D6135CaZ型柴油機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

閆佳兵

摘要：D6135CaZ型柴油機(jī)是135系列增壓柴油機(jī)，采用了10ZJ-2型廢氣渦輪增壓器。本文對(duì)D6135CaZ型柴油機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)分析情況進(jìn)行了綜合論述，提高其功率和經(jīng)濟(jì)性能，使之進(jìn)一步適合現(xiàn)代工程機(jī)械動(dòng)力需求。

關(guān)鍵詞：D6135CaZ;柴油機(jī);改進(jìn);設(shè)計(jì)

1? 研究目的和意義

目前，提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)功率最有效的強(qiáng)化措施是采用增壓技術(shù)提高充量密度，從而提高平均有效壓力。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用廢氣渦輪增壓和中冷技術(shù)可有效地提高進(jìn)氣壓力，降低進(jìn)氣溫度和增加發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力。柴油機(jī)的性能指標(biāo)取決于各工作參數(shù)，而其各工作參數(shù)又取決于其結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在著內(nèi)在聯(lián)系。其中一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)隨之而改變。

2? 柴油機(jī)的總體布置設(shè)計(jì)

從D6135CaZ型柴油機(jī)的正視方向進(jìn)行觀察，高壓油泵設(shè)置在中間位置，各缸的噴油器分別與對(duì)應(yīng)高壓油管進(jìn)行聯(lián)接，高壓油泵上面設(shè)置進(jìn)氣管，左面設(shè)置柴油濾清器，右邊設(shè)置飛塊離心全程式調(diào)速器和儀表盤，下面設(shè)置機(jī)油注入口。柴油機(jī)右面設(shè)置飛輪，飛輪的上面設(shè)置10ZJ-2型廢氣渦輪增壓器。柴油機(jī)的左面設(shè)置齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，皮帶輪依靠三角帶帶動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)。柴油機(jī)的后面設(shè)置機(jī)油冷卻器，啟動(dòng)電機(jī)，機(jī)油濾清器以及排氣管道。

D6135CaZ型柴油機(jī)為增壓柴油機(jī)，對(duì)于各部分零件的剛度和強(qiáng)度有很高要求。氣缸體內(nèi)壁和各缸之間隔板上分別加裝有加強(qiáng)筋和行架結(jié)構(gòu)。在滿足基本鑄造要求的條件下，為減輕氣缸體的重量，壁面要盡可能的薄，同時(shí)氣缸體的上下平面和前后壁面等局部位置要加厚。為避免產(chǎn)生附加彎曲和扭矩，主要載荷應(yīng)盡可能直線傳遞。氣缸體的過(guò)渡圓角不能為直角，要使之圓滑過(guò)渡[1]。

3? D6135CaZ型柴油機(jī)相對(duì)于6135G型柴油機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)現(xiàn)代工程機(jī)械提高其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的需要，采用廢氣渦輪增壓技術(shù)是一個(gè)非常有效的途徑。D6135CaZ型柴油機(jī)選用10ZJ-2型增壓器。從而導(dǎo)致供油系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃燒室以及柴油機(jī)的總體布局相應(yīng)改變。D6135CaZ型柴油機(jī)相對(duì)于6135G型柴油機(jī)具體改進(jìn)措施主要是以下幾個(gè)方面：

3.1 供油系統(tǒng)

由于采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，供油系統(tǒng)必須改進(jìn)，特別是三大精密偶件（噴油泵的出油閥和閥座、柱塞和柱塞套、針閥和針閥體）做相應(yīng)改變。例如，柱塞直徑由原來(lái)的9.0mm增大到9.5mm，射油器噴孔直徑由原來(lái)的0.12mm增大到0.15mm，減壓容積增大，凸輪做相應(yīng)改變，短期內(nèi)升程提高，以增加進(jìn)入活塞中的燃油量[2]。

3.2 配氣系統(tǒng)

為改善換氣過(guò)程，提高氣缸充量系數(shù)？準(zhǔn)c，D6135CaZ型柴油機(jī)進(jìn)氣門直徑由原來(lái)的48mm增加到60mm，進(jìn)、排氣道要求光滑，減少?gòu)濐^的數(shù)量，減少氣體流動(dòng)過(guò)程中的阻力損失，進(jìn)氣道喉口處最大截面積直徑由原來(lái)的52mm增加到53.5mm。本機(jī)設(shè)置的消音器可以比6135G型柴油機(jī)設(shè)置的消音器稍小些，因?yàn)樵鰤汉罂梢栽黾舆M(jìn)氣量和增壓比，同時(shí)也可以減小噪音和排氣阻力。與6135G型柴油機(jī)所采用的等加速等減速凸輪所不同，本機(jī)采用高次方組合式凸輪，相比較氣門開(kāi)啟時(shí)間和進(jìn)氣道斷面直徑有所增加，最終提高了進(jìn)氣量。

3.3 冷卻系統(tǒng)

由于采用增壓技術(shù)，本機(jī)的最高燃燒爆發(fā)壓力PZ由6135G型柴油機(jī)的75kg/cm2增大到95kg/cm2，平均有效壓力Pe由6135G型柴油機(jī)的6.66kg/cm2增大到9.17kg/cm2，有效功率Ne由6135G型柴油機(jī)的120PS增大到200PS，由于以上主要技術(shù)指標(biāo)的提高，從而導(dǎo)致燃燒溫度TZ的升高，所以改善冷卻系統(tǒng)是非常必要的。依然選用6135G型柴油機(jī)設(shè)置的水泵，與原來(lái)相比較，水泵轉(zhuǎn)速、皮帶輪速比、風(fēng)扇葉片的直徑、壓力角β和水道直徑都應(yīng)增加。

3.4 燃燒室

增壓作用下，為降低壓力升高比，可以減小壓縮比ε，由6135G型柴油機(jī)的18減小到16，將深坑形“ω”形燃燒室的深度h增大，dK值由6135G型柴油機(jī)的78mm增大到84mm，氣門坑深h1由D6135G型柴油機(jī)的1.6mm增大到9.5mm。

4? D6135CaZ型柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

D6135CaZ型柴油機(jī)是135系列柴油機(jī)產(chǎn)品，該柴油機(jī)外形尺寸小，性能好，重量輕。該柴油機(jī)不同于6135G型柴油機(jī)主要有以下幾點(diǎn)：

4.1 氣缸體與氣缸套

D6135CaZ型柴油機(jī)氣缸體采用整體龍門式結(jié)構(gòu)鑄造而成，與平分式結(jié)構(gòu)相比較，剛度有所增加，同時(shí)拆裝更為方便。氣缸體結(jié)構(gòu)中，隧道式結(jié)構(gòu)剛度和重量最大，一般多用于小型單缸內(nèi)燃機(jī)，6135G型柴油機(jī)采用隧道式結(jié)構(gòu)。為了安裝氣缸蓋時(shí)減少氣缸變形和保證氣缸墊片密封的可靠性，每個(gè)氣缸周圍較均勻地等距布置八個(gè)螺栓，采用雙筋橫隔板合理地傳遞力線。采用側(cè)面無(wú)檢視窗結(jié)構(gòu)降低噪音，提高機(jī)體剛度。為了提高可靠性，大部分油道鑄入在機(jī)體內(nèi)，把缸套上下支承距縮短17mm，有利于提高氣缸套剛度，減輕缸套振動(dòng)，改善其防穴蝕能力，材料一般為灰鑄鐵或鋁合金，本機(jī)選擇灰鑄鐵，成本較低。

4.2 曲軸

D6135CaZ型柴油機(jī)采用整體式曲軸，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、工作可靠。主軸承結(jié)構(gòu)采用滑動(dòng)式軸承，成本相對(duì)較低。曲軸材料選用高強(qiáng)度球墨鑄鐵，成本低，材料利用率高，應(yīng)力分布較為均勻，可以減小扭振振幅。對(duì)表面進(jìn)行氮化處理，軸承、軸頸的耐磨性和疲勞強(qiáng)度有所提高。曲軸上設(shè)置有平衡塊，能夠減少曲軸零件內(nèi)力矩;同時(shí)裝置有橡膠減震器，減少曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。6135G型柴油機(jī)采用組合式曲軸，分段組裝，主軸承采用滾動(dòng)軸承，成本高。

4.3 氣缸蓋與墊片

D6135CaZ型柴油機(jī)采用分體式氣缸蓋，將6135G型柴油機(jī)的兩缸一蓋改進(jìn)為三缸一蓋。這樣氣缸蓋長(zhǎng)度短，各缸中心距相對(duì)減小，與氣缸體之間的密封平面小，加工不平度的要求容易保證，氣缸蓋螺栓的壓緊力分布也比較均勻，受力或受熱不均勻時(shí)氣缸蓋翹曲變形相應(yīng)減少，從而提高氣缸蓋密封的可靠性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用薄底堅(jiān)壁設(shè)計(jì)原則，提高缸頭剛度和抗熱疲勞能力。采用十字鉆孔強(qiáng)制冷卻，局部加強(qiáng)噴油器的冷卻和耐熱能力。氣缸蓋與蓋罩之間有橡皮墊，提高密封性能，降低噪音[3]。

4.4 活塞和活塞環(huán)

在機(jī)體主油道上設(shè)計(jì)噴油管，針對(duì)活塞內(nèi)腔進(jìn)行噴油冷卻，活塞零件的最高溫度為296℃，第一環(huán)槽溫度是193～184℃。奧氏體組織合金鑲塊鑄入頂環(huán)槽內(nèi)，便于環(huán)與槽的磨合，減少環(huán)槽磨損和降低機(jī)油的油耗量。三道氣環(huán)，頂環(huán)是桶面，保證上、下面的密封，減少機(jī)油消耗和竄氣量并提高拉缸能力。后兩道環(huán)是扭曲環(huán)。油環(huán)采用撐簧式組合結(jié)構(gòu)。

4.5 氣門機(jī)構(gòu)

采用高置凸輪，縮短運(yùn)動(dòng)鏈，提高氣門機(jī)構(gòu)剛度和自振頻率。運(yùn)用了多項(xiàng)動(dòng)力式凸輪型線，消除其高諧波部分。避免高速時(shí)氣門反跳現(xiàn)象，改善柴油機(jī)的超速能力，減少氣門系的機(jī)械噪音。

5? D6135CaZ型柴油機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)論

為了提高柴油機(jī)的動(dòng)力性能，滿足現(xiàn)代大型工程機(jī)械需要，本機(jī)在原有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，采用廢氣渦輪增壓技術(shù)，通過(guò)壓氣機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，提高柴油機(jī)進(jìn)氣壓力和充量系數(shù)，使油氣在燃燒室中混合更加充分。為增加進(jìn)氣量，本柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用高次方凸輪結(jié)構(gòu)，增加進(jìn)氣門直徑，氣道設(shè)置更加光滑。為提高燃油的供給量，在供油系統(tǒng)中，增加了柱塞直徑、減壓容積、射油器噴孔直徑和凸輪短期升程。為提高供油量，改善潤(rùn)滑效果，在潤(rùn)滑系統(tǒng)中，增加了機(jī)油泵的轉(zhuǎn)速、機(jī)油泵齒輪的厚度和油底殼的容量，并選用了濾清效果更好的精濾器。為滿足增壓柴油機(jī)的需要，在冷卻系統(tǒng)中，增大了水泵轉(zhuǎn)速、皮帶輪的速比、風(fēng)扇葉片的直徑、葉片壓力角和水道直徑[4]。

綜上所述，基本結(jié)構(gòu)中由于增壓及各大系統(tǒng)發(fā)生改變，本柴油機(jī)動(dòng)力性能極大改善，輸出功率與原有柴油機(jī)相比提高了一倍，因此，適用于現(xiàn)代大型工程機(jī)械需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏春源，張衛(wèi)正，葛蘊(yùn)珊.高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

[2]楊壽藏.產(chǎn)品設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)分析[J].D6135型柴油機(jī)試制總結(jié)，1983（2）：4.

[3]周龍保，劉巽俊，高宗英.內(nèi)然機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[4]吳兆漢，汪長(zhǎng)民，林桐藩，方球.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.