280柴油機凸輪軸改進

孟 浩,殷玉龍

(中國北車集團 大連機車車輛有限公司 柴油機開發(fā)部,遼寧大連116022)

大連機車車輛有限公司(以下稱公司)自主研發(fā)的12V 280ZJ柴油機性能基本達到設計目標要求,但是在某些方面還存在一些問題,例如在溫度場試驗時發(fā)現(xiàn)排氣溫度和排氣門溫度偏高;供油凸輪相位不甚合理,以至于供油提前角大于20°時,由于供油率偏低,供油提前角的變化對爆發(fā)壓力影響不明顯,反而造成在同一工況下,供油持續(xù)期隨供油提前角的增加而加長。為此,對12V 280ZJ柴油機的配氣凸輪型線和供油凸輪相位進行適當改進。

1 12V280ZJ柴油機凸輪改進

1.1 配氣凸輪改進

法國 PA 6柴油機原采用脈沖增壓系統(tǒng),在研制MPC增壓系統(tǒng)開始時,由于仍采用原脈沖增壓系統(tǒng)用的配氣凸輪,因此一度出現(xiàn)各氣缸排氣溫度不均(最高和最低相差約80℃)和排氣門溫度偏高等問題。后通過測量進排氣低壓波進行分析,找到了原因。改進了進排氣凸輪型線:使進排氣重疊前期進氣門開度減小,以減小氣缸之間排氣壓力波的相互干擾;延長排氣門的關閉段,加強進排氣重疊后期的掃氣,以增強對排氣門的冷卻,如圖1所示。由此,問題得到了解決。

圖1 PA6柴油機進排氣凸輪升程及相位曲線

分析12V 280ZJ型柴油機前3臺樣機試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),也存在類似PA 6柴油機的上述情況。參照PA 6柴油機的改進經驗,解決12V 280ZJ柴油機排氣溫度偏高和不均,以及排氣門溫度偏高的主要措施是在進排氣重疊前期,進氣門開度不提前和不加大的前提下,延長排氣門關閉段,并加大關閉段后期的開度,以加長進排氣重疊期,增強對氣缸和排氣門的掃氣。另外,為不影響柴油機性能和其他零部件的結構,進排氣凸輪的改進還應滿足下列要求:

①氣門最大升程保持不變;

②氣門開啟的時面值不小于原設計值;

③氣門與活塞的最小間隙保持基本不變,以便仍采用無避閥穴活塞頂;

④滾輪的最大正、負加速度不超過原設計值,以保持氣門彈簧不變。

經多方案計算比較,最終確定的改進方案其進排氣凸輪的上述參數(shù)見表1,表中同時列出了原設計的相應參數(shù)。

表1 進排氣凸輪改進前后的凸輪參數(shù)

進、排氣凸輪的具體改進情況說明如下:

(1)進氣凸輪

對原進氣凸輪型線僅作微小調整:

①上升段與下降段仍為對稱,其作用角均仍為83°,凸輪總作用角仍為180°;

②為減小對系統(tǒng)的沖擊,基圓過渡段中的等加速段改為正弦加速段,以使其兩端點處的加速度為0(與前后連續(xù));同時,為控制該段最高加速度與原設計基本相等,將該段的長度由原來的4°增加到6°。

(2)排氣凸輪

排氣凸輪的改進主要是延長關閉段,并加大關閉段后期的升程。改進的排氣凸輪特點如下:

①具有不對稱的上升段和下降段:上升段作用角仍為 83°,下降段作用角由原來的 83°加長到 98°,凸輪的總作用角由原來的185.5°加長到 195.5°;

②與進氣凸輪相同,將基圓過渡段中的等加速函數(shù)段都改為正弦加速函數(shù)段,長度由原來的4°增加到6°。

(3)進、排氣凸輪相位

改進前后的進、排氣凸輪升程始點相對曲軸轉角位置不變。按主作用段始點計的進排氣門開啟和關閉相位如表2所示。

表2 進排氣門開啟和關閉相位 (°)

由表2可知,進、排氣門開啟重疊角由原來的100°增加到124°。

進、排氣凸輪改進前后,氣門與活塞最小間隙及進、排氣門開啟重疊情況如圖2所示。

圖2 進排氣凸輪改進前后氣門與活塞最小間隙及掃氣情況

1.2 供油凸輪改進

12V 280ZJ柴油機供油凸輪的設計相位:凸輪升程始點在壓縮沖程上止點前42.56°曲軸轉角(21.28°凸輪轉角)。標定工況的設計供油始點在壓縮沖程上止點前12.24°曲軸轉角(6.12°凸輪轉角),即位于 15.16°凸輪轉角處,如圖3所示。按設計狀況來說,標定工況時,不僅有高的噴油泵柱塞速度,并有高的初始供油速率,而且在整個供油期內都有高的供油速率。因而可得到好的噴油特性,有利于組織好氣缸內的燃燒,獲得好的柴油機性能(包括燃油消耗率、排溫以及柴油機最大功率的發(fā)揮等);同時,也有利于柴油機的排放。按原供油凸輪的設計相位,該設計點正好落在供油凸輪滾輪的最高速度點處。由供油凸輪型線可知:從該點到凸輪小半徑區(qū)的距離為19°凸輪轉角,即在這19°凸輪轉角范圍內,供油凸輪滾輪均有高的上升速度,因而均可給出高的噴油泵供油速率;而在該點之前,供油凸輪滾輪上升速度急劇下降,因而,噴油泵供油速率也隨之急劇下降。對機車柴油機來說,為使其按牽引曲線運行時有好的性能,在部分工況時的供油提前角,通常都比標定工況時大,以充分利用、提高部分工況的爆發(fā)壓力,來改善柴油機部分工況下的性能。由此可知,12V 280ZJ柴油機原供油凸輪的設計相位,決定了部分工況時噴油泵供油速率的急劇降低,影響柴油機性能的改善,供油持續(xù)期也必然會相應延長。這一點在3號樣機負荷特性優(yōu)化試驗中得到了驗證。

圖3 原設計供油凸輪相位標定和常用工況供油始點位置

3號12V 280ZJ柴油機在常用工況850 r/m in到960 r/m in范圍內的供油提前角為24°～26°,均遠離設計點。從圖3可以清楚地看出,這些工況點(包括低工況點)的供油區(qū)段均落在供油凸輪的低速率區(qū),偏離供油凸輪的最佳工作區(qū)段太遠。因而這些工況下的噴油泵供油速率都很低,不可能得到好的柴油機性能。或者說,如果將這些工況點的供油區(qū)段移到供油凸輪最佳區(qū)段,柴油機在這些工況運轉時的性能(燃油消耗率、排溫等)將會有明顯改善。

由上述分析,考慮將供油凸輪相對于曲軸向前轉4°曲軸轉角(2°凸輪轉角),曲軸上止點落在23.28°凸輪轉角,如圖4所示。

供油凸輪相位改進后,預計要達到效果如下:

(1)標定工況點(供油提前角為14°曲軸轉角)時,噴油泵柱塞初始速度由原來的0.889 7 mm/(°)提高到0.97mm/(°),約提高9%。噴油泵供油期間柱塞平均速度也略有提高。柴油機標定工況的性能也將有所改善。

(2)常用工況點(供油提前角為24°曲軸轉角)時,噴油泵柱塞初始速度由原來的0.537 9 mm/(°)提高到0.741 4mm/(°),提高37.8%。供油期的柱塞平均速度也將有明顯提高。預計柴油機常用工況時的性能(燃油消耗率、排溫等)會有明顯改善。

圖4 供油凸輪相位改進后標定和常用的工作區(qū)段

圖5 氣缸排氣溫度結果對比

圖6 燃油消耗率結果對比

2 改進后的凸輪軸對比試驗

2.1 供試驗凸輪軸

為檢驗上述改進的正確性和可行性,根據(jù)12V 280ZJ柴油機樣機臺架試驗,在12V 280ZJ單缸試驗機進行驗證試驗。為此,制作3種方案試驗用凸輪軸。

(1)供油凸輪相位改進的凸輪軸

該凸輪軸僅將供油凸輪向前轉2°凸輪轉角,供油凸輪型線參數(shù)不變。該凸輪軸可參照原技術文件制造,凸輪升程始點角度由20.72°改為18.72°,其余如供油凸輪型線參數(shù)、進排氣凸輪相位和型線參數(shù)等均不變;

(2)進排氣凸輪型線改進的凸輪軸

該凸輪軸僅改變進排氣凸輪型線參數(shù)。該凸輪軸可參照原技術文件制造。進氣凸輪升程始點角度13°7′23″和總作用角 180°保持不變 ;排氣凸輪升程始點角度 12°37′23″保持 不變,總作用角由 185.5°改為195.5°;

(3)供油凸輪相位和進排氣凸輪型線都改進的凸輪軸

該凸輪軸將供油凸輪相位和進排氣凸輪型線都按(1)、(2)改進制造。

2.2 280單缸柴油機凸輪軸試驗

(1)試驗前的準備

對3種改進凸輪軸的凸輪型線及其相位進行計量,確定其是否符合設計要求。

(2)280單缸柴油機凸輪軸試驗

整個試驗工況、控制參數(shù)是根據(jù)12V 280ZJ柴油機性能試驗設定,試驗工況如表3。

表3 280單缸柴油機凸輪軸試驗工況表

由于整個試驗是在280單缸柴油機上進行,氣缸進氣溫度、壓力和排氣背壓對性能參數(shù)影響十分明顯,所有整個試驗過程中對上述參數(shù)控制十分嚴格,允差1%左右,同時嚴格控制柴油機油水溫度、壓力。

(3)改進凸輪軸的試驗

按表3規(guī)定的工況,按原始方案和改進方案(1)、(2)、(3)的順序進行試驗,記錄全部性能參數(shù)。

(4)復核試驗

按表3規(guī)定的工況,采用原凸輪軸進行復核試驗,記錄全部性能參數(shù)。

2.3 試驗結果對比

(1)氣缸排氣溫度試驗數(shù)據(jù)對比(圖5);

(2)燃油消耗率試驗數(shù)據(jù)對比(圖6)。

3 結束語

此次對280柴油機進排氣凸輪和供油凸輪改進主要目標是降低氣缸排溫和改善柴油機在部分負荷工況燃油消耗率,從氣缸排氣溫度(圖5)結果對比和燃油消耗率(圖6)結果對比中可以看出已經達到預期目標。在部分負荷工況時氣缸排溫降低了20℃～30℃,燃油消耗率降低了5～10 g/(kW?h),效果還是很明顯的。但是,柴油機在900～1 000 r/m in工況時,3種改進凸輪軸方案與原方案結果對比幾乎一樣,氣缸排溫有所降低,但是幅度很小,燃油消耗率幾乎沒有變化,主要原因是280柴油機增壓配套和電子噴射系統(tǒng)優(yōu)化主要是針對標定工況點,達到最佳空燃比,在該工況點附近柴油機各項性能參數(shù)如燃油消耗率、氣缸排溫、爆發(fā)壓力以及燃氣排放等均達到最佳值所致。

[1]周龍保主編.內燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[2]北方交通大學主編.機車柴油機原理[M].北京:中國鐵道出版社,1981.