風冷雙缸柴油機組合式缸體設計與實驗研究

楊建西，張 健

（臺州職業(yè)技術學院，浙江 臺州 318000）

0 引言

曲柄連桿結(jié)構(gòu)的四沖程及兩沖程發(fā)動機技術誕生到如今已有100多年的歷史。在經(jīng)歷了多次機械工業(yè)技術革命，進一步發(fā)展到如今的過程中，發(fā)動機技術不斷在提升?，F(xiàn)如今新型結(jié)構(gòu)型發(fā)動機技術的不斷涌現(xiàn)，如：噴氣發(fā)動機、渦扇發(fā)動機、轉(zhuǎn)子發(fā)動機、氫燃料發(fā)動機等等，但曲柄連桿結(jié)構(gòu)型內(nèi)燃機始終在人類文明進步過程中承擔著重要的角色。而如今，人類對自然能源逐漸匱乏和大氣污染的擔憂，要求工作在該技術領域的人們要不斷改進技術為減少能源浪費和改善生態(tài)環(huán)境盡到責任。

近年來，內(nèi)燃機行業(yè)專家及研發(fā)人員做了大量研發(fā)工作，但我國與國外工業(yè)技術發(fā)達的國家相比還存在比較大的差距。針對在10kW～30kW區(qū)間的柴油發(fā)動機技術發(fā)展趨勢，勢必向升功率高、重量輕、轉(zhuǎn)速高、體積小型化、低燃油消耗、低排放、多工況使用范圍等方向發(fā)展。主要技術改進可通過主要結(jié)構(gòu)部件采用新型材料、結(jié)構(gòu)改進、介入渦輪增壓和機械增壓技術、改進燃油供給系統(tǒng)及電子智能化控制方面尋求突破。本發(fā)動機技術是屬于非移動式定轉(zhuǎn)速風冷直立增壓柴油發(fā)動機，該機型主要為機械設備、電器設備、船舶掛漿、發(fā)電機組、空氣壓縮機、各種泵體機械、農(nóng)機設備等提供動力源。風冷兩缸柴油發(fā)動機技術在西方發(fā)達國家較為成熟。我國內(nèi)燃機領域?qū)?0kW～30kW功率區(qū)間的發(fā)動機涉及較少，且一直停留在單缸機和水冷兩缸機的基礎上。2014年國家出臺政策性文件，為實現(xiàn)節(jié)能減排目的要逐漸淘汰單缸內(nèi)燃機，集中技術力量發(fā)展風冷兩缸內(nèi)燃機。風冷柴油機的設計指導思想和開發(fā)策略如下：

1 發(fā)動機方案的設計

1.1 材料的選擇

通常情況下，發(fā)動機工作時的氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度高達2000℃以上，其排出的廢氣，溫度也高達400℃～700℃。高溫燃氣，導致活塞、缸體、缸蓋等做功的部件的溫度會急劇升高。這時，需要及時將產(chǎn)生的熱量帶走，否則會造成發(fā)動機中的機油焦化變質(zhì)和油膜的破壞，進而導致運動件的正常間隙消失，零件機械強度下降，承受不了正常的負荷而造成機件卡死現(xiàn)象，對風冷發(fā)動機尤其重要。

因此，為了保證發(fā)動機正常工作，對這些內(nèi)部高溫條件下工作的機件加以適當?shù)睦鋮s或提高整體結(jié)構(gòu)部件的散熱性能，促使在合適的溫度下正常工作。當然，過度冷卻的發(fā)動機很可能會使發(fā)動機造成可燃混合氣形成不良，燃燒不完全，效率下降，進而造成散熱損失增加其他等一系列問題，因此我們擬選擇（鋁合金材料）替代（鑄鐵材料）主要考慮是不同材料的熱傳導和熱輻射速度的不同，再就是兩種材料的質(zhì)量（重量）不同，選擇（鋁合金材料）可以實現(xiàn)提高散熱效率和輕質(zhì)化的需求。

研究是將原機型的“整體式鑄鐵材料”的缸體結(jié)構(gòu)改變?yōu)椤敖M合式鋁合金材料”結(jié)構(gòu)的缸體。目前，選用輕質(zhì)以及散熱性能更好的鋁合金材料被內(nèi)燃機領域重點推廣。

1.2 分體式鋁合金材料缸體主要結(jié)構(gòu)件設計

采用組合式（分體）結(jié)構(gòu)曲軸箱（缸體）的設計，實現(xiàn)加工簡單，裝配容易。由箱體、前端蓋、底蓋構(gòu)成，而箱體分為上、下箱體。其中，上箱體和下箱體的右端各設有輸出端半圓曲軸軸承孔，左端（曲軸飛輪端）各設有曲軸軸承半圓安裝孔，上箱體的頂部設有兩個汽缸安裝孔和四個氣門頂桿孔具體見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram

2 實驗研究

實驗前課題組重新對實驗臺架進行了改裝，組建了實驗用測控系統(tǒng)。為了研究不同轉(zhuǎn)速的負荷特性和調(diào)速特性，并用實驗進行了性能驗證。

2.1 實驗用發(fā)動機

本實驗選用的是ZJ292F型直立式風冷雙缸柴油機，其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機的主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of diesel engine

2.2 測功機的選擇

測功機選擇，主要考慮機組運行要安全，既要能吸收發(fā)動機輸出的全部機械能，又要工作時在誤差較小的部位。實際使用中，為了保證安全，被測發(fā)動機的最高功率、最大扭矩及最高轉(zhuǎn)速都要小于上限值，一般最高功率通常為測功機最大功率的75%～80%，最大扭矩不差過測功機最大扭矩的70%。

2.3 整機性能

樣機經(jīng)3000r/min負荷特性、調(diào)速特性和用戶試用，產(chǎn)品的性能基本達到了預期的要求。其主要技術參數(shù)，測試性能指標如表2所示。

表2 3000r/min負荷特性Tab.2 3000r/min load characteristics

表3 調(diào)速特性Tab.3 Speed regulation characteristics

圖2 萬有特性曲線Fig.2 Universal characteristic curve

圖3 調(diào)速特性曲線Fig.3 Speed regulation characteristic curve

該發(fā)動機的萬有特性曲線和調(diào)速特性曲線參見圖2和圖3。同時，該柴油機排放性能也滿足 《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅰ、Ⅱ階段）》排放法規(guī)中的限值要求并達到設計指標的限值要求，其排放結(jié)果參見表5。該柴油機高轉(zhuǎn)速，排量小，行程短，導致燃燒過程的組織困難。但通過油氣的良好匹配及優(yōu)化燃燒過程，獲得了預期的綜合性能。

表5 排放結(jié)果Tab.5 Emission results

3 結(jié)論

通過對風冷發(fā)動機制造企業(yè)實地考察并測試了各相關數(shù)據(jù)，筆者根據(jù)存在的問題提出了一套滿足技術指標條件的可行性方案。在小型風冷發(fā)動機上采用增壓技術，國內(nèi)外尚無先例。研制的系列風冷增壓柴油機填補了這一空白。由于有優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)，才使得增壓技術在ZJ292F型系列風冷增壓柴油機得以成功實施。因此，提高了動力性能和經(jīng)濟性能，更進一步拓寬了該發(fā)動機的應用范圍。

（1）與現(xiàn)有技術比較，所設計的“分體式鋁合金材料缸體”在傳統(tǒng)整體式曲軸箱體的基礎上，將箱體改為了組合式分體結(jié)構(gòu)，有效地簡化箱體的加工工藝，方便曲軸、凸輪軸等結(jié)構(gòu)部件的裝配，也有效提高了整機的散熱效率，同時降低勞動強度和制造成本。

（2）研制的兩款發(fā)動機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速高、大功率，轉(zhuǎn)速達到了3800r/min，最高瞬間功率可達21kW，最高穩(wěn)定功率及轉(zhuǎn)速為18kW/3200r/min，屬于真正意義上的小型高轉(zhuǎn)速柴油發(fā)動機。

（3）直立式風冷發(fā)動機沒有冷卻水泵和銅質(zhì)散熱器，又大量采用了高強度鋁合金材料和集成化零部件設計結(jié)構(gòu)，與其它同排量的V型發(fā)動機相比有造型美觀、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、重量輕（僅為85kg和95kg）、震動小、喋音低、移動方便、省油、安全系數(shù)高、使用保養(yǎng)簡單等特點。設計采取了風扇與飛輪一體化的集成設計模式，配合精確設計的葉輪風道及導風系統(tǒng)，使其在國家權(quán)威檢測機構(gòu)，國家內(nèi)燃機質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心和西安佳中電子技術有限公司（一家專業(yè)生產(chǎn)移動電站的軍工企業(yè)）的檢驗中，噪音為103dB低于國家標準（≤1124dB）的規(guī)定。

（4）目前風冷雙缸柴油機設計方法的研究已經(jīng)取得了相當大的進展，但這些理論和方法還需進一步完善。

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