一種大功率節(jié)能環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：本文提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體底部兩側(cè)的深裙結(jié)構(gòu)體，兩側(cè)的深裙結(jié)構(gòu)體均設(shè)置為第一中空結(jié)構(gòu)，且第一中空結(jié)構(gòu)同時(shí)兼為潤滑回油道，布置比較緊湊，同時(shí)解決了缸體的油氣平衡的問題。與現(xiàn)有技術(shù)中為實(shí)體結(jié)構(gòu)的深裙結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)相比，本文提供的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度較好，滿足高爆壓、高升功率技術(shù)發(fā)展的要求，同時(shí)還減輕了缸體的重量，降低了成本，且能夠降低在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；缸體；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度高；剛度好；重量輕；減振；降噪

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.234

大功率發(fā)動(dòng)機(jī)功率大，能耗高，其節(jié)能環(huán)保技術(shù)在當(dāng)今資源日趨緊張的時(shí)代變的越來越重要。為了解決這個(gè)方面的技術(shù)問題，就需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力，從而提高燃燒及排放性能，而這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)部件——發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的設(shè)計(jì)提出更高的要求?，F(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)由于受到材料、鑄造等各個(gè)因素的影響，比較笨重、落后，且無法滿足高爆壓、高升功率技術(shù)發(fā)展的要求。如何設(shè)計(jì)一款重量輕、剛度、強(qiáng)度高、能有效減振和降噪的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在完全可以滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的更高要求。筆者在總結(jié)現(xiàn)有缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)。

1 該缸體結(jié)構(gòu)具體介紹如下

附圖1是該結(jié)構(gòu)的縱切剖視圖，包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體5和設(shè)置在其底部兩側(cè)的深裙結(jié)構(gòu)體8，設(shè)置在其內(nèi)的多個(gè)氣缸4以及位于其底部用于放置發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱6，兩側(cè)的深裙結(jié)構(gòu)體8均設(shè)置為第一中空結(jié)構(gòu)1，且第一中空結(jié)構(gòu)1同時(shí)可以作為潤滑回油道7，布置緊湊。如圖1-4所示；第一中空結(jié)構(gòu)1同時(shí)可用作油氣平衡的通道；在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，油底殼或曲軸箱內(nèi)的燃燒漏氣及油氣可以通過上述中空結(jié)構(gòu)，再經(jīng)缸蓋上的孔進(jìn)入到缸蓋罩殼內(nèi)，然后經(jīng)油氣分離器將潤滑油分離出來，使其回流到油底殼，其他氣體排到發(fā)動(dòng)機(jī)外部，實(shí)現(xiàn)了油氣的自由流動(dòng)和油氣平衡，合理控制曲軸箱壓力。與現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)體深裙結(jié)構(gòu)缸體相比，該結(jié)構(gòu)減輕了缸體的重量，降低了成本。

為了在減輕缸體重量的同時(shí)保證缸體結(jié)構(gòu)所必須的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，在深裙結(jié)構(gòu)的外側(cè)還設(shè)置有加強(qiáng)筋2，如圖3和圖4所示；設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋2時(shí)應(yīng)該根據(jù)缸體結(jié)構(gòu)各部位受力情況的不同合理布局加強(qiáng)筋2的位置、適當(dāng)選擇加強(qiáng)筋2的形狀，該加強(qiáng)筋2能夠克服缸體因壁厚差別帶來的應(yīng)力不均所造成的扭曲變形，提高了缸體的剛度和強(qiáng)度，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，將振動(dòng)與噪聲的水平控制在理想的范圍之內(nèi)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壽命，從而為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供了基本保障。

附圖2是缸體前端第一主軸承壁中空結(jié)構(gòu)的縱切剖視圖。該缸體包括曲軸箱6、設(shè)置在缸體5內(nèi)部用來潤滑主軸承孔的潤滑油道9，以及設(shè)置在缸體底部兩側(cè)的深裙結(jié)構(gòu)體8。圖2與圖1所示的缸體結(jié)構(gòu)的不同之處在于在缸體5前端的第一主軸承壁處，缸體5在相鄰兩個(gè)氣缸4之間的部位均設(shè)置為第二中空結(jié)構(gòu)10，在缸體的一側(cè)布置有主油道與潤滑油道9供油，且深裙結(jié)構(gòu)體8在每個(gè)氣缸4所對(duì)應(yīng)的部位均設(shè)置為球狀結(jié)構(gòu)3，球狀結(jié)構(gòu)3的外表面設(shè)置有加強(qiáng)筋2，如圖3和圖4所示；具體應(yīng)用時(shí)根據(jù)缸體結(jié)構(gòu)各部位受力情況的不同合理布局和選擇加強(qiáng)筋2的位置和形狀（根據(jù)缸體、缸蓋聯(lián)合有限元計(jì)算結(jié)果判別合理性）。

由于球狀結(jié)構(gòu)3具有圓滑的過渡面，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中，其受力過度平穩(wěn)，減少了發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，增強(qiáng)了深裙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛性和強(qiáng)度，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。

該缸體結(jié)構(gòu)中，中空結(jié)構(gòu)1位于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋螺栓與主軸承螺栓的受力傳遞線的一側(cè)。由于上述受力傳遞線同時(shí)承受著發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋螺栓和主軸承螺栓的拉壓力還有其他的一些扭轉(zhuǎn)載荷，其承受載荷比較大，在設(shè)計(jì)中空結(jié)構(gòu)1時(shí)應(yīng)盡力避開發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋螺栓與主軸承螺栓的受力傳遞線的位置，以提高該缸體結(jié)構(gòu)的承載能力。

2 該缸體結(jié)構(gòu)的突破創(chuàng)新表現(xiàn)在

氣缸體采用龍門式深裙結(jié)構(gòu)，裙部中空，且此中空結(jié)構(gòu)與潤滑油油氣平衡通道集成在一起。同時(shí)，通過有限元分析，優(yōu)化了裙部的大球面設(shè)計(jì)參數(shù)，大幅度提高了氣缸體的剛度，降低了缸體裙部發(fā)生變形的幾率，減輕了整機(jī)重量，降低了生產(chǎn)成本。通過FEM模擬計(jì)算分析，缸體強(qiáng)度和疲勞安全系數(shù)完全滿足設(shè)計(jì)要求。通過14Hz頻率，489kN加載，400萬次交變負(fù)荷的專門疲勞測試和36000小時(shí)包括負(fù)荷循環(huán)、全速全負(fù)荷、超速超負(fù)荷等苛刻實(shí)驗(yàn)循環(huán)的臺(tái)架耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證了該缸體具有高剛度、輕量化的特點(diǎn)。參評(píng)專利作為重要的基礎(chǔ)型專利，隨著該產(chǎn)品后續(xù)的系列化應(yīng)用開發(fā)，必將發(fā)揮其重要基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)作用，應(yīng)用前景廣闊。

3 主要解決的技術(shù)問題為節(jié)能環(huán)保技術(shù)

采用柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高噴射壓力、高爆發(fā)壓力的高效燃燒。為保證高爆發(fā)壓力，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高剛度、輕量化中空腔發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)，保證了缸體的剛度，減輕了整機(jī)重量。 同時(shí)，采用帶鉑涂層具有氨捕捉功能的選擇性催化還原后處理技術(shù)，大幅降低氮氧化物排放，滿足國四、國五排放水平，具備升級(jí)歐六排放潛力。

4 節(jié)能環(huán)保技術(shù)的主要技術(shù)難點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣污染物控制技術(shù)主要包括機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和污染物后處理技術(shù)。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要是通過采用電控高壓共軌噴射系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。采用該系統(tǒng)后，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)噴射壓力和爆發(fā)壓力不斷提高（爆發(fā)壓力可從原來的140-165bar升高到180-190bar），這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度和可靠性提出了新的要求。目前一般龍門式發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在高爆發(fā)壓力工作環(huán)境下，剛度不夠，可靠性不能保證，雖然增加發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的壁厚可以提高剛度，但是同時(shí)也會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。因此，開發(fā)高剛度、輕量化的缸體就成為技術(shù)難點(diǎn)。

5 結(jié)論

目前利用該技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)于2013年7月份批量投放市場，經(jīng)受住了各種惡劣使用工況的考驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。項(xiàng)目產(chǎn)品其低速大扭矩、高可靠性、高安全性及節(jié)能環(huán)保等性能，特別適用于重型專用車的應(yīng)用，完全實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口，填補(bǔ)省內(nèi)高效節(jié)能環(huán)保大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的空白，對(duì)我國內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重大推動(dòng)作用。實(shí)踐證明，該發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度較好，滿足高爆壓、高升功率技術(shù)發(fā)展的要求，同時(shí)還減輕了缸體的重量，降低了成本，且能夠降低在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]周龍保主編.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第二版）[S].機(jī)械工業(yè)出版社，2005（01）.

[2]袁兆成主編.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[S].機(jī)械工業(yè)出版社，2008（08）.