括采用摩擦力較小的滾輪式指狀從動(dòng)件氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓間隙調(diào)節(jié)器，以及耐磨損的免維護(hù)系統(tǒng)。凸輪軸由位于柴油機(jī)后端的鏈輪驅(qū)動(dòng)。

短裙機(jī)體以主軸承蓋為分型面，由高強(qiáng)度球墨鑄鐵壓制而成。為了要在19 MPa最高燃燒壓力下達(dá)到耐久性要求，并在考慮到總摩擦水平的情況下使軸承直徑最小，對鍛鋼曲軸的幾何形狀進(jìn)行了優(yōu)化。

2 氣缸蓋和氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

小型化柴油機(jī)的氣缸蓋以其螺栓襯套的高度為界分成上、下2部分。氣缸蓋下半部分包括氣道、冷卻水套和鑄造的氣流通道和低壓機(jī)油返回機(jī)體的通道，以及安裝液壓間隙調(diào)節(jié)器零件的空腔。

氣缸蓋的上半部分被設(shè)計(jì)成包括凸輪軸支座在內(nèi)的座架結(jié)構(gòu)。凸輪軸預(yù)先裝在支座架中，然后，再將該總成安裝到氣缸蓋上。由于需要達(dá)到一定的機(jī)械性能和熱力學(xué)性能，氣缸蓋下半部分采用熱處理的基本合金由重力澆鑄而成，支座架則由高壓壓鑄而成。這種分成上、下2部分的設(shè)計(jì)既降低了材料成本，又簡化了加工過程。

采用滾輪式指狀從動(dòng)件的氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓間隙調(diào)節(jié)器是為了減小摩擦，并使之成為耐磨損的免維護(hù)系統(tǒng)。單頂置凸輪軸是一種采用粉末冶金鋼凸輪的裝配式組件。凸輪軸僅有3個(gè)支承。

該機(jī)型的氣道布置為橫流式結(jié)構(gòu)，每缸2氣門。噴油器傾斜15°，氣門傾斜2°，因而可以在氣門尺寸與噴油器偏心度之間找到良好的折衷，同時(shí)還能滿足氣門鼻梁處的耐久性要求。

在設(shè)計(jì)高負(fù)荷柴油機(jī)氣缸蓋時(shí)，要周密考慮底部和頂部區(qū)域需要承受氣體壓力負(fù)荷的高循環(huán)疲勞，以及底部區(qū)域需要承受溫度循環(huán)引起的熱機(jī)械疲勞。鑒于所選擇的方案，連同所選用的2 氣門方案都要經(jīng)受很高的比功率和氣缸壓力，因此，這對開發(fā)工作帶來一定的困難。

對于4氣門氣缸蓋方案而言，氣缸蓋總體結(jié)構(gòu)的對稱性是剛性箱式結(jié)構(gòu)的理想條件，因而可使氣缸蓋底部耐受氣體壓力負(fù)荷。相反，采用偏置單頂置凸輪軸的2氣門結(jié)構(gòu)則是非對稱的。這時(shí)進(jìn)氣道布置就顯得特別重要，因?yàn)樗獜臍飧咨w一側(cè)的進(jìn)氣法蘭面延伸到氣缸中心線對面一側(cè)的氣門位置。這容易在氣體壓力負(fù)荷作用下引起彎曲變形。

此外，2氣門氣缸蓋位于進(jìn)、排氣門與噴油器之間的最高熱負(fù)荷區(qū)域，其冷卻能力特別差，因而容易導(dǎo)致高溫。與4氣門結(jié)構(gòu)相比，2氣門結(jié)構(gòu)對熱機(jī)械疲勞故障的敏感性較低，這是由于2氣門結(jié)構(gòu)對熱膨脹約束較少的緣故。氣門座磨損和噴油器上形成積炭則與較高的溫度密切相關(guān)。

針對小型化柴油機(jī)，開發(fā)了一種能確?；鹆γ鏈囟鹊陀?60℃的氣缸蓋冷卻方案，它是通過在排氣門和噴油器噴嘴之間布置1個(gè)鉆孔冷卻通道來進(jìn)行冷卻的。

水套由2個(gè)型腔構(gòu)成：1個(gè)緊湊的下型腔布置在氣道下方的排氣側(cè)，另一個(gè)較大的上型腔布置在排氣道上方，并一直延伸到氣缸蓋進(jìn)氣側(cè)。利用簡單的型芯形狀和簡化的型芯裝配過程來彌補(bǔ)型芯數(shù)量的增加。通過對氣缸蓋和機(jī)體水套中冷卻液流動(dòng)的狀況進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)分析，并對型腔形狀進(jìn)行了優(yōu)化，以確保傳熱系數(shù)均勻分布。

利用計(jì)算的傳熱系數(shù)對氣缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，以預(yù)測氣缸蓋的溫度分布情況，包括泡核沸騰的影響。分析結(jié)果表明，溫度場分布非常均勻，噴油器與排氣門之間的最高溫度為257℃。

根據(jù)額定功率和怠速工況下的計(jì)算溫度場，計(jì)算了氣缸蓋火力面每個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱沖擊試驗(yàn)循環(huán)的溫度范圍。這是評估熱機(jī)械疲勞壽命（開始出現(xiàn)裂紋的循環(huán)次數(shù)）的基礎(chǔ)。該小型化柴油機(jī)熱機(jī)械疲勞壽命最低的部位是進(jìn)氣門與噴油器孔之間的區(qū)域，它能滿足3 000次循環(huán)的目標(biāo)要求。

借助于有限元模擬（包括溫度、裝配和氣體壓力負(fù)荷），評估了氣缸蓋的高循環(huán)疲勞強(qiáng)度。安全系數(shù)最小的部位是氣道與火力面之間的過渡區(qū)域，這是由于在氣體壓力和熱負(fù)荷共同作用下引起的火力面彎曲。

3 曲軸系統(tǒng)

曲軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置的主要目標(biāo)是要在19 MPa的最高燃燒壓力下使曲軸系統(tǒng)達(dá)到足夠的耐久性，并使曲軸系統(tǒng)軸承引起的總摩擦降至最小。

鍛鋼曲軸（C38 改進(jìn)版）采用滾壓圓角，其主軸頸直徑為48 mm（出于生產(chǎn)制造方面考慮，該尺寸與K9K 柴油機(jī)的相同），而曲柄銷直徑只有45 mm。曲軸質(zhì)量僅為10.8 kg。連桿采用燒結(jié)鍛造，小頭呈錐形。

與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比，該曲軸的主軸頸直徑和曲柄銷直徑在燃燒壓力≥18 MPa的柴油機(jī)中屬于偏小的?？紤]到3缸結(jié)構(gòu)，盡管要承受很高的燃燒壓力，該柴油機(jī)曲軸的摩擦尚處于頗具競爭力的水平。

活塞為鋁制件，其壓縮高度為44.75 mm。由于是2氣門結(jié)構(gòu)，燃燒室凹坑相對于活塞中心線偏置3 mm。這樣的偏置度易導(dǎo)致活塞熱負(fù)荷不均勻。為使這種燃燒室凹坑偏置的活塞和活塞環(huán)得到良好的冷卻，采用了一種兩段式的冷卻油道。

發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙質(zhì)量飛輪及具有皮帶輪隔振效果的扭振減振器。采用曲軸系統(tǒng)的三維立體模型模擬確定系統(tǒng)的負(fù)荷，利用有限元分析確定高循環(huán)疲勞的安全系數(shù)。為了確保在制造過程中達(dá)到滾壓圓角的強(qiáng)度，事先進(jìn)行了確保制造品質(zhì)的曲軸疲勞試驗(yàn)?zāi)M。

4 進(jìn)、排氣系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

為了獲得良好的驅(qū)動(dòng)性能，這一小型化柴油機(jī)采用兩級進(jìn)氣系統(tǒng)來提高增壓壓力：低壓級為1 臺渦輪增壓器，高壓級為帶中冷器和進(jìn)氣冷卻器的羅茲容積式壓氣機(jī)。這2個(gè)冷卻器都由各自的低溫冷卻液回路進(jìn)行液體冷卻。由于采用了冷卻的低壓廢氣再循環(huán)、柴油顆粒捕集器和氮氧化物（NOx）后處理技術(shù)，使該柴油機(jī)達(dá)到歐6排放標(biāo)準(zhǔn)成為可能。

容積式壓氣機(jī)安裝在機(jī)體上，由曲軸通過齒形皮帶驅(qū)動(dòng)，帶兩級齒輪箱和廢氣再循環(huán)閥。

進(jìn)氣冷卻由帶低溫冷卻液回路的水-氣熱交換器來完成。主進(jìn)氣冷卻器由安裝在1個(gè)殼體內(nèi)的3個(gè)熱交換器芯組成，無外部管子，直接將空氣從壓氣機(jī)出口引至進(jìn)氣歧管。在排氣側(cè)，廢氣渦輪通過1個(gè)緊湊的鑄造排氣歧管安裝到氣缸蓋的排氣法蘭上。排氣后處理裝置與渦輪出口法蘭緊耦合連接，基于該小型化柴油機(jī)的輸出功率較大，因此，僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)措施無法使NOx排放達(dá)到歐6排放限值。根據(jù)車型參數(shù)（整車質(zhì)量和滾動(dòng)阻力）不同，可以考慮采用選擇性催化還原系統(tǒng)或者稀燃NOx收集器系統(tǒng)作為降低NOx的后處理裝置。

試驗(yàn)表明，該款1.05 L 小型化柴油機(jī)能夠在不采用混合動(dòng)力電機(jī)的情況下達(dá)到與1.5 L K9K 型柴油機(jī)相同的性能。