HS400單缸風冷柴油機的開發(fā)

魏長生，金天柱

（1.同濟大學，上海200092；2.上海汽車商用車技術(shù)中心，上海200438）

HS400單缸風冷柴油機的開發(fā)

魏長生1,2，金天柱1,2

（1.同濟大學，上海200092；2.上海汽車商用車技術(shù)中心，上海200438）

根據(jù)國內(nèi)市場對小型風冷單缸柴油機的需求以及滿足即將出臺的新一代單缸機標準要求，上海內(nèi)燃機研究所進行HS400單缸風冷柴油機的開發(fā)。開發(fā)工作以符合工廠實際情況的設計思想和開發(fā)策略為先導，依托成熟技術(shù)平臺，對進排氣道、供油系統(tǒng)、配氣機構(gòu)、缸蓋三孔位置和燃燒室等進行優(yōu)化設計，對關鍵零部件及配置進行更符合發(fā)動機產(chǎn)品制造工藝，更有利提高產(chǎn)品性能和適應環(huán)保法規(guī)的升級改造。

柴油機 總體布置 結(jié)構(gòu)開發(fā) 性能

1 概述

目前我國單缸柴油機產(chǎn)量維持在1 000萬臺左右，居世界第一。但是，縱觀我國單缸柴油機制造業(yè)，大多數(shù)企業(yè)的開發(fā)、設計、試驗、制造及檢測手段落后，企業(yè)自主能力弱，發(fā)動機的動力性、可靠性、熱負荷性能、燃油經(jīng)濟性等指標比較落后，且產(chǎn)品以臥式水冷機型為主，風冷機型較少。隨著市場的發(fā)展，國產(chǎn)水冷柴油機已經(jīng)不能滿足國內(nèi)外用戶對柴油機更高的要求，農(nóng)村廣大用戶迫切需要一種重量輕、功率/質(zhì)量比大、起動容易、性能可靠、使用方便、與國外同類機型相近的HS400風冷柴油機來代替單缸水冷柴油機或鑄鐵機體的單缸風冷柴油機。同時其銷售價格與國外同類機型相比具有較大優(yōu)勢，符合中國老百姓的經(jīng)濟購買能力，適應中國農(nóng)村實用狀況。此外近年來電力供應緊張，個人對5 kW以下的發(fā)電機組需求量大增，特別是近年來汽油價格飆升，柴油發(fā)動機及機組的燃油經(jīng)濟性更顯突出，市場前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著。

HS400風冷柴油機的設計指導思想和開發(fā)策略如下：

（1）設計開發(fā)的小型單缸風冷柴油機，消化吸收國際先進水平的新型直噴燃燒技術(shù)、高壓燃油噴射技術(shù)，與現(xiàn)有大量生產(chǎn)的柴油機相比，能夠節(jié)能5%以上；

（2）設計開發(fā)的小型單缸風冷柴油機，通過采用新型材料和新工藝，與現(xiàn)有大量生產(chǎn)的風冷柴油機相比，能夠節(jié)省原材料8%以上；

（3）進一步優(yōu)化進氣道設計，改變渦流強度和流向，提高過量空氣系數(shù)，提高升功率和功率質(zhì)量比；優(yōu)化活塞、凸輪等的型線減少燃燒盲區(qū)，改進活塞環(huán)、氣缸蓋、噴油器等進一步降低CO、HC、NOx、PM顆粒污染物的排放；

（4）利用Pro/E、GT-Power等軟件在三維實體造型、內(nèi)燃機工況模式方面構(gòu)建全數(shù)字化設計平臺，采用計算機模式分析技術(shù)，在新產(chǎn)品開發(fā)成本方面成為行業(yè)創(chuàng)新點。

2 HS400柴油機結(jié)構(gòu)形式和設計指標

HS400單缸柴油機為單缸、直立、風冷、直噴燃燒系統(tǒng)機型，全鋁壓鑄機體，鍛鋼曲軸，高剛度、低質(zhì)量平切口連桿，下置凸輪軸、液壓挺柱、頂置式氣門結(jié)構(gòu)。針對目前柴油機在起動時可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)、不能瞬間熄火等不安全因素，增加防倒轉(zhuǎn)裝置，并加裝了急停裝置以增加柴油機的安全使用系數(shù)；針對柴油機壓縮比高，起動困難的缺點，在凸輪軸上設有自動減壓機構(gòu)以提高起動性能。HS400柴油機的主要技術(shù)參數(shù)參見表1。

3 總體布置及主要結(jié)構(gòu)件開發(fā)

3.1 總體布置

HS400單缸風冷柴油機為單缸、直立、風冷、直噴，缸套直接鑄入機體，全鋼曲軸，單平衡軸，全鋼、低質(zhì)量平切口連桿，下置凸輪軸、筒形液壓挺柱、頂置式氣門結(jié)構(gòu)，其外形圖如圖1所示。

表1 HS400柴油機主要性能指標

3.2 主要結(jié)構(gòu)件開發(fā)

3.2.1 機體

圖1 HS400柴油機外形圖

為使機體能承受燃燒時產(chǎn)生的高壓，采用了鑄入鑄鐵缸套的高強度鋁機體，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。機體采用金屬模壓鑄，并經(jīng)熱處理，不僅基體材料疏松度小，而且具有足夠的強度和硬度。機體表面的加強筋也利用CAE進行了分析改進，取得了降低輻射噪音的效果。機體圖參見圖2。

圖2 機體圖

3.2.2 氣缸蓋

為保證整機性能、排放達標，以及改善氣缸蓋的制造工藝，重點對3孔（進排氣孔和噴油器孔）位置、氣門尺寸、進排氣道設計等處進行計算分析和試驗驗證。

為獲得更佳的經(jīng)濟性指標和排放指標，設計開發(fā)了更有利于發(fā)動機性能的3孔坐標、氣門閥盤與氣道喉口尺寸、氣道尺寸及形狀，以優(yōu)化燃燒過程與排氣過程[1]，見圖3。

不同于先前以有利于進氣過程布置為主的氣門布置方式，該柴油機更注重排氣過程的優(yōu)化，排氣門的位置更趨中心，加大排氣喉口和排氣閥盤尺寸，以充分利用排氣能量[2]。

通過氣門座圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加大排氣喉口和排氣閥盤尺寸，進氣閥盤尺寸保持不變，噴油器位置更趨中心。同時與以往設計不同的是進排氣門凸出缸蓋底面1 mm，采用這種設計有利于減少燃燒室有害容積，能有效降低NOx排放，如圖4所示。

3.2.3 配氣機構(gòu)

凸輪軸齒輪由曲軸齒輪直接驅(qū)動。重新開發(fā)了與該柴油機開發(fā)目標相適應的新型凸輪型線，以獲得更大的進氣充量。在國內(nèi)首次在單缸柴油機上采用液壓挺柱，減少配氣機構(gòu)運動件數(shù)量和質(zhì)量，使配氣機構(gòu)運動平穩(wěn)，增加柴油機可靠性，見圖5。

3.2.4 燃油系統(tǒng)

圖3 優(yōu)化后的進、排氣孔和噴油器孔的位置圖

圖4 缸蓋內(nèi)部細節(jié)圖

根據(jù)該柴油機的特點，開發(fā)了與該柴油機開發(fā) 目標相適應的新型油泵凸輪型線，以獲得更好的供油特性。同時該柴油機還通過采用無壓力室噴油器，提高噴油泵端的噴油壓力，增加噴油器噴孔數(shù)目和減小噴孔直徑等措施，降低柴油機的油耗率，減少顆粒和CO等污染物的排放[3]，見圖6和圖7。

3.2.5 冷卻系統(tǒng)

作為一款強制風冷柴油機，對冷卻風量和風壓的要求比較高。在設計開發(fā)過程中對飛輪風扇的葉型進行了優(yōu)化設計，在增加進風量的同時減少風扇消耗功率和其所產(chǎn)生的噪聲，參見圖8。

圖5 凸輪型線優(yōu)化前后對比

圖6 高壓油泵

圖7 無壓力室油嘴

3.2.6 冷起動的改善及安全防護措施

針對該柴油機壓縮比高，起動困難的缺點，在凸輪軸上設有自動減壓機構(gòu)以提高起動性能。此外，還根據(jù)目前柴油機在起動時可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)、不能瞬間熄火等不安全因素，增加了防倒轉(zhuǎn)裝置，并加裝了急停裝置以增加柴油機的安全使用系數(shù)，見圖9。

圖8 飛輪風扇葉型參數(shù)

圖9 起動防反轉(zhuǎn)裝置

4 整機性能

雖然該柴油機由于其轉(zhuǎn)速高的特性，加上排量小，活塞行程短，帶來了燃燒過程的組織困難。但通過油氣的精心混合和匹配及燃燒過程的優(yōu)化，該柴油機還是獲得了令人滿意的綜合性能。其外特性整條曲線上排溫＜520℃，煙度＜4.3 BSU，最低燃油耗＜228.7 g/kW·h，最大扭矩達18.5 N·m（2100 r/min時），扭矩儲備系數(shù)為16.4%；該發(fā)動機的外特性曲線和萬有特性曲線參見圖10和圖11。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2。

表2 HS400柴油機排放測試結(jié)果

該柴油機的所有機型的可靠性均按 JB/T 9773.1－1999《柴油機 臺架試驗考核方法》、JB/T 51127－1999《中小功率柴油機 產(chǎn)品可靠考核》和Q/HSG 21－2007《HS400型小型單缸風冷柴油機》企業(yè)標準進行考核。

環(huán)保指標和安全要求則符合國家強制性標準JB/T 8895－1999《中小功率柴油機 通用技術(shù)條件》、GB 14097－1999《中小功率柴油機噪聲限值》、GB 9486－1988《柴油機穩(wěn)態(tài)排氣煙度及測量方法》、JB 8891－1999《中小功率柴油機 排氣污染物排放限值》、GB 20891－2007《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）》和JB 8890－1999《往復式內(nèi)燃機安全要求》的規(guī)定。

圖10 HS400柴油機外特性曲線

圖11 HS400柴油機萬有特性曲線

5 結(jié)束語

HS400柴油機的成功開發(fā)表明，順應市場需求，確立符合工廠實際情況的開發(fā)目標、設計指導思想和開發(fā)策略，是產(chǎn)品研發(fā)工作能多快好省進行的基礎。結(jié)構(gòu)設計的先進性與零件制造工藝性的有機結(jié)合、整機性能與配置的優(yōu)化組合，是產(chǎn)品研發(fā)指標得以順利實現(xiàn)的保障。

（1）由于開發(fā)過程以設計、生產(chǎn)、配套三位一體的研發(fā)模式同時進行，因此在較短的時間內(nèi)即實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)，又創(chuàng)造了良好的社會與經(jīng)濟效益。 （2）由于采用了更加符合產(chǎn)品性能、可靠性和制造工藝的結(jié)構(gòu)設計，使該柴油機的產(chǎn)品品質(zhì)得以大幅度提高，而產(chǎn)品制造成本得以大幅度降低。

（3）該柴油機相對其他機型，成本更低，且油耗率降低了20 g/(kW·h)，直接減少農(nóng)業(yè)成本投入，增加了農(nóng)民的經(jīng)濟收入，減輕了農(nóng)村的勞動強度，對促進農(nóng)民的增產(chǎn)增收起到了關鍵作用。

（4）該產(chǎn)品既有較高的經(jīng)濟效益，又有較好的社會效益，具有很強的市場競爭力。

1周龍保，劉選 俊，高宗英．內(nèi)燃機學[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1999．

2蔣德明．內(nèi)燃機中的氣體流動[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1986．

3宋龍甫，鄭國世，王建昕．B231發(fā)動機性能優(yōu)化及循環(huán)模擬計算[J]．內(nèi)燃機工程，2006，27（1）：76-80．

Development of Single-Cylinder Air-Cooled Diesel Engine

Wei Changsheng1,2,Jin Tianzhu1,2
（1.Tongji University,Shanghai 200092,China; 2.Saic Motor Commercial Vehicle Technology Center,Shanghai 200438,China）

To meet the domestic market demand for small air-cooled single-cylinder diesel engine and to meet the standards of the forthcoming new generation of single-cylinder engine,the Shanghai Internal Combustion Engine Research Institute developed HS400 single-cylinder air-cooled diesel engine.Based on the design ideas of the actual situation and development strategies and relying on the proven technology platform,the work of development not only focused on optimization of the intake and exhaust ports,fuel system,valve train,cylinder head and the combustion chamber,but also upgraded the key components and engine manufacturing process to improve product performance and meet the emissions regulation.

diesel engine,overall layout,configuration development,performance

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.001

來稿日期：2011-10-31

魏長生（1977-），男，大學本科，主要研究方向為內(nèi)燃機整機設計。