YCD4B54系列柴油機的開發(fā)與研制

譚克誠， 許冠能

(1. 柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車技術(shù)學(xué)院, 廣西 柳州 545007;2. 廣西汽車拖拉機研究所, 廣西 柳州 545007)

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YCD4B54系列柴油機的開發(fā)與研制

譚克誠1， 許冠能2

(1. 柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車技術(shù)學(xué)院, 廣西 柳州 545007;2. 廣西汽車拖拉機研究所, 廣西 柳州 545007)

摘要：設(shè)計和研制YCD4B54柴油機，并針對研制過程中的技術(shù)要求、工藝流程，以及存在的技術(shù)關(guān)鍵與難點進行系統(tǒng)分析.結(jié)果表明：YCD4B54系列柴油機針對性地集成了多種機內(nèi)處理技術(shù)，采用廢氣渦輪增壓與中冷技術(shù)，能強化柴油機的動力；采用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，能提高噴油速率和燃油霧化水平；采用排氣再循環(huán)+柴油氧化催化器+顆粒氧化催化器(EGR+DOC+POC)后處理技術(shù)方案，能保證柴油機具有良好的動力性和燃料經(jīng)濟性.

關(guān)鍵詞：柴油機； 排放控制； 動力性； 燃燒效率； 內(nèi)處理技術(shù)

汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟中重要的支柱產(chǎn)業(yè)，具有產(chǎn)業(yè)鏈長、關(guān)聯(lián)度高、就業(yè)面廣、消費拉動大等特點.然而，汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展與社會能源消耗及環(huán)境污染的矛盾日益增加.為了科學(xué)協(xié)調(diào)發(fā)展，世界各國紛紛制定相關(guān)的法律法規(guī)，對汽車的燃油消耗和尾氣排放進行控制[1].我國也加快了機動車污染防治工作的步伐，陸續(xù)出臺多項排放法規(guī)[2].排放達標成為汽車和發(fā)動機進入市場的先決條件，而汽車排放控制的關(guān)鍵在于發(fā)動機的排放控制水平[3].與同類產(chǎn)品相比，YCD4B54系列柴油機具有大功率、大扭矩、低油耗、低排放、穩(wěn)定可靠等特點，符合GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》中第Ⅳ階段排放限值的要求，主要作為5～8 t的輕型卡車及7～8 m的中型客車的配套動力，也可作為低速貨車、工程機械、拖拉機和發(fā)電機組的配套動力[4].基于此，本文對YCD4B54系列柴油機的開發(fā)與研制進行研究.

1技術(shù)要求與工藝流程

YCD4B54系列柴油機為立式、直列、水冷、四沖程、直噴式等型式，濕式缸套、四缸，缸徑為95 mm，活塞行程為105 mm，總排量為2.977 L，氣缸中心距為116 mm.其主要性能指標：標定功率為85 kW；標定轉(zhuǎn)速為3 200 r·min-1；最大扭矩≥300 N·m；轉(zhuǎn)速≤2 200 r·min-1；噪聲≤115 dB(A級)；排放符合GB 19756-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》中第Ⅳ階段要求.

應(yīng)用CAD/PDM計算機技術(shù)進行零部件設(shè)計，并繪制整套圖樣，進行樣機試制和樣機臺架性能試驗及調(diào)整.在臺架性能試驗成功的基礎(chǔ)上，進行可靠性試驗及裝車道路試驗.通過改進完善，可達到預(yù)期效果[5-6].

2研制過程

YCD4B54系列柴油機的研制過程有以下6個步驟.

1) 市場調(diào)研和總體方案的制訂及論證.柴油機新產(chǎn)品需經(jīng)過設(shè)計、試制、試驗、定型鑒定，才能進行調(diào)查與研究,再批量生產(chǎn)，投放市場.為保證新產(chǎn)品的競爭力和研發(fā)的成功，在進行周密的市場分析的基礎(chǔ)上，確定總體方案和實施細節(jié)，保證項目目標的順利實現(xiàn).

2) 零部件設(shè)計和出圖.充分利用計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和CAD應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)勢[7]，完成YCD4B54系列柴油機的全套零部件設(shè)計和圖紙輸出工作.

3) 樣機試制、熱試、性能試驗和整改.項目組優(yōu)先完成體積較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、試制周期較長的零件設(shè)計，如缸體、缸蓋等.盡早將這類零部件的圖紙陸續(xù)提供給公司進行備料、制模.這樣的協(xié)作可以縮短新產(chǎn)品的開發(fā)試制周期[8].樣機裝配完成后，進行熱試和性能試驗，便于發(fā)現(xiàn)問題，并進行整改完善.

4) 生產(chǎn)線改造、樣機臺架性能試驗和裝車道路性能試驗.產(chǎn)品經(jīng)熱試和整改，性能基本穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)入生產(chǎn)線改造及樣機臺架性能試驗、裝車道路性能試驗.其中，臺架性能試驗的前期主要是進行性能開發(fā)及排氣再循環(huán)+柴油氧化催化器+顆粒氧化催化器(EGR+DOC+POC)后處理技術(shù)方案的匹配優(yōu)選[9]，力求在盡可能降低排放的基礎(chǔ)上兼顧動力性和經(jīng)濟性.在這個階段，設(shè)計、試制、攻關(guān)幾乎同步展開，使YCD4B54系列柴油機的各項性能技術(shù)指標達到優(yōu)化平衡.當(dāng)性能調(diào)試完成后，按GB/T 19055-2003《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》的規(guī)定進行了1 000 h混合負荷及300 h冷熱沖擊可靠性試驗，并根據(jù)QC/T 526-1999《汽車發(fā)動機定型試驗規(guī)程》進行裝車道路試驗[10].試驗結(jié)果表明:YCD4B54系列柴油機的各項性能技術(shù)指標均達到或優(yōu)于項目合同的要求.

5) 實施產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn).YCD4B54系列柴油機通過可靠性試驗驗證確認后，項目組人員及時將整理好的產(chǎn)品圖樣等技術(shù)文件資料移交給相關(guān)公司進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，完成生產(chǎn)線改造和產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn).

6) 資料整理和項目驗收鑒定準備.YCD4B54系列柴油機投入生產(chǎn)后，項目組負責(zé)完成項目資料的整理工作，并進行產(chǎn)品的持續(xù)改進工作.

3關(guān)鍵技術(shù)點分析

3.1排放問題

柴油機的排放問題主要有以下2點.

1) 柴油機排放污染物的控制.柴油機排放的污染物主要是排氣管排出的廢氣，少量來自曲軸箱通風(fēng)、燃油箱通風(fēng)及泄漏[11-13].控制柴油機排放可以從燃油的組分、柴油機氣缸內(nèi)燃燒過程控制和機外控制[14]等3個方面著手.其中，氣缸內(nèi)燃燒過程既影響排氣污染物的組成，又決定了柴油機的動力性能及其他性能.因此，機內(nèi)控制最為關(guān)鍵.YCD4B54系列柴油機有針對性地集成了多種機內(nèi)處理技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計缸蓋及配氣機構(gòu)，采用廢氣渦輪增壓與中冷技術(shù)，強化柴油機的動力.

噴油系統(tǒng)中適當(dāng)推遲噴油提前角，以降低最高燃燒溫度和最高爆發(fā)壓力，并縮短高溫高壓的持續(xù)時間，破壞NOx形成的條件.為彌補由此而引起的動力下降，采用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，提高噴油速率和燃油霧化水平，精確控制循環(huán)噴油量、噴油正時，配合強渦流進氣道及ω燃燒室，以提高燃燒的速度，讓燃燒產(chǎn)生的熱能盡可能地推動活塞做功，實現(xiàn)既減少NOx的生成量，又保證發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性的目的.

2) 柴油機排氣污染物的后處理.由于柴油機燃燒產(chǎn)生的PM和NOx是一對相互矛盾的產(chǎn)物，在降低一方的同時，必然會提高另一方的排放[15-16].國內(nèi)發(fā)動機廠大都采取EGR+DOC+POC和SCR處理技術(shù).綜合考慮目標市場和成本控制需要，項目研制的YCD4B54系列柴油機采用相對成本增加較少的EGR+DOC+POC后處理技術(shù)方案.EGR廢氣再循環(huán)降低了燃燒溫度，有效地降低排氣中的NOx，由于燃燒效果變差，HC和CO體積分數(shù)高于國家法規(guī)要求.DOC的作用主要是通過催化劑將尾氣中的HC和CO氧化為CO2和水，實現(xiàn)HC和CO達標.同時，可以將NOx氧化為NO2，并釋放熱量.

3.2油耗強化程度和可靠性

隨著新油耗法規(guī)的實施，降低油耗成為汽車生產(chǎn)廠家必須面對的重要問題.發(fā)動機作為汽車的最大總成件之一，對油耗的降低起著關(guān)鍵作用.除了提高燃燒效率，減少自身體積和質(zhì)量，提高強化程度也是降低正常油耗的有限方法.此外，發(fā)動機的可靠性也關(guān)系到汽車產(chǎn)品的整體質(zhì)量.

針對這些問題，YCD4B54系列柴油機改進外圍零部件的布置，降低整機高度，縮小寬度，減少體積，使結(jié)構(gòu)更緊湊，提高強化程度，降低整機質(zhì)量，提高發(fā)動機的適配性；采用有限元分析優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，降低質(zhì)量，提高可靠性；采用活塞強制冷卻，降低活塞工作溫度，提高活塞和活塞環(huán)的使用壽命，進一步提高整機可靠性[17].

4項目技術(shù)性能指標和水平

4.1發(fā)動機研制技術(shù)水平

發(fā)動機研制技術(shù)水平,如表1所示.表 1中：l為氣缸中心距；VL為氣缸排量；Pe為標定功率；n為標定轉(zhuǎn)速；Tmax為最大扭矩；nmax為最大扭矩轉(zhuǎn)速；Gmax為最大扭矩工況燃油耗；LPN為噪聲；η為機油燃油消耗比.

表1　發(fā)動機研制技術(shù)水平

4.2發(fā)動機功率試驗曲線和負荷特性曲線

由發(fā)動機功率試驗曲線和負荷特性曲線，可以得到以下2點結(jié)論.

1) 總功率試驗和負荷特性技術(shù)要求.在標定轉(zhuǎn)速為3 200 r·min-1時，最大功率≥85 kW；最大扭矩≥300 N·m-1，最大扭矩轉(zhuǎn)速≤2 200 r·min-1；最大扭矩工況燃油消耗率≤220 g·(kW·h)-1；最低燃油消耗率≤210 g·(kW·h)-1.以上所測數(shù)據(jù)均符合(或優(yōu)于)設(shè)計時的技術(shù)要求.

2) 凈功率試驗和負荷特性技術(shù)要求.在標定轉(zhuǎn)速為3 200 r·min-1時，最大功率≥80 kW；最大扭矩≥290 N·m-1，最大扭矩轉(zhuǎn)速≤2 200 r·min-1；最大扭矩工況燃油消耗率≤230 g·(kW·h)-1；最低燃油消耗率≤220 g·(kW·h)-1.以上所測數(shù)據(jù)均符合(或優(yōu)于)設(shè)計時的技術(shù)要求.

5結(jié)論

YCD4B54系列柴油機針對性地集成了多種機內(nèi)處理技術(shù)，采用廢氣渦輪增壓與中冷技術(shù)，強化柴油機的動力；采用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，提高噴油速率和燃油霧化水平，精確控制循環(huán)噴油量、噴油正時，配合強渦流進氣道及ω燃燒室，以提高燃燒的速度，讓燃燒產(chǎn)生的熱能盡可能地推動活塞做功，實現(xiàn)既減少NOx的生成量，又保證發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性的目的[18]；采用相對成本增加較少的EGR+DOC+POC后處理技術(shù)方案，最大限度兼顧了經(jīng)濟性和排放的平衡問題，力求在滿足排放要求的情況下，保證柴油機擁有良好的動力性和燃料經(jīng)濟性.

排氣后處理采用EGR+DOC+POC技術(shù)方案，動力性相比SCR方案差，燃油消耗量也比后者有所增加.改進方法是進一步完善機內(nèi)燃燒技術(shù)，同時，也可根據(jù)客戶的要求在滿足成本控制的條件下，換用SCR方案進行解決.

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(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 楊建紅)

Research and Development of YCD4B54 Series Diesel Engine

TAN Kecheng1， XU Guanneng2

(1. Automotive Technology Institute， Liuzhou Railway Vocational College， Liuzhou 545007, China；2. Guangxi Truck Research Institute， Liuzhou 545007, China)

Abstract：In this paper, the YCD4B54 diesel engine are designed and developed, and the technical requirements, process and the exist key technology and difficulty in the development process are analyzed systematically. The results showed that the YCD4B54 series diesel engine is integrated many internal processing technologies, the use of exhaust gas turbocharger and inter-cooled technology can strengthen the power of diesel engine, and the high pressure common rail electric control system can increase the fuel injection rate and fuel atomization level. Adopting the post processing technical scheme of exhaust gas recirculation+diesel oxidation catalyst+particulate oxidation catalyst (EGR+DOC+POC), it can ensure the diesel engine has good power performance and fuel economy..

Keywords：diesel engine； emission control； power performance； combustion efficiency； internal treatment technology

中圖分類號：U 464.172

文獻標志碼：A

基金項目：廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(11107001-26)

通信作者：譚克誠(1973-)，男，副教授，主要從事車輛工程的研究.E-mail:tankecheng@163.com.

收稿日期：2016-03-03

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0277

文章編號：1000-5013(2016)03-0277-04