一款擴行程柴油機設計開發

毛明華

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

一款擴行程柴油機設計開發

毛明華

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

介紹了一款擴行程柴油機的設計開發，其中重點介紹了缸蓋墊片密封、曲柄連桿機構、冷卻系統、潤滑系統的改進設計。開發過程中采用CAE分析及試驗手段驗證了設計開發是合理的、可靠的。

柴油機擴行程改進設計

1 前言

近年來，經濟的快速發展和電力資源緊張，導致對電站柴油機的需求增加。為滿足市場需求，各柴油機公司競相開發大功率柴油機，以搶占電站柴油機市場。然而，一款全新柴油機從開發到成熟均需要經歷3至5年的周期。為盡快補充柴油機功率空缺，在現有柴油機的基礎上進行提升功率是一種周期短、風險小、見效快的途徑。

原柴油機是20世紀90年代自主開發的柴油機。該柴油機推出市場已經十幾年，反映良好，尤其在低端電站柴油機市場上表現突出，占有不小的市場份額?；诂F狀，對該柴油機通過擴行程開發提升功率，并對結構進行優化設計，同時提高柴油機的整體可靠性。

2 開發目標

擴行程后柴油機沿用原濕式缸套、增壓、空空中冷技術路線。采用機體高度不變，減小活塞壓縮高度，增加曲軸旋轉半徑方案實現柴油機行程增加。鑒于柴油機行程增加后排量增加10%，而功率提高20%，強化程度提高，需對氣缸蓋墊片密封、曲柄連桿機構、冷卻系統、潤滑系統、緊固件連接等方面進行結構優化設計。柴油機擴行程前后參數的對比如表1所示。

3 主要結構設計

3.1 氣缸蓋墊片密封設計

擴行程前該柴油機采用非金屬墊片，擴行程后柴油機的爆發壓力有所升高。為保證機體與缸蓋間密封的可靠性，采用6缸一體式的多層金屬墊片，同時在以下3方面進行優化設計。

1）缸套突出量的控制。根據缸蓋墊片的密封設計要求控制柴油機缸套突出量在0.04～0.12 mm，相鄰兩缸缸套突出量差0.03 mm。通過控制缸套及機體零件的公差，滿足缸套突出量的控制要求。

在無法提高機體加工設備精度來滿足要求的情況下，可以采用選配缸套調整墊片的方式滿足對缸套突出量控制的要求。根據機體止口深度（肩胛至頂面距離）數據按表2選用合適的氣缸套調整墊片。

2）氣缸蓋螺栓預緊力控制。根據多層金屬缸蓋墊片的密封設計要求，氣缸蓋螺栓預緊力的控制包括增大氣缸蓋螺栓的軸向力及控制氣缸蓋螺栓預緊力的裝配一致性。

表1 柴油機擴行程前后參數對比

表2 調整墊片和缸套凸出量

擴行程前該柴油機氣缸蓋螺栓的擰緊采用扭矩法。如簡單采用增大扭矩的方法增加預緊力，預緊力的增加非常有限，而零件的可靠性將面臨非常大的風險。因此，在不改變機體、缸蓋螺栓布置及螺栓直徑的前提下，增大氣缸蓋螺栓的軸向力，并控制軸向力的裝配一致性。擴行程后的柴油機改進設計了氣缸蓋螺栓，并采用轉角法，使得擰緊后的緊固件應力處于過屈服狀態。這種方法不僅可以最大限度地利用螺栓強度的潛力，而且更為重要的是，與扭矩法比較可以更有效控制缸蓋螺栓預緊力的一致性。氣缸蓋螺栓的改進設計主要集中在控制螺栓強度及表面摩擦系數上。

3）調整機體、缸蓋設計，保證氣缸蓋墊片密封帶寬度大于3 mm。機體與缸蓋結合面涉及缸孔、螺栓孔、水孔、油孔、挺住孔等眾多密封要素。有些密封部位屬于加工成形，有些密封部位屬于鑄造成形，應充分考慮機加工及毛坯偏差及缸蓋墊片本身的制造偏差，嚴格保證密封帶寬度，才能實現可靠密封。

3.2 曲柄機構擴行程設計

擴行程前柴油機活塞的壓縮高度為95 mm，該活塞壓縮高度相對較大。擴行程后活塞壓縮高度降低到86.3 mm。這樣可以在保證機體高度不變的前提下實現行程的增加，同時可以減小活塞的質量及慣性力。另外，由于擴行程后曲軸旋轉半徑的增加，活塞裙部高度需要適當減小，以避免二者干涉。

此外，根據原活塞的實際使用情況，擴行程后新活塞部分結構形式進行了改進設計：（1）原活塞積碳槽的存在容易導致頭部積碳帶來缸套的過度磨損，新活塞取消頭部積碳槽；（2）原活塞銷孔與活塞銷采用過渡配合，裝配時需要采用熱套方式，能耗很大，擴行程后新活塞采用全浮式活塞銷，銷孔與活塞銷采用間隙配合。

擴行程后重新設計曲軸。除了增加旋轉半徑以實現行程的增加外，為適應爆壓的提高，曲軸材料采用了非調制鋼S38MnSiⅤ，對所有主軸頸、連桿軸頸及其過渡圓角采用感應淬硬表面強化處理。

3.3 冷卻系統改進設計

擴行程后柴油機功率大幅提高，柴油機的熱負荷增加，必須增加柴油機冷卻系統的工作能力以保證柴油機的工作可靠性。改進后，重新設計水泵，增加了水泵流量，同時提高了水泵揚程。另一方面，根據系統CFD計算結果及冷卻系統試驗，通過對水泵的進、出水管、機油冷卻器的進水管、缸蓋出水總管、節溫器等零部件的結構設計改進，優化了冷卻系統阻力。改進前后柴油機標定工況下冷卻系統壓力分布對比見表3。

表3 標定工況冷卻系統關鍵參數的對比

改進后的冷卻系統，通過合理選擇散熱器，柴油機水泵進口與柴油機出水口的冷卻水溫差可以維持在5℃左右，柴油機出水溫度維持在95℃左右，可以保證柴油機各零部件的工作可靠性。

3.4 潤滑系統改進設計

擴行程后柴油機功率提高，熱負荷增加，機油帶走的熱量增加。改進后的潤滑系統增加了機油泵流量，同時也增加了機油冷卻器散熱面積，使機油可以在合適的溫度下工作，以保證柴油機潤滑部位油膜的正常建立，防止擴行程后柴油機機械負荷增加所帶來的異常磨損。

此外，從柴油機耐久性考慮，機油泵流量的增加，可以在柴油機發生一定磨損后潤滑系統仍然保證足夠的機油壓力，使機油順利到達潤滑部位。另外，機油冷卻器散熱面積的增加還可以防止熱負荷增加導致的機油老化過快，保證換油期。

改進前后柴油機標定工況下潤滑系統機油壓力的分布對比見表4。

表4 標定工況潤滑系統關鍵參數對比

3.5 緊固件連接改進設計

柴油機各連接部位緊固件的連接可靠性對于柴油機的密封和零件的可靠工作至關重要，需對柴油機所有緊固件規定明確的擰緊力矩及力矩公差。

擴行程后柴油機關鍵緊固件除氣缸蓋螺栓的改進設計外，還改進設計了連桿螺釘，并采用轉角法擰緊保證預緊力的一致性。另外，柴油機擴行程后功率提升了20%，輸出扭矩同步增加。為保證輸出扭矩的可靠傳遞，飛輪螺栓進行了改進設計，同時也采用了轉角法擰緊方式。為保證緊固件連接可靠性，采用轉角法擰緊的氣缸蓋螺栓、連桿螺栓及飛輪螺栓明確擰緊使用次數。關鍵緊固件的擰緊力矩見表5。

表5 關鍵緊固件擰緊力矩

擴行程后柴油機其他零部件結構的改進設計，如進氣系統零部件由于進氣量和進氣壓力的增加而進行相應的改進設計；如根據缸蓋的熱機耦合強度計算結果對缸蓋進行局部改進設計，提高安全系數；如燃油系統增加濾清器工作能力、高壓油管改進設計，實現高壓油管可靠的固定及拆裝方便；其他零部件改進設計在此不再細述。

4 性能開發

擴行程后的柴油機基于柴油機爆發壓力限制、冷起動要求限制、燃油經濟性及動力性要求，根據柴油機性能對比試驗選定了缸蓋渦流比、活塞壓縮比、高壓油管內徑和長度、配氣相位、中冷器大小及結構形式、及合適的噴油泵、噴油器和增壓器。開發后1 500 r/min的負荷特性試驗數據見圖1。試驗時的環境溫度25℃、環境壓力101 kPa、環境濕

圖4 1500 r/min負荷特性

度40%，控制柴油機出水溫度約90℃、排氣背壓約6 kPa。

由圖1可見，擴行程后的柴油機經濟性、動力性滿足開發要求，且各運行參數對零部件設計無特殊要求，成本可控。

性能定型后的柴油機進行冷起動、振動及噪聲試驗。試驗結果表明不帶冷起動輔助裝置柴油機能在-10℃下順利起動，噪聲及振動均滿足國家標準要求。

5 結論

該擴行程柴油機的開發，基于先進的柴油機開發流程，零部件及各系統開發采用CAE計算和完善的試驗驗證其功能及可靠性。整機開發經過了概念設計、樣機試制、性能開發、機械開發、最終OTS樣機試制及各階段耐久試驗及用戶試驗，驗證了該擴行程柴油機結構設計合理，工作可靠。

Optimization of Extended Stroke Engine

Mao Minghua
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

Optimization of an engine of extended stroke is introduced,including improvements of sealing performance of cylinder-head gasket,crank train,cooling system,lubricating system,etc.CAE analysis and bench test are conducted to verify the improvements.

diesel engine,extended stroke,optimization

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.003

來稿日期：2013-10-29

毛明華（1979-），女，工程師，主要研究方向為船機電站柴油機開發。