一種大功率節能環保發動機缸體結構設計

摘 要：本文提供了一種發動機缸體結構，包括發動機缸體和設置在發動機缸體底部兩側的深裙結構體，兩側的深裙結構體均設置為第一中空結構，且第一中空結構同時兼為潤滑回油道，布置比較緊湊，同時解決了缸體的油氣平衡的問題。與現有技術中為實體結構的深裙結構的發動機缸體結構相比，本文提供的發動機缸體結構不僅結構剛度、強度較好，滿足高爆壓、高升功率技術發展的要求，同時還減輕了缸體的重量，降低了成本，且能夠降低在發動機運行的過程中產生的振動和噪聲，提高了發動機的壽命。

關鍵詞：發動機；缸體；結構；強度高；剛度好；重量輕；減振；降噪

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.234

大功率發動機功率大，能耗高，其節能環保技術在當今資源日趨緊張的時代變的越來越重要。為了解決這個方面的技術問題，就需要提高發動機的爆發壓力，從而提高燃燒及排放性能，而這對發動機的基礎部件——發動機缸體的設計提出更高的要求。現有的發動機結構由于受到材料、鑄造等各個因素的影響，比較笨重、落后，且無法滿足高爆壓、高升功率技術發展的要求。如何設計一款重量輕、剛度、強度高、能有效減振和降噪的發動機缸體成為發動機設計關鍵技術之一。經過多年的技術發展，現在完全可以滿足結構優化設計的更高要求。筆者在總結現有缸體結構設計的基礎上，提出了一種新的發動機缸體結構。

1 該缸體結構具體介紹如下

附圖1是該結構的縱切剖視圖，包括發動機缸體5和設置在其底部兩側的深裙結構體8，設置在其內的多個氣缸4以及位于其底部用于放置發動機曲軸的發動機曲軸箱6，兩側的深裙結構體8均設置為第一中空結構1，且第一中空結構1同時可以作為潤滑回油道7，布置緊湊。如圖1-4所示；第一中空結構1同時可用作油氣平衡的通道；在發動機運轉的過程中，油底殼或曲軸箱內的燃燒漏氣及油氣可以通過上述中空結構，再經缸蓋上的孔進入到缸蓋罩殼內，然后經油氣分離器將潤滑油分離出來，使其回流到油底殼，其他氣體排到發動機外部，實現了油氣的自由流動和油氣平衡，合理控制曲軸箱壓力。與現有技術的實體深裙結構缸體相比，該結構減輕了缸體的重量，降低了成本。

為了在減輕缸體重量的同時保證缸體結構所必須的結構剛度和強度，在深裙結構的外側還設置有加強筋2，如圖3和圖4所示；設計加強筋2時應該根據缸體結構各部位受力情況的不同合理布局加強筋2的位置、適當選擇加強筋2的形狀，該加強筋2能夠克服缸體因壁厚差別帶來的應力不均所造成的扭曲變形，提高了缸體的剛度和強度，降低了發動機運行的過程中產生的振動和噪聲，將振動與噪聲的水平控制在理想的范圍之內，提高了發動機的工作壽命，從而為整個發動機的可靠運轉提供了基本保障。

附圖2是缸體前端第一主軸承壁中空結構的縱切剖視圖。該缸體包括曲軸箱6、設置在缸體5內部用來潤滑主軸承孔的潤滑油道9，以及設置在缸體底部兩側的深裙結構體8。圖2與圖1所示的缸體結構的不同之處在于在缸體5前端的第一主軸承壁處，缸體5在相鄰兩個氣缸4之間的部位均設置為第二中空結構10，在缸體的一側布置有主油道與潤滑油道9供油，且深裙結構體8在每個氣缸4所對應的部位均設置為球狀結構3，球狀結構3的外表面設置有加強筋2，如圖3和圖4所示；具體應用時根據缸體結構各部位受力情況的不同合理布局和選擇加強筋2的位置和形狀（根據缸體、缸蓋聯合有限元計算結果判別合理性）。

由于球狀結構3具有圓滑的過渡面，在發動機運行的過程中，其受力過度平穩，減少了發生應力集中的現象，增強了深裙結構的結構剛性和強度，降低了發動機運行的過程中產生的振動和噪聲。

該缸體結構中，中空結構1位于發動機的缸蓋螺栓與主軸承螺栓的受力傳遞線的一側。由于上述受力傳遞線同時承受著發動機的缸蓋螺栓和主軸承螺栓的拉壓力還有其他的一些扭轉載荷，其承受載荷比較大，在設計中空結構1時應盡力避開發動機的缸蓋螺栓與主軸承螺栓的受力傳遞線的位置，以提高該缸體結構的承載能力。

2 該缸體結構的突破創新表現在

氣缸體采用龍門式深裙結構，裙部中空，且此中空結構與潤滑油油氣平衡通道集成在一起。同時，通過有限元分析，優化了裙部的大球面設計參數，大幅度提高了氣缸體的剛度，降低了缸體裙部發生變形的幾率，減輕了整機重量，降低了生產成本。通過FEM模擬計算分析，缸體強度和疲勞安全系數完全滿足設計要求。通過14Hz頻率，489kN加載，400萬次交變負荷的專門疲勞測試和36000小時包括負荷循環、全速全負荷、超速超負荷等苛刻實驗循環的臺架耐久試驗，驗證了該缸體具有高剛度、輕量化的特點。參評專利作為重要的基礎型專利，隨著該產品后續的系列化應用開發，必將發揮其重要基礎應用技術平臺作用，應用前景廣闊。

3 主要解決的技術問題為節能環保技術

采用柴油機發動機電子控制技術，實現了高噴射壓力、高爆發壓力的高效燃燒。為保證高爆發壓力，創新設計了高剛度、輕量化中空腔發動機缸體結構，保證了缸體的剛度，減輕了整機重量。 同時，采用帶鉑涂層具有氨捕捉功能的選擇性催化還原后處理技術，大幅降低氮氧化物排放，滿足國四、國五排放水平，具備升級歐六排放潛力。

4 節能環保技術的主要技術難點

發動機尾氣污染物控制技術主要包括機內凈化技術和污染物后處理技術。機內凈化技術主要是通過采用電控高壓共軌噴射系統來實現。采用該系統后，可以使發動機噴射壓力和爆發壓力不斷提高（爆發壓力可從原來的140-165bar升高到180-190bar），這對發動機的強化程度和可靠性提出了新的要求。目前一般龍門式發動機缸體在高爆發壓力工作環境下，剛度不夠，可靠性不能保證，雖然增加發動機缸體的壁厚可以提高剛度，但是同時也會增加發動機的重量。因此，開發高剛度、輕量化的缸體就成為技術難點。

5 結論

目前利用該技術設計、生產的產品已經于2013年7月份批量投放市場，經受住了各種惡劣使用工況的考驗，各項指標達到了預期的目標。項目產品其低速大扭矩、高可靠性、高安全性及節能環保等性能，特別適用于重型專用車的應用，完全實現替代進口，填補省內高效節能環保大功率發動機的空白，對我國內燃機技術發展和產業發展有重大推動作用。實踐證明，該發動機缸體結構不僅結構剛度、強度較好，滿足高爆壓、高升功率技術發展的要求，同時還減輕了缸體的重量，降低了成本，且能夠降低在發動機運行的過程中產生的振動和噪聲，提高了發動機的壽命。

參考文獻：

[1]周龍保主編.內燃機學（第二版）[S].機械工業出版社，2005（01）.

[2]袁兆成主編.內燃機設計[S].機械工業出版社，2008（08）.